西門子反滲透膜海水淡化解決方案致力于降低電能消耗
來源：《第一財(cái)經(jīng)周刊》 閱讀：4544 更新時(shí)間：2012-07-02 15:53世界上大多數(shù)沿海國家和島國來說都會面對這樣的尷尬——被海水環(huán)繞，卻一滴也不能飲用。畢竟這種超過3.5%含鹽量的水，口味有點(diǎn)重。
比如，新加坡。它位處赤道附近，雨水充沛，四面環(huán)海，卻同時(shí)也是世界上人均淡水資源占有量排名倒數(shù)第二的國家。它無法自給淡水，相反，主要依靠從鄰國馬來西亞進(jìn)口水源，一天進(jìn)口量達(dá)到9664萬立方米才能滿足它國內(nèi)巨大的水源需求，這顯然不是長久之計(jì)。
于是，2008年，新加坡政府舉辦了一次“新加坡挑戰(zhàn)”的競賽，要求參賽者提出的方案，至少讓海水淡化最大能耗量不超過4度電/立方米。
西門子公司在這次比賽中勝出，并且在新加坡開始了海水淡化的規(guī)；a(chǎn)。
從1998年開始，新加坡政府就寄希望于通過海水淡化來解決水源問題——如果在技術(shù)上能行得通，它四面環(huán)繞的海水便隨時(shí)可源源不斷地轉(zhuǎn)化為生活用水。因此新加坡實(shí)施“向海水要淡水”的計(jì)劃。除了政府自行設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)營之外，新加坡還鼓勵私人企業(yè)參與。
將海水中的鹽分除去——從16世紀(jì)開始，就有人嘗試著這樣做。當(dāng)時(shí)，歐洲的一些探險(xiǎn)家在進(jìn)行漫長的航海旅行時(shí)在船上安裝簡易的淡化裝置，以備不時(shí)之需。但這些裝置往往粗糙而低效。大多數(shù)時(shí)候，不過是在爐灶上煮沸海水。1850年，海水淡化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了突破。它來自另一個行業(yè)制糖工業(yè)。為了生產(chǎn)結(jié)晶糖，需要消耗大量的燃料加熱糖液，以蒸發(fā)掉其中的水分。一位名叫Norbert Rillieux的美國工程師，通過一個級聯(lián)的多腔系統(tǒng)，讓各腔之間壓力遞減，從而讓水的沸點(diǎn)也在遞減。這使得第一個腔中產(chǎn)生的水蒸氣中的熱量，可以在第二個腔中循環(huán)利用以加熱其中的水使其蒸發(fā)。如此循環(huán)。引用到海水淡化上，這便是一種蒸餾技術(shù)—將鹵水加熱，使其部分蒸發(fā)，同時(shí)冷凝生成水蒸氣。
隨后，另一種更高效更經(jīng)濟(jì)的技術(shù)產(chǎn)生。這種給海水施加壓力使其水分子透過半透膜而與離子分離的技術(shù)被稱作反滲透技術(shù)。但壞消息是，這兩種技術(shù)的能耗都不小。處理每立方米海水，前者的能耗為10度電，后者則為4度電。能耗成本約占總成本的70%至80%。也正因此，盡管新加坡政府大力推廣，通過海水淡化途徑提供的水量，也僅占新加坡總供應(yīng)量的10%。按照新加坡公用事業(yè)局的計(jì)劃，他們希望能夠在2060年，海水淡化得到的水，滿足新加坡總供應(yīng)量的30%。
有沒有辦法既實(shí)現(xiàn)了海水的淡化，又能節(jié)省能耗？
使得西門子公司在這次競賽中勝出的技術(shù)方案：同樣采用反滲透技術(shù)，它能夠?qū)⒑Ｋ苛⒎矫椎哪芎牧肯陆档絼?chuàng)紀(jì)錄的1.5度電。
它是這樣做的：將海水淡化中的兩道傳統(tǒng)工藝結(jié)合在一起——先利用專門處理高鹽含量的電滲析裝置將大部分鹽分從海水中除去，然后，不斷地對水進(jìn)行電去離子處理，以除去少量的鹽分。
這一套技術(shù)方案，很大程度上受啟發(fā)于西門子的另一項(xiàng)業(yè)務(wù)：生產(chǎn)制藥用高純水。
