西门子反渗透膜海水淡化解决方案致力于降低电能消耗
来源：《第一财经周刊》 阅读：4540 更新时间：2012-07-02 15:53世界上大多数沿海国家和岛国来说都会面对这样的尴尬——被海水环绕，却一滴也不能饮用。毕竟这种超过3.5%含盐量的水，口味有点重。
比如，新加坡。它位处赤道附近，雨水充沛，四面环海，却同时也是世界上人均淡水资源占有量排名倒数第二的国家。它无法自给淡水，相反，主要依靠从邻国马来西亚进口水源，一天进口量达到9664万立方米才能满足它国内巨大的水源需求，这显然不是长久之计。
于是，2008年，新加坡政府举办了一次“新加坡挑战”的竞赛，要求参赛者提出的方案，至少让海水淡化最大能耗量不超过4度电/立方米。
西门子公司在这次比赛中胜出，并且在新加坡开始了海水淡化的规模化生产。
从1998年开始，新加坡政府就寄希望于通过海水淡化来解决水源问题——如果在技术上能行得通，它四面环绕的海水便随时可源源不断地转化为生活用水。因此新加坡实施“向海水要淡水”的计划。除了政府自行设计、建造和运营之外，新加坡还鼓励私人企业参与。
将海水中的盐分除去——从16世纪开始，就有人尝试着这样做。当时，欧洲的一些探险家在进行漫长的航海旅行时在船上安装简易的淡化装置，以备不时之需。但这些装置往往粗糙而低效。大多数时候，不过是在炉灶上煮沸海水。1850年，海水淡化技术实现了突破。它来自另一个行业制糖工业。为了生产结晶糖，需要消耗大量的燃料加热糖液，以蒸发掉其中的水分。一位名叫Norbert Rillieux的美国工程师，通过一个级联的多腔系统，让各腔之间压力递减，从而让水的沸点也在递减。这使得第一个腔中产生的水蒸气中的热量，可以在第二个腔中循环利用以加热其中的水使其蒸发。如此循环。引用到海水淡化上，这便是一种蒸馏技术—将卤水加热，使其部分蒸发，同时冷凝生成水蒸气。
随后，另一种更高效更经济的技术产生。这种给海水施加压力使其水分子透过半透膜而与离子分离的技术被称作反渗透技术。但坏消息是，这两种技术的能耗都不小。处理每立方米海水，前者的能耗为10度电，后者则为4度电。能耗成本约占总成本的70%至80%。也正因此，尽管新加坡政府大力推广，通过海水淡化途径提供的水量，也仅占新加坡总供应量的10%。按照新加坡公用事业局的计划，他们希望能够在2060年，海水淡化得到的水，满足新加坡总供应量的30%。
有没有办法既实现了海水的淡化，又能节省能耗？
使得西门子公司在这次竞赛中胜出的技术方案：同样采用反渗透技术，它能够将海水淡化每立方米的能耗量下降到创纪录的1.5度电。
它是这样做的：将海水淡化中的两道传统工艺结合在一起——先利用专门处理高盐含量的电渗析装置将大部分盐分从海水中除去，然后，不断地对水进行电去离子处理，以除去少量的盐分。
这一套技术方案，很大程度上受启发于西门子的另一项业务：生产制药用高纯水。
它背后的原理是，海水中的盐含量约为3.5%，而饮用水的盐含量最多只能是其中的几十分之一。为了大幅降低盐含量，海水淡化的工艺采用强大的电场，而海水中的盐，又称氯化钠，由带电的离子构成。
在后一道程序中，相较传统工艺，西门子反向操作——采用的薄膜不是让水分子通过，而是让离子通过。这样一来，操作的重点便从过去的获取水分，转变成抽取盐分。
具体而言，会有两种类型的薄膜在这里交替使用。一种只允许带正电的离子通过，另一种只允许带负电的离子通过。与此同时，管道系统的两侧安装有两个电极，它们产生的电压将正负电离子向两个相反的方向吸引，最终形成盐水和淡水。
新的问题又出现了。在这个过程中，随着盐度降低，水的电阻将增大，效率也不断降低。与此同时，经稀释的水的盐含量下降到1%以下。在这个时候，西门子开始采用持续电去离子系统来提取水中最后一部分盐。在这个系统中，薄膜层中间还加入了离子交换树脂，提高系统导电性，将更多离子从水中提取出来，从而使海水达到可饮用的标准。
“我们预计未来15年全球用水量将增加40%，这一套技术可以将海水淡化的能耗大幅降低，所以在很多淡水缺乏的地区都能使用。”西门子工业自动化集团水处理部总经理吴惠德说。比如，它无需使用高压泵，因而操作更加安全；它使用非金属管材，因而更耐腐蚀；它在海水淡化过程之前和之后所需做的水处理步骤是最少的；它产生更少的噪音和振动；它还可根据不同的电场强度，设置饮用水所需的矿物质含量。
现在，这套技术已经开始商用化。2010年，由新加坡政府出资400万新币，西门子在当地建立了一座大型工厂。现在，这个工厂每日的产量是50万立方米。另外一家更大规模的工厂正在建设中，预计2013年投产。
由于每片海水领域的盐含量不同，西门子位于德国的中央研究院通过研究膜的特性和创建反渗透仿真模型，以帮助这套工艺在新加坡以外的国家使用。西门子水技术公司（SWTL）开发总监Rudiger Knauf博士说，他们2012年年中在新加坡、美国和加勒比地区安装的现场示范装置将证明这一点。
这意味着，这套技术商用化的市场变得更加庞大。Knauf说：“我们预计未来15年全球用水量将增加40%，因此可持续的水供应极为重要。由于其实现了高能效与低二氧化碳排放的平衡，电化学海水淡化可以在缺乏淡水的地区大显身手。”
比如，中国。按中国的《海水利用专项规划》，2010年中国海水淡化规模达到日产80万立方米至100万立方米，2020年将增长到日产250万立方米至300万立方米。
现在，西门子已经将海水淡化确定为未来西门子在中国水处理市场要着重发展的三个方向之一。
已经有一些中国企业成为西门子的客户。比如，西门子已经为首钢京唐钢铁联合有限责任公司提供了海水淡化技术，将钢铁生产的热能用于海水的淡化处理以获得工业用水。而为大连化工大孤山项目提供的海水淡化技术也帮助这个项目实现2.2万吨的日处理能力。
