将海水盐水转化为资源：Haql盐矿采用循环经济的方法

《Desalination and Water Treatment》：Transforming Seawater Brine into Resources: A Circular Economy Approach at the Haql Brine Mining Plant

　　古拉姆·穆罕默德·穆斯塔法 | 伊斯兰·阿尔瓦兹纳尼 | 奥马尔·阿尔-拉基巴 | 成元·伊姆 | 穆罕默德·穆巴希尔
沙特阿拉伯水管理局（SWA）水技术创新研究所与研究促进中心（WTIIRA）

**摘要**
近年来，反渗透（RO）海水淡化已成为大规模生产饮用水最具经济可行性的工艺。然而，尤其是在内陆地区，缺乏环保的RO浓缩液管理措施一直是全球相关当局关注的重大问题。盐矿开采是一种新的解决方案，可为海水RO浓缩液（SWRO）的处理提供有效途径，但实现高效盐分浓缩和矿物回收的技术成本仍然较高，这限制了该策略的广泛应用。水技术创新研究所与研究促进中心（WTIIRA）最近引入了一种创新工艺方案，利用渗透辅助反渗透（OARO）膜系统来浓缩SWRO浓缩液并回收其中的溶解矿物。在此基础上，已在沙特阿拉伯哈克勒市设计并建设了一座示范盐矿开采工厂。该工厂分两个阶段建设：第一阶段的目标是每天连续生产6-10吨高纯度氯化钠（NaCl）；第二阶段则从SWRO浓缩液中生产6-8公斤液态溴（Br）和100公斤镁（Mg）金属。本文详细介绍了哈克勒盐矿开采项目第一阶段的设计过程，这些过程有助于提高水资源回收率、增加浓缩液盐分浓度、促进盐分沉淀以及实现NaCl盐的回收。同时，文中还提供了示范工厂的资本成本和能耗估算数据，为未来海水盐分和矿物商业化生产奠定了基础。该工厂采用的创新工艺也有助于实现沙特阿拉伯的可持续发展和循环经济目标。

**1. 引言**
随着水库、含水层和河流等传统淡水资源的日益枯竭，全球对海水淡化作为饮用水供应的依赖程度持续增加[1][2]。海水淡化过程中不可避免会产生高浓度盐水（浓缩液），其盐度通常是原海水的1.5-2倍，并含有大量溶解离子和微量元素。同时，从SWRO浓缩液中回收有价值的矿物和金属正逐渐受到重视，成为提升经济效益的有效手段[2]。许多研究致力于开发从海水SWRO浓缩液中提取矿物和金属资源的新技术，并评估其可行性[2]。海水中含量丰富的金属元素和离子已被商业化提取，如氯化物、硫酸盐、碳酸盐以及镁（Mg）的氢氧化物[3]。盐矿开采的可行性高度依赖于目标矿物的浓度、提取成本及其市场价值[4]。如果能够开发出合适的盐分浓缩和矿物回收工艺，锂（Li）、镁（Mg）、钠（Na）、钙（Ca）、钾（K）、锶（Sr）、溴（Br）、硼（B）和铷（Rb）等矿物从海水浓缩液中提取具有经济价值[5]。从经济角度来看，氯化钠（NaCl）、溴（Br）、镁（Mg）、氯（Cl）、氢氧化钠（NaOH）、钾盐（KCl）和铀（U238）等产品的回收具有可行性[3]。利用电化学和插层法等先进技术，锂（Li）的提取也成为可能[6][7][8][9][10]。

图1显示了阿拉伯湾海水中矿物的浓度（ppm）及其经济价值[5]。
除了从海水浓缩液中回收矿物外，盐矿开采还提供了一种经济高效且环保的浓缩液处理方式。因此，盐矿开采代表了实现“零液体排放”（ZLD）的进步路径——这一概念旨在应对日益严重的环境问题及全球对盐分管理的监管要求[11]。最初，ZLD技术主要依赖热处理工艺，如热浓缩器和热结晶器[12]。尽管这些技术目前仍为主流，但能耗较高，其成本可能占总淡化成本的33%，且受多种因素影响[4]。对于内陆地区的海水淡化设施而言，浓缩液处理尤为具有挑战性，相关成本远高于沿海地区。常见的处理方法包括深井注入、蒸发池排放、排入市政污水系统或用于耐盐作物灌溉[13]。

由于热处理工艺成本高昂，过去二十年里人们一直在探索替代方案[14][15][16]。这些方案结合了多种淡化技术（如纳滤（NF）、反渗透（RO）、电渗析反转（EDR）、膜蒸馏（MD）和/或正向渗透（FO）等，以及蒸发池、化学沉淀、溶剂萃取和离子交换等方法用于矿物回收[11][12]。Tong和Elimelech的研究表明，将RO和ED/EDR等二次膜单元集成到内陆RO淡化系统中，相比传统热处理系统可节省58-75%的能源和48-67%的处理成本[17]。这类膜技术的组合应用在保证适当盐分浓缩的同时，还能实现较高的水资源回收率（约10-20%）[18]。总体而言，创新的膜工艺组合可在类似盐分回收水平下比传统RO和热处理方法节省20-40%的成本[19]。然而，反渗透技术在盐分浓度较高时易受膜污染和结垢影响，限制了其在ZLD应用中的使用[20]。MVC等热浓缩系统虽能实现高盐度浓缩，但能耗较高，通常作为ZLD方案的一部分使用而非专用矿物回收平台。

