《科学通报》
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解救焦渴地球——聚焦海水淡化技术
2020-11-25 11:57:00淡水资源匮乏日益严重，已成为全球性的环境问题。而全球水资源总量中近97.5%的水为海水等咸水资源，且世界上超过70%的人口居住在距海边70km的范围内，因此20世纪后半叶以来，海水淡化被认为是最实用的能持续提供淡水来源的方法。相比另外两种常用淡水取用方式——地下取水和远程调水，海水淡化能耗低，原水资源丰富，因而进入21世纪后被世界各国认为是最可行和最经济的淡水取用方式。
《科学通报》发表哈尔滨工业大学李凤臣为通信作者“海水淡化技术应用研究及发展现状”一文， 对海水淡化技术的发展进行了重点分析和展望;介绍了各传统海水淡化技术的基本工艺流程和工作原理， 总结了其性能和技术特点。
当前在工业上大规模应用的海水淡化技术有多级闪蒸、多效蒸馏和反渗透法。截至2014年，反渗透法的装机容量占全球总装机容量的65%，多级闪蒸和多效蒸馏分别占21%和7%。其中，多级闪蒸和多效蒸馏属于热法海水淡化技术，即利用热能作为驱动力，对经过预处理的海水加热后产生蒸汽，将蒸汽冷凝即可实现盐水分离;而反渗透法属于膜法海水淡化技术，即通过在浓溶液一侧施加大于海水渗透压的压力，从而使淡水穿过半透膜从浓溶液侧向稀溶液侧输运。然而经过多年发展，多级闪蒸和多效蒸馏仍然受限于结构材料的腐蚀和水垢的生成，而反渗透法存在膜上污垢生成，需要对原水进行严格的预处理等问题。除了上述三种海水淡化技术，传统海水淡化技术还包括压汽蒸馏、电渗析、冷冻法、水合物法、溶剂萃取法、离子交换法和增湿除湿法等。
近年来，为了克服和改善传统海水淡化技术的缺点和不足，进一步降低海水淡化能耗，提出了很多针对优化传统方法海水淡化性能的改进方法，并开发了不同的新型海水淡化技术。总体来说，当前海水淡化技术的发展主要从以下四个方面着手：
对当前现有海水淡化方法中的关键技术或设备进行改进
多级闪蒸和多效蒸馏等热蒸馏法的性能主要受限于结垢和腐蚀，因而改进主要集中在换热器结构及其材料方面。针对换热管束结构，研究表明，波纹管比光滑管具有更高的淡水产量和更小的结垢热阻，且传热性能也要优于光滑管。针对换热器材料，主要开发了双相不锈钢、钛管、聚合物中空纤维换热器等。对于反渗透法，其改进工作主要集中在开发新型能量回收装置以及具有持续的高通量、低压力和低能耗的半透膜。
发展不同海水淡化技术之间相互结合的混合海水淡化方法
结合不同的海水淡化技术可以利用各自的优势，弥补不足，从而达到优化海水淡化性能，以及降低能耗和成本的目的。主要有多效蒸馏与压汽蒸馏的结合、膜方法与热蒸馏法结合的膜蒸馏法、电渗析与离子交换法结合的填充床电渗析等。
开发利用可再生能源或新能源的海水淡化方法
随着淡水资源的短缺以及传统化石能源的减少和成本的上升，以可再生能源作为驱动力的海水淡化技术受到了越来越多的关注。特别是对于水和电供应不足的偏远地区或小型社区，可再生能源作为一种环境友好型清洁能源在小规模海水淡化装置上的应用潜力近年来受到越来越多的重视。此外，由于传统化石能源的燃烧会带来温室气体和有害物质的排放，可再生能源海水淡化因而也被认为是解决气候变化问题的潜在的可行方案。目前应用于海水淡化的可再生能源的主要有太阳能、风能、地热能、海洋能等。除可再生能源之外，核能作为一种可持续能源在海水淡化上的应用，同样被认为具有能够安全、经济、可持续地供应大量淡水的潜力。
利用未曾尝试过的物理现象，开发新型海水淡化技术
为了减少结垢，降低能耗、建筑成本和人力成本以及对环境的影响，通过利用未曾尝试过的物理过程，已开发了不同的新型海水淡化技术。主要有利用高盐度汲取液的正渗透法，利用多孔电极对离子进行电吸附的电容去离子，利用离子浓差极化的淡化方法，基于法拉第反应的电化学介导海水淡化，利用水的超临界状态进行海水淡化，可实现发电和海水淡化双重目的的磁流体方法，以及超空化海水淡化方法。哈尔滨工业大学李凤臣研究小组基于超空化效应提出了旋转超空泡蒸发器，并进行了初步的设计和研究，目前正进行进一步的改进和性能优化。
值得注意的是，与传统海水淡化技术相比，新型海水淡化技术在防垢、能耗、淡化效率、成本等方面更具优势，但是新型海水淡化技术大多处于试验研发阶段，可靠性和稳定性还不能完全保证，其在商业上的实际应用方式和场合还需要综合考虑其他因素并通过后续进一步的研究得以改进和发展。此外，除了能源成本以外，新型海水淡化技术转移到商业应用时其技术经济性还需考虑原水质量、系统建设成本、运行维护成本、劳动力成本和排放物处置成本等因素。
综上可知，新材料和新能源在提高性能、节约成本、环境友好等方面对海水淡化发展的推动作用不言而喻，而新技术的出现使得海水淡化的应用场合呈现多样化，能源消耗呈现节约化。在应对全球性淡水资源匮乏的危机上，海水淡化是最具前景的可持续淡水取用方式，而发展海水淡化的核心则是开发高能低耗的海水淡化技术。
文/郑智颖, 李凤臣, 李倩
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