海水淡化技術

海水淡化技術，海水由於其含鹽量非常高，而不能被直接使用，主要採用兩種方法淡化海水，即蒸餾法和反滲透法。蒸餾法主要被用於特大型海水淡化處理上及熱能豐富的地方。反滲透膜法適用面非常的廣，且脱鹽率很高，因此被廣泛使用。反滲透膜法首先是將海水提取上來，進行初步處理，降低海水濁度，防止細菌、藻類等微生物的生長，然後用特種高壓泵增壓，使海水進入反滲透膜，由於海水含鹽量高，因此海水反滲透膜必須具有高脱鹽率，耐腐蝕、耐高壓、抗污染等特點，經過反滲透膜處理後的海水，其含鹽量大大降低，TDS含量從36000毫克/升降至200毫克/升左右。淡化後的水質甚至優於自來水，這樣就可供工業、商業、居民及船舶、艦艇使用。 ^[1] 

全球海水淡化技術超過20 餘種，包括反滲透法、低多效、多級閃蒸、電滲析法、壓汽蒸餾、露點蒸發法、水電聯產、熱膜聯產以及利用核能、太陽能、風能、潮汐能海水淡化技術等等，以及微濾、超濾、納濾等多項預處理和後處理工藝。

從大的分類來看，主要分為蒸餾法(熱法)和膜法兩大類，其中低多效蒸餾法、多級閃蒸法和反滲透膜法是全球主流技術。一般而言，低多效具有節能、海水預處理要求低、淡化水品質高等優點;反滲透膜法具有投資低、能耗低等優點，但海水預處理要求高;多級閃蒸法具有技術成熟、運行可靠、裝置產量大等優點，但能耗偏高。一般認為，低多效蒸餾法和反滲透膜法是未來方向。預計“十二五”期間，我國海水淡化將達到150萬-200萬噸/日，是現有產能的三、四倍，投資規模將達到200億元左右。

冷凍海水淡化法原理：海水三相點是使海水汽、液、固三相共存並達到平衡的一個特殊點。若壓力或温度偏離該三相點，平衡被破壞，三相會自動趨於一相或兩相。真空冷凍法海水淡化正是利用海水的三相點原理，以水自身為製冷劑，使海水同時蒸發與結冰，冰晶再經分離、洗滌而得到淡化水的一種低成本的淡化方法。與蒸餾法、膜海水淡化法相比，冷凍海水淡化法能耗低，腐蝕、結垢輕，預處理簡單，設備投資小，並可處理高含鹽量的海水，是一種較理想的海水淡化法。

冷凍法，即冷凍海水使之結冰，在液態海水變成固態冰的同時鹽被分離出去。冷凍法與蒸餾法都有難以克服的弊端，其中蒸餾法會消耗大量的能源並在儀器裏產生大量的鍋垢，而所得到的淡水卻並不多；而冷凍法同樣要消耗許多能源，但得到的淡水味道卻不佳，難以使用。

冷凍海水淡化法工藝之預冷 海水脱氣後可與蒸發結晶器內排出的濃鹽水和淡化水產生熱交換，預冷至海水的冰點附近。冷凍海水淡化法工藝之脱氣 由於海水中溶有的不凝性氣體在低壓條件下將幾乎全部釋放,且又不會在冷凝器內冷凝。這將升高系統的壓力，使蒸發結晶器內壓力高於二相點壓力，破壞操作的進行。顯然減壓脱氣法適合本系統。

淡化法是影響海水蒸發與結冰速率的主要因素。

海水淡化法工藝之冰—鹽水是一固液系統 普通的分離方法均可使冰—鹽水得到分離，但分離方法不同，得到的冰晶含鹽量也不同。實驗結果表明減壓過濾方法得到的冰晶含鹽量比常壓過濾方法得到的冰晶含鹽量低得多。海水淡化法工藝之蒸汽冷凝 在蒸發結晶器內，除海水析出冰晶以外，還將產生大量的蒸汽，這些蒸汽必須及時移走，才能使海水不斷蒸發與結冰。

