郑 高，吴 旭

（武警海警学院机电管理系，浙江宁波 315801）

0 引言

海水淡化亦称海水脱盐，即通过一定的方法，除去海水中的盐分及其他杂质，以获得淡水。海水中溶解了多种盐分，不适合直接饮用，又含有海洋腐殖质等物质，与设备直接接触时会产生腐蚀。对于未配备海水淡化装置的船舶，若其航行时间较长，须装载大量的淡水，才能维持正常的生活、生产及航行，这就大大压缩了人员生活与工作空间及货物存储空间；另外，长时的存储会引起细菌繁殖、水柜污染，最终导致淡水变质[1]。

作为供应淡水的主要设备，海水淡化装置已成为现代船舶的必要组成部分。根据物理、化学或物理化学原理的不同，传统的海水淡化技术主要分为两大类，一类从海水中析出淡水，如蒸馏法（Distillation）、反渗透法（Reverse Osmosis，RO）、冰冻法（Freezing）、水合物法（Hydrate）、溶剂萃取法（Solvent Extraction，SE）等；另一类从海水中去掉盐，如电渗析法（Electrodialysis）、离子交换法（Ion Exchange，IE）、电容吸附法（Electrosorption）、压渗法（Pressure Infiltration，PI）等[2]。目前，蒸馏法、反渗透法及电渗析法在船舶上实际应用较多[2]。

本文综述船用海水淡化技术的发展现状和趋势。简述几种传统海水淡化技术的基本原理。列举近年来船用海水淡化技术相关研究成果与成功应用案例，并从耦合技术的应用、新材料的发明、新技术的推广、新能源的开发4 个方面分析船用海水淡化技术的当前发展现状。指出船用海水淡化技术的未来发展趋势，以期为以后的理论研究与实际应用提供参考与依据。

1 传统的海水淡化技术

1.1 从海水中取出淡水的技术

1.1.1 蒸馏法

利用蒸馏法进行海水脱盐已有两千多年历史[2]，直到现在，基于蒸馏法的船用海水淡化设备仍是应用的主流。根据不同的蒸馏原理，蒸馏法又分为3 种，即沸腾蒸馏法、闪发蒸馏法及压气蒸馏法[1]。沸腾蒸馏法在一定压力下加热海水，使其沸腾后产生不含盐类的水蒸汽，冷凝水蒸汽就得到淡水。闪发蒸馏法的基本原理为：液体的沸点随着外界压力的下降而降低，在接近真空的容器内，加热后的海水会闪发成水蒸汽，冷凝水蒸汽即可得淡水。压汽蒸馏法的基本原理为：在绝热条件下压缩水蒸气会使其温度升高，预热过的海水在蒸发器内受热蒸发，产生水蒸汽，再在压缩机内增加水蒸汽的压力和温度，然后将高压高温的水蒸汽引入蒸发器，以加热另一部分海水，最后冷凝水蒸汽即得淡水。

1.1.2 反渗透法

反渗透膜具有选择透过性，能够截留水中的盐离子、重金属离子、胶体、细菌、病毒及其他杂质[3]。反渗透法以高于自然渗透压的压力，将海水中的淡水压到反渗透膜的另一边。该法适用于电量充足的场合，对前过滤系统等的预处理性能有很高的要求，若预处理不达标，将直接影响到淡水水质、设备运行及出水效率[4]。

1.1.3 冰冻法

根据制冷剂与海水的接触方式，冷冻法可分为2 种，即直接冷冻法与间接冷冻法[5]。直接冷冻法的制冷剂可选择异丁烷等物质。制冷剂经过降温、加压处理后，喷洒在预冷过的海水上，使部分淡水结成不含盐分等杂质的冰晶，再对冰盐水进行洗涤、分离及融化处理，就得到淡水。间接冷冻法的制冷剂可选择R410A等物质。与直接冷冻法相比，间接冷冻法多了一个结晶器，制冷剂不与海水直接接触，而通过结晶器冷冻海水，其余过程与直接冷冻法基本相同。冰冻法具有预处理简单、水垢少、腐蚀小、能耗低等优点[6]，适用于液化天然气（Liquified Natural Gas，LNG）船。

1.1.4 水合物法

水合物法利用乙烷、丙烷、环戊烷、聚乙烯、环丙烷等气态水合剂淡化海水。海水与气态水合剂接触时会发生水合反应，产生水合物。在高温或低压条件下分解水合物即可得淡水。该法能耗低、环保、发展潜力巨大，但目前技术尚不成熟[7]。

