网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

文献解读丨海水淡化的能效与可持续性:基于热力学基准的全维度审视

0
分享至

三人行,必有我师焉;择其善者而从之,其不善者而改之。

——《论语・述而》

【今天解读海水淡化领域发表在《Nature Reviews Clean Technology》的综述文章《Energy efficiency and sustainability of desalination》,本文作者为 Ruoyu Wang、Yuanmiaoliang Chen、Menachem Elimelech 等,来自莱斯大学、上海交通大学、麻省理工学院等多家机构】

注:文献解读融合编者观点,非单纯翻译,欢迎指正。如涉侵权请联系删除。

全球水资源短缺是 21 世纪重大资源挑战,海水淡化已经从应急供水手段转变为干旱、半干旱地区基础供水核心技术,全球超过 170 个国家建有约 20000 座淡化厂,日产淡水约 1 亿立方米,供给市政、工业与农业用水。

现代海水淡化分为苦咸水淡化、海水淡化、高盐卤水处置三大应用场景。反渗透(RO)膜技术已经取代传统热法淡化成为行业主流。但淡化技术规模化扩张依然受制于能耗与环境负面影响。常规淡水处理能耗仅约 0.3 kWh m⁻³,而先进海水反渗透(SWRO)能耗普遍达到 3‑4 kWh m⁻³。

客观评判不同淡化技术优劣,不能只对比实测比能耗 SEC,必须引入“热力学极限基准”:它定义给定盐‑水分离目标下理论最小能耗,可以排除盐度、水回收率、产水水质带来的干扰,量化技术还有多大的节能改进空间。本篇综述使用统一热力学框架,分别剖析苦咸水、普通海水、超高盐卤水三类体系的能耗瓶颈、不可逆损失来源,同时覆盖取水、膜寿命、卤水处置、供电碳强度等全链条可持续性问题,为下一代海水淡化技术指明研发方向。


图 1|海水淡化能量需求的热力学基础示意图。概括通用淡化系统、归一化最小比能耗、不同水体水化学势、能效与产水速率之间的固有权衡关系。

淡化理论:热力学极限与非理想电解质体系

任何海水淡化过程本质是对外输入功(电能 / 热能),把含盐进料分成低盐水产品和高盐浓卤水两股物流。“热力学最小功只取决于进料、产水、卤水的流量、组分、温度压力,和具体采用什么淡化技术无关”。

1)可逆等温分离的最小吉布斯自由能变化给出理论最低能耗,引入水回收率 WR、盐截留率 SR 两个无量纲指标,可以把最小比能耗SECmin用解析公式表达。实际工厂能耗和理论下限的差距来自“不可逆损失”:为维持实际产水通量必须施加额外驱动力,体现在泵、换热器、膜组件内部的熵产。

2)存在固有权衡:产水通量越高,需要的额外驱动力越大,不可逆损失上升,能耗随之增加;完全可逆过程能耗最低,但产水速率趋近于零,工程上无法实现。单级反渗透中,进料端渗透压低、外加压力过高,产生大量过压浪费;采用多级、间歇 / 半间歇操作可以重新分配驱动力,减少不可逆损失,但代价是系统复杂度提升、需要更大膜面积。

3)高盐卤水不能套用理想范特霍夫近似。高浓度盐水离子对、离子水化效应显著,活度系数偏离 1,必须采用 Pitzer‑Kim 等电解质模型计算渗透压与化学势。海水渗透压约 27 bar,而超高盐工业卤水渗透压可超过 150 bar,直接推高最低理论能耗;与之对比,不同产水(饮用水、超纯水)之间盐度很低,产水水质差异对理论能耗影响很小,主要影响后处理工艺。


图 2|氯化钠溶液渗透系数:理想近似与真实电解质模型对比,高盐条件理想模型会带来显著误差。

苦咸水淡化:工艺配置比材料更关键

咸水淡化占全球淡化产能 21%,多用于内陆半干旱地区,进料总溶解固体 0.5‑35 g L⁻¹,渗透压远低于海水,但水质波动大,硬度、硅、有机物容易造成结垢污染。主流技术包含反渗透 BWRO、电渗析 ED、电容去离子 CDI 三类电化学 / 压力驱动工艺。

