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全球海水淡化工业的过去、现状前景展望-双鸭山反渗透膜,双鸭山纳滤膜,双鸭山超滤膜

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双鸭山反渗透膜

环保技术:淡化技术将含盐水转化为新鲜淡水。出于对水资源匮乏的担忧,淡化技术会是一个快捷的技术解决途径吗?

地球上有广袤的水资源,但不幸的是其中超过97%是高含盐水,不适宜人类直接饮用;剩下的只有部分是容易提取的江河湖泊水和地表水。气候变化、干旱、人口的增长和工业用水的增加使得新鲜淡水的有效供应日益趋紧。根据联合国公布的数据,目前全球超过10亿人口居住在水资源稀缺地区,而到2025年,这个数字会攀升到18亿。

海水淡化技术是个经受过时间考验但又是个昂贵的生产淡水办法:去除海水中溶解的盐分。这种技术的吸引力是显而易见的。地球上广袤的海洋,可以给人类提供事实上无穷无尽且永不干涸的水资源。“如果我们有朝一日能以具有竞争力地——以较低成本——从盐水中提取淡水,”近50年前约翰.肯尼迪总统评述道,“那将是人类长久的福祉,也会使得其他任何科学成就相形见绌。”

根据国际淡化协会(International Desalination Association)提供的最新数据,全球现今有13080座海水淡化厂在工作。他们总共的产能是日均5,560万立方米可饮用水——只相当于0.5%的全球用水量。他们中的一半产能在中东。因为海水淡化需要消耗大量的能源,其成本大概数倍于从江河或地表取水产生的费用,因此过去淡化技术主要局限在富油国使用,那些地区有廉价能源但是淡水资源匮乏。

但如今情况有了些转变。随着世界上更多的区域面临延长的干旱期或者水资源匮乏,淡水技术利用率在提高。光是在加利福尼亚州,已经提议建设大约20座海水淡化厂,包括在圣地亚哥附近的一座将耗资3亿美元的淡化装置。一些澳大利亚城市正在规划或者开工建设大型的淡化厂,其中最大的一座在墨尔本附近,预计将耗资29亿美元。甚至伦敦也在修建一座淡化厂。根据全球水资源情报(Global Water Intelligence)——一家市场调研公司——实施的项目得知,到2015年,全球淡化产能将比现在翻倍。双鸭山反渗透膜,双鸭山纳滤膜,双鸭山超滤膜

不是每个人都乐见此事。一些环保组织担忧淡化厂使用的能源,他们会排出温室气体。一个大型淡化厂一年消耗的电力相当于3万户居民的耗电量。

也有好消息:技术和制造上的进步已经减少淡化厂的成本和能耗。而且很多新厂遵从严格的环保标准。澳大利亚Perth附近的一个新建厂,使用附近风力发电厂出产的可再生能源——风电。另外,该厂的现代化海水进水系统和废水排水系统均能把对海洋生物的影响最小化。位于Perth的西澳大利亚大学的水研究中心副主任Jason Antenucci称赞该厂“为澳大利亚其他淡化厂树立了榜样”。膜处理设备

古代就有从海水中去除盐分的故事和传奇。但直到16世纪人们才开始一致努力从海水中提取淡水,当时欧洲探险家在进行漫长的航海旅行时,开始在船上安装简易淡化装置,以备不时之需。这些装置往往是粗糙而低效的,也就是在炉灶或炉上煮沸海水。

淡化技术的重要突破来自制糖工业。为了生产结晶糖,需要消耗大量的燃料加热糖液,以蒸发掉其中的水分。大约1850年左右,一位名叫Norbert Rillieux的美国工程师在高效精炼糖方面发明了数项专利。他的方法如今称为多效蒸馏法,包括一个级联的多腔系统,各腔之间压力递减。这意味着水的沸点也递减。因此,第一个腔中产生的水蒸气中的热可以在第二个腔中循环利用以加热其中的水使其蒸发,如此进行下去。

不要盐分,谢谢!

这种技术可以降低精炼糖所需的能量高达80%,James Birkett感叹道,他是位于缅因州Nobleboro一个淡化顾问组织West Neck Strategies的成员。但是50年之后,这个技术才从制糖工业移植到其他工业。直到19世纪晚期,多效蒸馏法用于淡化海水才开始在轮船上或者在贫水国家诸如也门和苏丹得到应用。

许多应用多效蒸馏法的工厂是在20世纪上半叶成立,但是这个系统的一个缺陷妨碍了它的大规模应用。在热交换表面上往往会有矿物质沉淀,而这阻碍了能量的传输。1950年代,一种新型的热法淡化工艺,称之为多级闪蒸法,减轻了这个问题。这种方法首先在高压下加热海水,然后将之送入一系列压力递减的腔,在每个步骤上,都导致其中部分海水蒸发或者“闪”掉。凝聚的海水留在腔的底部,淡水蒸汽聚集在上部。因为蒸发不在热交换表面上发生,因此极少矿物质沉淀下来。膜处理设备

