面向低碳海水淡化的热法与膜法技术融合、可再生能源利用及人工智能优化与全生命周期评价综述

《Separations》：Toward Low-Carbon Seawater Desalination: Integrating Thermal and Membrane Technologies, Renewable Energy, and AI Optimization with Life-Cycle Assessment

　　

： 海水淡化只有在降低能源消耗、膜污染、浓盐水排放和水成本的前提下才能实现可持续发展。本综述围绕上述四项挑战对热法（thermal）与膜法（membrane）技术进行了比较。反渗透（RO）提供了全球70%至80%的淡化水，能耗为3至5.5 kWh/m3，而多效蒸馏（MED）与蒸汽压缩（vapor compression）的能耗为6.5至12 kWh/m3，多级闪蒸（MSF）则为13.5至25.5 kWh/m3；RO通常具有最低的水成本，但能源价格与浓盐水排放法规会改变这一结论。热法工艺仍能产出纯度更高的蒸馏水。依据ISO 14040与ISO 14044框架进行的全生命周期评价（Life-Cycle Assessment, LCA）发现，能源消耗主导了RO的大部分排放，浓盐水回收可降低环境影响，而低碳热源或不同的评价权重设置可能逆转技术排名。混合系统（hybrids）旨在提升回收率并缓解结垢：RO–MSF与NF–RO已有商业化或中试案例，而MSF–MED及基于膜蒸馏（MD）的方案仍停留在模拟与中试阶段。人工智能（AI）模型目前已用于优化能耗、预测膜污染及监测水质，但很少将热法、浓盐水与全生命周期各阶段加以整合。未来研究重点包括抗污染膜材料、可再生能源驱动的混合系统、浓盐水最小化以及AI与全生命周期评价的联合应用。

论文主体内容总结：

2. 热法海水淡化技术

热法淡化工艺约占全球淡化总量的28%，其中以MSF与MED系统为主。在海湾地区，热法系统约占淡化总产能的65%，主要原因是当地海水水质较差、电厂可提供余热以及化石燃料资源丰富。所有热法技术均受制于水的汽化潜热（约2260 kJ/kg）这一共同热力学约束，因此其能耗普遍高于RO等膜法工艺，但热法产水总溶解固体（TDS）可低于20 ppm，且对进水水质适应性更强，并能与电厂热电联产系统良好集成。

2.1 多效蒸馏（MED）：效体布置、进料流型与顶温（TBT）限制

MED由一系列串联的蒸馏效体组成，前一效产生的蒸汽作为后一效的加热介质，冷凝后收集为产品水。进料流型包括顺流、逆流与并联三种，其中并联进料结垢风险最低，是海水淡化厂最常用的方式。MED通常采用降膜蒸发器以强化传热。常规MED的顶温（TBT）为60–75 °C，超过此限会加剧CaCO₃或CaSO₄结垢。大型MED装置（7万至8万吨/日）多集成热蒸汽压缩（TVC），可将造水比（GOR）提升至接近15。MED典型热耗为145至230 MJ/m³，电耗为2至2.5 kWh/m³，热力学效率优于同规模MSF，且可利用太阳能热、地热或工业废热等低品位热源。其主要局限包括占地面积大、受TBT限制的回收率以及对连续热源的依赖。

2.2 多级闪蒸（MSF）：闪蒸级数、流型与TBT限制

MSF将海水加热后注入低于饱和蒸汽压的闪蒸室，部分海水急速蒸发，剩余浓盐水逐级闪蒸。流型分为单程与循环两种，大型装置多采用循环流型。MSF运行TBT通常为90–110 °C，超过约120 °C时CaSO₄会析出形成硬垢，构成运行温度上限。标准循环MSF最大GOR约为10，集成TVC后可提升至15–16。MSF的优点是机械可靠性强、对进水水质适应性好，但新建项目的能耗仍高于MED与RO。

