韩香莲 李秀丽

摘要：全球水资源短缺促进了海水淡化技术的迅速发展，形成了一大批优秀的研究成果，推动了海水淡化技术的不断成熟。本文主要介绍了低温多效、多级闪蒸、反渗透三种主流海水淡化技术以及太阳能、风能、海洋能等可再生能源海水淡化技术，分析了其原理、特点及发展，总结了新的研究成果以及研究方向。未来，海水淡化技术将向着低成本、绿色化、可持续性方向发展。

关键词：海水淡化技术;研究进展;发展趋势

随着社会经济的发展及人们生活水平的提高，对淡水的需求量日益增加。而可供人们利用的淡水资源，包括河水、湖水及浅层地下水，仅占全球淡水总储量的0.26%[1]。世界各国通过节约用水、污水处理以及跨流域调水等方法，从一定程度上缓解了淡水资源紧张，但总体形势依然严峻。为了进一步开发新的淡水资源，采用海水淡化技术将海水中的盐（钠、镁、钙、钾盐）、有机物、细菌和病毒以及固体物质分离出来从而获得淡水。日趋成熟的海水淡化技术作为开发淡水资源的重要手段，具有重要的意义。

目前，全球海水淡化技术有二十余种[2]，包括低温多效蒸馏法、多级闪蒸法、反渗透法、电渗析法、冷冻法、离子交换法、水合物法、水电联产、热膜联产以及利用太阳能、风能、核能、海洋能海水淡化技术等。其中，低温多效蒸馏法、多级闪蒸法和反渗透法是国内外市场上的主流技术[3]，太阳能、风能、海洋能等可再生的清洁能源，作为新能源应用于海水淡化技术成为全球发展的趋势。

1    海水淡化的主流技术

1.1 低温多效蒸馏法（LT-MED）

低温多效蒸馏法（LT-MED）是指盐水最高蒸发温度低于70 ℃的海水淡化技术，其特征是将一系列水平管降膜蒸发器或垂直管降膜蒸发器串联起来，分成若干个效组，输入一定量的蒸汽进行多次蒸发和冷凝，后面一效的蒸发温度均低于前面一效，利用前面一效蒸发产生的蒸汽作为热源加热后面一效的海水，从而得到蒸馏水是加热蒸汽量的数倍的海水淡化技术[4]。LT-MED的主要特点是操作温度低，能有效缓解设备腐蚀及水垢的生成，运行寿命长，维护量少，操作安全可靠;热效率高，动力消耗小;净化率高，产水水质好;可以充分利用低品位余热资源。LT-MED适用于大型海水淡化项目，可以与电厂、钢铁、化工结合，甚至与工业、市政结合，会提高LT-MED的综合效率，更好地体现其优势[5]。

虽然LT-MED在一定程度上减缓了水垢生成，却并未根除水垢。在实际运行过程中，海水会在蒸发器的换热管表面结垢，影响传热效率，限制盐水的顶温，降低了装置的淡水产量[6]。结垢问题仍然是影响LT-MED产水效率的关键因素，对此，工业上多采用药剂阻垢法和化学清洗等方法来处理LT-MED的结垢问题[7]。贾利涛等[8]发明一种用于低温多效海水淡化的阻垢剂，具有较高钙容忍度等特点，解决了现有技术中阻垢效果不稳定的技术问题，实现了保证设备产水量的技术效果。贾利涛等[8]还进行了低温多效海水淡化阻垢剂溶垢试验研究，分析了第一效换热管结垢成分主要以硫酸钙和碳酸钙为主，还有少量的镁盐和硅酸盐，4种阻垢剂的投加量为30 mg/L时的溶垢效果最好，为LT-MED海水淡化装置通过药剂筛选、药剂投加量调整的方式进行在线清洗、延长酸洗检修周期等提供借鉴。

