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：《第一財經周刊》 閱讀(du)：4828 更新時間：2012-07-02 15:53世界上大多(duo)數沿(yan)海(hai)國家和島國來說都會面對這樣的(de)尷尬——被(bei)海(hai)水(shui)環(huan)繞，卻一滴也(ye)不能飲(yin)用。畢(bi)竟這種超(chao)過(guo)3.5%含(han)鹽量的(de)水(shui)，口味有點重。
比如(ru)，新加坡。它(ta)位處赤道附(fu)近，雨水(shui)充(chong)沛(pei)，四面環(huan)海，卻(que)同(tong)時也是世界上人均(jun)淡水(shui)資源(yuan)占有量排名倒數第二的(de)國家。它(ta)無(wu)法自給淡水(shui)，相反(fan)，主要(yao)依靠從鄰國馬來西亞(ya)進口水(shui)源(yuan)，一天(tian)進口量達到9664萬立方米才能(neng)滿足它(ta)國內巨大的(de)水(shui)源(yuan)需求，這顯(xian)然(ran)不是長久之計。
于是(shi)，2008年，新加坡(po)政府(fu)舉辦(ban)了一次“新加坡(po)挑戰”的(de)競賽，要求參(can)賽者提出的(de)方(fang)案，至少讓(rang)海水淡化最(zui)大能耗(hao)量不超(chao)過4度電(dian)/立方(fang)米。
西門子公(gong)司在(zai)這次比賽中勝出，并且在(zai)新加坡開始了(le)海水淡化的規(gui)模(mo)化生產。
從1998年開(kai)始(shi)，新加坡政府(fu)就寄希望于(yu)通過海水(shui)淡化來(lai)解決水(shui)源問題——如果在技術(shu)上能行(xing)得通，它(ta)四(si)面(mian)環繞的海水(shui)便隨(sui)時可源源不(bu)斷地(di)轉化為生活用(yong)水(shui)。因此新加坡實施(shi)“向海水(shui)要淡水(shui)”的計劃。除了政府(fu)自行(xing)設計、建造和運營之外(wai)，新加坡還(huan)鼓勵私人企業參(can)與。
將海(hai)(hai)(hai)水中的(de)鹽分(fen)除去——從(cong)16世紀開始，就(jiu)有人嘗(chang)試著這(zhe)樣(yang)做。當時(shi)，歐洲的(de)一(yi)(yi)些(xie)探(tan)險家在(zai)(zai)進行漫(man)長(chang)的(de)航海(hai)(hai)(hai)旅行時(shi)在(zai)(zai)船上(shang)安裝簡易的(de)淡化(hua)裝置，以(yi)(yi)備不(bu)時(shi)之(zhi)需。但這(zhe)些(xie)裝置往(wang)往(wang)粗(cu)糙而低效。大多(duo)數(shu)時(shi)候(hou)，不(bu)過(guo)是(shi)(shi)在(zai)(zai)爐灶上(shang)煮(zhu)沸(fei)海(hai)(hai)(hai)水。1850年，海(hai)(hai)(hai)水淡化(hua)技術實現(xian)了突(tu)破。它(ta)來自另一(yi)(yi)個行業制糖工(gong)業。為了生(sheng)產(chan)結晶糖，需要消耗大量的(de)燃料加(jia)熱(re)糖液，以(yi)(yi)蒸(zheng)(zheng)(zheng)發掉其(qi)(qi)中的(de)水分(fen)。一(yi)(yi)位名叫Norbert Rillieux的(de)美(mei)國工(gong)程師，通過(guo)一(yi)(yi)個級(ji)聯的(de)多(duo)腔(qiang)(qiang)(qiang)系統，讓各腔(qiang)(qiang)(qiang)之(zhi)間壓力(li)遞(di)減，從(cong)而讓水的(de)沸(fei)點(dian)也在(zai)(zai)遞(di)減。這(zhe)使得第一(yi)(yi)個腔(qiang)(qiang)(qiang)中產(chan)生(sheng)的(de)水蒸(zheng)(zheng)(zheng)氣中的(de)熱(re)量，可以(yi)(yi)在(zai)(zai)第二個腔(qiang)(qiang)(qiang)中循環利用以(yi)(yi)加(jia)熱(re)其(qi)(qi)中的(de)水使其(qi)(qi)蒸(zheng)(zheng)(zheng)發。如(ru)此循環。引用到海(hai)(hai)(hai)水淡化(hua)上(shang)，這(zhe)便是(shi)(shi)一(yi)(yi)種(zhong)蒸(zheng)(zheng)(zheng)餾技術—將鹵水加(jia)熱(re)，使其(qi)(qi)部分(fen)蒸(zheng)(zheng)(zheng)發，同(tong)時(shi)冷(leng)凝生(sheng)成水蒸(zheng)(zheng)(zheng)氣。
