海水淡化純水處理技術發展史回顧 |
人類關于海水淡化的夢想持續了數千年之久。正是在這個夢想的驅動下，海水淡化技術得以持續發展。過去七十年間，海水淡化技術更是不斷取得突破，大規模海水淡化也從夢想變成了現實。
第一部分 海水淡化的夢想起源
海水含鹽量約為3.5%，大約是生理鹽水含鹽量的4倍，進入人體會引起細胞嚴重脫水，所以不適合飲用。相信那些生活在海邊的古人很早就認識到海水不能喝的事實，盡管他們未必能理解其中的原因，但卻自然而然地催生了海水淡水的夢想。
有學者認為，有關海水淡化最早的文字描述來自西方的《圣經》。相傳公元前1512年，摩西執筆寫出了《出埃及記》。其中第15章記載，實驗室純水設備摩西帶領以色列人從紅海前行，走了三天找不著水，來到一個叫瑪拉的地方，那里的水因為苦不能喝（想必是含鹽量很高的海水或苦咸水），摩西就按照耶和華的指示，把一棵樹丟進水里，水就變甜了。
這個有點魔幻的圣經故事揭示了人類淡化海水的最初夢想。類似的夢想在此后三千多年的時間里，不斷出現在西方和中國的各種文字記錄中，其中不乏科學和智慧之光。
公元前340年左右，亞里斯多德在其所著的《氣象通典》（meteorologica）一書中，描述了鹽水的蒸發冷凝過程。他認為，鹽水變成蒸汽后就變甜了，蒸汽冷凝后不會再變成鹽水。這是對蒸發冷凝海水淡化原理的最早描述。
天才的亞里斯多德在同一本書中，還設想了一種被無數后人引用和傳誦的海水淡化神器——“蠟罐”（jar of wax）。他說，用蠟（有學者認為他的本意是指泥土）制作一個罐子，蓋好蓋子扔進海里，就會發現透過罐壁滲進罐子的水變淡了。
即使以今天的技術水平來看，制造和使用這么一個“蠟罐”也并不容易。不僅罐子本身要能承受高壓，罐壁也得是半透性陶瓷材料，使用的時候還得送到五百米以下的海水中。
公元77年，古羅馬重要的博物學家普林尼（Pliny）以大量古代著作為基礎，編寫了《自然志》（natural history）一書。除了復述“蠟罐”的設想，他還為船員提供了一個解決海上缺水問題的具體方法，即將羊毛沿著船分散放置，羊毛就會吸收蒸發的海水而變得濕潤，擠出羊毛中的水份就會得到淡水。
此后1000多年，類似的淡化海水方法，包括采用砂子或粘土過濾等方法，反復出現在一些西方文獻中。而在中國古代典籍中，也不乏關于海水淡化的類似記載和傳說。
公元前140年左右，我國西漢時期淮南王劉安編撰了《淮南萬畢術》一書，記錄各種人為和自然變化。其中就有“敝箕止咸”的記載：“取箕以內醬中，咸著箕矣”。大意是說，將竹器放進鹵水中，可以除去其中的咸味。
公元200年前后，那個四歲就給哥哥讓梨的孔融寫了篇《同歲論》的論文。其中沿用了“敝箕止咸”的描述：“敝箄徑尺，不足以救鹽池之咸”，引申為杯水車薪之義。
除此以外，中國古代還有兩件傳說中的海水淡化神器：海井和定水帶。
1265年左右，我國宋代著名詞人周密編寫了《志雅堂雜鈔》一書，其中描述了海井。這個海井很神乎，“如桶而無底，非木非竹，非鐵非石……以大器滿貯海水，置此井於中，汲之皆甘泉也?！?/span>
1697年左右，清初進士董含寫成筆記小說集《三岡識略》一書，其中記錄了定水帶。這個定水帶也被描述得很有意思，“古鐵條，垂三尺許，闊二寸有奇，中虛而外銹澀，兩面鼓釘隱起，不甚可辨......每苦水咸，一投水帶，立化甘泉”。
受限于當時的認識水平和技術條件，古代的這些關于海水淡化的記載還大多停留在傳說和想象的階段，但它們為海水淡化從夢想走向現實提供了認知上的重要準備。
第二部分 早期海水淡化技術的出現