3.1 不同技术的适用窗口

  • 反渗透 BWRO

    进料盐度>5 g L⁻¹、高盐截留条件下比能耗最低;

  • 电渗析 ED

    在低盐(<3 g L⁻¹)区间具备微弱优势,但能耗优势幅度有限;

  • CDI 电容去离子

    即便在有利工况,热力学能量效率通常低于 10%,受电极界面电势、充放电混合损失制约,规模化淡化不占优势,更适合选择性离子分离小众场景。

3.2 材料性能提升的边际收益有限

过去大量研究追求更高透水通量膜、更高离子交换容量膜、更高比电容电极,但模拟表明:

  • BWRO 把膜透水性能从行业主流 3‑5 提升至 10 L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹,SEC 仅下降 2.6%,外加会加剧浓差极化与膜污染;

  • 电渗析商用膜选择性已经>95%,膜电阻只占堆体总压降 5% 以内;

  • CDI 电极电容大幅提升,能效提升仍然不足 3%。

核心结论:单纯提升材料本征输运性能很难实现大幅节能,系统工艺构型改进收益更大。两级 BWRO 可以实现约 20% 能耗下降;闭路循环 RO 理论节能,但实际会带来过压、反向通量等附加损失。

同时苦咸水淡化不能只看能耗:高水回收工况下矿物结垢是硬性约束。部分场景电渗析抗结垢优势可以抵消其能耗劣势。技术选型必须综合能耗、结垢风险、药剂成本、可靠性,而不是只看 SEC 指标。


图 3|苦咸水淡化:RO、ED、CDI 的能耗、热力学能效对比,膜与电极材料性能模拟结果。

海水淡化:已经逼近工程最低能耗

海水反渗透 SWRO 是技术最成熟的淡化路线。从上世纪 70 年代至今,SWRO 单元比能耗由>15 kWh m⁻³ 下降至大型工厂约 2.5 kWh m⁻³,主要来自三层变革:聚酰胺复合膜问世、能量回收装置 ERD 迭代、高效率高压泵普及。

如今商业 SWRO 热力学效率已经达到 35‑50%,距离工程实用最低能耗缺口仅剩约 30%,单纯继续提升膜透水率已经很难取得可观收益。海水渗透压接近 30 bar,而克服膜阻力只需要几 bar 额外压力;再提高透水,SEC 降幅仅有 3‑4%,还伴随盐截留下降、浓差极化恶化、污染加剧等副作用。

4.1 多级 RO 的机遇与现实约束

两级 SWRO 可以重新分配全流程不可逆过压损失。模拟显示,搭配超高透水膜,两级方案理论最多可以实现约 15% 能耗降低。但现实中两级会抬升设备投资、增加运维复杂度,只有在同时需要提升水回收率的改造项目才具备经济性,很难作为普适解决方案。

4.2 预处理与后处理正在成为新的能耗底板

预处理 / 后处理能耗属于近乎固定的开销,不随盐分离程度变化,典型约 0.5 kWh m⁻³(按进料体积计)。随着 RO 本体不断逼近能耗下限,预处理的权重越来越大。如果可以把预处理能耗减半,系统总 SEC 可以下降 0.55 kWh m⁻³,还会改变最优水回收率的操作点。

想要降低预处理负担,重点不是更高透水膜,而是开发抗氯、抗污染、高硼截留的耐用膜材料,以此减少药剂消耗、清洗频次与后段精制工序。


图 4|SWRO 工艺流程图、历史能耗演变、单 / 两级 RO 性能对比、预处理能耗对系统最优操作点的影响。

高盐卤水处置:MLD 与 ZLD,膜‑热耦合是出路

内陆苦咸水、工业产出水产生大量超高盐浓卤水;受法规限制,直接排放不可行,催生最小液体排放 MLD和零液体排放 ZLD需求。ZLD 目标实现 100% 水回收,产出固体盐渣;MLD 是折中方案,高水回收同时保留少量残余卤水。传统 ZLD 依赖机械蒸汽压缩 MVC 热蒸发,能耗极高,达到理论最低值 7‑8 倍。

