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海水淡化 | 来自海上的自来水——从海水中取出水

北极星水处理网  来源:净水技术  作者:dolphin  2018/12/24 10:19:35  我要投稿  

北极星水处理网讯:相信很多人都有过对对联的经验,不知道大家对“上海自来水来自海上”这个上联是否有印象,当然,对联只是对联,上海市的自来水并不是来自海上。但这个上联取自于生活,有很多地方的自来水确实是来自于海上,下面请跟随小编的脚步,让我们了解一下如何将海水变为可以饮用的自来水。

在世界上很多地方,尤其是中东和一些岛屿地区,他们的自来水便是从海水变化而来的,在这些国家,海水淡化水已经成为基本水源。这些国家和地区都是网红旅游目的地:沙特阿拉伯、阿联酋、马尔代夫。

那么什么是海水淡化呢?海水淡化又称为海水脱盐(英文为desalination),也就是通过物理、化学或物理化学方法等从海水中获取淡水的技术和过程。主要途径有两条,一是从海水中取出水,二是从海水中取出盐。

海水淡化不仅仅是一种人工开发的技能,它是一种存在于自然界中的现象。海水蒸发后,通过雨雪云霜雾的形式变为淡水。从水循环概念图中我们不难看出:自然界中通过蒸发作用形成淡水的过程就是“从海水中取出水”的过程。

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水循环示意图

在电影《少年派的奇幻漂流》中,主人公在海上漂流的时候没有淡水饮用,只好利用一个白色的圆锥形装置利用太阳能对海水进行蒸馏获取淡水,这便是很简单的海水淡化装置了。利用太阳能,将海水进行蒸发,水蒸气上升到容器穹顶处遇冷凝结,小水滴顺着容器内壁流入下方的环状存水槽中,这便是主人公生存所需要的淡水来源。

海水淡化是人类追求了几百年的梦想,古代就有从海水中去除盐分的故事和传奇。有证据表明在公元前1400年,古代海边居民也都知道利用蒸馏方法从海水中“要”淡水进行饮用。

现如今,海水淡化的发展已经经过了上百年的演变,海水淡化技术相对成熟。我们在某购物网站上搜索“solar still(太阳能蒸馏器)”就可以搜到这种商品(Aquamate Solar Still Emergency Water Purification Inflatable),在该商品的介绍中,反复提到了“Emergency(紧急情况)”这个词,说明它是在非常时期的应急装置。它不但能从海水中蒸馏出淡水,也适用于在野外极端环境下对脏水污水进行蒸馏获取干净可饮用的淡水。

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太阳能蒸馏器

上述例子都是海水淡化的第一种途径,即“从海水中取出水”。而直到海水淡化这个行业兴起才有了第二种途径“从海水中取出盐”来获取淡水。

从上述内容中我们已经知道,海水淡化主要有两条途径:一是从海水中取出水,二是从海水中取出盐。从海水中取出水的海水淡化方法包括:蒸馏法、反渗透法、冰冻法、水合物法和溶剂萃取法等;从海水中取出盐的方法包括:离子交换法、电渗析法、电容吸附法和压渗法等。

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海水淡化两种途径

今天,小编给大家讲一讲目前应用较多的主流方法。

蒸馏法

如果对蒸馏法不好理解,可以想一下你们家里做饭烧水的时候锅盖上一层水珠,这些水珠就是因为水开了之后水蒸气到了锅盖上冷凝形成的蒸馏水,即为可饮用的淡水。

蒸馏法主要包括多级闪蒸和低温多效蒸馏。前者是海水经过加热,依次通过多个温度、压力逐级降低的闪急蒸馏室,进行蒸发冷凝的蒸馏淡化方法。后者是由多个蒸发效串联进行蒸发操作以节省热量,第一效的蒸发温度低于70℃时称为低温多效。

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多级闪蒸的过程是把海水加热到120℃左右,然后进入到一系列压力逐渐降低的锅内,一部分海水在压力突然降低的情况下会以“闪”电般的速度蒸发,蒸汽遇冷成为淡水,剩余的海水进入下一个压力更低的锅内蒸发。由于海水加热到120℃会加速对金属的腐蚀和结垢,为使装置运行更加可靠,又出现了低温多效海水淡化方法——把海水加热到70℃蒸发,产生的蒸汽用于加热下一个锅内的海水,同时蒸汽遇冷变成淡水,许多这样的锅连接起来就组成了海水淡化装置。

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多级闪蒸

反渗透法

反渗透法是在压力驱动下,水通过半透膜(反渗透膜)进入膜的低压侧,而溶液中的盐被阻挡在膜的高压侧并随浓缩液排除,从而达到有效分离的过程。海水淡化时,于海水一侧施加大于海水渗透压的外压,则海水中的纯水将反向渗透至反渗透膜的另一侧,为取得必要的淡化速率,实际操作压力大于5.5MPa。

膜法海水淡化的关键部分是反渗透膜,其原理是由一位美国科学家在1950年无意间发现的,他观察到海鸥在海面上飞行时从海面啜起一大口海水,几秒之后吐出一小口海水。后来研究发现海鸥体内有一层薄膜,该薄膜非常精密,海水经由海鸥吸入体内后加压,经过压力作用将水分子贯穿透过薄膜转化为淡水,而含有杂质的高浓缩盐分的海水吐出嘴外,此即反渗透基本理论。

对透过的物质具有选择性的薄膜称为半透膜,一般将只能透过溶剂而不能透过溶质的薄膜称之为理想半透膜。当把相同体积的稀溶液(例如淡水)和浓溶液(例如盐水)分别置于半透膜的两侧时,稀溶液中的溶剂将自然穿过半透膜而自发地向浓溶液一侧流动,这一现象称为渗透(下图左)。当渗透达到平衡时,浓溶液侧的液面会比稀溶液的液面高出一定高度,即形成一个压差,此压差即为渗透压。渗透压的大小取决于溶液的固有性质,即与浓溶液的种类、浓度和温度有关而与半透膜的性质无关。

若在浓溶液一侧施加一个大于渗透压的压力时,溶剂的流动方向将与原来的渗透方向相反,开始从浓溶液向稀溶液一侧流动,这一过程称为反渗透(下图右)。 反渗透是渗透的一种反向迁移运动,是一种在压力驱动下,借助于半透膜的选择截留作用将溶液中的溶质与溶剂分开的分离方法,它已广泛应用于各种液体的提纯与浓缩,其中最普遍的应用实例便是在水处理工艺中,用反渗透技术将原水中的无机离子、细菌、病毒、有机物及胶体等杂质去除,以获得高质量的纯净水。

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半透膜示意图

参考资料:

惠绍棠,阮国岭,于开录.海水淡化与循环经济[M].天津:天津人民出版社,2005.

高从堦,陈国华.海水淡化技术与工程手册[M].化学工业出版社,2004.


原标题:水悟堂|来自海上的自来水——从海水中取出水

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