海水淡化技术及其应用

青岛农业大学本科生课程论文论文题目海水淡化技术及其应用学生专业班级环境工程200802学生姓名(学号)李小琳（20081854）指导教师崔春月完成时间2011年12月10日2011年12月10日课程论文任务书学生姓名李小琳指导教师崔春月论文题目海水淡化技术及其应用论文内容(需明确列出研究的问题):海水淡化技术已逐步形成了一门综合性的技术学科和水处理技术产业，成为材料科学、环境科学研究热点。这些新型海水淡化技术的低能耗、高产量、无污染和可开发的特点，在海水净化利用方面表现出重要的应用前景。本文综合当前新技术的发展，同时，针对目前或内外研究现状，本文还对海水淡化技术的发展进行了展望。本论文主要研究以下几方面的内容:1、海水淡化的技术方法；2、海水淡化技术的应用；3、海水淡化技术的应用前景与展望。资料、数据、技术水平等方面的要求:通过各种书籍、学术期刊以及数据库等各种渠道广泛搜集资料，充分利用现有文献来借鉴他人的学术成果，同时根据自己的研究分析调查，对论文进行综述。参考文献不少于10篇，要根据所参考文献整理出其主要处理现状，以及发展趋势，并将各种方法成果进行综合比较，做到资料翔实，数据准确，引用规范，论证充分。发出任务书日期完成论文日期教研室意见(签字)院长意见(签字)注:此表装订在课程论文之前。海水淡化技术及其应用环境工程专业李小琳指导教师崔春月摘要：海水淡化技术已逐步形成了一门综合性的技术学科和水处理技术产业，可以充分利用海水能源与资源，降低产业资本，成为材料科学、环境科学研究热点。其中的技术方法有蒸馏法、反渗透法、冷冻法、电渗析法等新型技术。这些新型海水淡化技术的低能耗、高产量、无污染和可开发的特点，在海水净化利用方面表现出重要的应用前景。本文综合当前新技术的发展，综述了海水淡化技术的原理并重点总结了其在水环境方面的应用。同时，针对目前或内外研究现状，本文还对海水淡化技术的发展进行了展望。关键词:海水淡化蒸馏反渗透冷冻电渗析引言海水淡化是人类追求了几百年的梦想。早在400多年前，英国王室就曾悬赏征求经济合算的海水淡化方法。从20世纪50年代以后，海水淡化技术随着水资源危机的加剧得到了加速发展,在已经开发的二十多种淡化技术中，蒸馏法、电渗析法、反渗透法都达到了工业规模化生产的水平，并在世界各地广泛应用。现在世界上有十多个国家的一百多个科研机构在进行着海水淡化的研究，有数百种不同结构和不同容量的海水淡化设施在工作。一座现代化的大型海水淡化厂，每天可以生产几千、几万甚至近百万吨淡水。淡化水的成本在不断地降低，有些国家已经降低到和自来水的价格差不多。某些地区的淡化水量达到了国家和城市的供水规模。现代意义上的海水淡化则是在第二次世界大战以后才发展起来的。战后由于国际资本大力开发中东地区石油，使这一地区经济迅速发展，人口快速增加，这个原本干旱的地区对淡水资源的需求与日俱增。而中东地区独特的地理位置和气候条件，加之其丰富的能源资源，又使得海水淡化成为该地区解决淡水资源短缺问题的现实选择，并对海水淡化装置提出了大型化的要求。在这样的背景下，20世纪60年代初，多级闪蒸海水淡化技术[1]应运而生，现代海水淡化产业也由此步入了快速发展的时代。海水淡化技术[2]的大规模应用始于干旱的中东地区，但并不局限于该地区。由于世界上70%以上的人口都居住在离海洋120公里以内的区域，因而海水淡化技术近20多年迅速在中东以外的许多国家和地区得到应用。最新资料表明，到2003年止，世界上已建成和已签约建设的海水和苦咸水淡化厂，其生产能力达到日产淡水3600万吨。目前海水淡化已遍及全世界125个国家和地区，淡化水大约养活世界5%的人口。海水淡化，事实上已经成为世界许多国家解决缺水问题，普遍采用的一种战略选择，其有效性和可靠性已经得到越来越广泛的认同。1海水淡化的技术方法1.1蒸馏法[3]1.1.1低温多效蒸馏此淡化技术盐水的最高蒸发温度低于70℃。