現實世界中的海水淡化大約起源于一千八百年前。公元2世紀晚期至3世紀早期，一個被稱為阿佛羅狄尼亞的亞歷山大（Alexander of Aphrodisias）的評論人，在評論《氣象通典》時，第一次描述了有人采用蒸餾海水的方式獲得了淡水。
此后，一些遠航水手開始學會，將海水煮沸并收集其蒸汽冷凝液，就可以獲得救命的淡水。這就是最早的海水淡化應用。
接下來的一千三百多年實驗室純水設備，這種簡單的蒸餾式海水淡化技術幾乎沒有發展，其應用也局限于零星地出現在遠洋船只上。直到歐洲文藝復興之后，實驗科學得到發展，才有人開始通過實驗研究并改進海水淡化過程。
1675年，沃爾科特（William Walcot）在英國獲得了第一件關于海水淡化的專利。海水淡化逐步獲得更多關注。
1682年，著名的德國哲學家和數學家萊布尼茨（Wilhelm Leibnitz）專門寫了一篇關于海水淡化的文章，論述其重要性，特別是對于海員來說。
1683年，菲茨杰拉德（Robert Fitzgerald）也獲得了一件與沃爾科特類似的海水淡化專利，并設計和生產出直徑約84厘米、每天可產淡水240升的海水淡化蒸餾器。
據說這個菲茨杰拉德的蒸餾器生意做得很不錯，甚至還引發了跟沃爾科特的專利糾紛。這應該是水處理歷史上最早的專利糾紛了。
與此同時，英國著名化學家波義耳（Robert Boyle）等人注意到海水結冰后能被淡化的現象，一些人還對天然海冰融化水的鹽度進行了實驗考察。
到了18世紀，隨著世界海軍的發展，艦船用海水淡化技術受到極大關注。1717年，法國醫生戈蒂埃（Jean Gautier）發明了一種船用旋轉式海水蒸發器，引起軍方的巨大興趣。
1786年至1790年間，威尼斯一所軍校的教授羅戈納（Anton Maria Lorgna）開展了冰凍法海水淡化的實驗研究。
在其中一次實驗中，羅戈納通過三次冷凍操作，將含鹽量為36,200ppm的海水分別淡化至15,000ppm、3,250ppm和800ppm。他還親自品嘗了淡化水，并認為味道很好。
1874年，智利北部的拉斯薩利納斯（Las Salinas）地區建造了世界上第一個大型太陽能海水淡化裝置。在晴天條件下，這個裝置每天生產23噸淡水，以供當地的硝石礦和銀礦的工人使用。它運行了近40年。
19世紀以來，歐洲制糖工業迅速發展，促進了多效蒸發技術的發展和應用。1898年，俄國投產了第一家基于多效蒸發原理的陸基海水淡化廠，日產淡水達到1230噸。1912年，埃及建成一個六效海水淡化蒸發裝置，淡水產量為75噸/天。
1929-1937年，隨著油氣行業的崛起，海水淡化的需求不斷增加。1935-1960年，盡管總量還處在較低水平，以高溫多效蒸發為主的海水淡化產能的年復合增長率達到了17%。
第三部分 主流海水淡化技術的發展
現在我們知道，獲得大規模工業應用的主流海水淡化技術有三種，即多級閃蒸（MSF）技術、反滲透（RO）技術和低溫多效蒸餾（LT-MED）技術。
2020年，全球海水淡化累計裝機容量中的95%以上都是采用這三種技術，而它們的發展演變也主要發生在過去七十年間。
第二次世界大戰后，國際資本大舉進入中東地區開發石油資源，當地經濟和人口迅速增長。由于該地區嚴重缺乏淡水資源，但瀕臨海岸且能源價格低廉，海水淡化迅速成為現實選擇。
與此同時，美國的一些干旱地區也面臨較為嚴重的水資源短缺問題，而且出現了全國性過度使用地下水的問題，肯尼迪政府也開始寄希望于海水淡化。
1952年，美國國會通過鹽水轉化法案（Saline Water Conversion Act），并于次年開始資助脫鹽技術研究。
