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海水淡化 | 努力实现海水淡化的黄金可连续标准

栏目:行业资讯 宣布时间:2024-03-27

导言

Nikolay Voutchkov是一家世界领先立异中心卖力人 ,该中心正在突破海水淡化领域的新界限。随着2024年国际海水淡化大会临近 ,他解释了最新生长是如何将海水淡化技术推向循环原则 ,以实现可再生能源和资源接纳的液体零排放目标。

大大都海水淡化厂应用于为全球干旱的沿海都会供水。全球约44%海水淡化产能位于中东地区。在已往的30年中 ,中东地区是新海水淡化项目增长最快的地区 ,海水淡化厂规模从每天40万m3/d到100万m3/d不等。

如今 ,中东地区海水淡化能力加速增长之趋势仍在延续。目前 ,NEOM正在打造的ENOWA水立异中心已成为海水淡化和卤水开采技术立异的前沿阵地。该项目位于沙特阿拉伯西北部 ,是沙特阿拉伯“愿景2030”的产品 ,旨在生长要害领域面向未来的卓越规范 ,包括可再生能源驱动的海水淡化和零液体排放(ZLD)循环水生产。自2017年该地区正式宣布计划为最新技术设计一个“生活实验室”以来 ,NEOM团队一直在吸引最智慧的人才 ,并与在各自行业处于领先职位的相助同伴开展相助 ,推动开发和全面实施情况与财务上可连续的海水淡化技术。

截至2022年7月中旬 ,全球海水淡化淡水产量为1.2亿m3/d。在目前运行的20,000 个海水淡化厂中 ,约74%接纳膜反渗透 (RO) 技术进行盐分疏散;21%接纳热蒸馏技术;5%接纳电渗析和离子交换等其它盐分疏散技术生产淡水。到2024年 ,全球海水淡化厂的总产能预计将抵达1.5亿m3/d ,到2030年将再翻一番 ,会凌驾2.5亿m3/d。

虽然目前全世界只有约5%的淡水是通过海水淡化生产的 ,但预计未来十年中 ,新建海水淡化厂数量将增加一倍以上。这可归因于气候变革的影响、人口增长导致需求增加、新的廉价陆地水源有限 ,以及膜技术进步预计将进一步降低海水淡化的本钱和能耗。

海水淡化相关能源和本钱稳步下降 ,加上日益严格的监管要求推高了古板水处理和再生水的本钱。这预计将加速对海洋的依赖 ,使其成为具有吸引力和竞争力的水源。预计这一趋势将连续下去 ,并在未来15年内进一步将海水淡化确立为全球许多沿海都会可靠、抗干旱的替代水源。


不绝立异



已往十年来 ,在膜技术和质料科学进步推动下 ,海水淡化经历了加速生长。最近的技术进步——如 ,基于压力交换器先进能量接纳系统、更高效的反渗透膜、纳米反渗透膜、立异的膜容器配置和高接纳率反渗透系统——预计将进一步降低海水淡化能耗和本钱 ,并成为咸水源(即 ,海水、苦咸水和经处理的废水)淡化生产淡水本钱下降的基石。




高接纳率海水反渗透系统

最近 ,一种旨在降低淡水生产本钱的趋势是使用海水反渗透 (SWRO) 系统 ,它能将海水淡化总体接纳率从通常的40~50%提高到55~60%。

凭据最近对高接纳率系统进行的全面测试 ,海水盐度为35,000 mg/L和43,000 mg/L时 ,海水反渗透系统能耗划分为2.1 kWh/m3和2.9 kWh/m3。这样的能耗与使用压力交换器接纳海水的古板SWRO系统能耗相当 ,但要害区别在于高接纳系统的可连续接纳规模横跨10~20%。为实现更高接纳率而设计水厂的取水和预处理系统 ,可为新建水厂节省大宗资金和制水本钱 ,并能以相对较低的资金投入提高现有水厂的淡水生产能力。


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“未来十年新海水淡化厂的数量预计将增加一倍以上”




先进的膜技术与质料

寻求降低海水淡化能源消耗和淡水生产本钱的最新趋势是开发纳米结构(NST)反渗透膜 ,与现有古板薄膜元件相比 ,它有更高的水通过效率。NST膜实质是RO膜 ,包括随机嵌入薄膜聚合物基质中的单独线性纳米尺寸通道(管/颗粒) ,或者它们可以完全由簇状纳米尺寸通道(纳米管)制成。

NST膜技术在已往10年中生长迅速 ,最近开发的NST膜要么在古板膜中结合了无机纳米颗粒 ,要么由密集排列的纳米管阵列组成的高度结构化的多孔膜制成。据报道 ,在险些相同高脱盐率下 ,这些NST膜比古板RO膜具有更高的比渗透性。别的 ,NST膜与在相同条件下运行的古板膜和RO膜相比 ,具有相当或更低的污染率 ,并且可以设计用于增强特定离子的截留选择性。