常规 RO 受渗透压限制(商用设备最高约 80 bar),卤水浓度上限约 100 g L⁻¹。为突破盐度天花板出现几类新型膜工艺:

  1. 高压反渗透 HPRO

    强化承压模块,操作压力提高到 100‑120 bar,最高浓缩到约 140 g L⁻¹,但依然达不到结晶所需 250 g L⁻¹;

  2. 渗透辅助反渗透 OARO

    透过侧引入含盐扫掠流,降低跨膜有效渗透压差;

  3. 低截留反渗透 LSRRO

    采用选择性降低的膜,允许部分盐跨膜,缓解渗透压差,需要多级串联才可以实现超高浓缩。

现实路径:不追求单一膜工艺直接完成 ZLD;采用膜预浓缩 + 热结晶混合系统。先用 RO 类工艺把进料浓缩到尽可能高,再交给热法处理少量残余卤水,显著降低整体能耗。MLD 场景下各类改进 RO 方案优势巨大;真正 ZLD 工况必须认真考虑电解质非理想效应,多级系统复杂度急剧上升,还要面对多组分卤水结垢、混合盐结晶难题。


图 5|MLD/ZLD 处理工艺流程;HPRO、OARO、LSRRO 原理;不同工艺可达到的最大卤水浓度;MVC 和各类膜‑热耦合系统的比能耗对比。

全链条可持续性:跳出 SEC 看待海水淡化环境影响

分离单元本身已经逼近热力学极限,淡化系统可持续性更多取决于分离单元以外全流程环节,不能只用比能耗 SEC 单一指标评判技术好坏。

1)取水生态影响:海水取水造成水生生物撞击、卷挟;低流速筛网、地下取水可以缓解,但地下取水受水文地质、建设成本约束。

2)膜全生命周期:RO 膜寿命 3‑7 年,报废后大多填埋或焚烧。拓展方向:提升抗污染 / 耐氧化性能延长服役寿命;废旧膜降级再利用(改造为 LSRRO、纳滤膜);组件回收;生物基膜基材开发。系统运行阶段碳排放远大于膜制造,材料创新必须做生命周期评估,避免 “制造端环保,运行端代价更高”。

3)卤水处置:

- 滨海厂:扩散器、高混合区排放可以减轻近海盐度扰动。

- 内陆厂:深井回灌、蒸发塘、MLD/ZLD。深井回灌存在地震风险,蒸发塘受土地气候约束。

- 卤水资源化回收矿物在理论可行,但多数场景受产品价值、提纯成本制约,难以普适推广,仅局部特殊卤水具备经济潜力。

4)电力供给的脱碳:

淡化本身不产生碳排放;碳足迹完全取决于电网碳强度。天然气供电 SWRO 约 1.46 kg CO₂e m⁻³;如果改用风光低碳电力,碳排放可下降 90% 以上。可再生能源不会改变淡化热力学下限,但直接决定淡化工程的气候影响。


图 6|淡化全链条可持续性要素示意图,包含取水、排卤、膜循环利用、低碳电力、内陆卤水处置等策略。

总结与展望

7.1 综述核心科学认识

  1. 海水淡化评价必须坚持统一热力学基准。最小分离功由进料、产水、卤水的组分与回收率决定,与技术路线无关;真实系统能耗‑产水速率存在固有权衡,不可逆损失分布由驱动力匹配程度决定。