在所有工艺组合中，渗透辅助反渗透（OARO）系统利用RO膜浓缩SWRO浓缩液的方式显著降低了能耗[21]。所提出的哈克勒盐矿开采工厂通过集成纳滤（NF）、OARO膜浓缩（MBC）、选择性化学澄清和热结晶等工艺，实现了创新性的矿物回收平台。其独特之处在于采用分阶段、产品导向的设计：OARO浓缩不仅用于提高盐分浓度，还用于实现选择性矿物回收和资源循环利用。与传统反渗透不同，OARO能在较低压力下实现高TDS（总溶解固体）浓缩，从而减少能耗。与机械蒸汽压缩（MVC）等其他热浓缩方法相比，该膜辅助系统降低了热负荷和整体能耗，为结晶和后续矿物提取提供了更合适的浓缩液[19]。因此，这项工作的科学贡献在于提供了一种实用、节能的循环经济路径，将SWRO浓缩液转化为可回收资源，超越了单纯的浓缩液处理和传统ZLD方案。未来研究还应探索将盐矿开采系统与太阳能热能和光伏等可再生能源结合，以进一步降低能耗和碳足迹。此外，与海水淡化厂的废热回收系统耦合使用可进一步提高工艺可持续性。

本文为沙特阿拉伯哈克勒海水淡化厂中的NaCl回收项目提供了全面且基于数据支持的设计方案，计划在该工业建筑内建设专门的盐回收设施。该项目旨在回收有价值的盐类和矿物，同时提高整体水资源回收率。项目分为两个阶段：第一阶段侧重于NaCl生产（本文已详细说明）；第二阶段（未在文中讨论）将从剩余浓缩液中提取溴（Br）和镁（Mg）。与纯理论研究不同，该设计方案基于试点验证和详细工程计算，包括回收率、浓缩因子、能耗和质量平衡等关键性能指标，以及对第一阶段的全面资本支出（CAPEX）和运营支出（OPEX）分析[22][23]。

**2. 方法论**
为评估海水淡化液的化学成分及其适用于矿物提取的潜力，对哈克勒市的海水进行了分析。表1列出了供给哈克勒SWRO工厂的海水关键化学参数：平均温度为25°C，pH值在8.0-8.3之间；主要阳离子包括Ca（490–510 mg/L）、Mg（1,519–1,540 mg/L）、Na（12,768–14,262 mg/L）和K（430–440 mg/L）；主要阴离子包括Cl（22,906–25,162 mg/L）、SO42?（3,200–3,400 mg/L）和碳酸氢根（135–134 mg/L）。总溶解固体（TDS）浓度高达41,500–45,500 mg/L，表明该水源非常适合矿物回收。虽然海水特性提供了基础数据，但SWRO浓缩液的详细成分（表3）用于工艺设计和矿物回收分析。

**表1. 哈克勒海水淡化厂 - 海水质量参数**
| 参数 | 单位 | 最小值 | 平均值 | 最大值 |
|------------|------------|---------|---------|---------|
| 温度 | °C | 21 | 25 | 31 |
| pH | | 8.0 | 8.2 | 8.3 |
| Ca | mg/L | 490 | 502 | 1,519 |
| Mg | mg/L | 1,519 | 1,530 | 1,540 |
| Na | mg/L | 12,768 | 13,508 | 14,262 |
| K | mg/L | 430 | 440 | 440 |
| Mg(OH)? | mg/L | 88 | 88 | 135 |
| HCO?? | mg/L | 135 | 134 | 134 |
| SO?2? | mg/L | 3,200 | 3,300 | 3,400 |
| Cl | mg/L | 22,906 | 24,034 | 25,162 |
| F | mg/L | 66 | 66 | 66 |
| NO? | mg/L | 33 | 33 | 33 |
| Br? | mg/L | 30 | 30 | 30 |
| TDS | mg/L | 41,500 | 43,500 | 45,500 |

根据图1所示的海水最低矿物浓度要求，表1证实了从SWRO浓缩液中回收NaCl、溴和镁的可行性。尽管锂（Li）和铷（Rb）等微量元素具有较高经济价值，但其极低浓度使得提取技术上具有挑战性且经济上不可行。尽管如此，仍有研究者尝试通过不同工艺从浓缩液中提取这些元素[6][7][8][9][10]。但本研究优先考虑回收更丰富的离子（Na?、Mg2?、Br?），实际回收效率可达70-90%。

