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                    《科學通報》

                    開博時間:2019-09-06 16:50:00

                    《科學通報》是主要報道自然科學各學科基礎理論和應用研究方面具有創新性、高水平和重要意義的研究成果。報道及時快速,文章可讀性強,力求在比較寬泛的學術領域產生深刻影響。

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                    解救焦渴地球——聚焦海水淡化技術

                    2020-11-25 11:57:00

                      淡水資源匱乏日益嚴重,已成為全球性的環境問題。而全球水資源總量中近97.5%的水為海水等咸水資源,且世界上超過70%的人口居住在距海邊70km的范圍內,因此20世紀后半葉以來,海水淡化被認為是最實用的能持續提供淡水來源的方法。相比另外兩種常用淡水取用方式——地下取水和遠程調水,海水淡化能耗低,原水資源豐富,因而進入21世紀后被世界各國認為是最可行和最經濟的淡水取用方式。

                      《科學通報》發表哈爾濱工業大學李鳳臣為通信作者“海水淡化技術應用研究及發展現狀”一文, 對海水淡化技術的發展進行了重點分析和展望;介紹了各傳統海水淡化技術的基本工藝流程和工作原理, 總結了其性能和技術特點。

                      當前在工業上大規模應用的海水淡化技術有多級閃蒸、多效蒸餾和反滲透法。截至2014年,反滲透法的裝機容量占全球總裝機容量的65%,多級閃蒸和多效蒸餾分別占21%和7%。其中,多級閃蒸和多效蒸餾屬于熱法海水淡化技術,即利用熱能作為驅動力,對經過預處理的海水加熱后產生蒸汽,將蒸汽冷凝即可實現鹽水分離;而反滲透法屬于膜法海水淡化技術,即通過在濃溶液一側施加大于海水滲透壓的壓力,從而使淡水穿過半透膜從濃溶液側向稀溶液側輸運。然而經過多年發展,多級閃蒸和多效蒸餾仍然受限于結構材料的腐蝕和水垢的生成,而反滲透法存在膜上污垢生成,需要對原水進行嚴格的預處理等問題。除了上述三種海水淡化技術,傳統海水淡化技術還包括壓汽蒸餾、電滲析、冷凍法、水合物法、溶劑萃取法、離子交換法和增濕除濕法等。

                    淡水資源

                      近年來,為了克服和改善傳統海水淡化技術的缺點和不足,進一步降低海水淡化能耗,提出了很多針對優化傳統方法海水淡化性能的改進方法,并開發了不同的新型海水淡化技術??傮w來說,當前海水淡化技術的發展主要從以下四個方面著手:

                      對當前現有海水淡化方法中的關鍵技術或設備進行改進

                      多級閃蒸和多效蒸餾等熱蒸餾法的性能主要受限于結垢和腐蝕,因而改進主要集中在換熱器結構及其材料方面。針對換熱管束結構,研究表明,波紋管比光滑管具有更高的淡水產量和更小的結垢熱阻,且傳熱性能也要優于光滑管。針對換熱器材料,主要開發了雙相不銹鋼、鈦管、聚合物中空纖維換熱器等。對于反滲透法,其改進工作主要集中在開發新型能量回收裝置以及具有持續的高通量、低壓力和低能耗的半透膜。

                      發展不同海水淡化技術之間相互結合的混合海水淡化方法

                      結合不同的海水淡化技術可以利用各自的優勢,彌補不足,從而達到優化海水淡化性能,以及降低能耗和成本的目的。主要有多效蒸餾與壓汽蒸餾的結合、膜方法與熱蒸餾法結合的膜蒸餾法、電滲析與離子交換法結合的填充床電滲析等。

                      開發利用可再生能源或新能源的海水淡化方法

                      隨著淡水資源的短缺以及傳統化石能源的減少和成本的上升,以可再生能源作為驅動力的海水淡化技術受到了越來越多的關注。特別是對于水和電供應不足的偏遠地區或小型社區,可再生能源作為一種環境友好型清潔能源在小規模海水淡化裝置上的應用潛力近年來受到越來越多的重視。此外,由于傳統化石能源的燃燒會帶來溫室氣體和有害物質的排放,可再生能源海水淡化因而也被認為是解決氣候變化問題的潛在的可行方案。目前應用于海水淡化的可再生能源的主要有太陽能、風能、地熱能、海洋能等。除可再生能源之外,核能作為一種可持續能源在海水淡化上的應用,同樣被認為具有能夠安全、經濟、可持續地供應大量淡水的潛力。

                    海水資源

                      利用未曾嘗試過的物理現象,開發新型海水淡化技術

                      為了減少結垢,降低能耗、建筑成本和人力成本以及對環境的影響,通過利用未曾嘗試過的物理過程,已開發了不同的新型海水淡化技術。主要有利用高鹽度汲取液的正滲透法,利用多孔電極對離子進行電吸附的電容去離子,利用離子濃差極化的淡化方法,基于法拉第反應的電化學介導海水淡化,利用水的超臨界狀態進行海水淡化,可實現發電和海水淡化雙重目的的磁流體方法,以及超空化海水淡化方法。哈爾濱工業大學李鳳臣研究小組基于超空化效應提出了旋轉超空泡蒸發器,并進行了初步的設計和研究,目前正進行進一步的改進和性能優化。

                      值得注意的是,與傳統海水淡化技術相比,新型海水淡化技術在防垢、能耗、淡化效率、成本等方面更具優勢,但是新型海水淡化技術大多處于試驗研發階段,可靠性和穩定性還不能完全保證,其在商業上的實際應用方式和場合還需要綜合考慮其他因素并通過后續進一步的研究得以改進和發展。此外,除了能源成本以外,新型海水淡化技術轉移到商業應用時其技術經濟性還需考慮原水質量、系統建設成本、運行維護成本、勞動力成本和排放物處置成本等因素。

                      綜上可知,新材料和新能源在提高性能、節約成本、環境友好等方面對海水淡化發展的推動作用不言而喻,而新技術的出現使得海水淡化的應用場合呈現多樣化,能源消耗呈現節約化。在應對全球性淡水資源匱乏的危機上,海水淡化是最具前景的可持續淡水取用方式,而發展海水淡化的核心則是開發高能低耗的海水淡化技術。

                    文/鄭智穎, 李鳳臣, 李倩

                    本文來自《科學通報》

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