2.3 蒸汽压缩（VC）：MVC与TVC构型及能耗

VC技术通过压缩产蒸汽来蒸发进水，分为机械蒸汽压缩（MVC）与热蒸汽压缩（TVC）两种。MVC完全依赖电力，无需蒸汽基础设施，适合偏远地区，比能耗（SEC）范围为3.6–193 kWh/m³；TVC利用动力蒸汽，可降低总电耗。两种构型的产能均限于100–3000 m³/日，超出此范围不具备经济性，因此主要适用于小型分散式部署。

2.4 太阳能蒸馏器：被动式太阳能蒸馏、近零运行成本与低产率

太阳能蒸馏器利用太阳能蒸发与冷凝实现淡化，运行成本接近零。基础装置日产水量仅3–8.33 L/日，且高度依赖太阳辐照，阴天条件下无法运行，仅适用于离网、农村等小型应用场景。

2.5 热法技术比较总结：产能、能耗、水质与成本

四种热法技术中，MED在能效（约42 kWh/m³）与产水水质（<5 mg/L TDS）之间提供了最佳平衡。

3. 膜法海水淡化技术及比较评估

膜法技术通过半透膜在常温或近常温条件下分离溶解盐类与杂质，主要包括RO、纳滤（NF）、正渗透（FO）与电渗析（ED），各自在驱动力、选择性与应用范围上存在本质差异。

3.1 反渗透（RO）

RO通过施加高于进水渗透压的水压，迫使水分子穿过半透膜而截留盐离子。当前薄层复合（TFC）膜的NaCl截留率超过99%，但仍面临渗透性–选择性权衡、单程硼去除不足、膜污染与耐氯性差四大挑战。大型RO装置由预处理单元、高压泵、膜组件与能量回收装置（ERD）四部分组成，等压式ERD是降低现代海水反渗透（SWRO）装置SEC的最关键因素。RO约占全球淡化产能的70%至80%，现代大型装置实际SEC为3至5 kWh/m³，理论最低能耗约为1.06 kWh/m³。

3.2 纳滤（NF）

NF膜孔径约1 nm，通过位阻效应、Donnan效应、介电效应与水合效应四种机制实现选择性分离，对Ca²⁺、Mg²⁺、SO₄^2–等二价及多价离子截留率达85–98%，而允许Na⁺、Cl^?等单价离子通过。NF运行压力仅3–20 bar，能耗为0.5–1.5 kWh/m³，比SWRO低3至7倍。NF主要用于苦咸水软化、SWRO上游预处理及FO–NF混合系统等场景，而非作为独立的海水淡化主工艺。

3.3 正渗透（FO）：渗透驱动力、汲取液再生与中试规模现状

FO利用半透膜两侧的渗透压差驱动水分子从稀释进料侧流向浓缩汲取液侧。其能耗主要来自汲取液的回收与再浓缩，通常需借助RO、NF、热蒸馏或刺激响应型方法实现。对15项中试研究的综述表明，汲取液回收仍是FO经济性的主要障碍，需将再生能耗降低40%至50%才能与常规RO竞争。FO目前仍主要处于中试与示范阶段，尚未实现大规模商业化。

3.4 电渗析（ED）：离子交换膜堆、EDR运行与苦咸水适用性

ED在直流电场驱动下，通过交替排列的阳离子交换膜（CEM）与阴离子交换膜（AEM）实现离子选择性迁移，形成交替的淡室与浓室。ED能耗与去除的离子量成正比而非处理水量，因此特别适合低盐度进水。技术经济评估表明，进水盐度≤3 g/L时ED已比RO更具成本优势。电渗析倒极（EDR）通过周期性反转电极极性（每15至30分钟）缓解结垢与污染，无需加酸。ED/EDR适用于TDS低于12000 mg/L的苦咸水，但在高盐度海水中竞争力较弱。

3.5 热法与膜法技术比较评估

RO在海水盐度下通常具有最低水成本（大型装置可低至0.5 USD/m³），ED在低盐度下更经济，FO单独使用尚不具备成本竞争力。能耗方面，RO在海水淡化中能耗最低（2–4 kWh/m³），ED在苦咸水场景可匹配或优于RO。产水水质方面，热法产水TDS常低于10 mg/L，RO产水TDS为100至500 mg/L。热法在需要高纯水的工业场景中仍有优势，但RO–MSF、MED–RO等混合系统可兼顾能效与高浓度处理能力。热电联产电厂中30% MED与70% RO的配置可较纯热法系统降低约30%的产水成本。

