海水淡化技术与工程

　　水是生命的源泉，是社会经济发展的命脉，是人类宝贵的、不可替代的自然资源。水资源匮乏正日益影响着生态环境以及全球社会经济的发展。随着我国经济社会的快速发展和城市化进程的不断推进，水资源短缺已成为制约我国社会经济可持续发展的重要因素。海水淡化是从源头增加水资源量的有效手段，是解决我国水资源短缺的重要途径和战略选择，也是确保国家安全和可持续发展的必然要求。
　　海水淡化技术近年来发展迅猛，在各个领域都有不小的创新进展，如：膜法的反渗透膜的进步、膜组器技术的不断发展、关键设备的不断改进和工艺过程的持续开发等；热法的MSF和MED单机容量扩大，新型防垢剂、廉价材料的选用，采用热泵、水电联产和热膜耦合等；海水淡化集成过程和工艺优化；其他新过程方面，如电渗析、电容吸附、膜蒸馏、正渗透、水合和冰冻法等。这些技术进展进一步增加了海水淡化的发展潜力。2014年世界上脱盐水产量约8.5×107m3/d，解决了2亿多人口的供水和区域发展问题，海水淡化能耗降到3kW·h/m3, 淡化水成本在0.5美元/m3左右。
　　同时，海水淡化的带动作用是非常显著的：一是海水淡化技术的发展带动了材料、装备制造、自动化等产业的发展；二是海水淡化发展起来的新型蒸发技术和各种膜技术等促进了信息、电力、化工、生物工程、医药（疗）、冶金和环保等领域的技术进步。这些技术作为节能减排、清洁生产、提升传统产业及环境保护的重要手段，获得了重大的经济效益、社会效益和生态效益回报。
　　目前，海水淡化的发展在技术的先进性和可靠性、运行和管理、能耗和成本、投资和效果、环境影响等方面还存在不少问题，尽力开发新材料和新工艺、采用先进的集成技术和过程优化，是海水淡化技术和产业发展的努力方向。
　　国家的政策是海水淡化发展的保证，从规划、研究开发及平台建设、人才队伍培养、工程技术和装备制造的发展、产业化和产业链、相关标准等都要有相应政策的支持。“十二五”期间我国继续加大海水淡化的技术和资金投入，加快海水淡化这一战略性新兴产业的培育和健康发展。2012年8月发布的《海水淡化科技发展“十二五”专项规划》阐明了海水淡化科技今后5年的发展思路和原则、发展目标、重点任务、能力建设和保障措施，为从事海水淡化的科技人员指明了工作方向。
　　基于社会的需求、政府的支持，为进一步推动海水淡化的发展，系统总结近十年来海水淡化技术的创新进展，特编写了本书。本书分11章，既有膜分离、传热、传质的基础知识介绍，也有热法和膜分离技术的各种过程和工艺的较深层的阐述；既有对大量资料和数据的认真汇总分析，也有相关简明图表和照片的配合增效；不仅详细介绍了一些新过程，而且充分回答了社会关注的热点。
　　本书对反渗透法、热法（多级闪蒸、低温多效）、电渗析和其他淡化新过程等方面的重大技术进展进行了重点而又系统的阐述，如：如反渗透膜在膜和组器技术、高压泵和能量回收等关键设备、多种工艺过程和大型工程等；热法在单机容量扩大、新型传热和结构材料的选用、水电联产、热膜耦合和其他集成工艺等；电渗析在高性能离子交换膜、双极膜、电脱离子和浓缩分离等；其他淡化新过程，如电容吸附、膜蒸馏、正渗透和冰冻法的新进展等。此外，还结合社会对海水淡化的饮用水生产和环境影响的关注，对可再生能源利用（核能、太阳能和风能）、海水淡化集成过程（淡化方法之间的集成、电水联产和综合利用）、海水淡化后处理（矿化、pH调节、缓蚀、加氟、消毒、脱硼和深度脱盐等）、海水综合利用（制盐、提钾、提溴、制镁、提锂、提铀和提重水等）、环境的影响与对策（能耗、浓海水排放、预处理和化学清洗用药剂、腐蚀产物和固体废弃物、取排水机械作用、占地和噪声以及评价和对策）等方面专门安排了章节进行了较详尽的阐明。同时，针对海水淡化发展存在的不少问题，指出海水淡化技术和产业发展的努力方向。
　　本书作者来自国内从事海水淡化技术和工程的知名单位，如杭州水处理技术研究开发中心、国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所、天津大学、中国海洋大学和河北工业大学等，均在海水淡化领域工作多年，有丰富的相关知识和工程实践经验。本书汇聚了这些作者和单位在海水淡化科学研究和工程实践方面的诸多成果，其中的许多技术在国内居于领先水平。本书在编写的过程中既突出科学性和先进性，也注重实用性和可读性，从各种海水淡化技术的基础原理和工艺过程的深层阐述，到各种关键设备和不同规模工程的清楚介绍，从各种技术的发展和展望，到社会关注热点的仔细评说……使本书内容更易为读者理解和掌握。
　　希望本书出版发行后，能为读者喜欢，供海水淡化、膜科学与技术以及相关领域的学者、工程技术人员、管理人员、研究生和其他人员参考，为推动我国海水淡化技术与工程的进步和扩大其应用尽一份力量。

