聚焦技术前沿：海水淡化工艺中的热法

　　以较低的投入，从海水中大规模换取高质量的淡水，还要从20世纪50年代算起。世界上淡水资源不足，已成为人们日益关切的问题。有人预言，19世纪争煤，20世纪争油，21世纪可能争水。
　　这是因为当时在中东国家发现了石油。这些富得冒油的土地，却打不出一口淡水井。他们花费一些石油和金钱，大规模淡化海水，供应人们的生活，浇灌树木花草，美化环境。他们觉得水比油贵是很值得的。
　　正因为如此，20世纪50年代以后，海水淡化作为一门现实的应用技术，发展很快。预计2010年至2016年，全球海水淡化市场将达290亿欧元。
　　目前国际通用的海水淡化工艺路线有热法和膜法两种。这两种工艺都有可能应用到大型的海水淡化中。
　　海水淡化工艺中的热法
　　热法的原理很简单，就是我们在实验室里制备蒸馏水的原理。把海水烧到沸腾，淡水蒸发为蒸汽，盐留在锅底，蒸汽冷凝为蒸馏水，即是淡水。这种古老的海水淡化方法，消耗大量能源，产生大量锅垢，很难大量生产淡水。
　　多级闪蒸和多效蒸发使古老的热法焕发了青春。水在常规气压下，加热到100℃才沸腾成为蒸汽。但是一定温度的海水在压力突然降低的条件下，部分海水会急骤蒸发。利用这个原理，多级闪蒸将经过加热的海水，依次在多个压力逐渐降低的闪蒸室中进行蒸发，将蒸汽冷凝而得到淡水。这种淡化工厂，可以与热电厂建在一起，利用热电厂的余热加热海水。水电联产，可以大大降低生产成本。现行大型海水淡化厂，大多采用此法。如果太阳能蒸发淡化法能够投入使用，其淡化技术又可以上一个节能的新台阶。
　　而多效蒸发是让加热后的海水在多个串联的蒸发器中蒸发，前一个蒸发器蒸发出来的蒸汽作为下一蒸发器的热源，并冷凝成为淡水。这是热法中最节能的方法之一。
　　“膜”术让水往高处流
　　膜法中的反渗透法诞生于1953年，最大的优点是节能。1974年以来，发达国家不约而同地将海水淡化的研究方向转向了反渗透法。目前热法在中东各国应用较多，欧美各国则多采用反渗透法。
　　“水往低处流”。1748年，一个叫莱诺的法国物理学家无意中发现，包裹在猪膀胱里的水会自行扩散到膀胱外侧的酒中，因而首次发现了“渗透”现象。在自然界中，低浓度溶液中的水会往高浓度的溶液中流动，以此达到一种稳定的、低能量的状态。如果要让水从高浓度的海水中透过一张类似猪膀胱的半透膜流到低浓度的一端，就需要对海水施加一个压力。这张半透膜就是反渗透膜。
　　通俗地说，反渗透膜好比就是一个筛子，在海水通过时只有体积小的水分子可以过，而体积更大的盐分就不能通过。现在一般反渗透膜的孔径只有十分之一纳米。在这个孔径下，水中的盐分、比细菌更小的病毒，以及作为离子态存在的重金属都不能通过。
　　反渗透海水淡化工厂所需的能量比多级闪蒸之类的热法海水淡化工艺低得多，因此成本更低。
　　目前反渗透膜进行海水淡化的综合成本在每吨0.7-0.8美元之间，而热法的成本比它要高10%-20%。别小瞧了这十个百分点，每天十几万吨的量积攒在一起，就存在巨大的经济效益差。
　　呼唤更加廉价的技术
　　成本，还是成本，是目前海水淡化推广的首要瓶颈，也是全世界科学家的研究重点。
　　这个领域的成本主要包含两部分：一是生产过程中需要的成本。二是海水淡化后处理污物产生的成本。
　　以反渗透膜进行海水淡化为例，综合成本在每吨0.7-0.8美元之间，折合成人民币也就是在每吨5元左右；而这个价格还只是工厂的成本价，并没有计算管网的损耗、企业的利润等等。而目前国内城市的水价也就在每吨2.5元左右。
　　那么，如何降低成本？从国内现状来看，政府要统一部署、统一管理，然后对符合国家投资导向的海水淡化企业可以考虑给予国家、省、市对外商投资企业的相关优惠政策，或者参照高新企业、高新技术成果转化项目、高新产品，对从事海水淡化的企业在投资、土地、税收等方面给予优惠扶持政策。
　　一些新的海水淡化方法或许将带来新的突破。
　　据最新一期英国《自然·纳米技术》杂志报道，麻省理工学院的研究人员采用纳米技术开发出的新型装置，利用离子浓度差极化原理对海水进行脱盐。通过可行性试验发现，该装置体积虽小，但其海水淡化效果与目前最先进的海水淡化设备不相上下，回收率达到50%，将用于试验的一半的海水被淡化。新型装置实现了小型化，并且使用电池就可以工作。它不会再像以前的设备那样笨重，因此可以在沿海干旱地区广泛使用。
　　世界海水淡化现状
　　自沙特阿拉伯1932年建国以来，累计花在海水淡化上的费用高达950亿里亚尔(约合253亿美元)。沙特通讯社报道说，到目前，沙特生产的淡化水产量已累计超过11亿立方米。
　　目前沙特拥有淡化水输送管道4157公里，泵站29座。2010年，沙特财政用于海水淡化的拨款为134亿里亚尔(约合35亿美元)，比2009年增加44%。沙特属干旱沙漠气候，全年降水稀少，境内又无淡水河流。因此，沙特的生产和生活用水主要依靠海水淡化。沙特70%的用水为淡化海水，其淡化水产量占世界淡化水产量的30%。
　　海水淡化近两年在中国发展迅猛，业内分析幕后推手有三个：一是水资源短缺，加快向海洋要水的进程；二是沿海重化工项目对工业淡水的巨大需求；三是城市自来水价格节节上涨，水价与海水淡化成本即将并“价”齐驱。
　　我国已建成72套海水淡化装置，日产24万吨淡水；在建和待建56项工程，其中10项工程规模达到日产10万吨以上。全部建成后，我国海水淡化日产220万吨淡水，是过去18年的总和。其中最大的海水淡化项目是央企国家投资公司在天津新建的北疆电厂，设计日产40万吨海水淡化能力，除了电厂自己留用一小部分，大部分淡化水将送往天津滨海新区，每年可为滨海新区输送淡水6000万吨。2009年10月，北疆电厂一期项目投产，单套海水淡化装置日产淡化2.5吨。
　　随着水价进一步上涨，与海水淡化成本持平，更多的海水资源将很快进入城市管网，从而引发规模浩大的海水淡化需求。在香港，80%公厕由海水淡化水冲刷，青岛海之韵住宅小区上千户人家排水用的是海水淡化分支管路。
　　目前，海水淡化已经成为解决全球水资源短缺的重要途径。因此，这也是一个朝阳产业，值得引起政府、科技和资本界的关注。