浅谈海水淡化浓盐水的影响及利用

2012-12-09刘克成

应用能源技术 2012年1期

李皞，龙潇，刘克成

(河北省电力研究院石家庄 050021)

我国是一个严重缺水的国家。据调查显示，目前全国660多个城市中，有400多个城市缺水，其中100多个为严重缺水城市。北京、天津、河北、山东和上海等沿海省市，人均水资源拥有量更不足500 m3，属极度缺水地区，再加上沿海项目对工业淡水需求不断增大，向海洋取水成为当前解决水资源问题最佳途径［1］，海水淡化作为水资源供给的一种重要途径已得到广泛认可。

1 海水淡化处理方式

海水淡化是指分离海水中盐和水的技术过程。通过脱除海水中的大部分盐类，使处理后的海水达到生活和生产用水的标准。根据实现过程，海水淡化技术主要分为热法和膜法。按照分离原理，海水淡化技术则主要分为蒸馏法、反渗透法、电渗析法、冷冻法和电容吸附法等［2－5］。

(1)蒸馏法。即是将海水中的水分，用特定措施蒸发并凝结收集的方法。按照采取措施的不同，又分为多级闪蒸、低温多效蒸馏和压汽蒸馏等方法。多级闪蒸法的原理是将原料海水加热到一定温度后引入闪蒸室，由于该闪蒸室中的压力控制在低于热盐水温度所对应的饱和蒸汽压的条件下，故热盐水进入闪蒸室后即成为过热水而急速的部分气化，从而使热盐水自身的温度降低，所产生的蒸汽冷凝后即为所需的淡水。低温多效蒸馏是将一系列的水平管喷淋降膜蒸发器串联起来，用一定量的蒸汽输入，通过多次的蒸发和冷凝，后面一效的蒸发温度均低于前面一效，从而得到多倍于蒸汽量的蒸馏水的淡化过程。压汽蒸馏是指海水预热后，进入蒸发器并在蒸发器内部分蒸发，所产生的二次蒸汽经压缩机压缩提高压力后引入到蒸发器的加热侧，蒸汽冷凝后作为产品水引出，如此实现热能的循环利用。

(2)反渗透法。当海水与淡水以半透膜隔开时，淡水会自动向海水一侧渗透，若在海水一侧施加大于海水渗透压的外压，海水中的纯水将反渗透至淡水中。在RO过程中，起作用的半透膜可看作是非孔屏障，水和溶质溶解在膜内，靠浓度梯度和压力梯度扩散过去。进料海水经预处理去除悬浮固体及其他有害物质后，经高压泵增压后进入膜脱盐设备，产出的中间淡水进入后处理设施，精制成产品淡水，浓盐水自膜脱盐设备排出。

(3)电渗析法。电渗析是利用多组交替排列的阴、阳离子交换膜进行脱盐的过程。这种膜具有很高的离子选择滤过性，阳膜排斥水中阴离子而允许阳离子滤过，阴膜排斥水中阳离子而允许阴离子滤过。在外加直流电场的作用下，淡水室中的离子作定向迁移，阳离子穿过阳膜向负极方向运行，并被阴膜阻拦于浓水室中，然后随浓水排放掉。阴离子穿过阴膜而向正极方向运动，并被阳膜阻拦于浓水室中，然后随浓水排放掉。

(4)冷冻法。冷冻海水使之结冰，在液态淡水变成固态冰的同时盐被分离出去。冷冻法需要消耗许多能源，得到的淡水味道却很差，难以在生活用水中使用。

(5)电容吸附法。利用大表面积的导电材料通电，在正负电极表面分别吸附海水中的负、正离子，从而使流过电极间的海水淡化。

目前世界上应用最广泛的海水淡化技术，是多级闪蒸、低温多效蒸馏以及反渗透法。在国内，低温多效蒸馏和反渗透法则是海水淡化工程中应用最多的技术。应该说，这三种技术在不同的发展阶段来说，都有其得以胜出的优点。在当今世界的低碳观念主导下，耗能较低，一次投资较低，造水成本较低的反渗透法，必将成为将来海水淡化发展的主导技术;而低温多效蒸馏，则因其技术门槛较低，且可通过与电力、石化企业的联产，增加能源利用率，降低造水成本的优势，而成为未来一段时间内反渗透法的有力竞争者。

