愛華網(wǎng)???? “水，到處是水，卻無可飲之水。”英國詩人Samuel Taylor Coleridge的詩句描述了被不能喝的海水包圍著的水手們口渴時的痛苦。200多年后，環(huán)保主義者用Coleridge的這一行詩描述了世界各地日益嚴重的水資源短缺問題。 水資源短缺是當今全球面臨的最大的挑戰(zhàn)之一。在下一世紀，人類所面臨的水危機將比能源匱乏對人類活動的影響更大。據(jù)估計，世界上有五分之一的人口沒有獲得安全飲用水，而有超過三分之一的人口居住在供水緊張的國家；由于相對于水資源的人口迅速增長，這一比例仍將會增加，預計到2025年，這一數(shù)字會上升到三分之二。那些生活在沿海社區(qū)、干旱地區(qū)、以及其他供水有問題地區(qū)的人們正在尋找解決其水資源短缺問題的辦法。地球表面有70%被海水覆蓋，有前景的飲用水來源之一正是世界上幾乎取之不盡的海水，而海水淡化也正在證明其自身是一個日益可行的解決方案。 海水淡化（脫鹽）是指一種過程，該過程去除鹽水或半鹽水中的鹽及其他礦物質(zhì)，以生產(chǎn)飲用水，或者是用于灌溉和工業(yè)用的水。在過去十年，全球海水淡化市場呈現(xiàn)出上升趨勢，水資源緊張國家的海水淡化設施建設大幅增長。Visiongain公司確認2012年全球海水淡化市場的價值達到了183.7億美元。而GBI research公司預測，2010到2020年間，全球海水淡化累積合同市場容量有10.5%的年復合增長率，預計到2020年，全球海水淡化技術市場將超過520億美元。 本文將從全球海水淡化市場的現(xiàn)狀、先進技術和材料、所用能源以及對環(huán)境的影響等方面，探討海水淡化技術未來的發(fā)展。 當前海水淡化市場及常用技術 海水淡化在亞洲和太平洋國家被廣泛接受，如中國、印度和澳大利亞，在那里有大量人口居住在淡水資源有限的沿海地區(qū)。在北美地區(qū)海水淡化也有抬頭，美國幾乎所有的州都有海水淡化廠，其中大多數(shù)專門為工業(yè)用途設計。在歐洲，海水淡化主要用于市政目的，但在工業(yè)上的應用也在增加。西班牙是世界上頂尖的五個海水淡化國家之一。在歐洲，特別是西班牙的旅游業(yè)的增長，也推動了其提高海水淡化能力的需求。 2012年年中，全球飲用水的生產(chǎn)能力為8千萬m3/天，而其中多數(shù)是在中東和北非地區(qū)。到2016年，全球通過海水淡化生產(chǎn)的水預計將超過380億m3每年。目前全球產(chǎn)能的三分之二處理海水，另三分之一使用淡鹽自流水。 中東地區(qū)在海水淡化市場占主導地位，并有望繼續(xù)擴大其在海水淡化方面的種種努力。全球主要海水淡化國家包括沙特阿拉伯、美國、阿聯(lián)酋、西班牙、科威特、阿爾及利亞、中國、卡塔爾、日本、澳大利亞和印度。世界上最大的海水淡化廠是位于阿拉伯聯(lián)合酋長國的Jebel Ali海水淡化廠二期，其生產(chǎn)能力為94.8萬m3/天。 當前主要的海水淡化技術有反向和正向滲透、多效蒸餾（MED）、多級閃蒸（MSF）、電滲析（ED）、電滲析逆轉（EDR）和去離子（EDI）、替代和混合海水淡化。目前全球有超過14000個海水淡化廠，反向滲透廠主導市場，它占2011年全球產(chǎn)能的60%；在這之前最突出的是使用蒸汽的多級閃蒸熱過程，2011年，多級閃蒸占全球產(chǎn)能的26%。就地區(qū)而言，反向滲透仍然在北美地區(qū)占主導地位，歐洲、澳大利亞和大洋洲都青睞反向滲透技術，但亞洲更傾向于使用反向滲透和多級閃蒸技術，并且多級閃蒸技術主導非洲。 至今為止，反向滲透是最節(jié)能的海水淡化技術，也是任何新的海水淡化技術的比較基準，其過程的核心是半透膜，它具有從海水中分離出純凈水的能力。業(yè)內(nèi)人士預計反向滲透技術細分市場有望最具成長性，到2020年將達到394.6億美元。以色列Hadera的海水淡化廠是世界上最大的反向滲透海水淡化廠。 海水淡化的新技術、新材料 新技術和新材料不斷涌現(xiàn)，導致海水淡化更環(huán)保、更具成本效益。