**2.1. 哈克勒示范工厂的盐矿开采工艺方案**
图2展示了主要的盐矿开采流程。通过两阶段集成回收方法从SWRO浓缩液中回收矿物：第一阶段采用纳滤（NF）系统分离二价离子和单价离子，NF渗透液送入膜浓缩器（MBC系统）；MBC浓缩后的溶液用于回收Mg离子，浓度可提升至210 mg/L，可循环利用或直接排放。MBC浓缩液进一步净化后富含NaCl，送入结晶器生成NaCl盐。

第二阶段则处理NF浓缩液中的二价离子，回收氢氧化镁（Mg(OH)?），随后通过煅烧生成氧化镁（MgO），并在高温下与碳反应生成镁金属。同时，结晶器产生的尾液用于提取溴，剩余废物排入淡化厂。这种集成工艺最大限度地提高了SWRO浓缩液的资源回收率，产生了NaCl盐、液态溴和镁金属等有价值的副产品，并减少了废物排放。图2展示了哈克勒盐矿开采工厂的工艺流程图。**工艺方案的质量平衡**

Haql盐矿开采示范项目第一阶段的质量平衡如图3所示。进入纳滤（NF）系统的反渗透（SWRO）盐水流量为22.6立方米/小时，产出生物盐水渗透液15.8立方米/小时和含有二价离子的NF废液6.8立方米/小时。NF渗透液的TDS（总溶解固体）为61,493毫克/升，流量为15.8立方米/小时，随后被送入膜式盐水浓缩器（MBC），在那里其浓度被提高到2.37立方米/小时，TDS约为208,093毫克/升。这种高浓度盐水被送往澄清器，以去除镁氢氧化物（Mg(OH)?）、碳酸钙（CaCO?）和硫酸钙（CaSO?）等杂质。澄清后的盐水流量为2.34立方米/小时，然后被送入结晶器，其中氯化钠被结晶分离出来。这一过程每天可生产6吨（每小时0.25吨）高纯度NaCl晶体。结晶器还产生一股流量为2.0立方米/小时的冷凝液，其TDS仅为40毫克/升，适合用作蒸汽发生器的进水或高质量饮用水。此外，还有一小股流量为0.3立方米/小时的废液，其TDS高达341,451毫克/升，这股废液被送往溴回收装置，利用空气吹扫冷脱除工艺每天可提取多达6.0公斤的纯液溴。

**图3. Haql盐矿开采示范项目（第一阶段）的质量平衡**

在第二阶段，NF废液将在碱性澄清器中经过进一步处理，生成镁氢氧化物（Mg(OH)?沉淀物，然后通过离心分离得到脱水后的Mg(OH)?饼。该饼在400–500°C下煅烧，生成氧化镁（MgO）粉末。最终，MgO粉末将用于镁生产设施中，以生产金属镁。

**2.3. 产品分析**

Haql示范项目生产的产品将依据不同的ASTM标准进行分析，以评估回收矿物和盐的纯度和成分。干结晶盐将按照ASTM E534-18标准进行化学纯度、水分含量和不溶性物质的检测[24]。在第二阶段工艺运行期间，液溴（Br?）将按照ASTM E649-24标准进行纯度评估，并检测潜在的污染物如Cl?、碘和非挥发性残留物[25]。同时，镁金属的成分分析将采用ASTM E1473-22标准[26]。

**2.4. 矿物提取**

根据盐矿开采示范项目的设计，将生产出高纯度的商业产品，包括干结晶盐、液溴（Br?）和镁金属。在第一阶段，Haql SWRO海水淡化厂产生的海水盐水将至少生产6吨/天的干结晶盐，NaCl纯度达到99.5%或更高。根据在沙特阿拉伯Al-Jubail的WTIIRA试点设施进行的试点研究，Haql盐矿开采示范项目生产的干结晶NaCl盐的具体特性和质量参数如表2所示。

**表2. 干结晶盐的指示性质量**

**3. 详细工艺设计**

Haql盐矿开采示范项目包含五个主要工艺，用于生产三种产品：NaCl、溴和镁金属。这些工艺如下：

- **NF系统** – 第一阶段
- **MBC系统** – 第一阶段
- **结晶** – 第一阶段
- **溴（Br）提取系统** – 第二阶段
- **镁（Mg）金属生产** – 第二阶段

**3.1. NF系统**

表3展示了进入NF系统的SWRO盐水的定量和定性分析结果。这些盐水成分基于Haql SWRO海水淡化厂的实际分析数据。SWRO盐水被注入NF系统，以分离二价离子（如Ca2?、Mg2?和SO?2?）和单价离子。NF膜主要阻挡二价离子，同时允许单价离子通过渗透液[27]。结果表明，NF膜对Ca2?和Mg2?的阻挡率在80-90%之间，而硫酸盐的阻挡率可达到98%。这种高阻挡效率主要归因于NF膜的孔结构，它允许单价离子通过，同时有效阻挡二价离子。这种分离是由于NF膜的孔径大小和离子尺寸所致[27]。