1955年，美國內務部專門設立鹽水辦公室（Office of Saline Water，OSW），以統籌國內研究機構對海水淡化技術的研究。
第一個突破的是多級閃蒸技術。
將加熱至一定溫度和壓力的液體突然減壓，部分液體會瞬間蒸發變為蒸汽，剩余液體的溫度隨之降低并與新的壓力達到平衡，這就是閃蒸。
閃蒸也是蒸餾技術的一種，相較于沸騰蒸發而言，閃蒸過程由于蒸發面與加熱面分離，蒸發過程引起的局部過飽和遠離傳熱表面，實驗室純水設備結垢風險得到極大緩解。
1957年，美國西屋（Westing House）公司在科威特建造了一個四級閃蒸海水淡化工廠，日產淡水2,273噸。該系統仍然沿用了傳統高溫多效蒸發工藝大溫差傳熱等設計思想，造水比較低。
同年，英國偉爾（Weir）公司的機械工程師希爾弗（Robert Silver）發明了現代意義上的MSF工藝。希爾弗采用小溫差、大級數、整體式的系統設計思想，大幅增加了造水比，有效降低了系統投資。
希爾弗發明MSF工藝是蒸餾法海水淡化歷史上的一個重要里程碑。它為海水淡化的大規模應用提供了最早的技術準備。希爾弗后來去英國格拉斯哥（Glasgow）大學做了教授。
1960年，偉爾公司分別為科威特和英屬根西島（Guernsey）建設了世界上最早的兩個現代意義上的MSF海水淡化工廠。
位于科威特舒瓦克（Shuwaikh）港的MSF工廠日產淡水4,546噸，采用19級設計，造水比達到5.7。位于根西島的MSF工廠日產淡水2,773噸，采用40級設計，造水比達到10.5。
現代海水淡化技術大規模應用的序幕由此正式拉開?？仆匾渤蔀槭澜缟系谝粋€采用海水淡化水作為大規模市政供水的國家。
MSF應用之初，采用聚磷酸鹽作為阻垢劑，頂溫被限制在90度左右。后來逐漸嘗試采用硫酸和聚電解質作為阻垢劑，頂溫被提高至110-120度。
1962年，美國海軍在OSW的統籌下，也在加州洛瑪角（Point Loma）建造了一個產量為3,785噸/天的MSF海水淡化裝置。
1964年，洛瑪角MSF裝置被送往美國在古巴關塔那摩（Guantanamo）的海軍基地。因為1962年古巴導彈危機之后，古巴決定停止向這個基地供應淡水。據說這個MSF裝置在關塔那摩基地運行了近20年。
MSF技術的不斷應用也促進了其大型化。1969年，荷蘭泰爾訥曾（Terneuzen）港建成的MSF裝置規模達到14,500噸/天。1973年，意大利托雷斯港（Porto Torres）建成的MSF裝置規模已經達到36,000噸/天。
1980年，全球MSF的總裝機容量已經達到500萬噸/天。作為全球海水淡化裝機的絕對主力，MSF技術進入大規模應用的鼎盛時期。
1987年，全球MSF裝機容量約增長至750萬噸/天。此后，隨著反滲透技術的不斷成熟，MSF增長速度整體上有所放緩。
但沙特等中東產油大國，對MSF技術的可靠性十分認同，在建設超大規模海水淡化廠時，仍然對MSF情有獨鐘。
2014年，沙特在哈伊爾角（Ras Al Khair）工業區建造了一個1,025,000噸/天的現代化海水淡化工廠，其中MSF裝置規模高達770,000噸/天。這個工廠也是世界上最大的海水淡化廠。
2016年，沙特在延布（Yanbu）3期海水淡化廠還建造了一個550,000噸/天的MSF裝置。這些項目表明，MSF依然在特定項目中保持著很好的競爭力。
2020年初，全球MSF海水淡化裝置的總規模約為1,500萬噸/天，在全球海水淡化總裝機容量中的比重已經降至30%以下。