卤水资源化

循环经济是全球经济可连续增长的必由之路。例如 ,应用循环经济模式 ,海水淡化厂爆发的卤水可以作为提取高值矿物质之来源 ,例如 ,钙、镁和氯化钠 ,稀土元素——包括锂、锶、钍和铷——也可以从卤水中提取。

最近 ,全球稀土元素市场压力使稀有金属可用性和供应成为可连续生长讨论和研究议程的前沿。这些金属用于制造许多产品的要害部件 ,包括飞机、汽车、智能手机和生物医学设备。

人们越来越认识到 ,清洁能源技术以及可连续产品、工艺和制造业开发和安排将需要大宗稀有金属和珍贵元素 ,包括锂、铜、钴、银和金等铂族金属。

最新的技术趋势标明 ,镁正在汽车、盘算机和手机行业取代铝 ,因为镁的重量轻了30%以上。虽然世界上镁的开采来源有限 ,但海水中含有大宗的镁 ,可以通过淡化卤水浓缩 ,然后通过选择性吸附提取来接纳。

在已往几年中 ,海水淡化行业开发了多种卤水浓缩和矿物提取技术 ,以便能够从卤水中制造具有商业价值的产品。

与陆地采矿相比 ,从海水中提取矿物是一项越发环保的事业。别的 ,海水开采不需要淡水进行加工 ,也不会爆发大宗需要处理的污染水或废物。别的 ,这些新的盐水浓缩技术还能大幅减少或完全消除向海洋排放卤水的现象。

随着卤水资源化技术的生长 ,从卤水中商业化提取高价值矿物质(如 ,镁、锂和纯氯化钠)的收入可以抵消生产淡化水的本钱 ,从而将淡化水从本钱最高的可连续淡水供应来源转变为本钱最低的淡水供应来源。

卤水资源化也可能是解决海水淡化能源可连续性挑战的要害。下一代核电站将使用钍和铷取代铀作为核燃料。功率在10到50兆瓦之间的小型核电站可为大中型海水淡化厂提供电力。这种新能源的主要优势在于 ,可以直接从海水淡化厂卤水中提取足够数量的原料。除了容易从卤水中提取之外 ,这些稀土元素的另一个优点是它们不可被用于制造核武器 ,从而使海水淡化卤水成为宁静利用原子能的新原料 ,为人类带来更大的利益。


无化学物质海水淡化

用于咸水和海水反渗透膜清洗的化学品通常与牙膏、胰子和商业洗涤剂中使用的化学品相同。反冲洗水和膜清洗水通常经过处理以去除固体或其它污染物 ,然后 ,再加入海水淡化浓缩液中排放。而现代淡化厂接纳的最先进海水淡化工艺中使用的化学品很是有限。

在海水淡化种种处理历程中添加的所有化学品均为食品级 ,可生物降解 ,并经过特别筛选 ,不会对水生生物爆发毒性。海水淡化厂排放物对海洋生物也无毒、无害 ,并且设计为可迅速降解 ,不会对周围海洋生态系统造成永久性改变。

最近 ,海水淡化已转向无化学物质淡化 ,并从浓缩液中接纳有价值的矿物质和稀有金属 ,预计海水淡化将成为本世纪最环保、最可连续的供水替代计划之一。

在已往五年中 ,许多拥有大型海水淡化厂的国家 ,如 ,澳大利亚、西班牙、沙特阿拉伯和中东其它地区 ,都开始实施绿色海水淡化综合计划 ,旨在减少海水淡化生产历程中化学品的使用量和种类。这些计划将利用海水淡化技术和科研最新进展 ,最终把所有现有设施革新成不含化学物质的海水淡化厂。

海水淡化厂已往一直使用次氯酸钠对进水进行氯化处理 ,以抑制海洋生物在进水管道和反渗透膜上的生长。近十年前 ,大大都海水淡化厂经营者都放弃了这种做法 ,目前 ,每月只使用一到两次氯化 ,每次6~8个小时。别的 ,一些海水淡化厂治理者差池进水口海水使用任何消毒剂 ,因为他们更愿意使用海水淡化厂预处理系统来控制生物污染 ,而不是使用化学品。

氯化铁和硫酸铁是目前常用的海水预处理混凝剂。已往 ,这些化学药剂投加速度恒定 ,投加量相对较高。海水淡化行业已接纳自动监测海水中固体含量 ,并凭据水中悬浮固体实际含量按比例自动调解混凝剂用量。已往10年间 ,全球大大都工厂都接纳了这一运行战略 ,从而将混凝剂使用量减少到已往的一半以下。

