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邬晓龄;黄肖容;邓尧
【摘 要】简要介绍了各种海水淡化技术，分析了传统和型海水淡化技术的进呈现状及存在的问题。指出进展具有抗污染性强、高膜通量和 NaCl 截留率高特性的膜分别海水淡化技术和集成海水淡化技术是将来海水淡化技术的进展方向。
【期刊名称】《当代化工》
【年(卷),期】2025(000)009
【总页数】4 页(P964-966,1002)
【关键词】海水淡化;膜分别;反渗透;纳滤
【作 者】邬晓龄;黄肖容;邓尧
【作者单位】华南理工大学 化学与化工学院 工业催化,广东 广州 510640;华南理工大学 化学与化工学院 工业催化,广东 广州 510640;华南理工大学 化学与化工学院 工业催化,广东 广州 510640
【正文语种】中 文
【中图分类】TQ085
淡水缺乏成为了 21 世纪的焦点。在地球外表 亿 km2 的总面积中，海洋面积为 亿 km2，大约占地球外表积的 %。海洋拥有地球总水量的 95%，在全球淡水资源紧缺的形势下，海水淡化日益重要[1]。于上世纪起，沙特、美国、以色列、加坡等国家大力建设海水淡化厂，解决内地淡水资源缺乏的现状。我国淡水资源总量虽世界第六，但水资源的分布很不均衡，人均占有量仅位于世界第
109 位。目前我国有 110 个城市严峻缺水，主要分布在华北、东北、西北和沿海
地区。为保证我国经济的可持续进展，缓解当代水资源短缺，大力进展海水淡化技术产业来解决淡水资源问题已迫在眉睫。因此，进展海水淡化技术，向海洋索取淡水已成为现代社会的当务之急[2]。
海水淡化就是将海水脱盐生产淡水。海水淡化可以充分利用海水资源，增加淡水总量。海水淡化进展于二战以后的拥有丰富能源却干旱的中东，传统的海水淡化方法有蒸馏法〔又称热法〕、冷冻法、露点蒸发法。
蒸馏法是最原始的方法。蒸馏法是通过加热海水，使水汽化、冷凝而获得淡水的淡化的一种方法，包括多级闪蒸、多级蒸发、压汽蒸溜[3]等。由于地理位置要求有局限性，一般都在沿海地区设置水电蒸馏厂。蒸馏法存在设备造价要求较高、锅炉易生垢、操作压力大、耗能大等不行避开的问题。
冷冻海水至结冰从而使盐被分别出去，得到淡水的方法即是冷冻法。冷冻法缺点是耗能大且制得的水质较差。
海水淡化是一种能源密集型工业，消耗大。降低传统方法海水淡化过程的能耗或查找可再生能源进展淡水生产是海水淡化技术进展的争论热点。
太阳能法是利用太阳能热效应驱动的海水淡化方法，将收集到的太阳热能驱动海水发生相变进展分别。太阳能较之传统热源等更安全、更环保。蒸馏法中争论最多、技术上最成熟的是太阳能盘式蒸馏器，此外还有利用烟囱技术的太阳能海水淡化技术[4]。太阳能与脱盐装置结合用于海水淡化得到的淡水纯度高；缺点是整个系统的效率低，系统简单，造价高。
膜分别具有高效节能、选择性好、无相态和化学变化及在常温下操作等优点，是继蒸馏法后的一项重要技术。膜法淡化海水，主要包括反渗透膜(RO)、电渗析法
( ED)和纳滤膜法(NF)。
反渗透膜
20 世纪 60 年月，Loeb 和 Sourirajan 承受相转化法制备出第一张不对称醋酸纤
维素膜之后，反渗透膜技术才有了突破性的进展[5]。Cadotte J. [6]以界面聚合法制备出高通量薄层复合膜，促使了反渗透膜的进一步进展。反渗透法是一种高效节能技术。它是利用选择性半透膜，依据半透膜两侧的渗透压大小，去除海水中盐类、小分子酸、醛等有机物和胶体得到淡水。目前最大的反渗透海水淡化厂产水规模已经到达 ×105 m3/d。2025 年以色列最大的反渗透海水淡化工厂建成[7]，产水量 100 Mm3/a。2025 年 5 月以色列投入使用的哈代拉海水淡化厂年产淡水量到达 亿 m3，是现有世界最大反渗透海水淡化厂。反渗透海水淡化技术进展很快。电能是反渗透法的主要能耗，设置能量回收装置有利于提高系统的效率，可节能 35%～60%。反渗透法较之传统的蒸馏法，更加节能[7]，工程造价和运行本钱持续降低，其进展速度远远快于蒸馏法。反渗透海水淡化的缺点是操作压大，膜组件易受到污染，进料液浓度有限制以及浓缩液的二次污染问题。如何提高海水预处理技术影响到反渗透膜受海水的污染程度，从而影响到反渗透膜系统运行的经济性[8]。减小反渗透膜操作压力，提高反渗透膜抗污染性是争论的方向。