第二個突破的是反滲透技術。
1949年，美國加州大學洛杉磯分校（UCLA）的哈斯勒（Gerald Hassler）等人最早啟動了膜脫鹽研究。
1956年，哈斯勒創造了反滲透（Reverse Osmosis）一詞。同年，UCLA的尤斯特（Samuel Yuster）教授課題組也在OSW的資助下開展膜脫鹽研究。
1959年，尤斯特教授課題組的洛布（Sidney Loeb）和索里拉金（Srinivasa Sourirajan）首次制備出具有不對稱結構的合成反滲透膜。實驗室純水設備這一成果為反滲透海水淡化技術最終走向大規模應用提供了最重要的技術基礎。
1965年，在洛布參與指導下，世界上第一臺商業反滲透裝置在加利福尼亞州科林加（Coalinga）小鎮建成，產水量為18.9噸/天。該裝置采用的是管式反滲透膜。
同年，通用原子（General Atomics）公司的二戰退伍老兵布雷（Donald T. Bray）申請了世界上第一個多膜片卷式反滲透膜組件專利（US3,417,870）。這一發明奠定了現代反滲透膜元件的基本結構。
還是在1965年，Chen-Yen Cheng等人申請了第一個反滲透能量回收相關的專利（US3,489,159）。1975年，能量回收裝置第一次在百慕大群島一個50噸/天的反滲透海水淡化裝置上試用。
1979年，FilmTec公司的卡多特（John E. Cadotte）申請了世界上第一個界面聚合法制備反滲透膜的專利（US4,277,344）。薄層復合膜（TFC）由此誕生，進一步提升了反滲透膜片的性能。
反滲透膜元件卷式結構和界面聚合制膜工藝的發明，大大促進了反滲透海水淡化技術的應用和發展。
由于此時的中東地區對多級閃蒸情有獨鐘，反滲透海水淡化最先在歐洲得到應用，隨后才進入中東地區。
1982年，馬爾他建造了一個20,000噸/天反滲透海水淡化工廠，成為當時世界上最大的反滲透海水淡化廠之一。
與此同時，反滲透海水淡化膜元件、預處理、能量回收、系統集成等技術也在不斷成熟。它們推動著反滲透海水淡化技術不斷走向大型化。
2000年，世界上最大規模的反滲透海水淡化工廠的規模已經突破100,000噸/天，2003年突破200,000噸/天，2009年突破500,000噸/天。
2013年，以色列在特拉維夫以南的索里克（Sorek）建造了一個624,000噸/天的反滲透海水淡化廠。這也是世界上已投運的最大的反滲透海水淡化工廠。
2019年，阿聯酋塔維拉（Taweelah）反滲透海水淡化項目簽署合同，規模達到 909,200噸/天，預計2022年建成投產，并將成為新的世界上最大的反滲透海水淡化工廠。
據最新報道，沙特正在計劃建設一個1,000,000噸/天的反滲透海水淡化廠，以取代逐漸老化的朱拜勒（Jubail）熱法淡化廠。建成后反滲透海水淡化廠規模的世界紀錄將再一次被改寫。
2020年初，全球RO海水淡化的累計規模約為30,600,000噸/天，占全球海水淡化總裝機容量的近60%。
第三個突破的是低溫多效蒸餾技術。
1970年代末，低溫多效蒸餾技術起源于以色列。它從傳統多效蒸發發展而來，最重要的特點是將操作溫度控制在70攝氏度以下，且采用水平管降膜蒸發模式。
LT-MED的低溫操作模式大大減輕了腐蝕問題和結垢風險，水平管換熱模式則獲得了更高的傳熱系數，降低了空間高度，實驗室純水設備增加了有效傳熱溫差，并且可以更方便地使用低品位熱源。
1980年代，日產數千噸的LT-MED淡化裝置逐漸在中東地區應用。到了1990年代，LT-MED裝置不斷地被大型化。