過去，海水淡化的高成本（主要是由于能源的集約使用）以及對與行業(yè)相關的環(huán)境問題的關注抑制了海水淡化市場的增長。但最近有些障礙已經(jīng)，或者至少是輕微地被破除了，從而有助于海水淡化市場的業(yè)務增長。 新技術 2013年6月，美國得克薩斯大學奧斯汀分校（UTA）和德國馬爾堡大學的化學家們發(fā)表了他們開發(fā)的一項技術，可以進行電化學介導的海水淡化，被稱為是“無膜”海水淡化。到目前為止，該技術可以達到25%淡化，化學家們堅信他們可以達到99%淡化，從而滿足飲用水的要求。目前大多數(shù)海水淡化方法依賴于昂貴且不易沾的膜，雖然新開發(fā)的無膜方法仍需加以完善和擴大規(guī)模，但如果成功，將能大規(guī)模地使用一個簡單的，甚至是便攜式的系統(tǒng)提供飲用水。 2012年10月，麻省理工的研究人員使用一種能研究液體在固體表面行為細節(jié)的新技術設計了一種表面，使水滴可以高速移動。這有可能會增加海水淡化廠生產(chǎn)淡水的速率，并且提高電力生產(chǎn)中的能源利用效率。 2012年3月，西班牙瓦倫西亞大學的研究人員領導了一個350萬歐元的項目，通過使用新的無線細菌傳感器，他們要設計可以優(yōu)化污水處理和海水淡化廠運作的智能網(wǎng)絡。使用該技術，可以將淡化水成本減少45%，能源消耗降低74%。這個為期三年的項目的目的是開發(fā)世界上第一個相互連接的生物傳感器無線網(wǎng)絡，它可以通過確定理想的注入水中的殺菌劑量來控制細菌的活動，而其最終目標是要從根本上提高生產(chǎn)力并降低凈化水的成本。 傳統(tǒng)的海水淡化過程——如反向滲透和電滲析——要消耗大量的能源。2010年4月，新墨西哥州立大學（NMSU）的研究人員開發(fā)了一種新的蒸發(fā)海水淡化系統(tǒng)，不僅能二十四小時不停地運作將鹽水轉換為純凈飲用水，而且其能源需求非常低，僅用太陽能就足以支持其運作。 同樣應用太陽能，2010年10月，麻省理工學院領域和空間機器人實驗室（FSRL）的一個團隊設計了一個便攜式海水淡化系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用反向滲透的原理，可以在危機情況下用于生產(chǎn)飲用水，也可以被用于在能源和潔凈水供給相對復雜和昂貴的偏遠地區(qū)生產(chǎn)飲用水，如沙漠地區(qū)或發(fā)展中國家的農(nóng)場或小村莊。 一種類似太陽能蒸發(fā)器工作，但是是在工業(yè)蒸發(fā)池規(guī)模上的新方法，叫做集成生物技術系統(tǒng)。它可以被視為“完全淡化”，因為它將所有攝入的鹽水轉換為蒸餾水。這種類型的太陽能供電的海水淡化的獨特優(yōu)勢之一是內(nèi)陸操作可行性。標準的優(yōu)勢還包括海水淡化廠沒有空氣污染，電廠的冷卻水排放不會造成瀕危的天然水體的溫度升高。另一個重要優(yōu)勢是生產(chǎn)的海鹽能有工業(yè)和其他用途。
新材料 2013年3月底，芬蘭赫爾辛基Arcada大學的能源與材料科學系宣布，它們開發(fā)出一種制造納米多孔膜的技術，能顯著降低生產(chǎn)成本。這項新開發(fā)的技術生產(chǎn)的膜可以根據(jù)水中物質(zhì)的大小和化學性質(zhì)來過濾它們，能大大降低膜的價格，從而擴大膜技術在未來的應用。將可能被大量用于潔凈水的生產(chǎn)和工業(yè)水處理，因為這些過程的目的是要分離出水中有價值的或者有害的物質(zhì)。 2012年，麻省理工學院的研究人員提出了一種新方法，采用石墨烯（碳元素的只有一個原子厚的形式）作為過濾材料，可以比現(xiàn)有的海水淡化系統(tǒng)更有效率，而且可能成本更低。反向滲透使用膜從水中過濾出鹽，膜越好，淡化過程中消耗的能源就越少；膜越薄，通過的淡水就越多。與當前基于聚酰胺的過濾器相比，石墨烯過濾器能大大減少水中的含鹽量。同時，現(xiàn)有系統(tǒng)中使用的厚膜的厚度足有石墨烯的一千倍，因而需要極高的壓力（因此能源消耗巨大）才能迫使水通過膜。