它背后的原理是，海水中的鹽含量約為3.5%，而飲用水的鹽含量最多只能是其中的幾十分之一。為了大幅降低鹽含量，海水淡化的工藝采用強(qiáng)大的電場，而海水中的鹽，又稱氯化鈉，由帶電的離子構(gòu)成。
在后一道程序中，相較傳統(tǒng)工藝，西門子反向操作——采用的薄膜不是讓水分子通過，而是讓離子通過。這樣一來，操作的重點(diǎn)便從過去的獲取水分，轉(zhuǎn)變成抽取鹽分。
具體而言，會有兩種類型的薄膜在這里交替使用。一種只允許帶正電的離子通過，另一種只允許帶負(fù)電的離子通過。與此同時(shí)，管道系統(tǒng)的兩側(cè)安裝有兩個電極，它們產(chǎn)生的電壓將正負(fù)電離子向兩個相反的方向吸引，最終形成鹽水和淡水。
新的問題又出現(xiàn)了。在這個過程中，隨著鹽度降低，水的電阻將增大，效率也不斷降低。與此同時(shí)，經(jīng)稀釋的水的鹽含量下降到1%以下。在這個時(shí)候，西門子開始采用持續(xù)電去離子系統(tǒng)來提取水中最后一部分鹽。在這個系統(tǒng)中，薄膜層中間還加入了離子交換樹脂，提高系統(tǒng)導(dǎo)電性，將更多離子從水中提取出來，從而使海水達(dá)到可飲用的標(biāo)準(zhǔn)。
“我們預(yù)計(jì)未來15年全球用水量將增加40%，這一套技術(shù)可以將海水淡化的能耗大幅降低，所以在很多淡水缺乏的地區(qū)都能使用。”西門子工業(yè)自動化集團(tuán)水處理部總經(jīng)理吳惠德說。比如，它無需使用高壓泵，因而操作更加安全；它使用非金屬管材，因而更耐腐蝕；它在海水淡化過程之前和之后所需做的水處理步驟是最少的；它產(chǎn)生更少的噪音和振動；它還可根據(jù)不同的電場強(qiáng)度，設(shè)置飲用水所需的礦物質(zhì)含量。
現(xiàn)在，這套技術(shù)已經(jīng)開始商用化。2010年，由新加坡政府出資400萬新幣，西門子在當(dāng)?shù)亟⒘艘蛔笮凸S，F(xiàn)在，這個工廠每日的產(chǎn)量是50萬立方米。另外一家更大規(guī)模的工廠正在建設(shè)中，預(yù)計(jì)2013年投產(chǎn)。
由于每片海水領(lǐng)域的鹽含量不同，西門子位于德國的中央研究院通過研究膜的特性和創(chuàng)建反滲透仿真模型，以幫助這套工藝在新加坡以外的國家使用。西門子水技術(shù)公司（SWTL）開發(fā)總監(jiān)Rudiger Knauf博士說，他們2012年年中在新加坡、美國和加勒比地區(qū)安裝的現(xiàn)場示范裝置將證明這一點(diǎn)。
這意味著，這套技術(shù)商用化的市場變得更加龐大。Knauf說：“我們預(yù)計(jì)未來15年全球用水量將增加40%，因此可持續(xù)的水供應(yīng)極為重要。由于其實(shí)現(xiàn)了高能效與低二氧化碳排放的平衡，電化學(xué)海水淡化可以在缺乏淡水的地區(qū)大顯身手。”
比如，中國。按中國的《海水利用專項(xiàng)規(guī)劃》，2010年中國海水淡化規(guī)模達(dá)到日產(chǎn)80萬立方米至100萬立方米，2020年將增長到日產(chǎn)250萬立方米至300萬立方米。
現(xiàn)在，西門子已經(jīng)將海水淡化確定為未來西門子在中國水處理市場要著重發(fā)展的三個方向之一。
已經(jīng)有一些中國企業(yè)成為西門子的客戶。比如，西門子已經(jīng)為首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司提供了海水淡化技術(shù)，將鋼鐵生產(chǎn)的熱能用于海水的淡化處理以獲得工業(yè)用水。而為大連化工大孤山項(xiàng)目提供的海水淡化技術(shù)也幫助這個項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)2.2萬噸的日處理能力。
