电渗析海水淡化技术发展

电渗析海水淡化技术发展电渗析海水淡化技术发展 水是人类社会赖以生存和发展的基本物质，是地球生态环境维持平衡的重要因素。然而，水资源短缺 已经成为人类目前面临的最严峻的挑战之一。一方面，淡水资源储存量不足且时空分布不均衡，难以 满足经济社会发展和人口数量增长的需求；另一方面，工农业发展和城市规模扩大带来的水体污染日 趋严重。水资源匮乏正日益影响全球的经济社会发展和生态平衡，甚至引起了国家和地区间的冲突。 联合国有关机构指出“供水不足将成为一个深刻的社会危机，世界上在石油危机之后的下一个危机便 是水的危机”。 地球表面约 3/4 都被水覆盖，其中海水占 96.5%，但是这部分水含盐量较高，不能直接用于工农业 生产和人类生活。可取用的河水、湖水及浅层地下水等仅占 0.2%左右，这其中还包括相当大一部分 的苦咸水。2014 年联合国世界水资源发展报告指出，到2050 年，全球淡水资源总需求量将比2000 年增长 55%左右，届时全球 40%的人口将会面临严重的缺水危机。 我国人均水资源占有量为 2220m3，是世界人均水资源占有量的 1/4，是全球 13 个人均水资源最贫 乏的国家之一，且我国水资源时空分布极不均衡，部分地区水资源污染严重。面对日益严重的缺水形 势，政府采取了一系列有效的调控措施，如兴建大型蓄水工程、跨流调水等等，这些措施只能缓解部 分城市和地区的缺水状况，难以满足大多数城市经济快速发展及人民生活水平提高的需求。此外，我 国北方和西北地区的地下水多为苦咸水，沿海地区地下水超采引起海水倒灌等等，均使得我国的缺水 形势日趋严峻。据有关部门预测，我国将在 2030 年左右出现缺水高峰。 因此，通过合适的方法对海水进行淡化成为从源头增加淡水资源量的有效手段，也是解决淡水资源短 缺、维持淡水持续供应、优化淡水资源配置的重要途径。 海水淡化是通过物理、化学或物理化学方法从海水中获取淡水的技术和过程，其主要途径有两条：一 是从海水中取出水，包括蒸馏法、反渗透法、冰冻法、水合物法和溶剂萃取法等；二是从海水中取出 盐，包括离子交换法、电渗析法、电容吸附法和压渗法等。截至目前，实际规模应用的仅有蒸馏法、 反渗透法和电渗析法。 本文主要对电渗析技术在海水淡化领域的应用及其研究进展进行介绍， 包括电渗析海水淡化的基本原 理、 电渗析技术的发展历程、 电渗析技术在海水淡化领域面临的挑战、 多种工艺集成过程的发展等等。 1 1、、电渗析海水淡化的基本原理 1.1 电渗析装置 在外加直流电场的作用下，利用离子交换膜的选择透过性，使溶液中的电解质离子定向迁移，自溶液 中部分分离出来的过程即为电渗析。 电渗析装置一般由离子交换膜、隔板、电极、直流电源、电泵、水槽等组成。离子交换膜主要分为阳 离子交换膜(CM，简称阳膜)和阴离子交换膜(AM，简称阴膜)两种，其对不同荷电性离子具有选择透 过性：阳膜带有负电荷，可选择透过阳离子；阴膜带有正电荷，可选择透过阴离子。隔板构成的隔室 为液体流经的通道， 淡水流经的隔室为脱盐室， 浓水经过的隔室为浓缩室。 把阴、 阳离子交换膜与浓、 淡水隔板交替排列，重复叠加，再加上一对端电极，即构成一台电渗析器。 1.2 电渗析海水淡化过程 在电渗析海水淡化过程中，通电的情况下，溶液中的阳离子通过阳离子交换膜向阴极方向迁移，阴离 子通过阴离子交换膜向阳极方向迁移，最终阴、阳离子分别透过阴、阳离子交换膜迁移到相邻的隔室 中，使得淡水隔室中的盐浓度逐渐降低，浓水隔室中的盐浓度相应逐渐升高，从而实现了盐、水的分 离，达到海水淡化的目的。