而新的基于石墨烯的系統(tǒng)在相同的壓力下，比當前的技術快數(shù)百倍；或者說，在相似的速度下，該系統(tǒng)可以在低得多的壓力下運行，這有助于提高海水淡化廠的效率，因此成本遠低于一般的凈化水技術。加之石墨烯是一種已知的最強的材料，因此它比那些目前用于反滲透技術的膜更耐用。而由于海水淡化所需的材料不用像電子或光學方面那樣要求幾乎是純凈的，因此其獲取也相對容易、經(jīng)濟。 海水淡化的新能源 海水淡化一直由于其巨大的能源消耗而遭到批評。目前大多數(shù)的海水淡化使用化石燃料，其熱電能源——反向滲透海水淡化廠的主要能源來源——會造成空氣污染和溫室氣體排放，進一步加劇氣候變化。為了最大限度地減少溫室氣體排放，可以用可再生能源直接為海水淡化廠供電。另外，也有一些間接補償或彌補措施，比如安裝可再生能源發(fā)電廠將能源加入國家電網(wǎng)，也能用于海水淡化工廠，這同時可以解決風能和太陽能的間歇性和可變強度的問題。 為滿足日益增長的飲用水需求，利用核能進行海水淡化也是一種可行的選擇。最近由國際原子能機構協(xié)調(diào)進行的研究項目中的案例表明，利用核能進行海水淡化是解決水資源匱乏地區(qū)的水需求和短缺問題的一個真正的選擇。雖然在受水資源緊缺問題的國家大規(guī)模部署核能海水淡化所面臨的主要挑戰(zhàn)是缺乏基礎設施和資源，然而，這些國家對利用核能淡化海水來獲得可持續(xù)的水資源相當感興趣。 現(xiàn)代阿聯(lián)酋自創(chuàng)建以來，大部分的用水需求已經(jīng)通過海水淡化得到滿足。如果海水淡化工廠可以與核電廠相連，那將是對阿聯(lián)酋的水和能源安全的一個重大推動。Masdar科學與技術研究所的學術院長、Youssef Shatilla教授指出，核能海水淡化是一項眾所周知的技術，目前在世界各地運行的工廠顯示了其優(yōu)勢。核能海水淡化與傳統(tǒng)淡化基本相同，只是能源的來源是核電廠。在世界各地都已經(jīng)部署了核能海水淡化廠，從發(fā)達國家到發(fā)展中國家，并已取得巨大的成功。這些能給人信心的事實表明，如果實施的話，必定是對阿聯(lián)酋的水和能源安全的巨大補充。 在澳大利亞，用水量的增加和低降雨量/干旱相結合，使得其州政府轉向海水淡化。雖然海水淡化能幫助安全供水，但由于澳大利亞以煤炭為基礎的能源供應，導致海水淡化的能源密集和高碳足跡。為此，澳大利亞一直致力于尋找可再生能源進行海水淡化。 在澳大利亞西海岸的花園島上，正在開始建設一個利用波浪能的海水淡化示范試點工廠。Ceto海水淡化試點與Carnegie珀斯的波浪能項目（PWEP）共同位于花園島上，將現(xiàn)成的反滲透海水淡化技術與PWEP的基礎設施相結合。該工廠將直接由Carnegie Ceto波浪能系統(tǒng)的液壓能量離岸供電。項目的目的是要證明Ceto海水淡化技術有顯著并可持續(xù)地減少能耗的潛力，因此也能大大減少與海水淡化廠相關的溫室氣體排放的產(chǎn)生。 在澳大利亞的Perth的一個海水淡化廠的能源供給有一部分來源于由Emu Downs風電廠提供的可再生能源。而在新南威爾士州Bungendore的風電場是專門為悉尼海水淡化廠建造的，能為其提供足夠的可再生能源，以抵消海水淡化的能源使用，從而緩解對有害溫室氣體排放的關注。 2012年6月6日，西澳大利亞大學（UWA）宣布其研究人員將調(diào)查在西澳大利亞利用地熱能來淡化地下水。該項目將為西澳大利亞州政府和工業(yè)界提供地熱能和水生產(chǎn)的經(jīng)濟、技術和市場分析，并確定在該州可以最佳應用此技術區(qū)域。 海水淡化對環(huán)境的影響及解決方案 除了溫室氣體的排放，海水淡化還對環(huán)境造成其他方面的影響，比如對海洋生物的影響、對海洋生態(tài)的影響等。 與海水攝入相關聯(lián)的一個主要問題是對海洋生物的撞擊和夾帶。美國法院于2011年裁決了《清潔水法》，規(guī)定如果不將海洋中的浮游生物、魚卵和幼魚的死亡率降低90%的話，就不能再取海水。雖然海洋系統(tǒng)中幼蟲的自然死亡率很高，夾帶對海洋生物問題的影響并不清楚，但無可否認，夾帶可以殺死大批青少年階段的魚。