LT-MED海水淡化技术是20世纪70年代末由以色列IDE公司开发的，依据低温下海水的结垢和腐蚀现象会大幅度减轻，被认为是热法海水淡化技术发展的方向。LT-MED海水淡化技术研究较多的是如何降低设备造价和运行成本。如开发汽轮发电机组与热法海水淡化耦合技术，利用汽轮发电机的排汽直接供LT-MED装置制水，避免能源浪费的同时降低海水淡化成本。此外，充分利用冶金工业中的高炉冲渣水、锅炉烟气、循环水等低品质余热资源，将此类低品质余热供LT-MED装置制水，建立以LT-MED蒸馏海水淡化装置为依托的低品质余热利用平台，可以有效降低海水淡化成本[9]。再者，将太阳能发电技术与LT-MED蒸馏海水淡化技术相结合，进行水电联产，利用太阳能发电之后剩余的热能进行海水淡化，高效利用了太阳能集热系统的热能。Mohammad等[10]对LT-MED与太阳能（CSP）发电相结合的技术进行了研究分析，为约旦红海沿岸的亚喀巴市模拟了一个联合发电和海水淡化厂，采用离散能量平衡仿真软件EBSILON Professional对设计的电厂进行建模和仿真，在多种运行条件下分析運行结果，并进行了经济可行性分析。

1.2 多级闪蒸法（MSF）

多级闪蒸法（MSF）是将海水一系列压力逐渐减小的闪蒸室内进行逐级的闪蒸和冷凝，闪蒸室内的压力低于要进入的热盐水所对应的饱和蒸汽压力，盐水由于温度过高而进行闪蒸得到水蒸汽，水蒸汽冷凝后生成淡水被收集，没有汽化的海水流入下一个压力较低的闪蒸室继续闪蒸，这样重复蒸发和冷凝，从而获得淡水的海水淡化技术[11]。闪蒸室的个数称为级数，最常见的设备有20～30级，有的可达50级[12]。MSF的主要特点是加热和蒸发过程分开进行，设备不宜结垢，运行维护相对简单;单机生产能力相对较大，所产淡水纯度高;可利用低位热能和废热。MSF技术适合于大型和超大型淡化项目，可以与火力电站、热电厂相结合，利用电厂的低品位热能，采用热电联合造水[13]。但是，MSF操作温度高，且需要较大量的海水在系统内循环和流体输送，泵的动力消耗较大，与LT-MED相比总能耗较高。

MSF海水淡化技术始于20世纪50年代，60年代开始迅速占领中东市场，同时海水淡化技术开始了大规模应用[14]。MSF海水淡化技术成熟，系统结构简单，运行安全可靠。研究者对原有的MSF海水淡化系统进行改良，充分利用每级闪蒸室产生的闪蒸蒸汽冷凝成淡水的潜热，将闪蒸蒸汽流入下一级闪蒸室中用来加热循环盐水，改进后的装置不仅增加了淡水产量，而且节约了能源[15]。

1.3 反渗透法（RO）

反渗透法（RO）是利用半透膜的渗透原理，在半透膜的一侧对海水施加大于渗透压的压力（约为2.5 MPa），使海水中的水分子透过半透膜到另一侧，而盐分被截留在海水中，从而得到淡水的海水淡化技术。RO工艺效率的影响因素主要有操作参数、膜性能和给水性能等[16-17]。RO技术主要特点是工艺简单、投资小，操作方便;过程中无相变化，可以在常温下操作;能耗低，效率高，制水成本相对低。但是，RO海水淡化技术所用半透膜对海水中的颗粒及污染物反应敏感，预处理要求比较高，且各种污染物沉积会对膜造成污染，需要对膜进行定期的清洗和消毒。膜污染现象在RO技术应用过程中不可避免，对此，研究人员已经做了大量的工作，例如改善膜表面的性质，优化流体动力学条件，完善预处理工艺，以及开发更有效、更环保的RO膜污染去除方法。

