聚焦技術前沿：海水淡化工藝中的熱法

　　以較低的投入，從海水中大規模換取高質量的淡水，還要從20世紀50年代算起。世界上淡水資源不足，已成為人們日益關切的問題。有人預言，19世紀爭煤，20世紀爭油，21世紀可能爭水。
　　這是因為當時在中東國家發現了石油。這些富得冒油的土地，卻打不出一口淡水井。他們花費一些石油和金錢，大規模淡化海水，供應人們的生活，澆灌樹木花草，美化環境。他們覺得水比油貴是很值得的。
　　正因為如此，20世紀50年代以后，海水淡化作為一門現實的應用技術，發展很快。預計2010年至2016年，全球海水淡化市場將達290億歐元。
　　目前國際通用的海水淡化工藝路線有熱法和膜法兩種。這兩種工藝都有可能應用到大型的海水淡化中。
　　海水淡化工藝中的熱法
　　熱法的原理很簡單，就是我們在實驗室里制備蒸餾水的原理。把海水燒到沸騰，淡水蒸發為蒸汽，鹽留在鍋底，蒸汽冷凝為蒸餾水，即是淡水。這種古老的海水淡化方法，消耗大量能源，產生大量鍋垢，很難大量生產淡水。
　　多級閃蒸和多效蒸發使古老的熱法煥發了青春。水在常規氣壓下，加熱到100℃才沸騰成為蒸汽。但是一定溫度的海水在壓力突然降低的條件下，部分海水會急驟蒸發。利用這個原理，多級閃蒸將經過加熱的海水，依次在多個壓力逐漸降低的閃蒸室中進行蒸發，將蒸汽冷凝而得到淡水。這種淡化工廠，可以與熱電廠建在一起，利用熱電廠的余熱加熱海水。水電聯產，可以大大降低生產成本。現行大型海水淡化廠，大多采用此法。如果太陽能蒸發淡化法能夠投入使用，其淡化技術又可以上一個節能的新臺階。
　　而多效蒸發是讓加熱后的海水在多個串聯的蒸發器中蒸發，前一個蒸發器蒸發出來的蒸汽作為下一蒸發器的熱源，并冷凝成為淡水。這是熱法中最節能的方法之一。
　　“膜”術讓水往高處流
　　膜法中的反滲透法誕生于1953年，最大的優點是節能。1974年以來，發達國家不約而同地將海水淡化的研究方向轉向了反滲透法。目前熱法在中東各國應用較多，歐美各國則多采用反滲透法。
　　“水往低處流”。1748年，一個叫萊諾的法國物理學家無意中發現，包裹在豬膀胱里的水會自行擴散到膀胱外側的酒中，因而首次發現了“滲透”現象。在自然界中，低濃度溶液中的水會往高濃度的溶液中流動，以此達到一種穩定的、低能量的狀態。如果要讓水從高濃度的海水中透過一張類似豬膀胱的半透膜流到低濃度的一端，就需要對海水施加一個壓力。這張半透膜就是反滲透膜。
　　通俗地說，反滲透膜好比就是一個篩子，在海水通過時只有體積小的水分子可以過，而體積更大的鹽分就不能通過。現在一般反滲透膜的孔徑只有十分之一納米。在這個孔徑下，水中的鹽分、比細菌更小的病毒，以及作為離子態存在的重金屬都不能通過。
　　反滲透海水淡化工廠所需的能量比多級閃蒸之類的熱法海水淡化工藝低得多，因此成本更低。
　　目前反滲透膜進行海水淡化的綜合成本在每噸0.7-0.8美元之間，而熱法的成本比它要高10%-20%。別小瞧了這十個百分點，每天十幾萬噸的量積攢在一起，就存在巨大的經濟效益差。
　　呼喚更加廉價的技術
　　成本，還是成本，是目前海水淡化推廣的首要瓶頸，也是全世界科學家的研究重點。
　　這個領域的成本主要包含兩部分：一是生產過程中需要的成本。二是海水淡化后處理污物產生的成本。
　　以反滲透膜進行海水淡化為例，綜合成本在每噸0.7-0.8美元之間，折合成人民幣也就是在每噸5元左右；而這個價格還只是工廠的成本價，并沒有計算管網的損耗、企業的利潤等等。而目前國內城市的水價也就在每噸2.5元左右。
　　那么，如何降低成本？從國內現狀來看，政府要統一部署、統一管理，然后對符合國家投資導向的海水淡化企業可以考慮給予國家、省、市對外商投資企業的相關優惠政策，或者參照高新企業、高新技術成果轉化項目、高新產品，對從事海水淡化的企業在投資、土地、稅收等方面給予優惠扶持政策。
　　一些新的海水淡化方法或許將帶來新的突破。
　　據最新一期英國《自然·納米技術》雜志報道，麻省理工學院的研究人員采用納米技術開發出的新型裝置，利用離子濃度差極化原理對海水進行脫鹽。通過可行性試驗發現，該裝置體積雖小，但其海水淡化效果與目前最先進的海水淡化設備不相上下，回收率達到50%，將用于試驗的一半的海水被淡化。新型裝置實現了小型化，并且使用電池就可以工作。它不會再像以前的設備那樣笨重，因此可以在沿海干旱地區廣泛使用。
　　世界海水淡化現狀
　　自沙特阿拉伯1932年建國以來，累計花在海水淡化上的費用高達950億里亞爾(約合253億美元)。沙特通訊社報道說，到目前，沙特生產的淡化水產量已累計超過11億立方米。
　　目前沙特擁有淡化水輸送管道4157公里，泵站29座。2010年，沙特財政用于海水淡化的撥款為134億里亞爾(約合35億美元)，比2009年增加44%。沙特屬干旱沙漠氣候，全年降水稀少，境內又無淡水河流。因此，沙特的生產和生活用水主要依靠海水淡化。沙特70%的用水為淡化海水，其淡化水產量占世界淡化水產量的30%。
　　海水淡化近兩年在中國發展迅猛，業內分析幕后推手有三個：一是水資源短缺，加快向海洋要水的進程；二是沿海重化工項目對工業淡水的巨大需求；三是城市自來水價格節節上漲，水價與海水淡化成本即將并“價”齊驅。
　　我國已建成72套海水淡化裝置，日產24萬噸淡水；在建和待建56項工程，其中10項工程規模達到日產10萬噸以上。全部建成后，我國海水淡化日產220萬噸淡水，是過去18年的總和。其中最大的海水淡化項目是央企國家投資公司在天津新建的北疆電廠，設計日產40萬噸海水淡化能力，除了電廠自己留用一小部分，大部分淡化水將送往天津濱海新區，每年可為濱海新區輸送淡水6000萬噸。2009年10月，北疆電廠一期項目投產，單套海水淡化裝置日產淡化2.5噸。
　　隨著水價進一步上漲，與海水淡化成本持平，更多的海水資源將很快進入城市管網，從而引發規模浩大的海水淡化需求。在香港，80%公廁由海水淡化水沖刷，青島海之韻住宅小區上千戶人家排水用的是海水淡化分支管路。
　　目前，海水淡化已經成為解決全球水資源短缺的重要途徑。因此，這也是一個朝陽產業，值得引起政府、科技和資本界的關注。