1995年，意大利特拉帕尼（Trapani）建成淡水產量為18,000噸/天的LT-MED裝置，單機容量達到9,000噸/天。
2008年，巴林建成淡水產量為272,760噸/天的LT-MED裝置，單機容量為27,000噸/天。
2009年，沙特在朱拜勒工業城建成了世界上最大的LT-MED淡化廠，淡水產量達到驚人的800,000噸/天。該工廠包含二十七個單機容量為30,000噸/天的LT-MED單元，每個單元由八效構成，采用蒸汽熱壓縮（TVC）后造水比達到9.8。
2012年，單機規模為68,000噸/天的LT-MED淡化裝置在沙特建成。
盡管如此，LT-MED的應用還是明顯受到了反滲透技術快速發展的限制。2020年初，全球LT-MED海水淡化的總規模約為3,300,000噸/天，只占全球海水淡化總裝機容量的6.4%，約為MSF的1/5、RO的1/10。
第四部分 海水淡化技術在中國
我國現代海水淡化技術研究從電滲析起步，進而發展到反滲透、多級閃蒸、多效蒸發等主流海水淡化技術。
1958年，中科院化學所朱秀昌先生在《高分子通訊》雜志上，發表題為《離子交換膜的制造及電滲析法溶液脫鹽與濃縮》的第一篇論文。此時離美國科學家首次制備出離子交換膜僅過去九年。
1965年，我國科學家以尼龍網聚氯乙烯隔板和聚乙烯醇異相離子交換膜為主要部件，研制成第一代電滲析海水淡化器，并投入現場試驗。
1966年，山東海洋學院化學系、國家海洋局一所、中科院青島海洋所、中科院化學所等單位開始研究反滲透技術，開發非對稱醋酸纖維素膜。此時離美國科學家首次制備出非對稱醋酸纖維素膜僅過去七年。
1967年，國家科委和國家海洋局組織了全國性的海水淡化會戰。上海主要負責電滲析技術研發，青島和北京主要開展反滲透技術研究。同年，國產異相離子交換膜在上海化工廠正式投產。
1970年，參加海水淡化會戰的一部分人匯集到海洋局二所，并成立了海水淡化研究室。
1974年，為了解決天津等地的嚴重缺水問題，國家科學技術領導小組在北京組織召開了全國海水淡化科技工作會議，并制訂了《1975-1985年全國海水淡化科學技術發展規劃》，第一次全面布局反滲透、電滲析和熱法海水淡化技術的研究工作。
1975年，《海水淡化》期刊在杭州創刊，后改名為《水處理技術》。同年，海洋局二所等單位研制了日產淡水1.7噸的圓盤板式醋酸纖維素反滲透裝置，并于隨后進行了中空纖維和卷式反滲透元件的研究。
與此同時，天津、大連等地開始了蒸餾法海水淡化技術的研究。1980年前后，天津大學等單位研制成功我國第一臺日產百噸級多級閃蒸海水淡化中試裝置，實驗室純水設備主要技術指標與當時的國際水平相當。
1981年，海洋局二所設計建造的200噸/天電滲析海水淡化裝置正式落戶西沙永興島，成為世界上最大的電滲析海水淡化站。
1987年，天津大港發電廠引進美國2x3000噸/天多級閃蒸海水淡化裝置。該裝置設計頂溫110度，包括36個熱回收段閃蒸級和3個熱放出段閃蒸級。
此時國內反滲透技術的研發進入到了復合膜開發階段，經七五、八五攻關后中試放大成功。我國反滲透膜技術開始從實驗室研究走向工業規模應用。
1990年，大亞灣核電站建設了國內第一套反滲透海水淡化裝置，規模為200噸/天。
1992年，“國產反滲透裝置及工程技術開發”獲國家科技進步一等獎。
1997年，我國第一套500噸/天反滲透海水淡化裝置在浙江舟山投產建成。
1999年，大連市建成第一套1000噸/天的反滲透海水淡化裝置。
2000年，天津大學率先在國內開展閥控正位移式能量回收技術和裝置的研究和開發。