1.2 从海水中去掉盐的技术

1.2.1 电渗析法

电渗析法的基本原理为：在电场作用下，阳离子通过阳离子交换膜，阴离子通过阴离子交换膜。电渗析过程的能耗与给水含盐量成正比，脱盐率与进水浓度成反比。电渗析装置有脱盐率高、操作性好、膜寿命长、电极可重复使用、绿色环保、经济性好等优点，适用于电量充足的场合[8]。因不能有效地截留胶体、细菌、病毒、浮游生物等不带电荷的杂质，故利用该法生产的淡水不适于饮用[9]。

1.2.2 离子交换法

离子交换树脂是离子交换法的核心。阴、阳离子交换树脂可分别吸附水中的阴、阳离子，产生氢氧根离子、氢离子，2种离子中和即可实现海水脱盐。该法具有能耗低、除盐彻底、除硼率高等优点，亦可从浓海水中提取钾、溴等元素。其缺点为树脂再生需耗费大量的化学药剂，再生液有可能污染环境。开发高容量的离子交换树脂是提高海水淡化率的关键[10]。

1.2.3 电容吸附法

通电电极表面对盐离子有静电吸附作用，电容吸附法利用此原理实现海水脱盐。该法具有设备简单、操作方便、能耗低、绿色环保等优点[11]。

2 船用海水淡化技术的发展现状

2.1 耦合技术的应用

将不同类型的技术耦合使用，可以实现优势互补，形成性能更好的复合型海水淡化技术[12]。

王忠诚等[13]将真空制淡技术与反渗透法相结合，设计了一款复合型海水淡化装置，具有产水量大、水质好、能耗低、硅垢少等优点。黄晓峰等[14]耦合反渗透法与真空沸腾技术，设计了一款新型海水淡化装置，由预处理装置、蒸发和冷凝本体、反渗透膜组件、高压泵及能量回收装置等组成，具有产水量大、供水质量高、维修费用低等优点，适于生产锅炉与人员生活用水。张皓兴等[6]通过冷冻-重力脱盐实验，研究融化率对人工海冰脱盐效果的影响，得出了“冷冻-重力-反渗透复合海水淡化方法的产水率与水质均优于冷冻-重力脱盐法，且其高压泵泵耗小于反渗透法”的结论。章先涛等[15]将冷冻淡化装置与毛细蒸发装置相结合，设计了一款新型海水淡化装置，海水在结晶室释放出的热量在蒸发室内获得重新利用，所产生的水蒸汽用于融化冰晶，具有较高的海水淡化效率，应用前景良好。杨洛鹏等[16]针对“低温多效蒸发温度的范围受制于冷凝器冷却水的温度”的难题，提出一种冷热耦合塔式海水淡化系统，将海水淡化和空调制冷相结合，以塔式多效蒸发装置代替吸收式制冷系统的蒸发器和冷凝器，利用船舶柴油机排气热量与缸套冷却水热量为动力来源，减少了船舶的耗电量与装置的体积。

2.2 新材料的发明

各种新材料的发明为船用海水淡化技术的发展提供了契机。石墨炔膜、柱状石墨烯膜、碳纳米管膜、含有PAF纳米颗粒的柔性聚合物膜、共价有机框架膜、金属有机框架膜、无机纳米材料混合基质反渗透膜等纷纷出现，在船用海水淡化领域展现出了强大的生命力。

南京航空航天大学纳米科学研究所成功研制出石墨炔膜，海水淡化速度是传统反渗透膜的100 倍，若其获得应用，必将引发一场“革命”[17]。柱状石墨烯目前主要用于能源气体净化分离与存储运输，由于其反渗透机理尚不明确，故未受到太多关注，张泽程等[18]基于分子动力学方法，深入研究压强、温度及膜剪切运动的变化对柱状石墨烯反渗透膜脱盐性能的影响规律，验证了柱状石墨烯在海水淡化领域的良好应用前景。作为一种理想的海水淡化膜分离材料，碳纳米管具有一维特征孔道结构，能够有效提高液体分子的传输速率，赵曼等[19]综述了碳纳米管的结构、膜分离性能及其在海水淡化膜分离材料中的应用现状、研究进展、面临的挑战及发展潜力。美国加州大学伯克利分校的专家发明了一种柔性聚合物膜，含有PAF 纳米颗粒，可选择性地吸收近100%的铁、铜、汞、硼等金属，并能捕获黄金等有价值的金属，将其用于海水淡化，可生产安全清洁的淡水，并具有较高的经济效益[20]。共价有机框架膜孔道大小可控、化学性质可调，是用作高性能膜分离材料的理想选择，蒋成浩等[21]阐述了共价有机框架膜的合成方法及其在海水淡化领域的研究进展、应用前景及面临的挑战。金属有机框架膜适用于反渗透、纳滤等类型的海水淡化，邱新启等[22]对其影响因素做了深入分析，阐述了近年来的相关研究成果及其发展方向。无机纳米填充混合基质反渗透膜具有水通量高、截盐率高、耐久性强等优点，零维、一维、二维无机纳米及多维纳米复合填充混合基质反渗透膜是目前的研究热点，在海水淡化领域展现出了强大的应用潜力[23]。碳基材料具有光吸收能力强、光热转换效率高、耐盐性好、水传输平衡等优点，适用于太阳能海水脱盐，Wang Tianyi 等[24]分析了碳基材料的光热转换机制，归纳了相关研究成果，指出了现阶段存在的关键问题和挑战，为下一步改进碳基材料、提高太阳能海水淡化效率提供了参考。

