杂记 海水淡化原理

一、概述

        水是地球上最丰富的资源之一，约占地球表面的四分之三。然而，在许多国家，尤其是在非洲和中东地区，饮用水严重短缺。这种明显矛盾的原因当然是，地球上约 97.5% 的水是海洋中的咸水，而地下水、湖泊和河流中只有 2.5% 是淡水，这满足了人类和动物的大部分需求。解决水资源短缺问题必须采用更好、更经济的海水淡化方法。

        许多人类活动，例如饮酒、农业、卫生和发电等，都需要大量的水。幸运的是，在许多情况下，人口中心位于可用水源附近。然而，覆盖地球表面 70% 以上并含有地球水的 97% 的海洋含有咸水。由于这种咸水不适用于许多应用，因此必须先将其脱盐（降低或消除盐分）才能使用。几年前，13000 多家海水淡化厂每天处理 120 亿加仑的水。然而，海水淡化往往是能源密集型的，海水淡化会对经济和生态造成重大影响。

        在中东大型常规热电厂是该地区最重要的商业支柱之一，它们在为许多公共和工业部门提供淡水方面发挥着至关重要的作用，特别是在人口密度高的地区。然而，由于它们使用化石燃料运行，它们的运行成本变得非常昂贵，并且它们产生的环境污染越来越被认为对地球非常有害。

        尽管对海水淡化进行了创新改进，但能源需求仍然巨大。最先进的海水淡化仍然需要每 1000 加仑淡化水消耗 7 至 30 kW-h 的能量。所需能量可能会因所使用的脱盐类型以及水的初始含盐量而有很大差异。因此，每天要淡化 120 亿加仑的水，全世界至少要消耗 8400 万千瓦时的能源；实际数字可能要高得多，因为许多工厂使用每 1000 加仑纯净水需要更多能源的旧技术。由于一加仑汽油含有大约 33 千瓦时，全世界每天使用至少相当于 250 万加仑汽油来淡化水。

        此外，这种模式在偏远地区经济上不可行，即使靠近海水丰富的海岸也是如此。许多这样的地区还经常遇到化石燃料短缺和电力供应不足的问题。对于这些地区的居民来说，开发紧凑的小型海水淡化系统势在必行。众所周知，太阳能热海水淡化是一种在偏远地区从盐水生产淡水的可行方法；占地面积相对较大的传统盆式太阳能蒸馏器就是这种简单技术的一个例子。在海水淡化过程中使用清洁的天然能源将显着减少导致全球变暖的污染。

二、海水淡化方法

        应用最广泛且经过商业验证的技术可分为两种类型：相变热工艺和膜工艺，如图 1所示，两者都包含许多不同的工艺。此外，还有冷冻和离子交换等替代技术并未得到广泛应用。所有这些都由传统能源或可再生能源运营以生产淡水。

1、蒸馏工艺

        蒸馏，是处理海水和微咸水以将其转化为饮用水的最古老方法之一。它基于沸腾或蒸发和冷凝的原理。水被加热直到达到蒸发状态。当蒸汽冷凝产生淡水时，盐会被留下。在现代，所需的热能由蒸汽发生器、废热锅炉或通过从发电站的涡轮机中提取背压蒸汽来产生。最常见的热脱盐工艺是：

        多级闪蒸（MSF）

         多效蒸馏（MED）

        蒸汽压缩蒸发（VC）

         热电联产

        可以在双重用途或热电联产系统中使用能源，其中能源可以执行多种不同的功能，例如发电和海水淡化。阿拉伯海湾国家和北非的大部分淡化饮用水和电力是由与使用海水运行的多级闪蒸淡化装置相关的热电联产厂生产的。

        在热电联产厂中，电力由高压蒸汽产生以驱动涡轮机；锅炉在高达 540°C 的温度下产生的蒸汽。当这种蒸汽在涡轮机中膨胀时，其温度和能量水平就会降低。如前所述，蒸馏厂需要温度低于 120°C 的蒸汽，这可以在涡轮机末端很容易获得，因为其大部分能量已用于发电。该蒸汽用于脱盐过程，然后将蒸汽中的冷凝水返回锅炉以再次加热以用于涡轮机。该系统的主要优点是它使用的燃料比每个单独运行的工厂要少得多，而且能源成本是任何海水淡化过程中的关键因素。相比之下，缺点之一是海水淡化厂和发电厂之间的永久耦合，当电力需求减少或涡轮机或发电机停机维修时，这可能会导致水生产问题。