2003年，山東榮成建成萬噸級反滲透海水淡化裝置，河北黃驊電廠引進20,000噸/天多效蒸發裝置。
2004年，我國首套自主知識產權的3,000噸/天低溫多效蒸餾海水淡化裝置在山東黃島建成。
2009年，天津大港建成國內第一套100,000噸/天的反滲透海水淡化裝置。次年，天津北疆電廠又建成國內首套100,000噸/天的低溫多效海水淡化裝置。
2010年底，我國累計建成海水淡化裝置70多套，設計產能達到600,000噸/天。其中反滲透約占66%，低溫多效蒸餾約占33%。
2011年，國家海洋局發布《海水淡化產業發展十二五規劃》，提出到2015年全國海水淡化工程規模計劃達到220萬噸/天。但十二五期間，國內海水淡化建設規模并未達到預期，截至2015年底，全國實際海水淡化建成產能約為100萬噸/天。
2016年，國家海洋局發布《海水利用十三五規劃》，再次將2020年全國海水淡化工程的規模目標設定為220萬噸/天。
據2020年9月發布《國家海水利用報告》顯示，實驗室純水設備截至2019年底我國現有海水淡化工程115個，工程規模達到157萬噸/天。其中63.6%的規模為反滲透法，35.9%為低溫多效技術。
第五部分 小結與展望
海水淡化作為一種開源手段，是解決大規模水資源短缺問題最有效的方式之一。過去六十年間，海水淡化已經在以中東為典型的全世界許多缺水地區得到廣泛應用，滿足了當地人民的生活需要，支撐了當地經濟的快速發展。
海水淡化技術是人類“向大海要水”的千年夢想驅動下的產物。過去七十年間，海水淡化技術經歷了無數探索，得到了飛速發展，最終形成了多級閃蒸、低溫多效和反滲透這三大現代主流技術。
從技術本質上看，多級閃蒸和低溫多效的發明體現了對古代智慧的傳承。它們都是熱法淡化技術，其蒸發冷凝的基本原理早在兩千三百多年前即已被古代先哲所闡明。
希爾弗等人運用巧妙的工程設計，極大地提升了蒸發冷凝過程的能量回用效率和運行可靠性，加上現代金屬材料和加工技術的進步，熱法淡化技術在中東地區急迫需求的牽引下，快速實現了大型化，造就了自己的輝煌。
反滲透技術的發明更多地基于近現代以來人類對自然科學認識的深化，是更高層次的進步。它不依賴相變，在本質上更加高效，市場應用也后來居上，代表了海水淡化技術發展的最高成就。
展望未來，反滲透技術仍將繼續鞏固它在海水淡化市場份額上的優勢，其自身效率也將隨著材料等技術的進步而繼續提升。
熱法淡化技術，特別是低溫多效，實驗室純水設備仍將在較長時期內與反滲透技術并存，并通過與反滲透技術的耦合，繼續發揮有效利用低品位熱能的優勢。
而隨著氣候變化在全球范圍內受到廣泛關注，碳中和呼聲與日俱增，能源結構轉型勢在必行。在這一背景下，海水淡化與可再生能源的結合初現端倪，也必將是大勢所趨。
就我國而言，現有的海水淡化產能不到全球總裝機容量的4%，還有巨大的發展空間。海水淡化有潛力成為徹底解決我國北方沿海地區缺水問題的主要途徑。
我國在發展海水淡化技術方面也大有可為。一是可以適時謀劃大型可再生能源發電與海水淡化聯產示范項目；二是可以進一步提升國產反滲透膜等海水淡化關鍵產品的技術水平，積累應用經驗，早日進入國際大型海水淡化市場；三是可以加強前瞻性技術研究，力爭在未來引領海水淡化技術的發展方向。純水設備，北京純水設備，天津水處理設備，天津去離子水設備。醫院用純化水設備 實驗室純水設備，醫用GMP純化水設備。
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