表面開放攝入是大型海水淡化廠常用的解決方法，它可以通過適當?shù)暮Y選與低攝入速度相結合來減小對大的有機體的撞擊。通過將攝入口定位在遠離生物生產(chǎn)區(qū)，比如定位在離岸更遠的更深的海里，或者是使用地下海灘井，可以極大地減少或消除對小浮游生物（如幼蟲、卵）的夾帶。 所有的海水淡化過程都會產(chǎn)生大量的濃縮物，而且可能隨著溫度的增加而增加，這包含預處理和清潔化學品的殘留物、它們反應的副產(chǎn)品和一些由于腐蝕產(chǎn)生的重金屬。當反向滲透海水淡化后的高鹽度海水（約是海水的兩倍）和預處理及膜清洗中使用的化學品被排放到的海洋環(huán)境時，會對環(huán)境構成風險。由于溶質(zhì)濃度較高，所以這些高濃度鹽水比海水的密度高。因為鹽水下沉并會保持很長的時間，因此足以破壞海洋底部的生態(tài)環(huán)境。 謹慎地放歸可以將這一問題最小化。例如，對從2007年底開始在悉尼建造的海水淡化廠和海洋出口結構，水務當局表示，海洋出口將會設置在海底，從而最大限度地分散濃縮的海水，以確保在出口處50米到75米處無差別。典型的外海海洋條件可以迅速稀釋這些濃縮的副產(chǎn)品，從而盡量減少對環(huán)境的危害。 若要限制這些高濃度鹽水流回海洋對環(huán)境造成的影響，也可以將其與另一股水一起流入海洋從而達到稀釋的作用，比如廢水處理或火力發(fā)電廠的排污。另一種減少海水鹽度增加的方法是在混合區(qū)域通過擴散器混合鹽水。海灘水井也是一種解決方案，但問題是這需要更多的能源，而且成本較高，加之底層含水層的滲水性限制了吸水率，使得輸出量受限，因此很難在大規(guī)模的海水淡化廠實施。 當然，更有效的方法是消除預處理階段或降低預處理要求，因為這將大幅減少能源消耗、資本成本以及海水淡化廠對環(huán)境的影響，但這需要開發(fā)具有特定表面性質(zhì)的耐污染的膜，并且需要與改進的流體動力混合的膜模塊。 海水淡化的未來發(fā)展 除去人口和水資源供應因素，城市化的快速發(fā)展、工業(yè)擴張、旅游產(chǎn)業(yè)的增長以及含水層中鹽水侵入的增加，都驅(qū)動全球海水淡化能力不斷增長。但到目前為止，要廣泛使用的話，海水淡化技術還是過于昂貴，因此現(xiàn)在的大多數(shù)興趣專注于開發(fā)具有成本效益的方式提供淡水為人類所用。海水淡化技術才出現(xiàn)50年左右，有大量的可改進空間。比如反滲透膜系統(tǒng)通常比熱蒸餾使用的能量少，這導致過去十年中海水淡化整體成本的降低。 對一些供水緊張的地區(qū)，淡化海水可能是一個解決方案，但這可能并不適用于那些窮困、在大陸內(nèi)部深處、或者是海拔高的地方。然而不幸的是，這包括了一些地方水問題最為嚴重的地區(qū)。在離海遠的地方（比如印度的新德里），或者海拔高的地方（如墨西哥城），高昂的運輸成本會添加到已經(jīng)很高的海水淡化成本中。在相對離海較遠同時相對較高的地方（比如利雅得），淡化的水也很昂貴。 海水淡化成本的決定因素包括設施容量和類型、位置、給水、勞動力、能源、融資和濃縮液處理等。海水淡化目前仍然需要控制壓力、溫度和鹽水濃度以優(yōu)化效率。如果規(guī)模很大，核動力的海水淡化可能具有經(jīng)濟性。但核能海水淡化在商業(yè)基礎上的大規(guī)模部署將主要取決于經(jīng)濟因素。聯(lián)合國的國際原子能機構（IAEA）正在促進這一問題上的研究和協(xié)作。 2013年2月25日，在德克薩斯州的San Antonio舉行的AMTA/AWWA膜會議之前召開了一個研討會，會上全面回顧并評審了一些低能源的和可再生能源的海水淡化系統(tǒng)中的最新思維。會上評審了正向滲透、膜蒸餾、電容去離子、微生物海水淡化細胞以及循環(huán)太陽能與地熱聯(lián)合作為動力的海水淡化系統(tǒng)。顯然，目前這些技術中沒有任何一個可以在商業(yè)世界中全面應用，但如果給予時間和恰當?shù)膽?，這些技術將會持續(xù)發(fā)展，甚至取代現(xiàn)有的熱門技術。
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