海水资源利用
——海水淡化技术及其现状 摘要：阐述全球淡水资源缺乏的现状，引出海水淡水技术是解决淡水缺乏的有效途径。详细介绍主要的海水淡化方法，包括多级闪蒸、反渗透、太阳能、电渗析等。分析我国淡水资源形势和海水淡化技术的发展状况，以及海水淡化的未来前景。
关键词：海水淡化，多级闪蒸法，反渗透法，太阳能法，电渗析法
1．前言
地球总储水量约为13.86亿立方米，人类主要利用的淡水却只占其中的2.53%，除少部分分布在湖泊、河流、土壤和地表以下浅层地下水中，大部分则以冰川、永久积雪和多年冻土的形式储存。淡水资源本是如此之少，又由于时空分布不均和污染，导致淡水资源更是匮乏，有人预言21世纪的战争必将由水引发。而海洋占据了地球表面积的70.8%，约占全球总水量的96.5%，从海洋中获得淡水是人类解决淡水缺乏的有效途径。
2. 海水淡化技术
海水淡化技术就是利用海水脱盐生产淡水。海水淡化根据不同的原理可以分为相变法、膜分离法、化学平衡法。相变法有蒸发法、蒸馏法和冷冻法，化学平衡法有离子交换法、水合物法和溶剂萃取法，二者都是从海水中分离出淡水；膜分离法有电渗析法和反渗透法，是从海水中分离出盐。自1954年第一个海水淡化厂在美国的德克萨斯建立，世界其他国家相继兴建了很多更大规模的海水淡化厂，尤其是中东地区。
2.1 多级闪蒸法
多级闪蒸海水淡化技术是由英国教授R.S.Silver在1957年发明的，这是蒸馏海水淡化技术历史上的里程碑。多级闪蒸彻底改革了传统的蒸馏脱盐模式，并且提供了一个实用经济又故障较少的饮用给水方法，它结构简单、操作方便、结垢危害小，不需要高压蒸汽为热源。另外，从海水综合利用出发，若将“滨海核电厂——多级闪急蒸馏海水淡化厂——浓海水的无机盐化工厂”综合生产建厂，将是一种现实可行的较为经济的生产系统方案。多级闪蒸海水淡化，是在一定压力下，把经过预热的海水加热至某一温度，引入闪蒸室，此室压强下降，可使海水急速汽化，即闪急蒸馏。产生的蒸汽在热交换管外冷凝成淡水，而留下的海水温度降到相应的饱和温度。温度降低所产出的湿热，供给为闪蒸所需的汽化潜热。依次将浓海水引入后续各闪蒸室逐级降压，使其再闪急蒸发，冷凝得到淡水。闪蒸室的个数称为级数，一般装置要几十级。其级数的多少，主要取决于总的闪蒸温度范围和温度损失。闪蒸温
度范围是指最高海水温度和循环海水温度之差，温度损失包括沸点升高、不平衡温差、分离器及冷凝器压力损失造成的温度损失等。此外，级数与单位淡水产量所需传热管的面积也有关系。在造水比一定的情况下，级数越多，生产每吨海水所需传热面积就越少。多级闪蒸技术成熟、运行可靠，主要发展趋势为提高装置单机造水能力，降低单位电力消耗，提高传热效率等。
2.2 反渗透法
反渗透法，是1953年开始采用的一种膜分离淡化法。渗透是一种物理现象，两种不同盐度的水用一张只让水分通过而不让盐分通过的“半透膜”隔开，含盐量少的一边的水分会透过膜渗到含盐量高的水中，而所含的盐分并不渗透。然而，要完成这一过程需要很长时间，称为自然渗透。但如果在含盐量高的一侧，施加一定压力，可以使上述渗透停止，这时的压力称为渗透压力。如果压力再加大，可以使水向相反方向渗透，而盐分留下。因此，反渗透淡化法，就是在有盐分的水中（如原水），施以比自然渗透压力更大的压力，使渗透向相反方向进行，把原水中的水分子压到膜的另一边，变成洁净的水，从而达到除去水中盐分的目的，这就是反渗透淡化法的原理。在足够高压力的情况下，除水分子外，水中其他矿物质、有机物及各种离子几乎都被拒之于膜外，并被高压水流冲出，渗透到另一面的水即是安全、卫生、纯净的水。反渗透法最大的优点是节约能源，生产同等质量的淡水，它的能源消耗仅为蒸馏法的1/40。因此从1974年以来，世界上的发达国家不约而同地将海水淡化的研究方向转向反渗透法，它是未来海水淡化的发展方向。
