海水淡化是解決淡水資源短缺的重要途徑。來自北京工業大學的副教授鄭曉英詳細介紹了目前商業用最為廣泛的海水淡化工藝：低溫多效蒸餾、多級閃蒸、反滲透，分析了其工藝原理、工藝特點、發展趨勢以及我國海水淡化產業發展現狀。原文發表在《凈水技術》2016年第六期“經驗交流”欄目。本文略有刪減和修改。

01三效低溫多效蒸餾海水淡化工藝原理圖

低溫多效蒸餾工藝（LT-MED）在一系列壓力遞減的蒸發室中進行，蒸發室的個數稱為效數，典型的LT-MED淡化廠的效數一般有7效以上。如圖1所示，每個蒸發室內安裝有一系列蒸發管束，蒸發管束具有優良的傳熱性能和一定的機械強度。系統中,往第一效蒸發管中通入來自外部熱源的蒸汽；海水從蒸餾系統的右邊進入，被最后一效中生成的蒸汽預熱后一部分作為蒸餾系統的補充水。進入系統的海水從每一效的頂部噴灑到內部的蒸發管束上，在重力的作用下沿蒸發管的表面從上而下流動并不斷從蒸發管表面吸收熱量而部分蒸發生成蒸汽，同時蒸發管內部的蒸汽放熱冷凝生成淡水被收集。在系統上一效中生成的二次蒸汽經除霧器去除鹽類物質后進入到下一效的蒸發管中，直接作為下一效蒸發管的加熱蒸汽。沿蒸汽傳輸方向，效室內的壓力和溫度逐漸下降，這樣，蒸發、冷凝在各效就會重復進行，只有在第一效蒸發管中冷凝的淡水回流至蒸汽發生器，其余各效即成為產品水。

技術特點

LT-MED通過控制蒸發室內的壓力，實現了海水在較低溫度（<70 ℃）條件下的蒸發和冷凝循環, 大大減弱了設備的結垢和腐蝕問題，運行壽命長、維護量少，而且使得應用廉價傳熱材料的可能性大大增加。由于LT-MED的冷凝過程完全發生在蒸發管內部，系統受海水水質的影響非常小。在較低的溫度條件下，海水中的雜質幾乎不發生相變，產品水的TDS可達5 mg/L以下。LT-MED主要利用低壓蒸汽或者是發電廠的余熱，這也使得其能夠利用多種低位熱能而具備節能的特色。根據系統規模、蒸發室個數以及蒸發管的傳熱效率的不同，造水比（生產淡水和消耗蒸汽的質量比）為8~15，其運行負荷可以是設計負荷的40%~110%而保持造水比不變，這種操作彈性是一個重要優勢，如果因某種原因蒸汽量減少或者增大，對LT-MED的運行影響并不大。但由于LT-MED的操作溫度超過 70 ℃，這也成為該工藝技術進一步提高熱效率的制約因素。

當前發展趨勢

由于在較低的溫度下，海水的結垢和腐蝕現象會很大程度減輕，根據這個原理，20世紀70年代末以色列IDE公司開發出了LT-MED。從熱能利用和轉化的角度來講，LT-MED的效率要比MSF高，這使得LT-MED的市場優勢明顯，在新建的熱法工藝中被廣泛采用。就全球市場而言，盡管LT-MED淡化廠的數量相對MSF來說還較少，但由于LT-MED的開發使多效蒸餾具有了諸多的優越性，并且其在利用低溫余熱的蒸汽后，制水成本較反滲透工藝亦具有相當高的競爭力，建成數量正在不斷增加。未來低溫多效蒸餾工藝研究的重點是新型廉價材料的應用、裝置規模的擴大等技術, 旨在進一步降低設備造價和運行成本, 提高競爭力。

02多級閃蒸海水淡化工藝原理圖

多級閃蒸工藝（MSF）的原理是將海水在一系列壓力逐漸減低的閃蒸室內進行閃蒸，閃蒸室的個數稱為級數，超大型的MSF淡化廠可達50級。如圖2所示，海水首先通過閃蒸室頂部的冷凝管束，在冷凝管束中被各級閃蒸室內生成的逐漸升溫的蒸汽預熱，最后到達鹽水加熱器。鹽水加熱器的加熱蒸汽來自火力發電廠，海水在加熱器內被加熱到最高溫度（90~115 ℃）后送入第一級閃蒸室。閃蒸室內的壓力低于海水所對應的飽和蒸汽壓，即海水被送入閃蒸室的溫度高于在閃蒸室內壓力條件下的沸點溫度，因此海水迅速沸騰，一直到溫度降到沸點，一部分海水汽化，生成的蒸汽通過除霧器去除溶解的鹽類物質，最后在頂部的進水冷凝管束表面冷凝后生成淡水被收集。沒有汽化的海水溫度降低，流入到下一個壓力較低的閃蒸室繼續閃蒸的過程，這樣重復蒸發和冷凝的過程持續生成淡化水。

技術特點

MSF更傳統一些，技術成熟、可靠，運行安全、穩定，其裝置具有大型化和超大型化的特點。由于多級閃蒸工藝將海水的加熱和蒸發分開進行，相對于早期的多效蒸餾工藝，MSF設備的結垢現象較輕且容易去除。大型的MSF通常設計成濃水循環式系統，回收部分濃水作為系統補充進水，循環一定比例的濃水可以減少蒸汽和海水的需求量，同時還可以減少阻垢劑和消泡劑的使用量。MSF的級數和造水比受到多種因素的影響，通常，在其他因素均相同的情況下，垂直的冷凝管束MSF系統，造水比大約是級數的1/2到1/3，而平行的冷凝管束MSF系統，造水比大約是級數的1/4。脫氣處理是循環式MSF系統中是重要的預處理環節，脫氣處理可以去除進水中的氧氣、氮氣和二氧化碳等溶解性氣體。如果對進水不進行脫氣處理，這些溶解性氣體將會在閃蒸的過程中被釋放出來，這些氣體的導熱性比較差，會降低冷凝管束的傳熱速率，同時二氧化碳和氧氣還會加速設備的腐蝕。MSF的動力消耗大；設備的操作彈性小，不適用于造水量變化大的場合。