2.3 新技术的推广

近年来，传统的海水淡化技术得到了不断的优化与发展，人工智能、仿生学等新技术的引入大大提高了海水淡化设备的性能，各种新设计（如便携式海水淡化装置）纷纷出现，并得到了迅速的推广。

缪红建[25]设计了一种新型船用板式蒸馏造水机，优化了换热板片的结构及流道，以一组换热板片集成了蒸发、分离、冷凝3 种功能，舍弃了原有装置的铜制外壳，减少了设备体积，节约了空间，降低了淡水生产成本。吴干[26]设计了一个竖管升膜蒸发海水淡化系统，建立了蒸发器、冷凝器的数学模型，利用C语言编写系统程序，通过安装预热器和喷射器来改善系统的热力性能，并降低造水成本，有效解决了“首效蒸发器预热使造水比减小、比冷凝水量增大的问题”。何祥宁等[27]优化基于蒸馏法的海水淡化装置，利用船舶主柴油机排烟余热进行海水脱盐，优化后的装置具有制淡过程简单、易于操作、淡水纯度高、产水量大、耗能少、污染小等优点。鲍克勤等[28]设计了一款基于模糊逻辑的海水淡化温控系统，通过自适应PID 控制方法实现稳态无静差，利用变论域模糊控制方法提高系统的精度与稳定性，有效解决了传统低温多效蒸馏温控系统中存在的诸多问题，如过程复杂、非线性、大时滞等。刘锐等[29]针对12 800 t 的LNG 船，提出了一个冷能梯级综合利用系统方案，利用满足发电、空调、冷库及海水淡化冷量需求以外的剩余冷量，合理选择冷媒，基于Aspen HYSYS进行过程模拟与分析及方案优化，釆用遗传算法匹配优化系统的关键参数。结果表明，“发电+冷库+海水淡化+蓄冷”方案将效率提高到40.04%，性能最优。孙毅与王炜[30]基于MEA-BP 神经网络，提出了一种船用反渗透海水淡化系统性能预测模型，输入变量为进水流量、海水浓度、温度及操作压力，输出变量为淡水流量、产水电导率及能耗，学习样本和测试样本为各个影响因素均匀正交试验数据，在确定BP 神经网络的拓扑结构后，利用MEA 优化BP 神经网络的初始权值和阈值，训练完成进行仿真预测，仿真结果表明该模型预测精度较高，运算速度较快，具有一定的实用价值。为提高利用太阳能进行海水淡化的蒸汽转化率，Li Yeran 等[31]设计了一种新型仿生叶片结构，以亲水聚乙烯醇海绵层为叶肉组织层，以聚吡咯层为的叶绿素层，以微/纳米尺度的多孔疏水表面层为气孔层。亲水海绵层的聚乙烯醇聚合物网络具有高孔隙率和低导热性，能够提供高效的水传输通道，同时降低内部水蒸发焓；聚吡咯层负载于亲水聚乙烯醇海绵层，可将吸收的太阳能转化为内能，用于加热蒸发；多孔疏水表面层具有边缘效应，用作水蒸气的高效逃逸通道。实验结果表明，该装置在室外自然光照条件下即可实现海水的脱盐和净化，具有一定的实用价值。李萌等[32]设计了一款便携式海水淡化装置，由供能模块、制水模块、自动控制模块及辅助模块构成，采用太阳能板与蓄电池供电，制水模块采用中空纤维疏水膜组件、分段式膜蒸馏工艺，能够实现能量核算、实时监控及一键化自动运行，具有结构紧凑、操作简单、密封性好、重量轻、便于海陆携带等优点。王长金等[33]设计了一款便携式手动海水淡化装置，主要组件包括内胆、推杆、膜元件、外袋等，转动推杆手柄即可产生淡水，体积小巧，不需外加电源，能固定在传统救生衣上，可用作海军士兵的后勤保障装备。向诚等[34]设计了一个便携式海水淡化系统，采用太阳能风力发电为动力源，以智能手机为上位机控制端，以海水淡化系统为下位机，具有GPS 定位、系统电量无线检测、设备智能控制等功能，节能环保，能耗低，体积小，适用于小型船舶。