　　高从堦
　　2014年12月

第1章世界水资源和海水淡化

1.1水资源概况

1.1.1世界水资源概况

1.1.2我国水资源概况和用水紧张状况

1.2海水的组成和性质

1.2.1海水组成

1.2.2海水性质

1.2.2.1海水氯度与盐度

1.2.2.2海水密度和1980年国际标准海水状态方程

1.2.2.3海水恒压比热容

1.2.2.4海水冰点

1.2.2.5海水渗透压

1.2.2.6海水蒸气压

1.2.2.7海水沸点升高

1.2.2.8海水黏度

1.2.2.9海水**电导率

1.2.2.10海水表面张力

1.2.2.11海水中的溶解气体

1.3海水淡化技术概述

1.3.1海水淡化技术概况

1.3.2海水淡化理论耗能量

1.3.3海水淡化的简要发展历史

1.3.4主要海水淡化方法简介

1.3.4.1蒸馏法

1.3.4.2反渗透法

1.3.4.3电渗析法

1.3.4.4冷冻法

1.3.4.5水合物法

1.3.4.6电容吸附法

1.3.4.7嵌镶离子交换膜压渗析

1.3.4.8溶剂萃取法

1.3.4.9膜蒸馏

1.3.4.10正渗透

1.3.4.11海水淡化方法的集成

1.3.5淡化技术在水资源利用中的地位和发展前景

参考文献

第2章海水淡化工程原水预处理技术

2.1预处理的目的与内容

2.2淡化工程原水采集方法

2.2.1海水水源选择的几点要求

2.2.2海水取水位置的选择

2.2.3海水取水构筑物

2.2.4海水取水构筑物形式与适用条件

2.3预处理常用药剂

2.3.1海水预处理药剂选用原则

2.3.2海水预处理常用药剂的分类和应用

2.4原水混凝沉降除浊技术

2.4.1混凝原理与过程

2.4.1.1水中悬浮颗粒和胶体颗粒的稳定性

2.4.1.2胶体微粒的脱稳

2.4.1.3混凝过程

2.4.2影响混凝效果的主要因素

2.4.3混凝剂和助凝剂的适用条件和投加量

2.4.4混凝剂和助凝剂的配制、投加和混合

2.4.4.1工艺流程

2.4.4.2配制

2.4.4.3计量投加

2.4.4.4混合

2.4.5絮凝

2.4.5.1絮凝效果G值计算

2.4.5.2絮凝池设计要点

2.4.5.3絮凝反应设备

2.4.6混凝沉淀

2.4.6.1平流沉淀池

2.4.6.2斜管沉淀池

2.4.7澄清

2.5原水过滤除浊技术

2.5.1格栅和格网

2.5.2滤料过滤

2.5.3.1一级滤料过滤设备

2.5.2.2二级滤料过滤设备

2.5.2.3微絮凝滤料过滤