其特征是将一系列的水平管喷淋降膜蒸发器串联起来，用一定量的蒸汽输入，通过多次的蒸发和冷凝，后面一效的蒸发温度均低于前面一效，从而得到多倍于蒸汽量的蒸馏水的淡化过程。由于此技术节能，近年发展迅速，装置的规模日益扩大，成本日益降低，主要发展趋势为提高装置单机造水能力。采用廉价材料降低工程造价，提高操作温度。提高传热效率等。1.1.2多级闪蒸水在常规气压下。加热到100℃才沸腾成为蒸汽。如果使适当加温的海水，进人真空或接近真空的蒸馏室，便会在瞬间急速蒸发为蒸汽。利用这一原理．做成了多级闪急蒸馏海水淡化装置。此种淡化装置可以造得比较大。成为大型海水淡化工厂，并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，此法技术成熟，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。1.1.3压汽蒸馏海水预热后．进入蒸发器并在蒸发器内部分蒸发。所产生的二次蒸汽经压缩机压缩提高压力后引入到蒸发器的加热侧，蒸汽冷凝后作为产品水引出。如此实现热能的循环利用。1.2反渗透法反渗透法[4]利用只允许溶剂透过、不允许溶质透过的半透膜，将海水与淡水分隔开。在通常情况下，淡水通过半透膜扩散到海水一侧，从而使海水一侧的液面逐步升高，直至一定的高度才停止，这个过程为渗透。此时。海水一侧高出的水柱静压称为渗透压。如果对海水一侧施加一大于海水渗透压的外压．那么海水中的纯水将反渗透到淡水中。反渗透法使用的薄膜叫“半透膜”，通常又称超过滤法。是1953年才开始采用的一种膜分离淡化法。因其具有占地少、建造周期短、操作简单、相对投资小、能耗相对较低和启动运行快等特点，逐渐在海水淡化市场中占据“统治”地位。1.2.1反渗透法海水淡化与蒸馏法对比，膜法海水淡化只能利用电能，蒸馏法海水淡化利用热能和电能。所以反渗透淡化适合有电源的场合，蒸馏法适合有热源或电源的各种场合。但是随着反渗透膜性能的提高和能量回收装置的问世，其吨水耗电量逐渐降低。反渗透海水淡化经一次脱盐，能生产相当于自来水水质的淡化水。虽然蒸馏法海水淡化水质较高，但反渗透技术仍具有较强的自身优势，如应用范围广，规模可大可小，建设周期短，不但可在陆地上建设，还适于在车辆、舰船、海上石油钻台、岛屿、野外等处使用。新型海水淡化系统的发展趋势是采用膜法集成系统(IMS)，即将膜法预处理和RO组合起来。IMS具有可靠性高、对原水的水质变化相对不敏感、操作费用低且均为商品化组件式装置的特点。新型膜法预处理技术主要包括:连续微滤技术(CMF)、浸没式帘式膜过滤(IMF)、超滤技术(UF)、纳滤技术(NF)以及陶瓷膜过滤(CF)等。1.2.1CMFCMF是以中空纤维微滤膜为中心处理单元，配以特殊设计的管路阀门、自清洗单元、加药单元和自控单元等，形成一闭路连续操作系统。处理液在一定压力下通过微滤膜过滤，达到物理分离的目标。使用CMF可使胶体颗粒和细菌数量减少到个数量级，可提高净化水的水质，并可在很低的横流速度下运行。1.2.2IMFIMF的技术核心是高抗污染的PVDF微滤膜，其特点是耐污染、易清洗、化学性能稳定、膜的透水量大、产水水质稳定、能耗及运行费用低，膜平均微孔孔径在0.2um，能有效去除海水中的藻类、细菌及其他杂质，已经越来越多地用于反渗透的前处理。1.2.3UFUF是一种以机械筛分原理为基础，以膜两侧压差为驱动力的膜分离技术。它的筛分孔径小，主要用于截留粒径在1一20nm的小分子可溶性溶质、大分子和胶体物质等。有中空、卷式、平板、管式等几种组件类型，其中中空纤维膜是超滤技术中最为成熟与先进的一种形式。王兴哉等采用微絮翻夕超滤组合工艺处理低浊度海水，实验用中空纤维超滤膜的材质为聚丙烯睛(PAN)，截留分子质量5000u，孔径0.01um，过滤面积0.437m3时，过滤方式为终端过滤。实验结果表明该工艺对浊度、COD的去除率分别为99.99%和57%，而且微絮凝工艺减缓了海水对膜的污染。1.2.4CFUF是一种以机械筛分原理为基础，以膜两侧压差为驱动力的膜分离技术。