當前發展趨勢

MSF自20世紀60年代開始迅速占領中東地區市場，這也是海水淡化技術大規模應用的開始。目前仍是全球市場總產能第二的海水淡化工藝，其發展和應用主要以中東海灣地區為主。該技術與LT-MED相比，能耗偏高，在我國等新興海水淡化市場的應用較少，近些年來，幾乎沒有大型的MSF新建項目，取而代之的熱法工藝是LT-MED。隨著全球海水淡化產業的興起和新技術的開發應用，MSF未來的市場份額預計會進一步縮減。

03滲透和反滲透原理圖

反滲透即是滲透的逆過程。滲透是一種自然現象，稀溶液中的水分子會以較快的速度透過半透膜向濃溶液一側擴散，如圖3所示，淡水側的液面會不斷下降，從而產生一個靜水壓力差，當這一靜水壓力差的存在使兩側的水分子擴散速度相等時，滲透達到平衡，此時的靜水壓力差值稱為滲透壓（海水和淡水界面之間的滲透壓大約為2.4MPa）。反滲透過程則剛好相反，在SWRO中，在海水一側施加一個大于海水滲透壓的壓力將導致海水中的水分子透過膜而鹽分被截留下來，理論上，這種外加壓力越大，海水中的水分子反滲透的速度越快。

實現反滲透過程最核心的部件是人工合成的反滲透半透膜，它幾乎只能讓水分子透過。反滲透膜的平膜膜片需要制成一定的構型才能用于水處理工程，如今，在海水淡化中，最主要采用的是芳香聚酰胺類卷式膜元件。在兩兩平膜膜片之間夾入產水隔網，并分別沿膜層的三條邊將膜層膠結在一起，然后和進水隔網組合成一起后卷繞在多孔中心管上，最后在兩端裝上穿孔端蓋并封裝后即制成卷式膜元件。商業化的反滲透膜元件有多種規格，海水淡化中使用最多的膜元件直徑為200 mm，標準長度為1 000 mm。在SWRO系統中，將1個或幾個卷式膜元件連接起來，裝入圓柱形的壓力容器中，多個壓力容器連接組合后構成反滲透單元。通常，一個壓力容器中可以包含6~8個膜元件，一個中型的SWRO系統要由上千個壓力容器組成。

如圖4所示，SWRO由高壓泵、壓力容器和能量回收裝置組成。海水經預處理后，由高壓泵加壓送入反滲透單元的壓力容器后，海水首先通過第一個膜元件并在該膜元件螺旋卷繞的進水隔網通道內流動，在較高的壓力下，一部分水分子不斷滲透過膜，經產水隔網流道進入到卷式膜元件的中心管，生成產品水，其余進水沿著水流方向繼續流動至下一個膜元件。這一過程依次進行，當進水每通過下一個膜元件時，進水濃度增大，流過最后一個膜元件時，進水成為濃水，濃水流出壓力容器后經能量回收裝置回收剩余壓能后排除。

技術特點

與熱法不同的是SWRO并沒有蒸發和冷凝的相變過程，其最主要的能耗是實現反滲透過程的高壓泵送電能，這使得反滲透的制水成本相對熱法而言要低。另外，相對熱法其設備還具有模塊化的結構特點，工藝靈活性較高，其局部設施的暫停維護可以不影響整個系統其余部分的運行。但是，SWRO需要復雜而精細的預處理過程，不同商業膜廠商對其聚酰胺類反滲透膜的進水SDI、pH、溫度、余氯等指標均具有嚴格限制要求。在預處理不達標時，膜表面的污染、結垢會加速，運行中，膜組件的使用壽命、能耗和產品水水質均會受到影響，進而提高制水成本。SWRO的預處理工序根據取水方式和海水水質而不盡相同，對于開放式的取水方式而言，現在比較流行的是在反滲透前上溶氣氣浮+超濾+5 μm保安過濾器來保證反滲透的進水水質要求。對平均進水TDS=35 000 mg/L的SWRO系統，進水壓力在5.0 MPa以上，運行回收率（產水和進水的體積比）在40%~60%。 能量回收裝置是另一關鍵設備，SWRO的快速發展，除了膜材料和膜組件的不斷優化，效率不斷提升的能量回收裝置在反滲透系統中的使用功不可沒。如今，高效率的PX型壓力回收裝置能夠回收濃水中95%以上的能量用以加壓進料海水，這使反滲透過程的能耗下降了近乎一半。一級反滲透出水TDS大約為300~500 mg/L，這已經滿足世界衛生組織對飲用水TDS指標的限定要求（500 mg/L），SWRO在缺水區域已經大規模用以飲用水供給。

當前發展趨勢

20世紀80年代SWRO開始成為與傳統熱法工藝相競爭的工藝[12]，由于設備投資省、建造周期短、能耗較低等諸多優點，發展速度很快，當前已成為全球海水淡化市場最主要的工藝。目前，一級SWRO基本上都是用于市政行業，這也是反滲透工藝的產能迅速增長的原因。未來反滲透工藝的研究將會集中在開發更加節能和耐用的新型反滲透膜和膜組件，減少運行能耗和維護費用，降低制水成本。

更多資料可參考

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