**表3. Haql工厂SWRO盐水/NF进水的定量和定性分析**

| 参数 | 单位 | 最大允许值 |
|----------------|-------------|-------------|
| 温度 | ℃ | 25 |
| pH | -8.2 | 8.2 |
| Ca2? | mg/kg | 600 |
| Mg | mg/kg | 44 |
| Nam | mg/kg | 370,212 |
| K | mg/kg | 3,048 |
| Srm | mg/kg | 36 |
| CO?2? | mg/kg | 40 |
| HCO?? | mg/kg | 88 |
| SO?2? | mg/kg | 24 |
| Cl | mg/kg | 625,328 |
| F | mg/kg | 4 |
| NO? | mg/kg | 76 |
| B | mg/kg | 20 |
| Br? | mg/kg | 48 |
| 总固体 | mg/kg | 1,000,000 |

**3.2. NF系统设计标准**

NF系统由一个单套装置组成，包含两个阶段，并通过中间泵送实现渗透液在膜上的均匀分布，以达到15.8立方米/小时的总渗透流量。系统设计如表5所示，采用3:2的压力容器配置，每个阶段有七个膜模块。这使得NF系统能够在70-75%的回收率下运行，同时实现目标渗透流量15.8立方米/小时。

**表5. NF膜系统设计配置**

| 阶段 | 总流量（m3/h） | 压力（bar） | TDS（mg/L） |
|----------------|-------------|-------------|-------------|
| 第一阶段 | 132 | 22.6 | 10.1 |
| 第二阶段 | 132 | 21.1 | 11.3 |
| 第三阶段 | 132 | 21.1 | 11.3 |
| 第四阶段 | 132 | 21.1 | 11.3 |
| 第五阶段 | 132 | 21.1 | 11.3 |

**3.1.2. NF膜系统组件**

表6总结了NF膜系统的关键设备和辅助组件，共包含20个主要单元。系统包括六个由耐腐蚀材料（如聚丙烯、高密度聚乙烯（HDPE）、玻璃纤维增强塑料（GRP）或热塑性衬里）制成的工艺罐。过滤由两个5微米滤芯组成：一个CIP（原位清洗）滤芯和一个进料滤芯。系统配备6台泵，主要采用聚丙烯或超级双相不锈钢（Super Duplex SS）制造，以确保高压下的耐用性。化学药剂添加单元，包括硫酸（H?SO?）和防垢剂添加泵，流量范围为0.5至5升/小时。这种设计确保了NF系统的稳定运行和高效性能。

**表6. NF膜系统的主要设备和辅助设备**

| 序号 | 设备名称 | 用途 | 制造材料 | 指示性容量 |
|----------------|----------------|----------------|----------------|----------------|
| 1. | RO盐水罐 | 地上式 | 聚丙烯/HDPE/GRP | 20立方米 |
| 2. | NF渗透液罐 | 地上式 | 聚丙烯/HDPE/GRP | 20立方米 |
| 3. | 冲洗罐 | 地上式 | 聚丙烯/HDPE/GRP | 9立方米 |
| 4. | 废液罐 | 地上式 | 聚丙烯/HDPE/GRP | 20立方米 |
| 5. | CIP罐 | 地上式 | 热塑性衬里钢 | 5立方米 |
| 6. | 硫酸罐 | 地上式 | 热塑性衬里钢 | 0.1立方米 |
| 7. | 防垢剂罐 | 地上式 | 聚丙烯/HDPE/GRP | 0.1立方米 |
| 8. | 进料滤芯 | 5微米 | 聚丙烯 | 30立方米/小时 |
| 9. | CIP滤芯 | 5微米 | 聚丙烯 | 25立方米/小时 |
| 10. | NF膜 – DK400 | SUEZ PA – NF-1 | 11 |
| 11. | 第一阶段元件外壳 | 8英寸FRP，兼容高氯离子 | 7个元件 |
| 12. | 第二阶段元件外壳 | 8英寸FRP，兼容高氯离子 | 7个元件 |
| 13. | 海水进料泵 | 离心式 | 聚丙烯 | 22.6立方米/小时 |
| 14. | 第一阶段增压泵 | 离心式 | 超级双相不锈钢 | 25立方米/小时 |
| 15. | 中间增压泵 | 离心式 | 超级双相不锈钢 | 9立方米/小时 |
| 16. | 渗透液输送泵 | 聚丙烯 | 15立方米/小时 |
| 17. | CIP泵 | 聚丙烯/SS | 16 |
| 18. | 硫酸添加泵 | 计量隔膜 | HCI兼容 | 0.5-5升/小时 |
| 19. | 防垢剂添加泵 | 计量隔膜 | 聚丙烯 | 0.5-5升/小时 |
| 20. | 静态混合器 | 聚丙烯 | 25立方米/小时 |