2.5.3膜法海水淡化预处理技术

2.5.2.1微滤(MF)技术

2.5.2.2超滤(UF)技术

2.5.3.3纳滤(NF)技术

2.5.3.4膜法预处理的膜污染问题

2.5.4吸附过滤

2.5.4.1活性炭过滤器反洗再生步骤

2.5.4.2活性炭其他再生方法

2.6原水灭菌杀生技术

2.6.1D值

2.6.2消毒剂分类

2.6.3氯消毒剂消毒

2.6.3.1有效氯和余氯

2.6.3.2液氯灭菌消毒杀藻系统

2.6.3.3次氯酸钠消毒系统

2.6.3.4二氧化氯消毒

2.6.4臭氧消毒

2.6.5紫外线消毒

2.6.6过氧乙酸消毒

2.6.7超滤和微滤除菌

2.7原水软化与阻垢技术

2.7.1化学反应沉淀软化法

2.7.2离子交换法

2.7.3酸化法

2.7.4加入阻垢分散剂法

2.7.5纳滤法膜软化

2.8原水脱气技术

2.8.1酸化脱气--脱CO2气

2.8.2加热脱气

2.8.3真空脱气

2.8.4除氧剂脱氧气

2.8.5脱H2S气

2.9原水除铁和锰的技术

2.9.1混凝沉淀法

2.9.2曝气氧化法

2.9.3氯氧化法

2.9.4接触氧化法

2.9.5铁细菌除铁法

2.10原水除余氯技术

2.11原水除有机物、异臭和异味

2.12原水预处理工艺流程

2.12.1电渗析法淡化原水预处理工艺流程

2.12.1.1地下水电渗析法淡化原水预处理工艺流程

2.12.1.2河水电渗析预处理工艺流程

2.12.1.3苦咸水及海水电渗析预处理工艺流程

2.12.2反渗透法淡化原水预处理工艺流程

2.12.2.1苦咸水反渗透预处理工艺流程

2.12.2.2海水反渗透预处理工艺流程

2.12.3蒸馏法淡化原水预处理工艺流程

2.13淡化技术的原水预处理后的水质要求

参考文献

第3章热法海水淡化

3.1蒸馏法

3.1.1概述

3.1.2蒸馏过程基本原理

3.1.2.1温度

3.1.2.2热力学**、 第二定律

3.1.2.3沸腾和沸点升

3.1.2.4传热

3.1.2.5蒸馏过程结垢

3.1.2.6蒸馏过程的腐蚀与侵蚀

3.1.2.7捕沫

3.1.3单效蒸馏

3.1.3.1单效蒸馏

3.1.3.2带有蒸汽喷射器的单效蒸馏

3.1.4多效蒸馏

3.1.4.1原理及技术特点

3.1.4.2多效蒸馏常见进料工艺

3.1.4.3多效蒸馏工艺设计

3.1.4.4主要部件设计

3.1.4.5材质的选择

3.1.4.6系统的三维设计

3.1.5压汽蒸馏

3.1.5.1单效压汽蒸馏 (SEE-MVC)