RO技术始于20世纪50年代，60年代得到突破性进展，70年代开始商业应用[18-22]。由于能耗低，发展迅猛，目前是应用最广的海水淡化技术。许多研究探讨了推进海水淡化的途径，主要集中在节能、高脱盐，优化海水RO系统，减少海水淡化排水和化学加药，以减少海洋污染和其他环境影响。一种先进的无氯/无无亚硫酸氢钠投加工艺系统，优化了海水反渗透工艺，提高了脱盐效果，减少了对环境的影响。成功开发了配置有高效液压能量回收和无蓄电池的风能反渗透海水淡化装置。基于风能、太阳能等可再生的清洁能源，应用于反渗透海水淡化系统受到高度关注。经过分析安装在马来西亚的RO海水淡化装置对环境的影响，得出全球变暖的影响最大，主要是在RO过程中由天然气发电引起的，建议海水淡化过程发电可以通过使用高通量膜和其他适合的可再生能源，如太阳能和风能来克服。

2    新能源海水淡化技术

传统的海水淡化技术投资成本高、能耗大，部分还存在环境污染等问题。太阳能、风能、海洋能等可持续利用的清洁能源，具有储量大、环境友好、可再生等特点，使海水淡化和可再生能源利用相结合，可以确保海水淡化生产的可持续性且环境友好。在日照充足、风力强的地区，利用太阳能、风能以及海洋能等可再生能源是非常好的海水淡化能源选择。

2.1 太阳能海水淡化技术

太阳能海水淡化技术是通过太阳能的热效应与光效应转化实现对海水的淡化，可分为两种方式，一是直接利用集热系統吸收的太阳能蒸馏海水制得淡水，太阳能集热装置与脱盐装置不分开，有浅盘型、倾斜型和多效型三种蒸馏装置的太阳能蒸馏海水淡化技术;二是通过集热器或者太阳能电池实现光能与电能的转化，并以此作为海水淡化装置的能源从而制取淡水，利用太阳能与多级闪蒸、低温多效、反渗透和电渗析相结合的海水淡化技术。太阳能海水淡化技术具有不消耗常规能源、无污染、所得淡水纯度高、工艺安全、环保等优点，但也受地理位置和气象等因素的影响，有较强的不稳定性，且效率低，规模小。为了提高利用太阳能的效率，需要提升集热及光电转化效率，优化海水淡化的技术，进而提高太阳能在海水淡化中的经济性及实用性。

太阳能海水淡化技术经过半个世纪的发展，形成了以MED、MSF以及RO海水淡化工艺为主流的海水淡化技术，而且太阳能利用效率和产水量效率也得到了大幅的提高。近年来，科学家们提出了两种新型海水淡化方式，体积式和浮动式太阳能海水淡化技术。体积式海水淡化技术是利用纳米材料优异的光吸收能力，将太阳能转换为热能对水体进行加热产生水蒸汽以达到海水淡化的目的，由于涉及对整个水体进行加热，热量损失严重，所以普遍存在太阳能光热转换效率低的问题。浮动式太阳能海水淡化技术主要是基于局部加热驱动蒸发，将具有较强光吸收能力的光热转换材料浮于水体表面而进行蒸发以达到海水淡化的目的，这大大提高了太阳能光热转换效率。所以，此领域研究的重点是进一步探索、制备具有优异海水淡化性能的光热转换材料。此外，利用毛细驱动结合太阳能局域热法的新型太阳能海水淡化技术，凭借其高效的产水速率和超低的投入成本也已成为研究的热点。相对于直接加热大水域的太阳能蒸馏技术，局域热法的新型太阳能海水淡化技术利用多孔介质毛细力自动抽吸海水至蒸发表面，同时利用太阳能加热表层水分，而大水域仍处于低温状态。该技术可结合材料表面设计提高光吸收率和降低材料导热系数减少热损，极大地提高了光热转换效率。

