文/李晨，集美大学

引言

随着国民经济的快速发展以及环境污染问题的日益加剧,水资源极度紧缺已成为一个世界性的普遍问题。目前,全世界有100多个国家存在不同程度的缺水问题。我国的人均水资源占有量只有2200立方米,仅为世界平均水平的1/4,是全球人均水资源占有量最贫乏的13个国家之一。世界上可被人类直接利用的淡水资源不到总水资源的0.01%,而人口的增长,农业和工业的发展,导致淡水尤其是洁净的淡水迅速减少。目前有3亿人口需要靠海水或含盐地下水的再加工来获取生活用水,因而海水淡化具有重大战略意义和发展前景。然而,海水温度、洋流和盐度等对于其淡化都是非常重要的影响因素,需要在脱盐等技术方面加以深入研究与探讨。

1 海水淡化技术简介

海水淡化是指脱去海水中多余的盐份和其他矿物质的过程。全球海水淡化技术,从大的分类上看,主要分为蒸馏法(热法)和膜法两大类，目前，世界上装机应用的海水淡化膜方法主要有多级闪蒸(M SF)、多效蒸发(MED)和反渗透法(RO)，半个世纪以来己养活了世界上1亿多的人口，促进了干旱沙漠地区和发达国家沿海经济和社会发展。其中MED法、MSF法和RO法是当今海水淡化三大主流技术,并且已经成功开展了大规模的工业化应用。

2 海水淡化技术的发展现状

截止2000年为止，世界上已有每天处理量大于100立方米海水淡化装置24600个，总处理容量已达到3200万立方米每天。

在我国，海水淡化年产量也已超过千万吨，中国是继美、法、日、以色列等国之后研究和开发海水淡化先进技术的国家之一，继西沙群岛日产200吨电渗析海水淡化装置成功运行后，先后在舟山建成了日产500吨反渗析海水淡化站，在大连长海建成日产1000吨海水淡化站。

3 海水淡化装置

3.1 蒸馏法：蒸馏淡化过程的实质就是水蒸气的形成过程，其原理如同海水受热蒸发形成云，云在一定条件下遇冷形成雨，而雨是不带咸味的。

3.2 冷冻法：冷冻法，即冷冻海水使之结冰，在液态淡水变成固态冰的同时盐被分离出去。

3.3 反渗透法：通常又称超过滤法，是1953年才开始采用的一种膜分离淡化法。该法是利用只允许溶剂透过、不允许溶质透过的半透膜，将海水与淡水分隔开的。反渗透法的最大优点是节能。它的能耗仅为电渗析法的1/2，蒸馏法的1/40。

3.4 太阳能法：人类早期利用太阳能进行海水淡化，主要是利用太阳能进行蒸馏，所以早期的太阳能海水淡化装置是盘式太阳能蒸馏器，人们对它的应用有了近150年的历史。由于它结构简单、取材方便，至今仍被广泛采用。太阳能海水淡化技术由于不消耗常规能源、无污染、所得淡水纯度高等优点而逐渐受到人们重视

3.5 低温多效：多效蒸发是让加热后的海水在多个串联的蒸发器中蒸发，前一个蒸发器蒸发出来的蒸汽作为下一蒸发器的热源，并冷凝成为淡水。其中低温多效蒸馏是蒸馏法中最节能的方法之一。

3.6 多级闪蒸：所谓闪蒸，是指一定温度的海水在压力突然降低的条件下，部分海水急骤蒸发的现象。目前全球海水淡化装置仍以多级闪蒸方法产量最大，技术最成熟，运行安全性高弹性大，主要与火电站联合建设，适合于大型和超大型淡化装置，降低单位电力消耗，提高传热效率等。

