淡化的能量强度的简短历史

长期以来，人类一直对使海水饮用的可能性着迷。我们居住，钓鱼和旅行的海洋几千年来提供了无尽的水源。问题是，如果我们喝酒，我们将死于脱水：我们需要淡水来稀释盐，并保持血液的盐分恰到好处，而喝咸水只会使我们更加渴。

因此，难怪人们已经利用了任何可用的技术来脱盐海水。早在公元前340年，亚里士多德观察到：“盐水变成蒸气时会变甜，蒸气在凝结时不会再次形成盐水。”这是我们现在称为海水热蒸馏的第一个已知引用。

正如我们将在下面看到的那样，热蒸馏虽然今天仍在使用，但这只是适应和开发用于脱盐水的第一代技术。在能量强度方面，自亚里士多德走过古希腊的海岸以来，发生了很多事情。

淡化的能量强度，1.0：热蒸馏

蒸馏是一种相分离方法。加热被加到海水中，因此水会蒸发。但是盐分不同的盐并没有。当该气相中的水通过凝结返回其液相时，剩下的只是纯H₂O.

与从井或溪流或收集雨水中抽水相比，产生热量沸腾的海水需要更多的能量。这就是为什么在人类历史上的大部分历史上，海水的热蒸馏只是小规模发生的最后一个度假胜地，就像古老的水手们煮沸了大量的海水并使用海绵收集浓缩的蒸汽一样。但是，在工业革命之后，当远洋船只开始使用蒸汽来实现电力时，情况开始发生变化。在整个1800年代，通过一系列发明，包括当今仍在使用的一系列发明，包括多效蒸发器。

大规模的，陆基的热蒸馏始于1928年60 m³使用多效蒸馏（MED）安装在Curaçao上。在整个1900年代的其余部分中，世界各地建造了数百种热蒸馏淡化植物。尽管具有相对的能量强度，但其中许多第一代脱盐植物仍在使用。

工程师在整个20世纪的热蒸馏能源效率方面取得了长足的进步。如下图所示，三种技术在这一开发中起着重要作用。给定的热蒸馏淡化厂的效率将取决于何时建造（或翻新）以及所采用的技术类型。

基于Kumar等。

多阶段闪存（MSF）：海水以一系列阶段部分蒸发（闪烁），每个阶段都有其自身的压力和沸点。MSF植物在大约20 - 27 kWh/m的运行³。

多效蒸馏（MED）：MED植物还包括一系列阶段或“效果”。在MED植物中，每种效应都包含蒸汽加热的管以蒸发一部分饲料水。比MSF更节能，MED植物在大约14 - 21 kWh/m处运行³蒸馏水。

机械蒸气压缩（MVC）：MVC工厂使用压力涡轮机来压缩水蒸气以产生额外的热量和蒸气。MVC主要用于热电和中型植物，是最能节能的热蒸馏形式，需要在7 - 12 kWh/m之间³蒸馏水。

如上所述，热蒸馏厂的特定能耗差异很大 - 从7-27 kWh/m³，取决于所使用的技术。

热蒸馏脱盐能量强度的减少令人印象深刻，最节能的MVC植物仅使用最低能量有效的MSF植物所需的能量的四分之一。但是还有更多。反渗透技术很快就会引入更大的能源节省。

淡化的能量强度，2.0：反渗透

人们在整个历史上都以一种或另一种方式过滤水，但是反渗透（RO）却不同。虽然过滤器甚至将非常小的颗粒与水分开，但它们无法去除溶解的化学物质。反渗透通过使用压力通过半渗透膜迫使海水迫使溶剂分子h，h，在分子水平上做到这一点。₂o，通过膜，而不是溶解的盐或其他污染物。与热蒸馏不同，RO是一个物理过程，涉及无相变。

加州大学洛杉矶分校（UCLA）的两名研究人员，西德尼·勒布（Sidney Loeb）和斯里尼瓦萨（Srinivasa Sourirajan）于1959年开发了第一个RO膜。六年后，第一个使用该技术的市政供水工具开始了在加利福尼亚州Coalinga的成功试点计划。从那以后，RO一直处于全球适应性增长和提高能源效率的单向轨迹，这是由于膜技术，能量回收和高压泵效率的改善所驱动的。

从Loeb和Sourirajan的第一批乙酸纤维素中空纤维膜到螺旋伤口构型中最新的薄膜复合膜，膜技术的进步在RO的能源效率和不断增长的应用范围中发挥了巨大作用。

如下图所示，随着薄膜复合技术的引入，RO膜的特定能量消耗（SEC）在1970年代后期急剧下降。从那时起，创新将膜的SEC进一步降低到了乙酸纤维素膜的十分之一。使用最佳的RO膜，当今最节能的SWRO植物的SEC，小于2 kWh/m³，接近1 kWh/m的热力学极限³。