电渗析法
20 世纪初，德国首先开头争论电渗析技术[9]。电渗析技术(ED)装置是将阴、阳离子交换膜交替排列于正负电极之间，并用特制的隔板将其隔开，形成除盐淡化和浓缩两个系统。在直流电场作用下，以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性，从溶液中把电解质分别出来，到达提纯效果。
电渗析最早应用于苦咸水淡化。1960 年日本开展电渗析技术浓缩海水制盐的争论， 1972 年国会通过了废除盐田法制盐法案以后，电渗析法全部取代了盐田法[10]。
最早的电渗析技术是填充床电渗析(EDI)，其概念始于 1950 年，结合了电渗析和离子交换法的优点逐步进展起来，实现了持续深度脱盐，它具有不用酸碱再生、产水周期长、耗电少等优点[11]，EDI 的缺点是本钱高、产生氢气和易爆炸。从 20
世纪 50 年月至今双极性膜渐渐进展起来，双极性膜电渗析(EDMB)是一种型离
子交换复合膜，能够在不引入组分的状况下将水溶液中的盐转化和分别成相应的酸 和碱，突出的优点就是过程简洁，能效高，废物排放少。在 20 世纪 80 年月后期，
倒极电渗析器的消灭[12]，使电渗析的结垢问题得以解决，废水回收率高达 80% 以上，从而大大推动了电渗析技术的进展和应用。我国的电渗析技术已成功的用于海水淡化、苦咸水淡化和各种纯水的制备。电渗析技术的优点是：低能量，药剂耗量少，环境污染小，操作简洁，预处理简洁，具有较强的抗污染力量，水的利用率高。缺点是 ED 需要在海水淡化室中参加化学药剂脱除有机物、胶体、细菌和悬浮物等，不适用于制备饮用水[3]。
纳滤膜法
纳滤膜作为一种型膜，较之反渗透膜，在很低的压力下仍具有较高的脱盐性能[13]。近年来纳滤膜进展格外快速。纳滤膜的在水处理应用方面有很多，如水质软化、净化，废水处理；但是在海水淡化方面的应用争论相对较少。纳滤膜以复合型为主，在基膜上复合一个超薄表层。纳滤膜制备的基膜主要是选取诸如聚砜、聚醚砜这样的亲水性支撑层，在超滤基膜上掩盖亲水性物质薄膜，来提高膜通量和对Mg+，Ca+及 Na+等盐离子的截留率。Eun-Sik Kim[14]等人利用常压等离子体
法对有序介孔碳纳米管进展改性，增加了膜外表的导电性和高亲水性，结合超声法， 增加材料与水相体系之间的相互作用，从而提高改性介孔碳管在水相中的分
散度。检测结果说明对于 SO42+二价离子的截留率很高，但是随着亲和介质的引入，
膜通量增大，NaCl 的截留率却有所降低。Mohsen Jahanshahi[15]等人分别争论了界面聚合法制备了哌嗪/聚醚砜和聚二乙烯醇/聚醚砜两种纳滤薄膜。Masakoto Kanezashi 和 Chunlong Kong[16]以聚胺超滤膜为基膜，用界面聚合法将丙酮掩盖在超滤膜上，制备出丙酮复合纳滤膜(CAIP)。丙酮的引入转变了膜的亲水性，提
高膜通量。截留盐分子的滤膜孔径在 ，NaCl 的截留率高到达 98%。争论
说明，膜材料、膜构造、形态以及外表性质等特性都会影响膜的性能，纳滤膜通常对多价离子的截留率比对单价离子的脱除率高些。
纳滤膜的膜孔径、操作压力、通量和淡化率相互影响制约。Mahesh Padaki[17] 等人用 Al 金属蒸汽相沉积法实现了微孔聚砜基膜向纳滤聚砜复合膜的转换，转变了聚砜膜的亲水性，提高了膜的热稳定性及膜对无机盐离子的选择性。当膜孔径从微孔减小到纳滤孔径后，纳滤孔径对盐离子的选择性和 NaCl 的截留率均提高了， 但是水通量却小于微孔水通量；增大纳滤膜水流压力，膜通量将减小，NaCl 的截留率将提高。膜通量和截留率是纳滤膜两个关键因素，同时提高膜通量和对一价离子的截留率是纳滤膜淡化海水技术进展的方向。
无论是蒸馏法还是反渗透、电渗析和纳滤膜方法，均有各自的缺点。将两种甚至多种技术结合的集成海水淡化技术有望提高海水利用率、提高淡水产量和降低本钱。典型的集成海水淡化技术有：水电联产、热膜联产、离子交换法-纳滤膜法和双膜法。