通常又稱超過濾法，是1953年才開始採用的一種膜分離淡化法。該法是利用只允許溶劑透過、不允許溶質透過的半透膜，將海水與淡水分隔開的。在通常情況下，淡水通過半透膜擴散到海水一側，從而使海水一側的液麪逐漸升高，直至一定的高度才停止，這個過程為滲透。此時，海水一側高出的水柱靜壓稱為滲透壓。如果對海水一側施加一大於海水滲透壓的外壓，那麼海水中的純水將反滲透到淡水中。反滲透法的最大優點是節能。它的能耗僅為電滲析法的1/2，蒸餾法的1/40。因此，從1974年起，美日等發達國家先後把發展重心轉向反滲透法。

反滲透海水淡化技術發展很快，工程造價和運行成本持續降低，主要發展趨勢為降低反滲透膜的操作壓力，提高反滲透系統回收率，廉價高效預處理技術，增強系統抗污染能力等。

人類早期利用太陽能進行海水淡化，主要是利用太陽能進行蒸餾，所以早期的太陽能海水淡化裝置一般都稱為太陽能蒸餾器。蒸餾系統被動式太陽能蒸餾系統的例子就是盤式太陽能蒸餾器，人們對它的應用有了近150年的歷史。由於它結構簡單、取材方便，仍被廣泛採用。對盤式太陽能蒸餾器的研究主要集中於材料的選取、各種熱性能的改善以及將它與各類太陽能集熱器配合使用上。與傳統動力源和熱源相比，太陽能具有安全、環保等優點，將太陽能採集與脱鹽工藝兩個系統結合是一種可持續發展的海水淡化技術。太陽能海水淡化技術由於不消耗常規能源、無污染、所得淡水純度高等優點而逐漸受到人們重視。太陽能蒸餾法就是採用簡單的太陽能蒸餾器。該蒸餾器由一個水槽組成，水槽內有一個黑色多孔的氈心浮洞，槽頂上蓋有一塊透明、邊緣封閉的玻璃覆蓋層。太陽光穿過透明的覆蓋層投射到黑色絕熱的槽底，轉換為熱能。因此，塑料芯中的水面温度總是高於透明覆蓋層底的温度，水從氈芯蒸發，蒸汽擴散到覆蓋層上冷卻為液體，排入不透明的蒸餾槽中。

低温多效海水淡化技術是指鹽水的最高蒸發温度低於70℃的蒸餾淡化技術，其特徵是將一系列的水平管噴淋降膜蒸發器串聯起來，用一定量的蒸汽輸入首效，後面一效的蒸發温度均低於前面一效，然後通過多次的蒸發和冷凝，從而得到多倍於蒸汽量的蒸餾水的淡化過程。

多效蒸發是讓加熱後的海水在多個串聯的蒸發器中蒸發，前一個蒸發器蒸發出來的蒸汽作為下一蒸發器的熱源，並冷凝成為淡水。其中低温多效蒸餾是蒸餾法中最節能的方法之一。低温多效蒸餾技術由於節能的因素，發展迅速，裝置的規模日益擴大，成本日益降低，主要發展趨勢為提高首效温度，提高裝置單機造水能力；採用廉價材料降低工程造價，提高操作温度，提高傳熱效率等。一種低温多效蒸餾法海水淡化設備，包括供汽系統、布水系統、蒸發器、淡水箱及濃水箱，供汽系統的生蒸汽入口置於中間效蒸發器上。工作方法為：（1）布水系統對海水進行噴淋；（2）輸入生蒸汽到中間效蒸發器的蒸發管內部；（3）蒸汽在蒸發管內冷凝傳出熱量，蒸發管外吸收熱量產生蒸發；（4）新蒸汽輸送至其兩側的蒸發管內.管外吸收熱量、產生蒸發；（6）各效蒸發器重複蒸發和冷凝過程；（7）蒸餾水進入淡水箱；（8）濃鹽水進入濃水箱。

所謂閃蒸，是指一定温度的海水在壓力突然降低的條件下，部分海水急驟蒸發的現象。多級閃蒸海水淡化是將經過加熱的海水，依次在多個壓力逐漸降低的閃蒸室中進行蒸發，將蒸汽冷凝而得到淡水。全球海水淡化裝置仍以多級閃蒸方法產量最大，技術最成熟，運行安全性高彈性大，主要與火電站聯合建設，適合於大型和超大型淡化裝置，主要在海灣國家採用。多級閃蒸技術成熟、運行可靠，主要發展趨勢為提高裝置單機造水能力，降低單位電力消耗，提高傳熱效率等。