2.2 风能海水淡化技术

风能海水淡化技术是利用风能实现海水的淡化，可分为两种方式，一是直接利用风力，将风能转换为机械能进行海水淡化;二是利用风力发电，将风能转换为电能，然后利用电能进行海水淡化。直接利用风力的海水淡化，省去了风能到电能的转换，将风力推动风力机转动产生的旋转机械能直接驱动海水淡化设备，省去了风力发电机的发电设备，简化了系统结构，同时提高了风力利用的效率。但因风能的不稳定性，应用较少，大多数采用风力发电进行海水淡化，将压汽蒸馏、多效蒸馏、反渗透和电渗析技术与风电结合，其中RO的适应性最高，操作灵活，可以与风能优势互补。

将风能与太阳能耦合的海水淡化技术，一方面风能与太阳能互补发电提供动力，弥补了单独风力发电和太阳能发电系统的不足，提供了更加稳定的电能;另一方面以风力发电提供动力，太阳能集热系统提供热源，直接利用太阳能集热供热，提高了能量利用效率，将风能转化为电能储存，减小了风力波动对系统的影响。国内外学者针对风/光互补发电进行了研究，得出了根据负载和风光资源条件合理配置发电系统，是降低发电成本提高系统可靠性的重要途径，证实了风/光互补发电系统比任何一种单独发电系统更具优势。

2.3 海洋能海水淡化技术

海洋能通常是指海洋特有的依附于海水的潮汐能、潮流能、波浪能、温差能和盐差能。其中，潮汐能和潮流能是受月球和太阳引潮力的作用而产生，其他的均产生于太阳辐射。波浪能海水淡化系统主要有能量吸收装置、能量转换装置及海水淡化装置。研究的内容主要有：对各类波浪能收集装置进行改进，提高波浪能的利用效率;对波浪能转换装置与海水淡化的耦合性能进行研究，提升波浪能海水淡化系统稳定性，进行能量回收。提高装置的抗风浪能力，有助于波浪能的高效利用。

海洋能海水淡化的构想始于20世纪60年代。20世纪七八十年代，科学家和技术人员发明和设计了一大批优秀的海洋能收集与利用装置和海洋能海水淡化系统。从2000年開始，随着传统化石能源面临枯竭，人类环保意识的增强，以及全球淡水需求的增加，海洋能作为可再生的清洁能源成为海水淡化研究的重点。

3    结论与展望

综上，海水淡化主流技术低温多效蒸馏法、多级闪蒸法和反渗透法等日趋成熟，且应用广泛。随着能源的短缺和环境污染的问题，海水淡化技术向高效经济和环保型转变，利用太阳能、风能以及海洋能等可再生能源海水淡化技术受到高度重视。研究的重点转向以蒸馏法和反渗透等传统海水淡化技术为基础，与不同海水淡化技术进行组合，如以热蒸馏驱动膜分离的膜蒸馏，通过将膜技术和蒸馏法结合起来，混合了热法和膜法的优势，降低产水成本、提高海水淡化效率;利用可再生能源的海水淡化技术，节约能耗，安全环保且可持续生产;开发新材料（纳米颗粒、石墨烯等）、新装置（流体切换能量回收装置）提升海水淡化技术。

海水淡化技术发展至今，已经由单纯地实现海水淡化变为发展低能耗、低成本、绿色化新型海水淡化技术。未来，可在传统海水淡化技术的基础上，继续提升技术创新与新材料研发，改进工艺以提高效率、减少对环境影响，改善装置以节能降耗、降低成本，充分发挥太阳能、风能、海洋能等可再生能源的优势，提高不同形式的可再生能源与其他海水淡化技术的相容性，将多种可再生能源共同开发利用，解决单一类型的缺陷，实现可再生能源的高效转化和充分利用，实现海水淡化的绿色化、可持续性，继续开发像正渗透、减压渗透、浓差极化等新型低能耗、低污染的海水淡化技术。

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