由于系统中存在高浓度氯化物溶液，可能会发生腐蚀。为了避免设备腐蚀，低压区域使用了聚丙烯材料（150级），高压区域使用了双相不锈钢（600级）。

**3.2. MBC系统**

膜式盐水浓缩（MBC）系统用于将NF渗透液浓度提高3倍以上，使总溶解固体（TDS）从大约61,000毫克/升提高到185,000毫克/升或更高。该MBC系统根据试点规模验证标准设计，以实现最低能耗，并为结晶系统提供合适的进料流，适用于所有范围的NF渗透液[23]。MBC系统采用渗透压辅助反渗透（OARO）膜，允许单价离子通过，同时产生高盐度渗透液。这减少了膜两侧的盐度差，从而将所需进料压力降低到80巴以下，提高了浓缩效率[28]。MBC产生的渗透液盐度与源海水相当，但去除了二价离子，使其可以回收到Haql SWRO海水淡化厂的进料系统中，以提高回收率和产水量。然而，在当前项目中，MBC渗透液通过废液管线排放。

**3.2.1. MBC系统设计标准**

设计了一个三阶段盐水浓缩（MBC）系统，以实现平均85%的回收率，如图4所示。该系统采用集成设计来实现目标。第一个罐（罐-1）提供380立方米/天的进料水，盐度为61,435毫克/升。经过滤芯和高压泵（HPP）处理后，进料盐水进入第一阶段OARO膜系统，回收率约为58%，盐分透过率为27.5%，产生323立方米/天的渗透液和9.7立方米/小时的浓缩液，盐度为129,455毫克/升。渗透液随后被回收到SWRO海水淡化厂的进料系统中，以提高回收率和运行效率。

**图4. MBC系统的工艺流程图和质量平衡**

第一阶段产生的9.7立方米/小时浓缩液与第二阶段罐-2提供的3.8立方米/小时盐水混合后，进入第二阶段OARO系统，回收率为54.3%，盐分透过率为40.41%，产生6.2立方米/小时的浓缩液，盐度为182,483毫克/升。第三阶段OARO系统进一步处理第二阶段产生的6.2立方米/小时浓缩液，回收率为58.2%，盐分透过率为52.3%，产生2.6立方米/小时的浓缩液，盐度为208,454毫克/升。第二阶段渗透液流量为7.4立方米/小时，盐度为104,000毫克/升，被返回罐-1；第三阶段渗透液流量为3.6立方米/小时，盐度为163,830毫克/升，也返回罐-2。此外，部分第三阶段浓缩液也被返回罐-2，以提高最终盐水的浓度。这种多阶段浓缩系统的设计优化了回收水量，并减少了通过逐级浓缩排放的盐量。

**表7. 当前工作中使用的MBC系统配置**

| 阶段 | 最大进料流量（m3/h） | 总容器数量 | 阶段 | 流量（LMH） | 回收率% | 盐分透过率% |
|----------------|----------------|------------|------------|------------|------------|------------|
| 第一阶段 | 125.4 | 3 | 7 | 26 | 10.25 | 3.6 | 27.5 |
| 第二阶段 | 132 | 2 | 7 | 21 | 7.7 | 24 | 61.0 |
| 第三阶段 | 132 | 2 | 7 | 21 | 17.7 | 24 | 61.0 |
| 总计 | 137 | 8 | | | | |

**表8. MBC系统产生的浓缩盐水成分**

表8列出了MBC系统产生的浓缩盐水成分，这些盐水将被送入澄清器去除钙和镁。表9提供了第一阶段MBC系统产生的渗透液的质量信息，这些渗透液可以回收到Haql SWRO工厂的进料系统中。然而，在当前项目中，第一阶段的渗透液将被排放到废水系统中。

**表9. 第一阶段MBC系统的渗透液质量**

表9提供了第一阶段MBC系统产生的渗透液质量信息。该技术通过结合反渗透和渗透侧的渗透抽吸来工作：在膜的渗透侧维持一种盐溶液，从而减少渗透压差，这使得水可以在比传统高盐度、高压反渗透（RO）更低的液压压力下从盐水中被去除。关键在于，OARO中的渗透压并没有被消除，而是通过盐溶液的抽吸流来管理和部分平衡，减少了泵必须克服的净压力。在OARO中，一系列具有不同盐排斥特性的高压膜以级联方式运行，逐步浓缩工艺流[21]。在整个浓缩过程中，膜两侧的最大渗透压差被维持在70-80巴以下，以限制所需的驱动压力。该系统还循环使用中间渗透流，以帮助平衡和维持渗透差。

OARO系统中的膜元件对于高效浓缩盐水至关重要。它们由薄膜复合螺旋缠绕聚酰胺膜组成，设计用于承受高达80巴的进料压力。其配置类似于标准的8英寸螺旋缠绕RO膜，便于集成到现有的膜系统中。

与OARO相关的关键操作挑战包括膜污染、无机结垢以及在高盐度条件下的通量降低。这些挑战通过分阶段操作、控制回收、添加阻垢剂和定期清洁协议得到缓解。通过将操作压力保持在临界渗透压限制（约70-80巴）以下，确保了膜的长期稳定性。

