综述：全球海水淡化产业展望及先进的盐卤资源化利用技术

《Desalination》：A global outlook of the desalination industry and state-of-the-art technologies for brine valorisation

本文系统评估了全球海水淡化及副产物回用技术，分析设施分布、技术类型及资源回收潜力。研究表明，海水淡化副产物可回收钠、镁、锂等资源，膜技术、热力学方法及化学结晶化是主要手段，但面临高能耗、材料耐用性及经济可行性挑战，需进一步技术优化与规模化应用。（109字）

　　
这篇论文系统性地分析了海水淡化（SWRO）副产物浓缩盐水（brine）的资源化潜力，涵盖技术分类、全球应用现状、资源回收可行性评估及典型案例研究。以下是对全文的核心内容解读：

### 一、全球海水淡化与浓缩盐水产生现状
1. **技术分布与区域差异**
全球海水淡化以反渗透（RO）技术为主（占比68%），热力型技术如多效闪蒸（MSF）和MED在SWRO（海水反渗透）中应用广泛。中东地区（占全球SWRO产能的33%）因气候和能源优势成为主要应用区，而欧洲和北美更多依赖中小型淡化设施。

2. **浓缩盐水（Brine）的全球产量**
2024年数据显示，全球SWRO过程日均产生约121.2亿立方米浓缩盐水，其中中东地区贡献占比最高（34.6亿立方米/天）。浓缩盐水的主要成分为NaCl（占比约75%），同时含有少量镁、钙、钾及微量元素（如锂、铷、钪等）。

3. **环境与经济挑战**
直接排放浓缩盐水导致海洋盐度上升（如红海盐度增加1.16 g/L）和生态失衡，而处理成本占淡化总成本的5-33%。因此，资源回收成为推动循环经济的关键。

### 二、浓缩盐水资源回收的技术路径
论文将技术分为**膜基技术**和**非膜基技术**两大类，并进一步细分：

#### （一）膜基技术
1. **纳滤（NF）**
- **应用**：预处理SWRO浓缩盐水，去除多价离子（如Ca2?、Mg2?）以提高后续RO效率。
- **案例**：使用DK膜（Veolia）对SWRO浓缩盐水处理，硫酸根、钙、镁 rejection率分别达97.7%、68.6%、81.0%。
- **挑战**：高盐条件下膜污染问题，需定期化学清洗（如0.1 M HCl或NaOH）。

2. **高压反渗透（HPRO）与低盐度反渗透（LSRRO）**
- **HPRO**：通过提高压力（140 bar）实现更高盐度处理，但膜材料易变形，目前处于实验室阶段。
- **LSRRO**：采用新型RO膜（如PRO-XS2）降低盐阻，在70-80 bar压力下实现45-56%产水率。

3. **膜蒸馏（MD）与膜结晶（MDC）**
- **MD**：通过温度梯度（40-60°C）蒸发浓缩盐水，产水率可达90%，但需解决膜污染和结垢问题。
- **MDC**：结合MD与结晶技术，可回收NaCl、MgSO?等，日本Fukuoka项目已实现880万kWh/年电力输出。

#### （二）非膜基技术
1. **电化学技术**
- **逆电渗析（RED）**：利用盐度梯度发电，实验室效率达1.77 W/m2，但受限于膜材料（如CTA膜）和电极腐蚀问题。
- **膜电渗析（ED）**：通过离子选择性迁移回收锂、铷等，但高盐环境（>50 g/L）下盐阻显著，需预处理（如NF）。

2. **热力技术**
- **MED-TVC（多效蒸馏-热 vapour compression）**：通过蒸汽喷射器回收热能，中东地区已有应用案例（如QEWC项目），降低蒸汽消耗30-40%。
- **蒸发 ponds（蒸发池）**：传统方法处理高盐废水（>50 g/L），但需大量土地（如意大利Eilat项目，日处理盐100吨）。

3. **结晶技术**
- **化学结晶**：通过添加NaOH、Na?CO?等调节pH，促进CaCO?、Mg(OH)?沉淀，实验室回收率可达95%。
- **太阳能蒸发池（SGSPs）**：利用太阳能梯度蒸发，中东地区已部署此类系统，但能效仅2-5%。