  2. 海水淡化已经告别依靠材料通量实现巨大节能的时代。

    海水淡化:节能增益更多来自系统配置、预处理 / 后处理优化。

    苦咸水淡化:多级工艺构型收益大于单纯改良膜 / 电极。

    高盐卤水:膜‑热耦合混合系统是现实可行路线,单一膜很难完成完整 ZLD 。

  3. SEC(比能耗)不能作为唯一决策指标。水回收率、矿物结垢、药剂消耗、膜寿命、卤水处置成本、供电碳强度共同决定技术综合表现,最低 SEC 方案不一定是全生命周期成本最优方案。

7.2 未来挑战

1)材料层面:不是一味追求高透水,重点开发抗污染、耐化学清洗、高压稳定、高选择性膜;面向多组分复杂卤水的阻垢策略。

2)工艺层面:多级、间歇等构型需要权衡能耗、设备投资与运维可靠性;高盐体系要充分考虑电解质非理想行为,不能简单套用理想溶液模型。

3)可持续层面:取水生态、卤水管理、膜循环、电力脱碳,要做全生命周期评估,不能只看分离单元能耗。

7.3 未来方向展望:海水淡化的创新已经从追求大幅降低单位能耗,转向系统层面精细管控不可逆损失。

  • 苦咸水方向:面向高水回收工况开发抗结垢工艺与材料,针对真实多变进料开展中试验证。

  • 海水方向:挖掘预处理、后处理减负潜力,审慎评估多级工艺的综合经济性。

  • 高盐卤水方向:发展膜‑热混合 MLD/ZLD 系统,攻克多离子共存下的结垢、混合盐结晶难题。

  • 评价范式:坚持热力学基准对标,把环境、运维、经济指标纳入技术筛选,推动海水淡化真正实现大规模低碳可持续供水


特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
79岁李保田老到认不出,住处杂乱喝10元桶装水,儿子求着他拍视频

79岁李保田老到认不出,住处杂乱喝10元桶装水,儿子求着他拍视频

长歌侃娱
2026-10-12 09:22:42
辽宁一游客车辆全景天窗被砸出大洞,事发前因停车位与人发生纠纷,警方:正在办理

辽宁一游客车辆全景天窗被砸出大洞,事发前因停车位与人发生纠纷,警方:正在办理

潇湘晨报
2026-10-16 17:51:12
历史第一人效应!詹姆斯揭幕战门票均价比科比退役战高62%!

历史第一人效应!詹姆斯揭幕战门票均价比科比退役战高62%!

纵横之策
2026-10-16 11:03:05
最高院:提供 “口交” “肛交”等进入式性服务,是否属卖淫行为?

最高院:提供 “口交” “肛交”等进入式性服务,是否属卖淫行为?

周军律师聊案子
2026-04-21 09:50:16
2016年中美南海对峙,270名军工工程师拒绝撤离,并写好遗书!

2016年中美南海对峙,270名军工工程师拒绝撤离,并写好遗书!

阿胡
2025-12-16 17:02:47
被打疼的欧盟!找中国走个面,并承认:中方已摸清他们所有软肋

被打疼的欧盟!找中国走个面,并承认:中方已摸清他们所有软肋

章幃户外
2026-10-15 16:07:51
三部门联合调查尊界“刹车门”:就算车有问题,懂车帝也悬了

三部门联合调查尊界“刹车门”:就算车有问题,懂车帝也悬了

茄小茄说事
2026-10-16 18:00:11
女学霸发明“咯噔字体”,老师低分警告:别用个性挑战考试底线

女学霸发明“咯噔字体”,老师低分警告:别用个性挑战考试底线

蝴蝶花雨话教育
2026-05-07 00:05:04
“这跟内衣有啥区别?”中学女儿的外出穿搭,让母亲绷不住了

“这跟内衣有啥区别?”中学女儿的外出穿搭,让母亲绷不住了

世界圈
2026-09-22 15:46:08
新爆料:景甜“露底走光照”被扒,评论区哗然!

新爆料:景甜“露底走光照”被扒,评论区哗然!