2、膜工艺

        合成膜在 1960 年代首次用于分离过程，但在 1980 年代它们开始在海水淡化中发挥越来越重要的作用。最初，膜的应用仅限于市政水处理，例如微滤和海水淡化，但随着新型膜类型的发展，其用途已扩大到不仅涵盖水行业，还包括化学分离、酶浓缩和饮料净化等高回收工艺. 该技术使用相对渗透性膜来移动水或盐，以诱导两个不同浓度的区域产生淡水。这些工艺也可用于市政水处理；RO 和电渗析 (ED) 正在取代相变脱盐技术，为世界各地的沿海和岛屿社区供水。特别是 RO 正在成为传统水软化工艺的经济替代品。膜技术包括几个过程，但它们之间的主要区别在于被保留或允许通过膜的实体、离子、分子和悬浮颗粒的大小。典型的分离过程是纳滤、超滤、微滤和用于脱盐预处理阶段的过滤，以去除大颗粒、细菌、离子和软化水。图5显示了膜工艺和应用的有效范围。

        主要的工艺是反渗透，电渗析，膜蒸馏（MD）

3、可再生能源海水淡化

        近年来，可再生能源作为一种清洁友好能源在偏远社区运营小型海水淡化装置的潜在用途越来越受到关注。可再生能源和海水淡化（如太阳能、风能和地热能）与海水淡化系统的结合为解决水资源短缺问题带来了巨大希望，并且是解决气候变化和水资源短缺问题的可行方案。

        大多数使用可再生能源的海水淡化系统可分为三类：风能、太阳能 [光伏 (PV) 或太阳能集热器] 和使用地热能的海水淡化系统。这些可再生能源可以与热蒸馏或膜脱盐系统相结合，如下图所示，以生产水。在某些情况下，这些系统与传统能源（例如当地电网）相连，以最大限度地减少能源生产水平的变化，从而减少水的生产。当使用可再生能源来运行 RO 工厂时，成本会显着增加（10.32 $/m 3) 由于海水淡化单位资本成本的高成本。

 三、结论与展望

        咸水和海水淡化被证明是可靠的淡水来源，有助于解决世界水资源短缺问题。本文回顾了近几十年来开发的许多热法和膜法海水淡化工艺。还介绍了每种海水淡化技术的优缺点，包括经济性。近年来，膜脱盐工艺取得了长足的发展，特别是在膜组件的设计、能量回收和预处理方法方面，使其成本与热工艺相比具有竞争力。使用可再生能源进行海水淡化成为一种合理且技术成熟的替代方案，可以替代新兴和紧张的能源形势，并成为解决水资源短缺问题的可持续解决方案。

        在太阳能资源丰富的许多地区，饮用水的稀缺限制了社会经济的发展。因此，在太阳能资源丰富的非洲和中东地区国家利用太阳能进行海水淡化是满足用水需求的一个有前景的问题，必将有助于解决水资源短缺问题并通过各种手段减少二氧化碳排放。的环保工艺。

        需要涉及所有利益相关者（政府、行业、大学和研究机构）的集体研发计划，以改进和开发海水淡化技术，以使它们在全世界范围内都能负担得起，特别是在缺乏传统能源和水资源短缺的国家。因此，各种海水淡化系统需要进行广泛的研究和分析，以评估其开发、应用和性能的潜力。可再生能源在海水淡化中的应用最成熟的技术是风能和光伏驱动的膜工艺以及直接和间接的太阳能蒸馏。RO 膜技术的连接将被认为是接近传统海水淡化水成本的最具成本竞争力的太阳能海水淡化技术。除了目前市场上光伏组件价格的快速下降。然而，太阳能蒸馏可能有利于海水淡化，因为建议将太阳能 MED 用于大规模太阳能淡化，因此必须考虑其他可再生能源，例如风能和地热能，这可能适用于不同的海水淡化过程可行的成本。此外，还需优化可再生能源与海水淡化系统的耦合，建议进一步研究开发可再生能源增强型海水淡化技术，该技术需要很少的维护和废热源，特别适合在目前缺乏水和电基础设施的偏远地区提供淡水。

        参考资料

Water desalination technologies utilizing conventional and renewable energy sources | International Journal of Low-Carbon Technologies | Oxford Academichttps://academic.oup.com/ijlct/article/9/1/1/663897