水电联产
水电联产是利用电厂的廉价电力和废热蒸汽淡化海水的一种方式。水电联产能提高能源利用率[18,19]、降低海水淡化本钱和减轻环境污染 [20]，在水资源缺乏地区， 将海水淡化和其他工业形式敏捷组合，对解决淡水紧缺和促进工业进展有很大的帮助。国内外很多海水淡化厂都是和发电厂建在一起的，这是当前大型海水淡化工程的主要建设模式。传统能源的资源利用率有限，进展核能，太阳能等能源进展海水淡化将成为的争论热点。
热膜联产
热膜联产是结合热法和膜法淡化海水的一种方式，满足不同用水需求，降低海水淡化本钱。用太阳能、风能等可再生能源与反渗透联合使用，可提高海水淡化效率，
降低能耗及本钱。
近年来国内仅公开了少量以承受蒸汽、风能为能源与反渗透联合淡化海水的相关争论，太阳能反渗透海水淡化设备[21]和一种风能反渗透海水淡扮装置[22]。太阳能反渗透海水淡化设备用太阳能产生的蒸汽代替电力直接驱动汽轮泵，避开了蒸汽转化为电力再驱动泵所造成的热效率的损失。热膜联产既具有太阳能技术的节能和环
保特点，又具有膜法海水淡化的优点。以风能直接驱动的海水淡化设备中的高压泵， 相比以风力发电为根底的电力驱动装置，其利用率更高，投资更少、维护费用更低。热膜联产最主要的缺点是设备造价高。
离子交换法-纳滤膜法
离子交换法(HIX)是利用阳离子交换树脂吸附水中的阳离子释放出氢离子，再用阴离子交换树脂吸附其中的阴离子释放出氢氧根，二者中和而到达除盐的目的。离子
交换法-纳滤膜法(HIX-NF)是一种型的集成淡化海水技术，纳滤膜替代反渗透膜， 大幅度降低海水脱盐过程中的能量消耗，提高能源利用率。从科学的角度去分析， HIX-NF 优于膜处理，它能转变进料液的化学性质，在淡化海水过程中具有独特性。特别是在不添加任何添加剂的状况下，HIX-NF 通过可逆阴离子交换法将海水中一价 Cl-转化成二价 SO42-，一方面降低了反渗透时进料液所需约 30%的操作压力， 另一方面纳滤膜的浓缩液中富集的 SO42-可以作为阴离子交换离子循环使用，降
低了反渗透海水淡化过程中的能耗，抑制纳滤膜对单价离子截留率不高的缺点，提高海水淡化率[23]。
双膜法
海水中含有大量的无机胶体和有机大分子，海水预处理尤为重要。海水淡化预处理主要包括降低海水的浊度、污泥密度指数〔SDI〕、化学耗氧量〔COD〕、微生物含量以及参加高效助凝剂提高氢氧化物絮凝沉淀的速率等。未经有效预处理的海水进展反渗透时，将增加反渗透膜的负荷、增加淡化过程膜清洗、反冲的频率，增加
本钱，降低产淡水量，影响反渗透膜的使用寿命。在固定浓度的 TDS 和操作压力
下，检测 NF 膜和 RO 膜过滤得到的浓缩液 A 和 B 中 Na2SO4 的截留率，结果分别为大于 75%和 %[24]。承受纳滤和反渗透联用的膜法联用技术进展海水淡化，可明显提高离子的截留率，降低能耗和造水本钱。另外双膜发还有微滤和反渗透的结合以及双重纳滤膜法[25]。
淡水资源严峻缺乏是 21 世纪困扰世界各国进展的一个重要因素，相对于各种有实效的方案，海水淡化是一个较优的解决方式。在国际上，海水淡化已具有明显的优势，国内由于水价较低，海水淡化本钱相对较高。国内的海水淡化生产力量同国际上相比差距大，我国海水淡化技术还有待提高。
海水淡化方法有蒸馏法和膜法：蒸馏法能耗大，操作本钱高；反渗透法已被广泛运用于淡水生产中，但是反渗透法的操作压力较高以及膜组件污染问题会影响膜的寿命；纳滤膜法操作压力低，能耗低，符合将来海水淡化进展的趋势，但膜通量的凹凸和纳滤膜对 NaCl 截留率的大小影响纳滤膜淡化海水的效率。水电联产、热膜联产等多种技术集成的海水淡化技术能提高海水淡化效率，降低能耗。可以推测将来提高海水淡化效率两种方法：(1)进展具有抗污染性强、高膜通量和高 NaCl 截留率特性的膜淡化海水技术；(2)作为资源的最有效整合方式，集成海水淡化技术将是将来海水淡化技术进展的趋势。
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