3.1.5.2压汽蒸馏装置工艺计算

3.1.6多级闪蒸

3.1.6.1多级闪蒸原理与流程

3.1.6.2技术特点和发展趋势

3.1.7蒸馏淡化装备

3.1.7.1低温多效蒸馏海水淡化装备

3.1.7.2压汽蒸馏海水淡化装备

3.1.7.3多级闪蒸海水淡化装备

3.1.8蒸馏淡化共性技术

3.1.8.1电气、控制与仪表

3.1.8.2装置加工制造

3.1.8.3工程实施

3.1.9蒸馏淡化工程典型案例

3.1.9.1北疆发电厂10万吨/日低温多效蒸馏海水淡化工程

3.1.9.2印度尼西亚Indramayu电厂2×4500t/d低温多效海水淡化装置

3.1.9.3沙特阿拉伯Shoaiba电厂880000t/d多级闪蒸海水淡化装置

3.1.10蒸馏淡化技术展望

3.2冷冻法淡化技术

3.2.1冷冻法淡化发展历程

3.2.1.1早期冷冻法淡化技术

3.2.1.2现代冷冻法淡化技术

3.2.2冷冻法淡化原理

3.2.2.1冷冻淡化原理

3.2.2.2盐分排泄运动

3.2.2.3海水浓缩率

3.2.2.4海水中杂质的去除

3.2.3海水冷冻淡化工艺

3.2.3.1概述

3.2.3.2冷能制取方式

3.2.3.3冰晶生成

3.2.3.4分离与净化

3.2.3.5冰晶融化

3.2.3.6冰融水深度脱盐

3.2.3.7冷冻淡化水的利用

3.2.4冷冻法淡化技术分类

3.2.4.1自然冷冻淡化技术

3.2.4.2人工冷冻淡化技术

3.2.5冷冻法淡化技术优缺点分析

3.2.5.1技术宏观分析

3.2.5.2方法性能比较

参考文献

第4章反渗透和纳滤海水淡化

4.1概述

4.1.1发展概况

4.1.2渗透和反渗透

4.1.3反渗透和纳滤膜及组器件

4.1.4反渗透过程的特点和应用

4.1.5纳滤过程的特点和应用

4.2反渗透和纳滤的分离机理

4.2.1反渗透的分离机理

4.2.1.1溶解扩散模型

4.2.1.2优先吸附-毛细孔流动模型

4.2.1.3形成氢键模型

4.2.1.4Donnan平衡模型

4.2.1.5其他分离模型

4.2.2纳滤的分离机理

4.2.2.1Donnan平衡模型

4.2.2.2固定电荷模型

4.2.2.3空间电荷模型

4.3反渗透膜和纳滤膜的制备

4.3.1膜材料

4.3.1.1主要膜材料及其发展概况

4.3.1.2膜材料的选择

4.3.2膜的分类

4.3.3非对称膜反渗透膜的制备和成膜机理

4.3.3.1制膜液

4.3.3.2溶剂蒸发

4.3.3.3凝胶过程

4.3.3.4热处理

4.3.4复合反渗透膜的制备和成膜机理

4.3.5不同构型的膜的制备

4.4反渗透膜和纳滤膜结构和性能表征

4.5反渗透膜和纳滤膜组器件技术

4.6反渗透和纳滤海水淡化工艺过程设计

4.6.1系统设计要求

4.6.2浓差极化

4.6.2.1浓差极化现象

4.6.2.2浓差极化计算

4.6.2.3浓差极化下的传质方程

4.6.2.4浓差极化对反渗透的影响和降低浓差极化的途径

4.6.3溶度积和饱和度

4.6.4过程基本方程式

4.6.5工艺流程及其特征方程

4.6.5.1连续式-分段式(浓水分段)

4.6.5.2连续式-分级式(产水分级)

4.6.5.3部分循环式-部分透过水循环

4.6.5.4部分循环式-部分浓缩液循环

4.6.5.5循环式-补加稀释剂的浓缩液循环

4.6.5.6循环式-浓缩液循环

4.6.6装置的组件配置和性能

4.6.6.1膜元(组)件的操作性能

4.6.6.2装置组件的配置

4.6.6.3装置的性能

4.6.7基本设计内容和过程

4.7反渗透和纳滤系统及运行

4.7.1预处理系统

4.7.1.1除去悬浮固体和胶体， 降低浊度

4.7.1.2微生物污染和防治

4.7.1.3微溶盐沉淀的控制

4.7.1.4金属氧化物的控制

4.7.1.5SiO2沉淀的控制

4.7.1.6有机物的去除

4.7.1.7常见的预处理系统

4.7.2反渗透和纳滤装置

4.7.2.1单组件反渗透或纳滤装置

4.7.2.2多组件反渗透或纳滤装置

4.7.3辅助设备和主要零部件

4.7.3.1停机冲洗系统

4.7.3.2清洗灭菌装置

4.7.3.3能量回收装置

4.7.3.4高低压设备和部件

4.7.3.5有关仪表

4.7.4设备的操作与维修

4.7.4.1元件装配和取换