默默有话说
2026-10-16 12:19:52
炸裂!蔡天凤老公被律师曝料:他想和邝港智成恋人,因一事没得逞

炸裂!蔡天凤老公被律师曝料:他想和邝港智成恋人,因一事没得逞

猪小艳吖
2026-10-16 01:06:28
俄方寸步不让:天然气管道非得取道蒙古进入中国

俄方寸步不让:天然气管道非得取道蒙古进入中国

果妈聊娱乐
2026-10-01 16:13:46
俄罗斯发生6.9级地震

俄罗斯发生6.9级地震

南方都市报
2026-10-16 12:19:55
专家犀利发声:灵活就业者缴职工社保,看似保障,实则是变相剥夺

专家犀利发声:灵活就业者缴职工社保,看似保障,实则是变相剥夺

偷喝一口奶
2026-09-06 08:54:31
78死215伤,普京誓要报复,泽连斯基迎黑暗时刻,英美法选边站

78死215伤,普京誓要报复,泽连斯基迎黑暗时刻,英美法选边站

经纬戎韬
2026-10-15 00:09:31
破防了!欧盟高官承认:没有联合国撑腰,世界上根本没人理我们

破防了!欧盟高官承认:没有联合国撑腰,世界上根本没人理我们

麓谷隐士
2026-10-16 00:10:04
人妻熟女逛街随拍,灰瑜伽裤衬出饱满丰腴曲线,高腰灰色七分瑜伽裤紧紧贴合身形,将熟女圆润饱满的曲线勾勒出来

人妻熟女逛街随拍,灰瑜伽裤衬出饱满丰腴曲线,高腰灰色七分瑜伽裤紧紧贴合身形,将熟女圆润饱满的曲线勾勒出来

只要高兴就好
2026-10-14 08:34:16
“穷就别出去吃饭!”全家8口人吃80元大盘鸡,没吃饱给差评被喷

“穷就别出去吃饭!”全家8口人吃80元大盘鸡,没吃饱给差评被喷

妍妍教育日记
2026-10-13 18:47:33
局势彻底变天了!中日对峙一天天拖下去,越来越多国家终于意识到:中日若兵戎相见,不会像俄乌冲突那样给第三方牟利的机会,而是一场血战

局势彻底变天了!中日对峙一天天拖下去,越来越多国家终于意识到:中日若兵戎相见,不会像俄乌冲突那样给第三方牟利的机会,而是一场血战

林杰论事
2026-10-03 02:28:50
皇马炮轰西甲官方:维尼修斯禁赛是阴谋,穆里尼奥将公开反击

皇马炮轰西甲官方:维尼修斯禁赛是阴谋,穆里尼奥将公开反击

星耀国际足坛
2026-10-16 19:43:04
2026-10-16 21:00:49
热质纳能 incentive-icons
热质纳能
传热、传质、纳米、能源
3047文章数 78关注度
往期回顾 全部

科技要闻

杨天若院士:AI是中国弯道超车的机会

头条要闻

妻子称丈夫出轨拿出女子80多次上门的监控 法院:非法

头条要闻

妻子称丈夫出轨拿出女子80多次上门的监控 法院:非法

体育要闻

工资一分不要,曼联名将想把母队带回西甲

娱乐要闻

郭富城现身香港大学,袁咏仪夫妇全程冷漠不搭话

财经要闻

港交所拟2028年下半年实施T+1结算

汽车要闻

特斯拉会飞?全新Roadster亮相

态度原创

数码
本地
艺术
时尚
军事航空

数码要闻

XREAL One Pro Plus智能眼镜发布:峰值亮度提升至1200尼特、鼻托结构重新设计,599美元

本地新闻

因新荣记出圈,这座浙东小城才是吃货天堂

艺术要闻

开幕在即|如花星海・贾伟 KK 艺术个展,10月18日水立方隆重启幕!

抠抠搜搜花大钱?劝你双11别着急下单,先来看这篇

军事要闻

知情人士:乌克兰"爱国者"拦截弹库存耗尽

无障碍浏览 进入关怀版