2.3 太阳能法
太阳能海水淡化是人类使用最早的海水淡化方法，原理是利用太阳能进行蒸馏。早期的太阳能海水淡化装置一般都称为太阳能蒸馏器。被动式太阳能蒸馏系统的例子就是盘式太阳能蒸馏器，人们对它的应用有近150年的历史。它结构简单、取材方便，至今仍被广泛采用。目前对盘式太阳能蒸馏器的研究主要集中于材料的选取、各种热性能的改善以及将它与各类太阳能集热器的配合使用上。与传统动力源和热源相比，太阳能具有安全、环保等优点，将太阳能采集与脱盐工艺两个系统结合是一种可持续发展的海水淡化技术。太阳能海水淡化技术由于不消耗常规能源、无污染、所得淡水纯度高等优点而逐渐受到人们重视。
2.4 电渗析法
电渗析法是将具有选择透过性的阳膜与阴膜交替排列，组成多个相互独立的隔室。隔室内海水被淡化，隔室间海水被浓缩，淡水与浓缩水得以分离。渗析是由于含盐量浓度不同
引起的，称为浓差渗析。渗析过程与浓度差的大小有关，浓差越大，渗析的过程越快，否则就越慢。如果在膜的两边施加一直流电场，就可以加快扩散速度。电解质离子在电场的作用下，会迅速地通过膜，进行迁移过程，这样，就形成了去除水中离子的淡水室和离子浓缩的浓水室，将浓水排放，淡水即为除盐水。该法的技术关键是新型离子交换膜的研制。
3. 我国的现状及前景
我国水资源总量居世界第六位，但按人均水资源量计量，人均占有量仅为2200立方米，为世界人均水量的1/4，美国人均水量的1/5，世界排名第110位，被联合国列为13个贫水国家之一。随着我国经济的飞速发展，社会各行业对水资源的需求越来越大，这一点在沿海地区表现得尤为突出，尤其是天津、青岛等地。为解决北方地区的缺水问题，政府采取了很多措施，南水北调工程虽然使北方看到了希望，但也可能带来生态破坏等一系列的问题。另外，近几年南方也频现干旱，水资源也面临短缺，届时能不能解决北方地区的缺水现状，仍是个未知数。
中国海水淡化技术是在政府支持和国家重点攻关项目驱动下发展起来的，电渗析、反渗透和蒸馏法等海水淡化技术的研究开发，都取得相当大的进展。1958年首先开展电渗析海水淡化的研究，1967－1969年国家科委和国家海洋局共同组织了全国海水淡化会战，会战主力在杭州成立了国内第一个海水淡化研究室(国家海洋局第二海洋研究所海水淡化研究室,即国家海洋局杭州水处理技术研究开发中心的前身),同时开展电渗析、反渗透、蒸馏法等多种海水淡化技术的研究，为海水淡化事业的发展奠定了基础。如果我国能在北方沿海地区建立大型的海水淡化厂，将彻底解决北方沿海大城市的缺水形势。
随着科技的发展，未来海水淡化技术更加成熟，将会有更多的海水淡化厂建立，以缓解越来越严重的水资源危机。
参考文献：
[1] 赵建民.海水利用.天津：天津科学出版社，1994.12.
[2] 辛仁臣，刘豪.海洋资源.北京：中国石化出版社，2008.11.
[3] 张正斌.海洋化学.青岛：中国海洋大学出版社，2004.10.
[4] 张正斌，陈镇东等.海洋化学原理和应用.北京：海洋出版社，1999.8.
[5] 王俊鹤，李鸿瑞等.海水淡化.北京：科学出版社，1978.4.