4. 全球海水淡化技术趋势

全球约15906座运行中淡化厂日产淡化水9537万m³。中东与北非（MENA）地区贡献全球48%的淡化水产能，沙特、阿联酋、科威特与卡塔尔四国即产生全球55%的浓盐水。亚太地区（以中国、印度、澳大利亚为代表）正成为增长最快的市场。全球范围已出现从热法向膜法（尤其是RO）的决定性转变，膜法现约占全球淡化产能的四分之三。RO成本持续下降，能源消耗与维护成本仍是主要成本驱动因素。到2050年，全球44个国家约20亿人口将面临水资源短缺，其中95%位于发展中国家，这些国家需新增约5400万m³/日的淡化产能以满足基本市政用水需求。

5. 能源来源与可再生能源整合

传统淡化厂主要依赖天然气、重油与煤炭等化石燃料，年耗能约75.2 TWh，年排放CO₂约7600万吨，能源成本占工厂总支出高达50%。可再生能源整合方面，太阳能光伏-RO（PV-RO）是最具规模化可行性的组合之一；风能常用于偏远地区与离网场景的RO与ED系统；低焓地热（70–90 °C）适合驱动MED，高焓地热（>200 °C）可用于发电驱动大型RO；生物质基太阳能蒸发器与绿色水合物法淡化（HBD）代表了可持续方向；水力驱动RO（如集成抽水蓄能RO，IPHRO）可利用重力压力同时发电与产水。储能系统（含热储能、飞轮、压缩空气、抽水蓄能与电池储能）对保障可再生能源驱动的淡化系统连续供水至关重要。

6. 新兴与混合海水淡化技术

6.1 膜基新兴技术

膜蒸馏（MD）利用疏水膜两侧的蒸汽压差驱动分离，可使用低品位热源，能将浓盐水浓缩至饱和极限，但受限于膜润湿、温度极化与结垢等问题，被视为RO的补充而非替代。渗透汽化（Pervaporation）采用无孔致密膜，无渗透压限制且抗污染性强，但产水率低是其主要瓶颈。电容去离子（CDI）在常温低电压下通过电极吸附实现脱盐，膜电容去离子（MCDI）可进一步提升能效，适用于低盐度进水。冷冻淡化（Freeze Desalination）能耗比常规蒸馏低约六倍，但冰晶夹带盐分、资本与运行成本高、截留率低等问题仍阻碍其商业化。

6.2 先进热蒸发器

太阳能驱动界面蒸发（SDIE）将体积能效提升至90%以上，结合纳米增强相变材料（PCM）与灯芯辅助系统可显著提高产水量。2026年的研究采用高导热氧化石墨烯（GO）纳米PCM与双楔形太阳能蒸馏器及黄麻/棉灯芯材料，预计可减少CO₂排放28.14吨，产水TDS为12–15 ppm。

6.3 先进RO

多级RO与批次RO（batch RO）等先进构型旨在维持稳定通量并降低能耗。批次RO运行压力接近渗透压，但存在类似低盐截留RO（LSRRO）的溶质传输能量损失问题。膜生物污染方面，研究者正探索利用细菌来源的抗生物污染材料替代传统化学与物理处理方法，但其极端环境稳定性与规模化应用仍在研究中。

6.4 淡化混合系统

混合系统可根据需求灵活组合多种技术，实现淡水与电力联产、废热利用及最大化能源利用率。RO–MSF与NF–RO已有商业化或中试案例，MSF–MED及MD基方案仍处于模拟与中试阶段。在太阳能驱动界面蒸发研究中，混合模型已被用于发电、采盐及制备零微生物饮用水。MED与吸附淡化（AD）的集成可在大温度范围内运行并缓解管束结垢问题。