它的筛分孔径小，主要用于截留粒径在1一20nm的小分子可溶性溶质、大分子和胶体物质等。有中空、卷式、平板、管式等几种组件类型，其中中空纤维膜是超滤技术中最为成熟与先进的一种形式。王兴哉等采用微絮翻夕超滤组合工艺处理低浊度海水，实验用中空纤维超滤膜的材质为聚丙烯睛(PAN)，截留分子质量5000u，孔径0.01um，过滤面积0.437m3时，过滤方式为终端过滤。实验结果表明该工艺对浊度、COD的去除率分别为99.99%和57%，而且微絮凝工艺减缓了海水对膜的污染。1.2.4CF无机陶瓷膜作为一种新型的膜材料，与传统的高聚物膜相比，具有耐高温，化学稳定，耐酸碱腐蚀，机械强度高，结构稳定和易再生等优点，被广泛应用于食品和生物制品的过滤、提纯及电解液的过滤、气体除尘等各个领域。目前陶瓷膜在水处理领域的应用主要包括冲水处理和污废水处理两个方面。净水处理主要是饮用水和淡化水的制备。污废水处理主要包括各种化工行业废水处理、含油废水处理及生活污水处理和回用等。1.3冷冻法冷冻海水[5]使之结冰。在液态淡水变成固态冰的同时盐被分离出去。冷冻法与蒸馏法都有难以克服的弊端：蒸馏法会消耗大量的能源并在仪器里产生大量的锅垢，所得到的淡水却并不多；而冷冻法同样也要消耗许多能源，得到的淡水味道却很差，难以在生活用水中使用。海水在结冰时盐分被排除在冰晶以外将冰晶洗涤分离融化后即可得到淡水，利用这一原理进行海水淡化的方法即为冷冻法。冷冻法工艺主要包括冰晶的形成、洗涤、分离、融化等。其中按冰晶形成的途径不同可分为天然冷冻法和人工冷冻法人工冷冻法又可分为直接冷冻法和间接冷冻法。但是间接冷冻法传热效率不高，而且需要很大的传热面积从而限制了它的使用。1.3.1天然冷冻法在较高纬度地区，可以利用冬天温度低这一自然环境条件使海水自然冷冻结冰，取冰融化而得到淡水。1.3.2人工冷冻法人工冷冻法可分为间接冷冻法（利用低温冷冻剂与海水进行间接热交换使海水冷冻结冰）和直接冷冻法（冷冻剂或冷媒与海水直接接触而使海水结冰）。根据冷冻剂的不同，直接冷冻法又可分为冷媒直接接触冷冻法和真空蒸发式直接冷冻法。1.3.2.1冷媒直接接触冷冻法该方法以不溶于水、沸点接近于海水冰点的正丁烷为冷冻剂，与预冷后的海水混合进入冷冻室中。在压力稍低于大气压的情况下，正丁烷气化吸热，使冷冻室内温度维持在-3℃左右，海水冷冻结冰，正丁烷蒸气经压缩机压缩至lOl3Z5Pa以上，进入融化器与冰直接接触，正丁烷蒸气液化，冰融化，形成了水正丁烷不互溶体系，由于密度不同而使之分离，水作为产品放出正丁烷则在过程中循环使用。1.3.2.2真空蒸发式直接冷冻法真空蒸发式直接冷冻法是利用水的三相点原理的一种方法。因为在水的三相点附近，气、液、固三相共存，若将海水控制在三相点附近则海水的蒸发与结冰同时进行，再将冰与蒸气分别融化和冷凝得到淡水。真空蒸发式直接冷冻法的关键技术在于如何移走产生的蒸气，按照蒸汽移去的方式可分为真空冷冻蒸气压缩法和真空冷冻蒸气吸收法。1.3.2.2.1真空冷冻蒸气压缩法海水预冷至摄氏零度左右后，喷入真空冷冻室中，部分水汽化吸热，使剩余海水冷冻而析出冰晶（水本身是冷冻剂）形成的冰晶盐水淤浆经分离洗涤后，除去冰晶表面附着及内部包藏的盐分，然后融化而得淡水。产生的蒸气经压缩后进入融化器冷凝。但由于水汽化成水蒸气后，体积增大很多倍，若将这些气体及时抽走，对压缩机的功率和材质要求很高。冰融化和蒸气冷凝所得的淡水，一部分用作洗涤水，其余为产品放出。1.3.2.2.2真空冷冻蒸气吸收法以吸收剂（如漠化狸）吸收冷冻室产生的水蒸气，从而使海水不断汽化与冷冻结冰。稀释后的吸收剂经浓缩再生后循环使用，故需要有吸收剂回收装置。该工艺除了以吸收系统代替压缩机外，其他与真空冷冻蒸汽压缩法相同。1.4电渗析法[6]在电力作用下。海水中的正离子穿过阳膜移向阴极方向，但不能穿过阴膜而留下来；负离子穿过阴膜移向阳极方向，但不能穿过阳膜而留下来。这样，盐类离子被交换走的管道中的海