隨(sui)后，另一種(zhong)(zhong)更(geng)高效(xiao)更(geng)經濟的技(ji)術(shu)產(chan)生。這種(zhong)(zhong)給(gei)海水施加壓力使其(qi)水分子(zi)透(tou)過半透(tou)膜(mo)而與離子(zi)分離的技(ji)術(shu)被稱(cheng)作反滲(shen)透(tou)技(ji)術(shu)。但(dan)壞消息是，這兩種(zhong)(zhong)技(ji)術(shu)的能耗都不小。處(chu)理每立方米海水，前者的能耗為10度(du)電(dian)(dian)，后者則(ze)為4度(du)電(dian)(dian)。能耗成本約占總(zong)成本的70%至80%。也(ye)正(zheng)因此，盡管新(xin)加坡(po)政府大(da)力推廣(guang)，通過海水淡(dan)化途徑(jing)提供(gong)的水量，也(ye)僅占新(xin)加坡(po)總(zong)供(gong)應量的10%。按照(zhao)新(xin)加坡(po)公用事業局(ju)的計劃(hua)，他們希(xi)望能夠在2060年，海水淡(dan)化得(de)到(dao)的水，滿足新(xin)加坡(po)總(zong)供(gong)應量的30%。
有(you)沒(mei)有(you)辦法既實現(xian)了海水的淡化，又能節(jie)省能耗(hao)？
使(shi)得(de)西(xi)門子(zi)公司在這次(ci)競賽中(zhong)勝(sheng)出的技(ji)(ji)術方案：同樣采用反滲透技(ji)(ji)術，它能夠(gou)將海(hai)水淡化(hua)每立方米的能耗量下(xia)降(jiang)到(dao)創紀錄(lu)的1.5度電。
它(ta)是這樣做(zuo)的：將海水淡(dan)化中(zhong)的兩道傳統工(gong)藝(yi)結合在一起——先利(li)用專門(men)處(chu)理高鹽(yan)(yan)含量(liang)的電滲析裝置將大部分(fen)鹽(yan)(yan)分(fen)從海水中(zhong)除(chu)去，然后，不斷(duan)地對(dui)水進行電去離子處(chu)理，以除(chu)去少量(liang)的鹽(yan)(yan)分(fen)。
這(zhe)一(yi)套技術方案，很大程度上受(shou)啟發于西門子(zi)的另一(yi)項業務：生產制藥用高純(chun)水。
它背后的(de)原理是，海水(shui)中的(de)鹽(yan)含量約為3.5%，而飲用水(shui)的(de)鹽(yan)含量最多只能是其中的(de)幾十分之(zhi)一。為了大幅降(jiang)低鹽(yan)含量，海水(shui)淡(dan)化的(de)工藝采(cai)用強(qiang)大的(de)電(dian)(dian)場，而海水(shui)中的(de)鹽(yan)，又稱氯(lv)化鈉(na)，由帶電(dian)(dian)的(de)離(li)子構成(cheng)。
在(zai)后一(yi)道程序(xu)中，相較(jiao)傳統工藝，西門子(zi)(zi)反向操作——采用的(de)薄膜不是(shi)讓(rang)水分(fen)子(zi)(zi)通(tong)過，而(er)是(shi)讓(rang)離子(zi)(zi)通(tong)過。這樣一(yi)來，操作的(de)重點便從過去的(de)獲取水分(fen)，轉變成抽取鹽(yan)分(fen)。
具體而言，會(hui)有兩種(zhong)類型的(de)薄膜(mo)在這里交替使用。一(yi)種(zhong)只(zhi)允許帶(dai)正電(dian)的(de)離(li)子(zi)通過(guo)(guo)，另一(yi)種(zhong)只(zhi)允許帶(dai)負電(dian)的(de)離(li)子(zi)通過(guo)(guo)。與此同(tong)時，管道系(xi)統的(de)兩側(ce)安(an)裝有兩個電(dian)極，它們(men)產生的(de)電(dian)壓將正負電(dian)離(li)子(zi)向兩個相(xiang)反的(de)方向吸引，最(zui)終形成鹽水和淡(dan)水。
新的(de)(de)問題(ti)又出(chu)現了。在這個(ge)過程中(zhong)，隨著鹽度降低，水(shui)(shui)的(de)(de)電阻將增大，效(xiao)率也不斷降低。與此同時，經稀釋的(de)(de)水(shui)(shui)的(de)(de)鹽含量下降到1%以下。在這個(ge)時候，西門子(zi)(zi)開(kai)始采用持續電去離(li)子(zi)(zi)系(xi)統(tong)來提(ti)取水(shui)(shui)中(zhong)最后一部分(fen)鹽。在這個(ge)系(xi)統(tong)中(zhong)，薄膜層中(zhong)間還加入了離(li)子(zi)(zi)交換樹脂，提(ti)高系(xi)統(tong)導電性，將更(geng)多離(li)子(zi)(zi)從(cong)水(shui)(shui)中(zhong)提(ti)取出(chu)來，從(cong)而使(shi)海(hai)水(shui)(shui)達到可飲用的(de)(de)標準。