富油贫水的中东国家很快就采用多级闪蒸技术。因为需要热流,所以许多淡化装置都修建在发电厂附近,这会产生过剩热。曾有一度,淡水和电力的联合生产统治了淡化工业。

从1950年代开始,人们开始研究从海水中去除盐分的新方法。美国政府组建了一个盐水办公室(Office of Saline Water)来支持淡化技术研究。佛罗里达大学和加州大学洛杉矶分校(UCLA)的科学家开始研究薄膜办法,这种薄膜能渗透水,但是阻止盐分渗透。


在自然界中这种薄膜是很普遍的。当在一个半透膜(比如细胞壁)的一边放上盐溶液,另一边放上低含盐溶液,水就会扩散穿过半透膜从低含盐边进入高含盐边。这个过程,也就是倾向于平衡两个溶液的含盐量的过程,称之为渗透性。研究者想知道,在高含盐溶液上加压,是否会使渗透过程逆反进行,致使水分子反方向扩散穿过薄膜,使得高含盐溶液的含盐量更高。双鸭山反渗透膜,双鸭山纳滤膜,双鸭山超滤膜

最初的努力只取得有限的成功,产生了数量很少的淡水。转变发生在1960年,UCLA 的 Sidney Loeb 和 Srinivasa Sourirajan 使用他们自己制备的醋酸纤维素薄膜,这是一种用在摄影相片上的聚合物。他们的新薄膜大幅度改善了通量(给定尺寸的薄膜上水分子扩散通过率)。1965年,在加州Coalinga诞生了一座小型的应用“逆渗透法”淡化海水的工厂。

热法淡化海水所需要的能量与源水中的含盐量关系不大,但是在逆渗透法中所需的能量却与含盐量直接相关。越咸的水,压制水分子通过薄膜以去除盐分所需的压力(因此也就是所需的能量)越大。每升海水通常含有33-37克溶解盐。为了使之能饮用,这些盐中的将近99%必须去除。因为咸水含盐量比海水低,所以淡化它不需要大量能源,因此成本也相对较低。故而,逆渗透法首先应用于处理咸水。

另外一个重要区别是,逆渗透法不像热蒸馏法,需要对来水进行大规模预处理。应用逆渗透法的工厂使用过滤器和化合物去除会堵塞薄膜的微粒,且薄膜也必须定期清洗,以减少结垢和污垢。

一切都在向好

1970年代晚期,在美国中西部研究所和薄膜技术公司身兼两职的 John Cadotte 发明了一种改进薄膜,这种薄膜通过在一个多孔支撑材料上两种化合物的交联反应生成。他发明的复合薄膜包含一层很薄的聚酰胺,起隔离作用,其下方还包含一个稳固支撑结构。由于这种薄膜既能提高水通量,又能容忍pH值和温度变化,因此它开始主导工业界。差不多与此同时,第一批采用逆渗透法修建的海水工厂开始出现。这些早期的工厂需要大量的能源。1980年,第一个大型市政海水工厂出现在沙特的吉达,它每生产一立方米饮用水需要消耗8千瓦时能量。

后来这些工厂的耗能急剧下降,这主要应归功于能量再生设备的应用。高压泵迫使海水顶在薄膜上,薄膜在管道里通常设置成螺旋状,以提高对来水的接触面积,故而优化通过薄膜的水通量。大约会有一半体积的淡水出现在另一边。而剩下的高盐分废液,则用高压从系统中抽走。如果高压废液贯穿涡轮或转子,能量可以被回收然后用于给进来的海水加压。

1980年代,能量回收设备大约只有75%的回收效率,但较新的设备可以从废液中回收大约96%的能量。结果是,在逆渗透法进行海水淡化中所需的能量已经降低。据 Gary Crisp 所说,Perth淡化厂采用位于加州的一家企业 Energy Recovery 的回收技术,它每生产一立方米饮用水的能耗只有3.7千瓦时, Gary Crisp 为一家本地公用事业公司——自来水公司——协助监督工厂的设计。采用热法技术的工厂消耗的电力也差不多如此,但是同样需要大量的水蒸气。“只有在建造成能利用非常低的成本或者废热,采用热法的工程才有实际意义,” Tom Pankratz 说道,他是德克萨斯州的一个水资源顾问,兼任国际海水淡化协会董事会成员。膜处理设备

经济成规模化,更优化的薄膜和改进的能量再生能力,有助于降低采用逆渗透法淡化海水的成本。即便淡化厂的成本和采水都与所在地密切相关,也与当地资本和业务( operations )成本相关,每立方米的成本还是从1990年代1.50美元降到2003年的0.50美元, Pankratz 先生道。显而易见的结果是,逆渗透法是当今大多数海水淡化厂的优先选项(即使能源和商品价格的上涨使得每立方米的成本上涨到今天的0.75美元)。然而,专家们估计,要想通过提高能源回收率降低成本会越来越难。根据美国国家研究委员会( National Research Council )最近公布的一份报告,该报告断定,未来可回收的能量不太可能多于今天用量的15%——但也是值得去做的。