3.2.2 MBC系统的主要组成部分
表10概述了MBC系统的主要组件和辅助组件，包括23个关键组件。MBC系统包含两个用作进料罐的罐体，这些罐体由聚丙烯、HDPE或GRP制成，容积为5立方米。系统涉及多个泵，包括一个用于第一阶段的离心泵，流量为25立方米/小时，以及一个用于第二阶段的容积式泵，流量为8立方米/小时。CIP（原位清洗）泵也是一个离心泵，流量为20立方米/小时。过滤系统在第一阶段和第二阶段都使用5微米的筒式过滤器，其容量分别为25立方米/小时和8立方米/小时。

表10. MBC系统的主要设备和辅助设备。

| 序号 | 设备名称 | 运行状态 | 备用状态 | 制造材料 | 指示容量 |
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
| 1 | 第一阶段进料罐 | 启用 | 备用 | 聚丙烯/HDPE/GRP | 5立方米 |
| 2 | 第二阶段进料罐 | 启用 | 备用 | 聚丙烯/HDPE/GRP | 5立方米 |
| 3 | 第一阶段增压泵 | 启用 | 离心式 | 聚丙烯 | 25立方米/小时 |
| 4 | 第二阶段增压泵 | 启用 | 容积式 | Super Duplex SS | 8立方米/小时 |
| 5 | 第一阶段高压泵 | 启用 | 离心式 | 聚丙烯 | 25立方米/小时 |
| 6 | 第二阶段高压泵 | 启用 | 容积式 | Super Duplex SS | 8立方米/小时 |
| 7 | CIP泵 | 启用 | 离心式 | SS 316 | 20立方米/小时 |
| 8 | 第一阶段筒式过滤器 | 启用 | 5微米 | 聚丙烯 | 25立方米/小时 |
| 9 | 第二阶段筒式过滤器 | 启用 | 5微米 | 聚丙烯 | 8立方米/小时 |
| 10 | 第一阶段换热器 | 启用 | P&F或S&T | 钛板 | 250千瓦 |
| 11 | 第二阶段换热器 | 启用 | P&F或S&T | 钛板 | 170千瓦 |
| 12 | OARO膜 | 启用 | OAROTFC PA | 78.8平方米 |
| 13 | 第一阶段膜元件外壳 | 启用 | 8英寸FRP | 6个元件 |
| 14 | 第二阶段膜元件外壳 | 启用 | 8英寸FRP | 6个元件 |
| 15 | 第三阶段膜元件外壳 | 启用 | 8英寸FRP | 6个元件 |
| 16 | 硫酸加药泵 | 启用 | 隔膜热塑性材料 | 5升/小时 |
| 17 | 阻垢剂加药泵 | 启用 | 隔膜 | 聚丙烯 | 5升/小时 |
| 18 | 硫酸罐 | 启用 | 热塑性内衬钢 | 0.1立方米 |
| 19 | 阻垢剂罐 | 启用 | 聚丙烯/HDPE/GRP | 0.1立方米 |
| 20 | 冲洗罐 | 启用 | 聚丙烯/HDPE/GRP | 5立方米 |
| 21 | CIP罐 | 启用 | 热塑性内衬钢 | 10立方米 |
| 22 | CIP系统筒式过滤器 | 启用 | 5微米 | 聚丙烯 | 25立方米/小时 |
| 23 | 液冷式冷却器及泵 | 启用 | 离心式 | 风冷式 | 70千瓦 |

系统的热能集成由两个钛板换热器支持，分别为第一阶段和第二阶段提供250千瓦和70千瓦的冷却能力。总共有78张OARO膜安装在13个FRP膜元件外壳中。化学加药通过硫酸和阻垢剂泵完成，每个泵的流量为5升/小时，酸和化学品储罐的容积从0.1立方米到1立方米不等。其他支持单元包括一个10立方米的CIP罐、一个5微米CIP筒式过滤器（25立方米/小时）和一个70千瓦的风冷式冷却器及泵。整个MBC系统设计提供了高水回收率、有效的热集成和可靠的盐水浓缩过程操作。

3.3 清洁系统
MBC系统之后的清洁器的主要目的是将浓缩盐水中的Ca2+和Mg2+离子去除到允许热结晶系统生产出符合要求的纯度干结晶盐的水平。浓缩盐水在压力下直接从MBC系统输送到清洁器，在其中向盐水中注入氢氧化钙[Ca(OH)2]和一种聚合物。在线静态混合器确保充分混合，促进CaCO3和Mg(OH)2的絮凝和沉淀。

Ca2+和Mg2+离子的去除通过沉淀和随后的澄清过程实现。当由于在MBC进料中加入酸导致浓缩盐水中的CO32-浓度较低时，会添加纯碱与Ca(OH)2一起以增强CaCO3的沉淀。经过化学处理和澄清的盐水被收集到一个储罐中，然后被泵送到结晶器进行蒸发和盐结晶。