图 1 为电渗析海水淡化过程的基本原理图。 图 1 电渗析海水淡化原理图 2 2、、电渗析技术的发展历程 2.1 国外电渗析技术的发展历程 有关电渗析的研究始于 1903 年，将两根电极分别置于透析袋内、外部溶液中，发现能更迅速地除去 凝胶中的带电杂质；通过化工原理设计改进了Morse 的试验装置，增加了传质速率；1940 年，提出 了具有实用意义的多隔室电渗析装置的概念；1950 年，Juda 和 McRae 成功研制了具有高选择透过 性的阳、阴离子交换膜，奠定了电渗析技术的实用基础。 1952 年，美国 Ionics 公司成功研制了世界上第一台电渗析装置，并将其用于苦咸水淡化，随后该技 术在美国、 英国得到了推广应用。 日本于 20 世纪 50 年代末开始研究电渗析技术用于海水浓缩制盐， 20 世纪 60 年代旭化成公司成功研制出性能优良的单价离子交换膜， 使得日本在电渗析海水浓缩制盐 技术方面至今仍保持国际领先地位。 1974 年， 日本在野岛建立了日产饮用水 120t 的海水淡化装置， 是当时世界上最大的海水淡化装置。1972 年，美国 Ionics 公司推出了频繁倒极电渗析装置，提高了 装置的运行稳定性。此后，填充床电渗析、双极膜电渗析、高温电渗析等相继出现，使得电渗析技术 的应用领域愈加广泛。目前美国和日本在电渗析技术方面处于世界领先地位。 2.2 我国电渗析技术的发展历程 1958 年，国内开始研究电渗析技术，随后，以国产聚乙烯醇异相离子交换膜装配的小型电渗析设备 投入海上试验。1965 年，在成昆铁路上安装了第一台电渗析苦咸水淡化装置。1969 年，聚苯乙烯异 相膜投入生产，为我国电渗析技术的推广应用奠定了基础。1976 年在上海金山石化建成了日产初级 纯水 6600t 的电渗析制水车间。1981 年 6 月在西沙永兴岛建成了当时世界上最大的日产淡水 200t 的电渗析海水淡化站并投入运行，该淡化站采用两组10 级一次连续流程，将海水含盐量由 35000mg/L 脱至 500mg/L，总电耗为 16.5kW·h/t，比用船运水(20.7 元/t)节省费用 80%，接近日 本同期水平，结束了采用轮船向该岛运输淡水的历史。 为严格控制饮水标准，1984 年又安装了脱硼装置，采用 564 特效脱硼树脂将电渗析出水中的硼由 4.7mg/L 脱至 0.5mg/L 以下，低于世界卫生组织建议的饮用水含硼指标(1mg/L)，水质完全符合饮 用水卫生标准，该技术完善了电渗析海水淡化制取饮用水的流程，标志着我国电渗析海水淡化技术的 进步。 电渗析技术具有对分离组分选择性高、对预处理要求低、装置设备与系统应用灵活、操作维修方便、 装置使用寿命长、原水回收率高、不污染环境等优点。20 世纪 70 年代初到 80 年代上半期，是电渗 析技术在世界范围内的大规模推广应用阶段，广泛用于海水淡化、海水浓缩制盐、苦咸水脱盐与纯水 制备、化工废水脱盐等领域，并取得了显著的经济效益和社会效益。 3 3、、电渗析技术面临的挑战 进入 80 年代中期以后，电渗析技术的发展在国外、国内先后进入了萎缩阶段，这主要是由于反渗透 技术的出现对电渗析技术提出了重大的挑战。 1960 年，第一张高脱盐率、高通量的不对称醋酸纤维素反渗透膜问世，标志着反渗透膜的研究获得 突破性进展；1970 年，美国 DuPont 公司将反渗透膜用于苦咸水脱盐；1990 年后，随着反渗透膜 性能的提高、价格的下降、高压泵和能量回收效率的提高，反渗透法逐渐成为投资最省、成本最低的 海水淡化技术。 与反渗透海水淡化技术相比