有时,在水管理范围内利用海水淡化也许是唯一确保水供应的出路。为了达到降低成本的目的,研究者期待能找到更优化的薄膜,允许水能更容易通过薄膜,降低堵塞的可能性。 UCLA 的 Eric Hoek 和他的同事们已经开发了一种嵌入微小颗粒的薄膜,颗粒中含有狭窄的水流管道,这种薄膜可以大幅度提高水通量。除此之外这种薄膜光滑的表面也使得细菌难以附着在上面。根据工厂的设计,这种新型薄膜可以把总耗能降低20%, Hoek 博士估算。该技术目前正由 UCLA 一家校园公司 NanoH2O 商业化。

同时,利用纳米碳管——将碳原子组成的层面卷成管状结构——制备薄膜同样也引起了人们的兴趣。2006年,发表在 Science 上的一项研究展示了令人难以置信的高水流量。但权威人士认为,还需要十年的时间才能将其商业化。双鸭山反渗透膜,双鸭山纳滤膜,双鸭山超滤膜

随着淡化技术越来越广泛的使用,它的环境影响,包括进水和排水结构的设计,正招致人们不断深入的审视。其中某些损害能非常容易就得到缓解。降低进水速度就能使得大多数鱼类生物和其他游动的海洋生物游离进水系统,不过还是有些小动物,比如浮游生物和小鱼,会陷在进水屏障上或者吸入工厂。

评估影响

更大的问题也许是卤水废液,它的含盐量一般是海水的两倍,而且通常直接排入海洋。目前,关于它的长期影响的科学信息还非常稀少。过去的年代,大多数修建大型海水淡化厂的地方,并没有对环保做充分的评估, 太平洋研究所主任 Peter Gleick 评述道(译者注:关于 Peter Gleick 的观点,参见 为什么我们不从海水中过滤掉盐分获得饮用水?),该组织是位于加州的脑库组织,2006年发表了一篇海水淡化的研究报告。但是如果工厂建立在有更高环保标准的地区,那么更多的相关信息就能获取。

从Perth得到的一些最新评估令人振奋。最初,水资源研究中心的科学家们担心从工厂中排泄高含盐水会增高沿海环境的含盐量。但是观测结果表明,距离工厂排水设备500米远,含盐量就趋于正常。 Antenucci 博士评论道,“盐分排泄问题,可以通过优良的设计加以克服。”

另外一个需要单独加以考虑的问题是,一些金属或者化合物会渗入卤水。热法淡化厂易于腐蚀,可能会将一些重金属,比如铜,排入废液。逆渗透法也有类似的问题,它需要用化合物做预处理和清洁薄膜,这些化合物最后也变成废液。然而,现代化工厂能够在废水排泄之前处理掉这些化合物。而最新的预处理方法也许能够减少或者消除使用某些化合物的需要。

也许是迄今为止证据比较有限,实际上看上去,海水淡化获取淡水也许比其他办法——比如从江河中抽取大量淡水——对环境的损害要小得多,那些办法会导致当地鱼类种群严重锐减。但是基于我们对海水淡化对环境的影响还存在很多不确定因素,因此很难得出一个确定性的结论,国家研究委员会认为。它发表的研究报告建议,深入研究海水淡化对环境的影响,以及寻求减轻影响的方法,这些应置为最高研究选项。

逆渗透法工序不止是在海水淡化工业得到越来越多的应用,它在废水再生工业界也大展身手。在加州橙郡( Orange County ),再生水用于补充地下水,而在新加坡,再生水直接进入当地水库,充作饮用水源。在这两个地方,均可在当地的再生水设施上接到饮用水。这种“厕所到自来水龙头”的方案也许会让某些人反胃,但废水是一种宝贵的资源,Sabine Lattemann 说道,她是德国 Oldenburg 大学的研究员,致力研究淡化对环境的影响。“相对于淡化而言,(再生水)耗能相对较小,”她解释道,“而且人们能从中生产高质量饮用水。”

随着水资源越来越匮乏,人们期待着找到能保证水供应的多种途径。世界上许多地区同样也已经大规模提高用水效率, Gleick 博士称,如此产生的费用自然比淡化要低廉。但是有时候把淡化作为水资源管理办法的一部分,也许是确保稳定供应饮用水的唯一办法。

在遭受干旱肆虐的西澳大利亚地区,数年之前就开始进行(资源)保护,当地的自来水公司已经采用所谓的“以多样化确保安全”的办法,这在工业界也称为“投资组合”办法。与此同时,Perth的当地居民的饮用水中有17%来自海水淡化。在(资源)保护下,淡化作为水源的一种是有意义的, Antenucci 博士认同这种说法,“如果说这是法宝,那就是错的,”他认为。膜处理设备

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