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：4626 更新時間：2012-07-02 15:53世界上大多數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，卻同時也是世界上人均淡水資源占有量排名倒數第二的國家。它無法自給淡水，相反，主要依靠從鄰國馬來西亞進口水源，一天進口量達到9664萬立方米才能滿足它國內巨大的水源需求，這顯然不是長久之計。
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。
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——如果在技術上能行得通，它四面環(huán)繞的海水便隨時可源源不斷地轉化為生活用水。因此新加坡實施“向海水要淡水”的計劃。除了政府自行設計、建造和運營之外，新加坡還鼓勵私人企業(yè)參與。
將海水中的鹽分除去——從16世紀開始，就有人嘗試著這樣做。當時，歐洲的一些探險家在進行漫長的航海旅行時在船上安裝簡易的淡化裝置，以備不時之需。但這些裝置往往粗糙而低效。大多數時候，不過是在爐灶上煮沸海水。1850年，海水淡化技術實現了突破。它來自另一個行業(yè)制糖工業(yè)。為了生產結晶糖，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，從而讓水的沸點也在遞減。這使得第一個腔中產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—將鹵水加熱，使其部分蒸發(fā)，同時冷凝生成水蒸氣。
隨后，另一種更高效更經濟的技術產生。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被稱作反滲透技術。但壞消息是，這兩種技術的能耗都不小。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量的10%。按照新加坡公用事業(yè)局的計劃，他們希望能夠在2060年，海水淡化得到的水，滿足新加坡總供應量的30%。
有沒有辦法既實現了海水的淡化，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方案：同樣采用反滲透技術，它能夠將海水淡化每立方米的能耗量下降到創(chuàng)紀錄的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，不斷地對水進行電去離子處理，以除去少量的鹽分。
這一套技術方案，很大程度上受啟發(fā)于西門子的另一項業(yè)務：生產制藥用高純水。
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大的電場，而海水中的鹽，又稱氯化鈉，由帶電的離子構成。
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，操作的重點便從過去的獲取水分，轉變成抽取鹽分。
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，另一種只允許帶負電的離子通過。與此同時，管道系統(tǒng)的兩側安裝有兩個電極，它們產生的電壓將正負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，經稀釋的水的鹽含量下降到1%以下。在這個時候，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)導電性，將更多離子從水中提取出來，從而使海水達到可飲用的標準。
“我們預計未來15年全球用水量將增加40%，這一套技術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)自動化集團水處理部總經理吳惠德說。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；它產生更少的噪音和振動；它還可根據不同的電場強度，設置飲用水所需的礦物質含量。
現在，這套技術已經開始商用化。2010年，由新加坡政府出資400萬新幣，西門子在當地建立了一座大型工廠。現在，這個工廠每日的產量是50萬立方米。另外一家更大規(guī)模的工廠正在建設中，預計2013年投產。
由于每片海水領域的鹽含量不同，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)安裝的現場示范裝置將證明這一點。
這意味著，這套技術商用化的市場變得更加龐大。Knauf說：“我們預計未來15年全球用水量將增加40%，因此可持續(xù)的水供應極為重要。由于其實現了高能效與低二氧化碳排放的平衡，電化學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《海水利用專項規(guī)劃》，2010年中國海水淡化規(guī)模達到日產80萬立方米至100萬立方米，2020年將增長到日產250萬立方米至300萬立方米。
現在，西門子已經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。
已經有一些中國企業(yè)成為西門子的客戶。比如，西門子已經為首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責任公司提供了海水淡化技術，將鋼鐵生產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目提供的海水淡化技術也幫助這個項目實現2.2萬噸的日處理能力。