### 三、资源回收的可行性评估
1. **关键资源潜力**
- **NaCl**：全球年产量4.5亿吨，SWRO浓缩盐水可满足需求量的70%以上。
- **镁**：美国Dow Chemical自1914年工业化生产，2022年SWRO浓缩盐水贡献占比70%。
- **微量元素**：如锂（0.1-0.22 mg/L SW）、铷（0.18-0.3 mg/L SWRO浓缩盐水）、钪（0.01-0.1 mg/L SWRO浓缩盐水）等，经济价值高但浓度低。

2. **技术经济性对比**
- **膜法回收**：LSRRO产水成本约3-4 kWh/m3，BMED制HCl成本3.8 kWh/kg。
- **热力法**：MED-TVC系统单位成本0.5-0.8 USD/m3，低于传统焚烧（1-2 USD/m3）。
- **化学结晶**：Mg(OH)?回收成本约0.2-0.3 USD/kg，需配套化学处理设施。

3. **区域适配性分析**
- **中东**：高盐SWRO浓缩盐水（>200 g/L）适合MED-TVC和蒸发池，但需解决腐蚀问题（钛合金管道成本降低40%）。
- **欧洲**：侧重小规模应用（如PV-ED系统），但能源成本较高（0.15-0.2 USD/kWh）。
- **东南亚**：利用地热与PRO技术耦合，实现10-15%能效提升。

### 四、典型案例研究
1. **Maven项目（印尼Java岛）**
- **规模**：日处理SWRO浓缩盐水12.5万吨，产水6.5万吨（80%回收率）。
- **技术链**：NF（产水率82%）→RO（产水率59%）→OARO（能量回收）→结晶（NaCl纯度>99%）。
- **创新点**：首次将OARO用于RO浓盐水再利用，减少50%化学药剂消耗。

2. **Water Mining项目（意大利Lampedusa）**
- **多资源回收**：SWRO浓缩盐水经NF（产水率82%）→MED（产水率70%）→结晶（Mg(OH)?纯度98%）→离子交换（Li回收率90%）。
- **能效提升**：利用柴油发电厂废热驱动MED，降低蒸汽消耗30%。

3. **Al-Jubail项目（沙特阿拉伯）**
- **技术组合**：SWRO（RO+MED）→HDD（发电）→化学结晶（NaCl、LiCl）。
- **经济性**：通过BMED制NaOH（成本3.8 kWh/kg）和HCl（5.3 kWh/kg），实现自给自足。

### 五、挑战与未来方向
1. **技术瓶颈**
- **膜材料寿命**：RO膜在SWRO浓缩盐水（>250 g/L）中渗透率下降50%，需开发抗腐蚀聚合物（如PVDF改性膜）。
- **高盐处理**：MED-TVC在100-250 g/L范围内效率稳定，但需解决 Scaling（如CaSO?结垢）和膜污染问题。

2. **经济性优化**
- **降低能耗**：PRO技术（如日本Mega-ton项目）通过盐差发电，将RO能耗降低30%。
- **规模化应用**：需突破50万吨/日级产能（当前最大项目为Maven的12.5万吨/日）。

3. **政策与标准**
- 建立全球统一的浓缩盐水成分标准（如欧盟EN 455认证）。
- 推动多资源回收法规（如意大利将SWRO浓缩盐水纳入REAPower项目）。

### 六、结论
1. **资源回收潜力**
全球SWRO浓缩盐水年产量可满足NaCl需求量的70%、Mg需求量的50%，并具备锂、铷等CRM（关键原材料）的回收潜力。

2. **技术成熟度**
- **成熟技术**：RO、MED、蒸发池（TRL 9-10）。
- **发展中技术**：LSRRO、PRO、BMED（TRL 5-7）。
- **实验室技术**：RED、离子交换吸附（TRL 3-4）。

3. **未来路径**
- **材料创新**：开发耐腐蚀膜（如石墨烯增强PVDF膜）和低成本吸附剂（如MnO?基复合材料）。
- **系统集成**：构建“淡化-发电-回收”闭环（如西班牙Comillas项目，年发电量1.2亿度）。
- **政策支持**：设立全球盐水资源化基金（如欧盟Horizon 2020），推动技术标准化。

该研究为海水淡化副产物资源化提供了系统性框架，未来需在技术迭代（如PRO与RO耦合）、经济模式（如盐化工联营）和政策协同（如碳税抵扣）方面持续突破，以实现从“废水处理”到“资源引擎”的转型。