基于Kumar等人的图。

RO能源消耗的另一个主要驱动力是迫使海水通过膜所需的高压产生。在这里，能量回收设备（ERD）和泵效率都起着重要作用。

在使用等速器能量回收率的RO之前，工程师采用了其他几种方法，通过将液压能将液压能传递到膜的进料侧来重新利用浓缩物（盐水）中剩余的压力。这些包括：

• 弗朗西斯涡轮机：弗朗西斯·涡轮机（Francis Turbine）于1848年发明，主要用于发电，是在SWRO中恢复能源的首次尝试。他们的能源回收效率为75-80％。
• 佩尔顿轮：佩尔顿轮是1800年代的另一项发明，是一种涡轮机，比传统的水轮更有效地提取水的冲动能量。当其现代后代在SWRO中使用时，他们可以恢复80-85％的盐水拒绝能源。
• 液压涡轮增压器：液压涡轮增压器在1990年代引入了SWRO，通过喷嘴将被加压的拒绝引导到连接到离心式旋转叶轮的涡轮机中，以升高供水压力。他们的能源回收效率约为90％。

一般来说，在引入等含量能量回收之前，SWRO的特定能量消耗为3-5 kWh/m³当使用Pelton涡轮机时，最多8 kWh/m³弗朗西斯涡轮机 - 与热蒸馏相比，仍然显着减少。

淡化3.0的能量强度：与同等能量恢复的RO

等距能量回收设备的发明是使脱盐更有效的又一次巨大飞跃。尽管同荷ERD的第一份专利申请是在1960年代中期进行的，但要花数十年的创新时间，直到他们开始出现在SWRO植物中并在商业上取得了成功。

等距ERD减少了高压泵泵送所需的流量，从而使整个SWRO工厂的功耗大大降低。与他们的离心前任不同，同质ERD使用正排量技术达到前所未有的能源回收效率 - 高达98％ - 使SWRO植物使用它们的效率比使用涡轮机或涡轮增压器高的植物高10-30％，并且比高达60％的能源效率高达60％没有ERD的植物。

尽管其资本成本，需要加强泵以及混合和泄漏的问题，但自2005年至2006年以来，等速ERD一直是节能SWRO工厂的标准组成部分。强的。如今，许多在2005年之前建造的SWRO工厂通过用等速器ERD代替这些工厂的运营成本和有吸引力的回报时间。

SWRO中的另一个创新是轴向活塞高压泵，其能节能比离心高压泵更节能。如下图所示，在中小型装置中，这种效率差异最显着。轴向活塞泵的效率比500 m的离心泵大约20％³/D植物，但这种效率差异在10,000 m中降至4％³/D植物。

在特定的能源消耗方面，使用同骨ERD，轴向活塞高压泵和最新膜技术的SWRO植物的当前“最新技术”现在可以低于2 kWh/m³，或不到21世纪初的一半。

淡化的能量强度4.0：接下来会发生什么？

下一代的海水淡化技术还会减少一半或更多的能源消耗吗？高效SWRO技术的增量SEC何时会达到回报降低的地步，并为下一个改变游戏规则的突破打开大门？现在说的还为时过早，但是许多有趣的技术很可能会降低能源消耗和淡淡水的碳足迹更深入。这只是我们很快可能会看到更多创新：

• 改善的膜：尽管已经接近可能在热力学上的可能性，但膜技术几乎可以肯定会改善它们，因为它们变得更加渗透和耐造型。
• 更好的ERD：下一代ERD可能会减少盐水喂养水混合和润滑限制的影响。我们还可以期望可以连接的单位数量以及随着时间的推移以及CAPEX和OPEX的减少，而随着时间的流逝，我们也可以期望更复杂。
• 可再生能源驱动的淡化：风，太阳能，波浪和地热能都可以利用脱盐，并且它们将越来越多地减少脱盐的碳足迹。许多由可再生能源提供动力的小型SWRO系统已经存在，服务市政当局的较大植物也在上网，包括世界上最大的太阳能SWRO工厂，位于沙特阿拉伯的Al Khafji，生产60,000 m³/d。世界银行估计太阳能热淡化的成本将降至低至0.90/m的低点³到2050年。
• SWRO的替代方案：尽管接下来的几年不太可能取代高效SWRO，但几种技术，有些技术比其他技术更可行和可扩展，可能会争夺日益增长的淡化市场的一部分：
  • 加湿 - 脱藻脱盐（HDH）
  • 半批量/批次RO - CCRO/批次+盐水浓度
  • 正向渗透（FO）盐水浓度和FO-RO
  • FO-RO混合动力
  • 径向脱位（RDI）
  • 冻结结晶的脱盐

人口增长，气候变化和缺水的综合影响几乎可以肯定会增加对淡化水的未来需求。但是，要淡化成为解决方案的一部分 - 而不是通过增加CO来增加问题₂随着水量的增加，排放量 - 将需要更多的创新。