“我們預(yu)計(ji)未來15年全(quan)球(qiu)用水(shui)量(liang)將增加40%，這一套技術可以將海水(shui)淡化(hua)的(de)(de)能耗大幅降(jiang)低，所(suo)以在很多淡水(shui)缺乏的(de)(de)地(di)區都能使用。”西門子工業自(zi)動化(hua)集團(tuan)水(shui)處理(li)部總經(jing)理(li)吳惠德說(shuo)。比如，它(ta)(ta)無(wu)需使用高(gao)壓泵(beng)，因(yin)而(er)操作更加安(an)全(quan)；它(ta)(ta)使用非金屬(shu)管材(cai)，因(yin)而(er)更耐腐蝕；它(ta)(ta)在海水(shui)淡化(hua)過(guo)程之(zhi)前和之(zhi)后所(suo)需做的(de)(de)水(shui)處理(li)步驟(zou)是最少的(de)(de)；它(ta)(ta)產生更少的(de)(de)噪音和振動；它(ta)(ta)還(huan)可根據不同的(de)(de)電場(chang)強度(du)，設置飲用水(shui)所(suo)需的(de)(de)礦物質含量(liang)。
現(xian)在(zai)，這套技術已(yi)經開(kai)始商用化。2010年，由新(xin)加坡政府出資(zi)400萬(wan)新(xin)幣，西門子在(zai)當地建(jian)立了一座大(da)型工廠(chang)。現(xian)在(zai)，這個工廠(chang)每日的產(chan)量是50萬(wan)立方(fang)米。另(ling)外一家更(geng)大(da)規模的工廠(chang)正在(zai)建(jian)設中，預計2013年投產(chan)。
由于每片海水(shui)領域的鹽(yan)含量(liang)不同(tong)，西(xi)門子位(wei)于德國的中央研(yan)究(jiu)院通過研(yan)究(jiu)膜的特(te)性和創建反滲透仿真模型，以(yi)幫助這套工藝在(zai)新加(jia)坡(po)以(yi)外(wai)的國家使(shi)用。西(xi)門子水(shui)技術公(gong)司（SWTL）開(kai)發總監Rudiger Knauf博士說，他們2012年(nian)年(nian)中在(zai)新加(jia)坡(po)、美國和加(jia)勒比地區(qu)安裝的現(xian)場(chang)示范裝置(zhi)將證明這一點。
這意味著(zhu)，這套技術(shu)商用(yong)化的(de)市場(chang)變得更加(jia)龐(pang)大。Knauf說：“我們預計(ji)未來15年(nian)全(quan)球用(yong)水(shui)(shui)量將(jiang)增加(jia)40%，因此可持續的(de)水(shui)(shui)供應極為重要。由于(yu)其實現了(le)高能效與(yu)低二(er)氧化碳(tan)排(pai)放的(de)平衡，電(dian)化學海水(shui)(shui)淡(dan)化可以(yi)在缺乏淡(dan)水(shui)(shui)的(de)地區大顯(xian)身手。”
比如，中國。按中國的《海水(shui)(shui)利用專項規劃》，2010年(nian)(nian)中國海水(shui)(shui)淡化規模達到(dao)日(ri)產80萬立(li)方(fang)米至100萬立(li)方(fang)米，2020年(nian)(nian)將增長到(dao)日(ri)產250萬立(li)方(fang)米至300萬立(li)方(fang)米。
現(xian)在，西門(men)子已經(jing)將海水淡化確定為未來(lai)西門(men)子在中國水處(chu)理(li)市場要著重(zhong)發展的三個(ge)方向之一。
已(yi)經有(you)一些中國企業成為西(xi)門子的客(ke)戶。比如，西(xi)門子已(yi)經為首鋼(gang)京唐(tang)鋼(gang)鐵聯合(he)有(you)限(xian)責任公(gong)司提(ti)供(gong)了海(hai)水(shui)淡(dan)化技(ji)術，將鋼(gang)鐵生產的熱能用于海(hai)水(shui)的淡(dan)化處理(li)(li)以(yi)獲(huo)得工業用水(shui)。而(er)為大(da)連化工大(da)孤(gu)山(shan)項目提(ti)供(gong)的海(hai)水(shui)淡(dan)化技(ji)術也幫助這(zhe)個項目實現2.2萬噸的日處理(li)(li)能力。