2 海水淡化浓盐水对环境的影响

无论采用热法还是膜法进行海水淡化，均不可避免的会产生浓盐水。目前浓盐水一般是不经处理直接排回大海，这些浓盐水会对海洋环境造成一定的影响。

2.1 温度对海洋环境的影响

采用热法进行海水淡化时，浓盐水因其温度较高会造成海水局部温度升高而影响海水的物理性质，并直接或间接导致水质恶化，主要原因如下。

(1)浓盐水排放后导致局部海水水温升高，溶解氧含量降低［6］，而水中生物需氧量增加，水中生物处于缺氧状态。细菌呼吸作用随生物体耗氧量的增加和水温的升高而加强，这共同导致了海洋生态系统中的缺氧症和组织缺氧症，这种现象在夏季尤为明显。

(2)水温较高的浓盐水会加快水生动物的新陈代谢速率，改变生物的生理和行为特征，进而引起生物在生理和行为方面的相应变化。

(3)水温较高的浓盐水会降低氮的溶解度，导致海洋初级生产力的降低，并致使生物呼吸作用、生物结构、水体营养动力以及次级生产力等发生改变;会降低浮游植物的光合作用速率，使正常藻种被劣质藻种取代，导致种群多样性的降低;会影响浮游动物的新陈代谢，导致其生长速度降低和生物数量减少;会影响鱼类的游速，从而改变鱼类的分布。

2.2 盐度对海洋环境的影响

根据物料平衡计算可知，反渗透海水淡化所排放的浓盐水浓度一般为进料海水的2倍，低温多效蒸馏法海水淡化产生的浓盐水浓度一般为进料海水的1.5倍，若这些浓盐水排放方式不当，将导致排放海域盐度的升高。以胶州湾为例［7］，按海水淡化水产量20万m3/d，胶州湾海水交换周期60 d计算，若产生的浓盐水全部排入胶州湾，则胶州湾的平均盐度将每年上升约0.3个盐度单位，30a后胶州湾的平均盐度将超过40a，与死海的盐度相当。

盐度是海洋生态环境中最重要的生态因子之一，其对生物的生长、发育、生殖、行为和分布均有直接或间接的影响。大部分海洋无脊椎动物和某些软骨鱼类属于等渗动物，其血液和体液含盐量与海水含盐量相近;而变渗动物(如硬骨鱼类)的血液盐含量仅为环境海水含盐量的30%～50%。当环境盐度变化时，就会出现渗透过程。因此，当环境盐度骤然升高时，那些没有渗透调节机制的海洋生物体细胞就可能产生质壁分离，从而发生代谢失调甚至死亡。海洋生物通过细胞内外的离子转运机制来维持细胞内结构组分的动态平衡，维持渗透压的稳定，从而能适应一定范围内的盐度波动并得以生存［8］。例如硅藻类，对高盐度有一定的适应能力，但是一些地区排放的浓盐水，往往超出其适应范围。

另外海水局部盐度的增加会引起水体分层［6］，从而阻止光的穿透并破坏光合作用，扰乱生物链系统，造成深海物种、幼虫和幼小个体的灭亡。一些地区排放的浓盐水由于密度较大，易在排放口附近形成高盐区域。

2.3 浓盐水中的化学药剂对海洋环境的影响［9］

海水淡化前和淡化过程中要加入多种化学药剂，如杀菌剂、混凝剂、阻垢剂、缓蚀剂、消泡剂和还原剂等，海水淡化装置还会定期进行酸碱清洗，这些药剂会随着浓盐水排入海水中，对海洋环境造成一定的影响。其中杀菌剂会导致次氯酸根离子的形成从而破坏生物体的正常酶代谢过程，可能导致受影响海域稀有物种的迁移;阻垢剂中磷酸盐类的应用会导致海域富营养化，并增加赤潮发生的可能性;消泡剂会破坏海洋生物体细胞内膜系统，可与卤素生成致癌物质和诱变剂;还原剂可大大降低排放区海水中溶解氧浓度;酸会改变排水口附近海水的化学组成，影响海域生物体的迁移，降低生物多样性。