流云思尘
完成于2012年6月18日
海水资源利用
——海水淡化技术及其现状 摘要：阐述全球淡水资源缺乏的现状，引出海水淡水技术是解决淡水缺乏的有效途径。详细介绍主要的海水淡化方法，包括多级闪蒸、反渗透、太阳能、电渗析等。分析我国淡水资源形势和海水淡化技术的发展状况，以及海水淡化的未来前景。
关键词：海水淡化，多级闪蒸法，反渗透法，太阳能法，电渗析法
1．前言
地球总储水量约为13.86亿立方米，人类主要利用的淡水却只占其中的2.53%，除少部分分布在湖泊、河流、土壤和地表以下浅层地下水中，大部分则以冰川、永久积雪和多年冻土的形式储存。淡水资源本是如此之少，又由于时空分布不均和污染，导致淡水资源更是匮乏，有人预言21世纪的战争必将由水引发。而海洋占据了地球表面积的70.8%，约占全球总水量的96.5%，从海洋中获得淡水是人类解决淡水缺乏的有效途径。
2. 海水淡化技术
海水淡化技术就是利用海水脱盐生产淡水。海水淡化根据不同的原理可以分为相变法、膜分离法、化学平衡法。相变法有蒸发法、蒸馏法和冷冻法，化学平衡法有离子交换法、水合物法和溶剂萃取法，二者都是从海水中分离出淡水；膜分离法有电渗析法和反渗透法，是从海水中分离出盐。自1954年第一个海水淡化厂在美国的德克萨斯建立，世界其他国家相继兴建了很多更大规模的海水淡化厂，尤其是中东地区。
2.1 多级闪蒸法
多级闪蒸海水淡化技术是由英国教授R.S.Silver在1957年发明的，这是蒸馏海水淡化技术历史上的里程碑。多级闪蒸彻底改革了传统的蒸馏脱盐模式，并且提供了一个实用经济又故障较少的饮用给水方法，它结构简单、操作方便、结垢危害小，不需要高压蒸汽为热源。另外，从海水综合利用出发，若将“滨海核电厂——多级闪急蒸馏海水淡化厂——浓海水的无机盐化工厂”综合生产建厂，将是一种现实可行的较为经济的生产系统方案。多级闪蒸海水淡化，是在一定压力下，把经过预热的海水加热至某一温度，引入闪蒸室，此室压强下降，可使海水急速汽化，即闪急蒸馏。产生的蒸汽在热交换管外冷凝成淡水，而留下的海水温度降到相应的饱和温度。温度降低所产出的湿热，供给为闪蒸所需的汽化潜热。依次将浓海水引入后续各闪蒸室逐级降压，使其再闪急蒸发，冷凝得到淡水。闪蒸室的个数称为级数，一般装置要几十级。其级数的多少，主要取决于总的闪蒸温度范围和温度损失。闪蒸温
度范围是指最高海水温度和循环海水温度之差，温度损失包括沸点升高、不平衡温差、分离器及冷凝器压力损失造成的温度损失等。此外，级数与单位淡水产量所需传热管的面积也有关系。在造水比一定的情况下，级数越多，生产每吨海水所需传热面积就越少。多级闪蒸技术成熟、运行可靠，主要发展趋势为提高装置单机造水能力，降低单位电力消耗，提高传热效率等。
2.2 反渗透法
反渗透法，是1953年开始采用的一种膜分离淡化法。渗透是一种物理现象，两种不同盐度的水用一张只让水分通过而不让盐分通过的“半透膜”隔开，含盐量少的一边的水分会透过膜渗到含盐量高的水中，而所含的盐分并不渗透。然而，要完成这一过程需要很长时间，称为自然渗透。但如果在含盐量高的一侧，施加一定压力，可以使上述渗透停止，这时的压力称为渗透压力。如果压力再加大，可以使水向相反方向渗透，而盐分留下。因此，反渗透淡化法，就是在有盐分的水中（如原水），施以比自然渗透压力更大的压力，使渗透向相反方向进行，把原水中的水分子压到膜的另一边，变成洁净的水，从而达到除去水中盐分的目的，这就是反渗透淡化法的原理。在足够高压力的情况下，除水分子外，水中其他矿物质、有机物及各种离子几乎都被拒之于膜外，并被高压水流冲出，渗透到另一面的水即是安全、卫生、纯净的水。反渗透法最大的优点是节约能源，生产同等质量的淡水，它的能源消耗仅为蒸馏法的1/40。因此从1974年以来，世界上的发达国家不约而同地将海水淡化的研究方向转向反渗透法，它是未来海水淡化的发展方向。