在清洁器中产生的污泥从料斗收集到一个污泥储存罐中，然后通过污泥泵泵送到离心机进行脱水，脱水后的固体含量约为25%。为了选择性沉淀，使用了两个清洁器，第一个在pH=9.5时去除CaCO3，第二个在pH>10.5时分别回收Mg(OH)2。回收的Mg(OH)2进一步加工成氧化镁（MgO），随后可以转化为金属镁（Mg）。

3.3.1 主要组件
主要清洁设备的详细信息如下表11所示。清洁系统的主要组件包括几种关键设备和辅助设备。石灰消化系统由聚丙烯/HDPE/GRP材料制成，容积为5立方米，安装在地面上，只有一个运行单元，没有备用单元。石灰加药系统也由类似材料制成，同样安装在地面上。聚合物加药系统也由聚丙烯/HDPE/GRP制成，安装在地面上，只有一个运行单元，而一个由GRP/SS 316制成的静态混合器确保了加药化学品与盐水的有效混合。

表11. 清洁系统的主要设备和辅助设备。

| 序号 | 设备名称 | 用途 | 备用状态 | 制造材料 | 指示容量 |
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
| 1 | 石灰消化系统 | 启用 | 聚丙烯/HDPE/GRP | 5立方米 |
| 2 | 石灰加药系统 | 启用 | 聚丙烯/HDPE/GRP | - |
| 3 | 聚合物加药系统 | 启用 | 聚丙烯/HDPE/GRP | - |
| 4 | 静态混合器 | 启用 | GRP/SS316 | - | 5立方米/小时 |
| 5 | 清洁器 | 启用 | GRP | 4小时 |
| 6 | 污泥泵 | 启用 | 螺旋式 | Super Duplex SS | 5立方米/小时 |
| 7 | 离心机 | 启用 | 电动 | Super Duplex SS | 10立方米/小时 |
| 8 | 清澄盐水罐 | 启用 | 聚丙烯/HDPE/GRP | 10立方米 |
| 9 | 污泥罐 | 启用 | 聚丙烯/HDPE/GRP | 2立方米 |

清洁器由GRP制成，安装在地面上，运行时间为4小时。污泥处理使用一个由超级双相不锈钢制成的螺旋式污泥泵，名义容量为5立方米/小时。提供了两个污泥泵——一个运行，一个备用，以确保不间断的服务。离心机也由超级双相不锈钢制成，容量为10立方米/小时，同样配备了一个运行单元和一个备用单元以确保可靠性。澄清盐水罐由聚丙烯/HDPE/GRP制成，储存容量为10立方米，而污泥罐由类似材料制成，安装在地面上，容量为2立方米。所有这些组件在连接到下游热结晶系统（TCS）之前都进行了完全集成。

3.4 热结晶系统（TCS）
使用热结晶系统（TCS），通过真空结晶结合MVR和强制循环，将MBC浓缩后的盐水转化为干结晶盐，从而提高结晶过程的能量效率和性能。在通过离心机脱水后，结晶盐的干固体含量约为97%（残余水分约3%），然后转移到热干燥器中去除剩余水分，产生纯度为99.8%（残余水分最多0.3%）的高纯度NaCl晶体。

除了生产结晶盐外，TCS还每天产生约48立方米的高纯度冷凝水，其TDS浓度低于40毫克/升，因此适合重新用作工艺用水和其他用途。此外，该系统还产生每天6-10立方米的富含溴的排放流，可以用于溴的回收，从而在循环经济框架内增加整体附加值和资源回收。

3.4.1 组件详情
TCS的主要组件概述见表12。TCS包含几个关键组件，包括结晶器、蒸汽发生器和离心系统。所有这些组件主要使用不锈钢316（SS316）和超级双相不锈钢（SDSS）制造，以实现极端操作条件下的必要耐久性和耐腐蚀性。

表12. TCS的主要主要和辅助系统。

| 序号 | 系统名称 | 运行状态 | 备用状态 | 制造材料 | 指示容量 |
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
| 1 | 结晶系统 | 启用 | 热结晶 - MVR | SS316/SDSS | 2.5立方米/小时 |
| 2 | 蒸汽发生器 | 启用 | 电动 | SS316 | 390千克/小时 |
| 3 | 离心系统 | 启用 | 电动 | SS316/SDSS | 13.5千瓦时 |
| 4 | 干燥系统 | 启用 | 电动 | SS316/SDSS | 5.5千瓦时 |
| 5 | 消泡加药系统 | 启用 | 聚丙烯/HDPE/GRP | - |
| 6 | 阻垢剂加药系统 | 启用 | 聚丙烯/HDPE/GRP | - |
| 7 | CIP清洗系统 | 启用 | SS316/HDPE/GRP | - |