综上所述，排放浓盐水的温度、盐度和化学药剂等会影响海洋环境，对海洋水质、生态环境和海洋生物产生不利的影响。

3 海水淡化浓盐水的利用

鉴于浓盐水对海洋环境的影响，根据发展循环经济、加强海洋环境保护的要求，在淡化技术成熟并投入推广应用以后，浓盐水利用技术的开发成为重要课题。

海水淡化副产物浓盐水中富含钠、钾、溴、镁和锂等有用物质，且多为陆地紧缺的矿物资源［10］。由于在浓盐水中这些化学组分的浓度约为海水浓度的2倍，因此，获取相同化学资源的处理量仅为海水直接处理量的一半，可显著降低提取成本。此外，利用浓盐水进行化学资源提取不需要另外设置取海水和加氯杀菌等预处理设备，可大大节约投资和工程造价，并且，海水淡化操作过程中产生的浓盐水的温度、流量参数稳定，便于化学资源提取过程中的稳定操作。因此，对淡化副产物浓盐水进行化学资源的综合利用是十分必要的。

3.1 浓盐水制盐

海水日晒制盐是我国的传统产业，该方法工艺简单，技术成熟，节能环保，生产成本低，但产品质量较差，产品海盐主要作为氯碱工业及纯碱的生产的原料。日晒法也是浓盐水制盐最经济的方法。“海水淡化与制盐的衔接技术”已由天津科技大学和海晶集团合作研究成功，可以保证淡化浓盐水日晒制盐的质量符合工业盐国标要求［11］。

3.2 浓盐水提钾

经过二十多年的努力，由我国自主研发“改性沸石离子筛提钾核心技术”［10］，成功地突破了海水中钾的高选择性、高倍率富集和钾肥的高效、节能分离等一系列关键技术难题，开发出沸石离子筛法海水提取钾肥高效节能技术，并成功地完成了百吨级中试和工业试验，获得了可供大规模推广的产业化技术。研究结果表明，本技术海水中钾的富集率达200倍，钾肥产品质量达进口优质钾肥标准，生产成本则较进口钾肥降低20%，从而在国际上率先实现了海水提钾过技术经济关。应用该技术成果的1万t/a海水提取硝酸钾工程已于日前建成投产，河北、山东等地企业也在积极筹建海水提钾万吨级产业化工程。因此采用浓度更高的浓盐水提钾将会获得更大的经济效益。

3.3 浓盐水制溴

刘立平等［12］采用酸法空气吹出提溴法对北疆电厂排出的浓盐水制取工业溴的可行性进行了研究，研究结果表明:①以北疆电厂排出的浓盐水为原料使用酸法吹溴工艺是可行的。利用浓盐水的温度可实现常年连续生产，对提高海水资源的利用率，满足国内工业溴原料的需求，意义重大。②以浓盐水为原料可以适当降低气液比，降低吸收液的排出浓度，可以起到节能的效果，降低生产成本。

3.4 浓盐水制镁

海水淡化过程中排放的浓盐水富含镁离子，约1.8～3.2 g/L，利用淡化后浓盐水制取高附加值的氢氧化镁是海水综合利用的重要途径之一，同时也解决了浓盐水的排放问题［13］。马敬环等［14］以反渗透淡化技术得到的浓盐水为原料，在一定条件下通过纯碱除钙、氢氧化钠沉淀、陶瓷膜分离洗涤、离心过滤和真空干燥等工艺制得了纯度较高的纳米级氢氧化镁粉体材料。其中以氧化镁计算的产品纯度为67.9%，氧化钙质量分数为0.2%，粒子粒径在100 nm以下，其中陶瓷膜分离和洗涤技术的应用使纳米级氢氧化镁在陶瓷膜内受到巨大的剪切力作用，可以有效地解决传统合成方法中纳米氢氧化镁易团聚和难过滤的问题。

相对于杂质组分含量较多的苦卤，浓盐水更容易制备出高纯镁盐产品，但存在钙杂质的去除问题，衣丽霞等［15－16］对淡化后浓盐水制备高纯氢氧化镁中钙杂质的去除问题进行了详细的研究，在最适宜工艺条件下钙离子的去除率达80%以上，为浓盐水制备性能优越的氢氧化镁粉体材料奠定了基础。