4 海水淡化技术的应用

在位于以色列特拉维夫市南10米处的一片地中海海滩上，一家新建的大型工业工厂正昼夜不停地运转。这是世界上最大的现代化海水淡化厂，提供整个国家20%的居民用水量。该工厂由以色列海水淡化企业或IDE技术公司为以色列政府承建，建设成本5亿美元左右，工厂使用传统的淡化技术，即反渗透（RO）海水淡化。得益于一系列工程技术进步和材料的改善，工厂海水淡化的成本降低，淡化规模更达到史上最高。全世界大约有7亿人口缺乏清洁用水。十年后，该数字可能会暴增到18亿。在许多地区，从海洋中提取淡水是增加供水量的唯一可行途径。这家新建的以色列工厂，名为So rek，于2013年后期最终完成，目前刚投入全容量生产；预计每天能生产62.7万立方米淡水，这说明，像这样的大型海水淡化工厂确实可行、有效。实际上，淡化海水是目前以色列主要的供水来源。20 04年，以色列供水还完全依赖地下水和雨水，到现在，国内已有四家海水淡化厂正在运行——其中Sorek规模最大。这些海水淡化厂清洁用水供应量在以色列全国供水量中占40%。到2016年，以色列将投入运行更多海水淡化厂，届时，预计整个国家用水量的50%左右均来自海水淡化。一直以来，业界对反渗透技术的诟病在于，成本太高。该技术过程需要大量能耗，将盐水压向聚合物膜并使之渗透，聚合物膜上布满小孔，能滤出淡水、留下盐离子。Sorek计划以每立方米58美分的价格向以色列水务管理局出售淡水（1000公升淡水，即以色列一个人一周的用水量），与目前传统海水淡化厂相比，该价格已经偏低。而且，Sorek的能耗在世界上所有大规模海水淡化厂中最低。Sorek海水淡化厂在工程学方面做了相应改进，因而与先前的RO法淡化厂相比，效率 更高。它是世界上首家使用直径16英寸而非8英寸压力管的大型海水淡化厂，所需管道及其他硬件的数量仅为传统淡化厂的四分之一，如此便大幅度降低了成本。此外，So rek还配置有高效泵和能量回收设备。澳大利亚、新加坡，以及某些波斯湾国家已经在大量利用海水淡化供水，加利福尼亚州现在也开始积极地投入该项技术的使用中。

5 海水淡化技术的发展前景

5.1 加州大学研发出新型外置复合式抛物面聚光海水淡化系统

2015年，美国加州大学默塞德分校太阳能技术研究所的研发人员开发出了一种名为XCPC的外置复合型抛物面形聚光器，该系统有可能为被持续干旱所困扰的加州带来一种新型的太阳能海水淡化解决方案，并缓解当地的农业灌溉水短缺问题。加州大学太阳能技术研发中心主任Roland Winston表示：“常规的膜法海水淡化过程会产生有用的淡水和大量需要处理的咸水，而XCPC系统可以使水的蒸发过程更加高效，而且成本很低。”

谈到该系统的主要创新点，Roland Winston表示：“我们的外置复合抛物面形聚光器可以通过收集阳光产生高温，而且可达到的温度要远远高于生产水蒸汽所需要的温度。同时很关键的一点是我们的集热器不需要使用跟踪系统，没有任何需要活动的组件。事实上，其它大部分可以获得如此高温的太阳能技术都需要使用跟踪系统，而且成本较高。”Roland Winston进一步解释道，一般使用跟踪系统的太阳能集热器对于直射阳光要求很高，而且往往需要在晴朗的天气条件下才能运行。而他们的XCPC集热器则完全不同，在朦胧和多云的天气条件下依然可以正常运行。

5.2 上海应物所取得碳纳米管海水淡化技术新突破

目前，利用碳纳米管复合膜进行海水淡化的技术有了新的突破。从理论上看来，碳纳米管似乎非常适合应用于海水淡化领域。因为通过此前科学家们的分子模拟显示，离子在较窄的碳纳米管中遇到较大的能垒而不能通过，而水则没有遇到这样的能垒可顺利通过，所以科学家们一直期待可以通过使用较窄的碳纳米管制备得到的复合膜来大大地降低海水淡化成本，从而为人们提供更多的淡水。但事实上，该技术的除盐能力一直没有得到充分的验证。

中国上海应用物理研究所方海平博士等研究人员认为他们已经发现了为什么碳纳米管除盐能力始终没有达到理论水平的秘密，并提出了相应的解决办法。方海平和他参与研究的同事认为，该技术存在的主要问题在于如果碳纳米管足够窄，则水中的盐分被阻挡不能通过，而这些管道也可能被水中的离子阻塞而导致水也无法通过。他们认为，此前对于碳纳米管用于海水淡化的模拟对于离子和碳纳米管之间的相互作用力描述的并不充分。

通过模拟发现，经过改造的碳纳米管的水通过率可以达到40%左右。另一种思路是，通过向碳纳米管施加一个强大的电场可以把离子移位。但方海平和其同事们更喜欢第一种思路，即防止碳纳米管被阻塞。方海平解释说：“这种方法不需要消耗能源，同时也不需要配置大型的设备来产生强大的电场，可以使海水淡化过程更加方便。”

6 结束语

随着我国工业化进程的加快，随着我国工业化进程的加快，以及水环境污染的日益加剧，水资源短缺将成为今后相当长时期内需要面对的重大问题。海水淡化技术是解决水资源短缺的重要途径和方法之一。