直到十年前 ,许多海水淡化厂还在使用酸和絮凝剂来优化水处理化学历程。现在 ,大大都先进的海水淡化工厂和有经验的工程师都不再使用酸和絮凝剂进行预处理 ,而是依靠优化的预处理系统和操作来治理水处理的化学历程。

直到2010年 ,许多海水淡化厂还在普遍使用防垢剂和氢氧化钠 ,主要是为了避免海水淡化水中的硼被去除而结垢。2011年 ,世界卫生组织将饮用水中硼的指导限值从0.5 mg/L提高到2.4 mg/L ,自此以后 ,大大都海水淡化厂不再添加氢氧化钠和防垢剂。

在接纳不含化学物质、以可再生能源为基础的新技术方面 ,下一步是使用从盐水中提取的钙来对淡化水进行后处理 ,而不是使用市场上供应的钙化合物 ,如 ,石灰。


突破能源使用障碍

从海水中疏散盐分需要大宗能源 ,以克服反渗透膜上自然爆发的渗透压。尽管海水淡化生产饮用水的碳足迹高于利用古板淡水资源生产饮用水 ,但却小于其它提高生活质量的人类运动 ,如 ,冷藏食物、加热洗澡水、驾驶私家车或乘坐飞机。

目前 ,大大都海水淡化厂都使用化石燃料发电。不过 ,澳大利亚最近几家SWRO海水淡化厂实施了风力发电项目 ,其发电量与海水淡化厂用电量相当。几其中东和北非国家已主动开发了强大的可再生能源发电厂组合 ,为海水淡化提供电力。

在探索可再生能源替代计划的同时 ,美国、沙特阿拉伯和欧洲的世界领先研究中心正在开发新一代能源接纳装置、高压泵和膜 ,旨在将海水淡化总能耗降至2.45 kWh/m3以下 ,反渗透海水淡化的能耗需求降至1.8 kWh/m3以下。这些进步将使海水淡化厂的总能耗和碳足迹减少30%以上。

自2001年引入第一台压力交换器以来 ,这项推翻性技术已将海水淡化能源接纳效率从75%提高到96%。不过 ,仍有时机将能量接纳率提高到理论最高值99%。


淡化厂运营立异

随着大型和超大型海水淡化项目逐渐成为行业主流 ,其庞大性也随之增加 ,给工厂运营可用性和可靠性带来了挑战。通过以下要领可以进一步改善设备运行并减少;奔洌

1

开发新一代NST膜 ,大大提高生产率 ,并能凭据需要就地调解膜性能;

2

延长膜的抗氧化性和抗生物污损性及其使用寿命;

3

更换海水淡化厂大部分钢制设备 ,使用本钱更低、重量更轻的塑料设备和管道;

4

使用现场3D打印技术生产备件;

5

接纳三维设计、三维操作和维护(O&M)手册以及为工厂员工提供三维虚拟现实培训;

6

使用低本钱三维可打印无线传感器对工厂要害部件进行性能监测;

7

将工厂监测和控制自动化生长至可实现远程无人操作的水平;

8

开发低本钱连续膜清洗要领 ,以减少;奔浜突逑幢厩。



水颐魅正越来越多地利用数字化来提高效率。海水淡化厂也沿用了这一趋势 ,数字化水治理提供了一个集成平台 ,包括水生产和供应资产治理、水治理软件、智能控制和专业知识 ,以降低运营本钱和水损失。海水淡化领域数字化已经生长到这样一个水平 ,即 ,行业领先的设计公司正在为未来海水淡化项目开发数字孪生系统 ,该系统使用一个通用的数字平台进行海水淡化厂三维设计、数字化运维手册和数字化操作员培训工具 ,并通过虚拟现实培训?楹拖喙厣璞讣右郧炕。

这些进步正在推动一场革命 ,降低已往阻碍海水淡化技术被更广泛接纳之障碍——海水淡化为全球水宁静带来了巨大机缘。目前 ,海水淡化为美国、欧洲、澳大利亚和中东的沿海都会中心提供了约10%的市政供水 ,为海湾相助委员会国家提供了50%以上的饮用水。到2030年 ,这一比例预计将划分凌驾25%和80%。

立异技术正在解决阻碍替代资源开发的问题。纳米粒子增强膜、仿生膜和正向渗透等技术 ,以及从海水淡化爆发的卤水中有益提取稀有金属 ,旨在减少能源消耗(高达35%)和经济本钱(高达30%) ,提高工艺可靠性和灵活性 ,大大减少浓缩液(卤水)排放量。这些技术将使海水淡化成为因气候变革而面临日益缺水的干旱沿海地区的一种担负得起的、可连续性的选择。我们拥有改善全球生活和生计的工具 ,也拥有能够更迅速、更可连续地实现这一目标的技术。



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