2.4 新能源的开发

以太阳能、风能、波浪能、核能等为能量来源的海水淡技术也是研究热点[35]。

李吉淑等[36]设计了一种聚能式多效太阳能海水淡化系统，由低倍聚光太阳能集热器、太阳能聚热平板、原水储水箱、导热油箱、蒸馏室、蒸发器、冷凝器、油泵等部分组成，能够充分利用蒸汽冷凝潜热，具有较高的能量利用效率与系统集热效率。耿保阳等[37]发明了一款太阳能海水淡化装置，由带有储水槽的浮体、锥形透明罩体等构成，浮体上设置了淡水收集管，其进水口与罩体底部边缘对应，并与淡水收集装置连通。该装置结构简单，使用方便，成本低，能放在海水中使用，可作为应急救生装置配置于救生艇筏之上。苏晓红[38]发明了一种能够综合利用太阳能与风能的船用海水淡化装置，采用活性炭对海水进行初次淡化，在晴天利用太阳能对海水进行二次蒸馏淡化，在阴天利用风力机发电加热实现对海水的二次蒸馏淡化，具有产水量大、水质好、无污染等优点，适用于多变环境。韩昕璐等[39]发明了一款船载式波浪能海水淡化装置，由3 个模块构成，即波浪能收集模块、集成膜反渗透淡化模块及检测反馈模块。波浪能收集模块支架包括铰链和3 块窄钢板，浮子位于支架下端，铰链将活塞式液压缸固定于支架之上，吸水管道的出水口与活塞式液压缸的入水口相连接。集成膜反渗透淡化模块由液压管路和三支膜（超滤预处理膜、陶氏SW30-2540 主体膜及补偿膜）组成。检测反馈模块由单片机控制，并配有连接管道、盐度计、水流量计及电磁阀。该装置完全利用波浪能进行海水脱盐，体积小，方便携带，在远洋货船上具有良好的应用前景。核反应堆可产生热能或电能，热能可用于多级闪蒸或多效蒸发式海水淡化，电能可用于反渗透式海水脱盐，水电联产即利用核能在造水的同时又发电，是必然的发展趋势[40]。

3 船用海水淡化技术的发展趋势

淡水质量是影响船员身体健康的主要因素之一，也是影响船舶设备正常运行的重要因素之一，生产不含盐离子、重金属离子、胶体、细菌、病毒及其他杂质的高品质淡水，是人们对船用海水淡化技术的最基本要求。现代船舶的吨位越来越大，航行时间越来越长，增加了人员与设备对淡水的需求量，在此背景下，产水率高低成为衡量船用海水淡化设备性能的重要标志之一。近年来，能源危机席卷全球，油荒、气荒等频频发生，各行业、各领域都在追求低能耗的生产方式，船用海水淡化设备也不例外，远离陆地，燃料补给困难，能耗低就意味着增加船舶的续航力。人类面临日益严重的环境污染问题，世界各国纷纷制定出台了严格的海上防污染措施，以限制船舶的污染物排放，在此背景下，低污染成为船用海水淡化技术性能的硬性指标。随着船用海水淡化技术的不断进步，造水成本呈不断下降趋势。船舶舱室的空间有限，设备的体积越小，人员生活与工作空间及货物存储空间就越大，因此，设备体积的小型化成为船用海水淡化技术的重要发展方向。随着人工智能、计算机网络、物联网、自动控制等技术的发展与引入，船用海水淡化设备的智能化程度越来越高，这将大大提高设备的整体性能，降低设备的能耗、磨损及人力成本等。船舶设备的运行环境很恶劣，天气阴晴不定，海况变幻莫测，舱室内振动大、噪声大、腐蚀大、霉菌多，在各种复杂工况下，产水品质与产水量均不受外界环境影响的具有高可靠性的海水淡化技术必然受到重视。

综上所述，未来船用海水淡化技术的发展趋势为高水质、高产水率、低能耗、低污染、低成本、小型化、智能化、高可靠性等。前述的耦合技术的应用、新材料的发明、新技术的推广、新能源的开发，都可看作是为了提高上述性能指标而做的尝试与努力。

4 结束语

本文综述船用海水淡化技术的发展现状和趋势。简述传统海水淡化技术的基本原理。列举近年来与船用海水淡化技术相关的研究成果与成功应用案例，并从耦合技术的应用、新材料的发明、新技术的推广、新能源的开发4 个方面分析船用海水淡化技术的当前发展现状。

全球航运业的蓬勃发展与领域技术的不断进步，为船用海水淡化技术的发展提供了契机。未来船用海水淡化技术必然朝着高水质、高产水率、低能耗、低污染、低成本、小型化、智能化、高可靠性等方向发展。我国海运船队控制运力的规模已位居世界前列，但船用海水淡化技术还是落后于以色列、美国、日本、英国等发达国家。必须加大投入力度，发扬自主创新精神，努力缩小差距，研发高质量的产品，提高我国在世界船用海水淡化市场的话语权。