2.3 太阳能法
太阳能海水淡化是人类使用最早的海水淡化方法，原理是利用太阳能进行蒸馏。早期的太阳能海水淡化装置一般都称为太阳能蒸馏器。被动式太阳能蒸馏系统的例子就是盘式太阳能蒸馏器，人们对它的应用有近150年的历史。它结构简单、取材方便，至今仍被广泛采用。目前对盘式太阳能蒸馏器的研究主要集中于材料的选取、各种热性能的改善以及将它与各类太阳能集热器的配合使用上。与传统动力源和热源相比，太阳能具有安全、环保等优点，将太阳能采集与脱盐工艺两个系统结合是一种可持续发展的海水淡化技术。太阳能海水淡化技术由于不消耗常规能源、无污染、所得淡水纯度高等优点而逐渐受到人们重视。
2.4 电渗析法
电渗析法是将具有选择透过性的阳膜与阴膜交替排列，组成多个相互独立的隔室。隔室内海水被淡化，隔室间海水被浓缩，淡水与浓缩水得以分离。渗析是由于含盐量浓度不同
引起的，称为浓差渗析。渗析过程与浓度差的大小有关，浓差越大，渗析的过程越快，否则就越慢。如果在膜的两边施加一直流电场，就可以加快扩散速度。电解质离子在电场的作用下，会迅速地通过膜，进行迁移过程，这样，就形成了去除水中离子的淡水室和离子浓缩的浓水室，将浓水排放，淡水即为除盐水。该法的技术关键是新型离子交换膜的研制。
3. 我国的现状及前景
我国水资源总量居世界第六位，但按人均水资源量计量，人均占有量仅为2200立方米，为世界人均水量的1/4，美国人均水量的1/5，世界排名第110位，被联合国列为13个贫水国家之一。随着我国经济的飞速发展，社会各行业对水资源的需求越来越大，这一点在沿海地区表现得尤为突出，尤其是天津、青岛等地。为解决北方地区的缺水问题，政府采取了很多措施，南水北调工程虽然使北方看到了希望，但也可能带来生态破坏等一系列的问题。另外，近几年南方也频现干旱，水资源也面临短缺，届时能不能解决北方地区的缺水现状，仍是个未知数。
中国海水淡化技术是在政府支持和国家重点攻关项目驱动下发展起来的，电渗析、反渗透和蒸馏法等海水淡化技术的研究开发，都取得相当大的进展。1958年首先开展电渗析海水淡化的研究，1967－1969年国家科委和国家海洋局共同组织了全国海水淡化会战，会战主力在杭州成立了国内第一个海水淡化研究室(国家海洋局第二海洋研究所海水淡化研究室,即国家海洋局杭州水处理技术研究开发中心的前身),同时开展电渗析、反渗透、蒸馏法等多种海水淡化技术的研究，为海水淡化事业的发展奠定了基础。如果我国能在北方沿海地区建立大型的海水淡化厂，将彻底解决北方沿海大城市的缺水形势。
随着科技的发展，未来海水淡化技术更加成熟，将会有更多的海水淡化厂建立，以缓解越来越严重的水资源危机。
参考文献：
[1] 赵建民.海水利用.天津：天津科学出版社，1994.12.
[2] 辛仁臣，刘豪.海洋资源.北京：中国石化出版社，2008.11.
[3] 张正斌.海洋化学.青岛：中国海洋大学出版社，2004.10.
[4] 张正斌，陈镇东等.海洋化学原理和应用.北京：海洋出版社，1999.8.
[5] 王俊鹤，李鸿瑞等.海水淡化.北京：科学出版社，1978.4.
流云思尘
完成于2012年6月18日