該法的技術關鍵是新型離子交換膜的研製。離子交換膜是0.5-1.0mm厚度的功能性膜片，按其選擇透過性區分為正離子交換膜（陽膜）與負離子交換膜（陰膜）。電滲析法是將具有選擇透過性的陽膜與陰膜交替排列，組成多個相互獨立的隔室海水被淡化，而相鄰隔室海水濃縮，淡水與濃縮水得以分離。電滲析法不僅可以淡化海水，也可以作為水質處理的手段，為污水再利用作出貢獻。此外，這種方法也越來越多地應用於化工、醫藥、食品等行業的濃縮、分離與提純。

蒸餾法是通過加熱海水使之沸騰汽化，再把蒸汽冷凝成淡水的方法。蒸餾法海水淡化技術是最早投人工業化應用的淡化技術，特點是即使在污染嚴重、高生物活性的海水環境中也適用，產水純度高。與膜法海水淡化技術相比，蒸餾法具有可利用電廠和其他工廠的低品位熱、對原料海水水質要求低、裝置的生產能力大，是當前海水淡化的主流技術之一。

露點蒸發淡化技術是一種新的苦鹹水和海水淡化方法。它基於載氣增濕和去濕的原理，同時回收冷凝去濕的熱量，傳熱效率受混合氣側的傳熱控制。露點蒸發淡化技術是以空氣為載體,通過用海水或苦鹹水對其增濕和去濕來製得淡水,並通過熱傳遞將去濕過程與增濕過程耦合,使冷凝潛熱直接傳遞到蒸發室,為蒸發鹽水提供汽化潛熱,以提高過程的熱效率。建立了有效傳熱面積分別為9.6 m~2和2.75 m~2的兩台增濕/去濕耦合的露點蒸發淡化設備。建立了相應的實驗裝置和計算機數據採集系統。分別成功地完成了露點蒸發淡化基本流程與參數相關性實驗以及強化傳熱/傳質淡化實驗。

真空冷凍海水淡化法工藝包括脱氣、預冷、蒸發結晶、冰晶洗滌、蒸汽冷凝等步驟，海水淡化水產品可達到國家飲用水標準，是一種較理想的海水淡化法。

非加壓滲透吸附：非加壓吸附滲透海水淡化法，或稱為“正向滲透法”，讓水通過多孔膜進入一種超強吸水的吸附劑的鹽濃度甚至超過海水的溶液或固態物，但溶液裏的特殊鹽分很容易蒸發。分固態鹽、液態鹽方向。固態鹽解吸附耗能更小。

另外兩種方法都在薄膜結構上有了創新和改進碳納米管薄膜，是一種用碳納米管來做薄膜的小孔，另一種滲透用的薄膜。蛋白質膜，是薄膜的孔用引導水分子通過活細胞的細胞膜的蛋白質來構成。 ^[1] 

無論是海水淡化，還是苦鹹水脱鹽，給水預處理是保證反滲透系統長期穩定運行的關鍵。在制定海水預處理方案時應充分考慮到：海水中存在大量微生物、細菌和藻類。海水中細菌、藻類的繁殖和微生物的生長不僅會給取水設施帶來許多麻煩，而且會直接影響海水淡化設備及工藝管道的正常運轉。週期性漲潮、退潮，海水中夾帶大量泥沙，濁度變化較大，易造成海水預處理系統運轉不穩定。海水具有較大腐蝕性，對系統中所採用的設備、閥門、管道件的材質要作一定篩選，耐腐性能要好。

國外海水淡化工程多采用投加液氯、NaCl和CuSO4等化學試劑來殺菌滅藻。考慮到交通等多方面的因素，投加化學試劑殺菌滅藻有一定難度，在本工程設備研製過程中專門採用海水次氯酸鈉發生器。海水取水泵後分出一小股帶壓海水，進入次氯酸鈉發生器，在直流電場作用下產生NaCl，靠位差直接注入海灘沉井，以殺滅海水中的細菌、藻類和微生物。

由於海水硬度高 海水直接電解必須克服發生電極結垢問題。在研製過程中 ，借鑑了電滲析頻繁倒極 （EDR ）技術，即每隔 5～ 10m in倒換一次電極極性，有效地解決了次氯酸鈉發生器結垢沉澱問題。