结晶部分使用热结晶机制通过MVR生产结晶盐。该系统的最大进料率为2.5立方米/小时。每生产1立方米蒸馏液所需的电量为64千瓦时。蒸汽发生器利用电能产生总共300千克/小时的蒸汽，压力为1巴（g），以支持TCS内的结晶和干燥功能。离心分离装置也是一个电动装置，每次使用大约需要13.5千瓦时的能量，用于有效分离盐晶体和母液中的水分。

除了TCS的三个主要功能组件（结晶器、蒸汽发生器和离心系统）外，TCS还包括六个辅助系统。这些辅助系统包括热干燥器、消泡加药系统、阻垢剂加药系统、CIP清洗系统和大袋装填站。辅助系统使用多种材料制造，以提供结构完整性和对结晶过程中存在的各种化学物质的耐化学性。例如SS316、SDSS、HDPE和GRP等材料被用于制造辅助系统。

TCS中主要和辅助系统的组合功能提供了有效、可靠、高效和高纯度的盐结晶。这得益于TCS能够在结晶过程中处理大量高浓度盐水溶液的能力。

4. 工厂资本成本和能源消耗
本研究中的技术经济评估基于一个示范规模系统，该系统处理22.6立方米/小时的SWRO盐水，平均TDS为74625毫克/升，温度为25摄氏度。系统包括NF（反渗透）和基于OARO的MBC系统、澄清和热结晶单元，而上游的SWRO脱盐和下游的溴和镁提取单元未包括在内。由于进料是SWRO盐水，因此不需要预处理以去除悬浮固体。仅使用pH调整和阻垢剂化学品。Haql盐水采矿示范工厂第一阶段的资本成本估计为2240万沙特里亚尔，能源消耗约为521千瓦时。成本和能源消耗数据见图5和表13。沙特阿拉伯商业用电成本约为0.30沙特里亚尔/千瓦时。

图5. 海水采矿示范工厂（第一阶段）的估计资本成本。

表13. Haql盐水采矿工厂的估计电力成本。

| 序号 | 系统 | 安装千瓦 | 总千瓦时/天 |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| 1 | NF系统 | 35.16 | 4.58 |
| 2 | 基于OARO的MBC系统 | 87.31 | 31.52 |
| 3 | 清洁器 | 7.91 | 19.05 |
| 4 | 结晶器 | 33.05 | 19.57 |
| 5 | 盐水脱水及处理 | 19 | 23.45 |
| 6 | 其他 | 14.31 | 7.53 |
| 7 | 应急情况 - 5% | 24.83 | 8.55 |
| 总计 | 521.48 | 80.80 |

根据表13，当前系统的总能源消耗约为12,514千瓦时/天，相当于每立方米处理盐水的能量强度约为23千瓦时（12,514千瓦时/天 / 22.6立方米/小时 / 24小时/天）。根据典型的电网排放系数（0.7千克CO2/千瓦时），估计的碳足迹约为每立方米盐水处理量16千克CO2。这些数值明显低于传统热结晶系统，后者通常超过75千瓦时/立方米。这表明所提出的OARO膜集成方法在能源效率和温室气体排放方面具有显著的环境优势。此外，该系统还显著减少了需要最终处理的盐水体积，从而减少了对接收水体的影响。同时，它还能够从浓缩流中回收有价值的资源，提高了资源效率，并支持更可持续和循环的盐水管理方式。**结论**
通过零液体排放（ZLD）方法从反渗透（SWRO）产生的盐水中提取矿物和金属的盐矿开采技术，为解决盐水处理相关问题提供了一种高效且可持续的解决方案。WTIIRA（SWA）开发了一种创新工艺方案，该方案首先使用纳滤（NF）和OARO膜浓缩技术对SWRO盐水进行浓缩，随后进行盐结晶和金属提取。一座盐矿开采示范工厂已在Haql海水淡化厂内设计并正在建设中。该工厂的设计产能为每天生产约6吨NaCl盐、6公斤液态溴（Br）和0.1吨镁金属。然而，本文仅介绍了膜浓缩和结晶工艺的设计细节，包括物料平衡、工艺流程图（PFD）及设备配置。其中最具创新性的工艺是基于OARO技术的MBC系统，该系统采用三级OARO结构。通过逐级使用渗透性能逐渐提升的低能耗膜（从第一级到第三级），系统能够在保持渗透压低于70巴的同时，实现每级50–60%的渗透液回收率。这种经济高效且节能的方法使得Haql盐矿开采工厂能够将淡化盐水转化为有价值的资源，从而支持可持续的循环经济发展，并为实现联合国可持续发展目标（SDGs）做出贡献。

**作者贡献声明**
Muhammad Mubashir：撰写初稿、方法论设计、研究工作及概念构思。
Ghulam Mohammad Mustafa：监督工作、研究指导及概念构思。
Eslam Alwaznani：撰写稿件审查与编辑、项目管理工作。
Omar Al-Raqibah：撰写稿件审查与编辑。
Seungwon Ihm：研究工作及概念构思。