混凝過濾旨在去除海水中膠體、懸浮雜質，降低濁度。在反滲透膜分離工程中通常用污染指數 （FI）來計量，要求進入反滲透設備的給水的FI值<4。由於海水比重較大，pH值較高，且水温季節性變化大，系統選用FeCl3作為混凝劑，其具有不受温度影響，礬花大而結實，沉降速度快等優點。

本工程項目採用表面接觸混凝過濾技術，由雙層濾料過濾和活性炭過濾組成，分別設置了2台雙層機械過濾器和2台活性炭過濾器，濾器直徑濾速在 7～8m /s之間。濾器採用鋼襯膠，外塗船用漆，內設ABS水帽布水和316L不鏽鋼管排布氣。為了降低海水預處理系統和瞬間負荷，提高水回收率設置了反滲透濃縮水作為過濾器反衝洗水的氣液反洗系統。

海水含鹽量高、硬度高，對設備腐蝕性大，而且水温季節性變化較大 使得反滲透海水淡化系統比常規的苦鹹水脱鹽系統要複雜得多，工程投資和能耗也高得多。因此 通過精心的工藝設計，合理的設備配置來降低工程投資和能耗，從而降低單位制水成本，並確保系統穩定運行就顯得格外重要。

為防止海水淡化過程中因海水濃縮而產生難溶無機鹽類，如CaCO3、CaSO₄，在反滲透膜表面和系統管道件上結垢沉澱，海水在進入反滲透脱鹽系統前要添加防垢劑。

投加H2SO4調節海水pH值分解海水中的HCO₃，以防止CaCO₃沉澱，是海水淡化中最常用和最經濟的方法。投加 （NaPO₃）6（SHMP）是防止CaSO₄沉澱的有效方法，但（NaPO₃）6在阻垢的同時產生的副產品磷酸鹽會助長微生物、細菌和藻類的生長，使用有一定的侷限性。而從西方國家進口的專用高分子聚合物阻垢劑價格較高，會直接影響海水淡化工程的運轉費用。本工程最終選用H2SO4作為阻垢劑，控制反滲透系統給水的pH值在 6.8～7.0之間，同時控制海水淡化系統水回收率，以防止CaSO4沉澱析出。

考慮到在反滲透海水淡化系統中採用以芳香聚酰胺為膜材料的複合膜元件 其耐氧化性差要求進水中餘氯含量在0.1m g/L以下還原劑脱，因此海水在進入膜系統前投加NaHSO3，控制海水進反滲透裝置前的氧化還原電位（ORP），使進反滲透裝置前的海水氧化還原電位（ORP）在280～320mV.NaHSO3投加量是海水中餘氯量的3倍。

環島海域的海水受周邊環境影響較大，海水化學耗氧量（COD）在 1.7～2.5m g/L，尤其在夏、秋季節有時海水有較大的異臭異味。因此除添加NaClO進行氧化外，增設活性炭過濾器，選用具有較高機械強度的果型顆粒活性炭能有效地吸附有機物和異臭異味，提高反滲透產水水質，同時能減輕對反滲透膜面污染，延長膜使用壽命。

整個反滲透海水淡化控制系統設計採用國內外先進的計算機程序控制，由工控機操作站可編程控制器PLC組成一個分散採樣控制，集中監視操作的控制系統。按工藝參數設置高低壓保護開關，自動切換裝置，電導、流量和壓力出現異常時，能實現自動切換、自動聯鎖報警、停機，以保護高壓泵和反滲透膜元件。變頻控制高壓泵的起動和關停，實現高壓泵的軟操作，節省能耗，防止由於水錘或反壓造成高壓泵和膜元件損壞。程序設計在反滲透裝置開機和停機前後，能實現低壓自動沖洗，特別在停運時，濃縮海水的亞穩定狀態會轉化出現沉澱，污染膜面，低壓淡化水自動沖洗能置換出濃縮海水，保護膜面不受污染，延長膜的使用壽命。對系統的温度、流量、水質、產量等相關參數能實現顯示、儲存、統計、製表和打印。監視操作中的動態工藝流程畫面清晰直觀，系統控制簡化人工操作，確保系統能自動、安全、可靠地運行。 ^[1]