The Future of Seawater Desalination: Energy, Technology, and the Environment
In recent years, numerous large-scale seawater desalination plants have been built in water-stressed countries to augment available water resources, and construction of new desalination plants is expected to increase in the near future. Despite major advancements in desalination technologies, seawater desalination is still more energy intensive compared to conventional technologies for the treatment of fresh water. There are also concerns about the potential environmental impacts of large-scale seawater desalination plants. Here, we review the possible reductions in energy demand by state-of-the-art seawater desalination technologies, the potential role of advanced materials and innovative technologies in improving performance, and the sustainability of desalination as a technological solution to global water shortages
Water scarcity is one of the most serious global challenges of our time. Presently, over one-third of the worldrsquo;s population lives in water-stressed countries and by 2025, this figure is predicted to rise to nearly two-thirds (1). The challenge of providing ample and safe drinking water is further complicated by population growth, industrialization, contamination of available freshwater resources, and climate change. At the same time, greater recognition of the broad societal and ecological benefits that stem from adequate water resources—economic vitality, public health, national security, and ecosystem health—is motivating the search for technological solutions to water shortages.
Several measures to alleviate the stresses on water supply should be implemented, including water conservation, repair of infrastructure, and improved catchment and distribution systems. However, while these measures are important, they can only improve the use of existing water resources, not increase them. The only methods to increase water supply beyond what is available from the hydrological cycle are desalination and water reuse (2). Of these, seawater desalination offers a seemingly unlimited, steady supply of high-quality water, without impairing natural freshwater ecosystems. Desalination of brackish groundwaters is also an option to augment water supply for inland regions; however, the management of brines from inland desalination plants is a major challenge because these plants are placed far from the coast.
There has been rapid growth in the installation of seawater desalination facilities in the past decade as a means to augment water supply in water-stressed countries (1, 3, 4). Notable examples are the large-scale seawater reverse osmosis (SWRO) desalination plants recently constructed in Spain (5) and Israel (6, 7). In 2016, the global water production by desalination is projected to exceed 38 billion m3 per year, twice the rate of global water production by desalination in 2008 (3).
Early large-scale desalination plants, mostly in the arid Gulf countries, were based on thermal desalination, where the seawater is heated and the evaporated water is condensed to produce fresh water (8). Such plants, still in operation in the Gulf countries, consume substantial amounts of thermal and electric energy, which result in a large emission of greenhouse gases (9). Excluding those in the Gulf countries, the vast majority of desalination plants constructed in the past two decades, as well as future planned facilities, are based on reverse osmosis technology (Fig. 1), where seawater is pressurized against a semipermeable membrane that lets water pass through but retains salt (4). Reverse osmosis technology has improved considerably in the past two decades, and current desalination plants can desalinate seawater with much less energy than thermal desalination (4, 9). At present, reverse osmosis is the most energy-efficient technology for seawater desalination and is the benchmark for comparison for any new desalination technology.
Fig. 1
Conceptual drawing of an SWRO desalination plant showing the various stages—seawater intake, pretr
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海水淡化的未来：能源、技术、和环境
- Menachem Elimelech*,
William A. Phillip
近年来，许多大型海水淡化厂都建在水资源紧张的国家，以增加可用水资源，并预计在不久的将来建设新的海水淡化厂。尽管海水淡化技术取得了重大进展，但与传统的淡水处理技术相比，海水淡化技术仍然需要更多的能源。也有人担心大型海水淡化厂对环境的潜在影响。在此，我们回顾了最先进的海水淡化技术、先进材料和创新技术在改善性能方面的潜在作用，以及作为解决全球水资源短缺的技术解决方案的可持续性，可能减少能源需求。
淡水紧缺在近年来是全球面临的一个严重挑战之一，到2025年，全球约有三分之一的人口生活在缺水国家，而且，这个数据还会增长到三分之二。 在未来提供提供充足、安全的饮用水的挑战受人口增长，工业化，可用淡水的污染，和环境改变的影响。与此同时，更大程度地认识到来自充足水资源的广泛社会和生态效益——经济活力、公共卫生、国家安全以及生态系统健康——正在推动寻求解决水资源短缺的技术方案。
应采取若干措施减轻供水压力，包括节约用水、修复基础设施和改进集水和分配系统。然而，虽然这些措施很重要，但它们只能改善现有水资源的使用，而不是增加现有水资源。除了水利循环之外，唯一增加水供应的方法是海水淡化和水再利用(2)。其中，海水淡化提供了一种看似无限、稳定的优质水供应，而不影响自然淡水生态系统。有盐味的地下水脱盐也是为内陆地区增加供水的一种选择;然而，内陆海水淡化厂的盐水管理是一个重大挑战，因为这些管路被放置在远离海岸的地。
在过去十年中，海水淡化设施的安装有了迅速的增长，这是在有供水压力国家增加供水的一种手段(1、3、4)。著名的例子是最近在西班牙(5)和以色列(6,7)建造的大型海水反渗透(SWRO)海水淡化厂。2016年，海水淡化的全球水产量预计将超过380亿立方米，是2008年海水淡化的两倍(3)。
早期大规模的海水淡化厂,主要在干旱的海湾国家,是基于热海水淡化、海水加热和蒸发水浓缩生产淡水(8)。这种工厂,仍然在海湾,消耗大量的热能和电能,导致大量温室气体的排放(9)。不包括那些在海湾国家,绝大多数的海水淡化厂建在过去的二十年里,以及未来计划设施,是基于反渗透技术(图1),海水被压在半透膜上，让水通过但保留盐(4)。反渗透技术在过去的二十年里,有了较大的改善,目前海水淡化厂可以用更少的能量比淡化海水热海水淡化(4、9)。目前，反渗透是海水脱盐最节能的技术，是任何新的脱盐技术比较的基准。
图1
SWRO海水淡化厂的概念图展示了不同阶段的海水吸收、预处理、反渗透、后处理和浓盐水处理以及它们与环境的相互作用。能量消耗的箭头的厚度表示不同阶段消耗的相对能量。
在这篇综述中，我们评估了能源效率、技术状况以及海水淡化的环境挑战。我们强调了主要的开放问题，未来的研究如何解决这些问题，以及需要什么新方法来推进海水淡化的科学和技术。
海水淡化的当前能源效率是什么，可以改进吗?
在过去的40年里，在SWRO工厂中驱动海水淡化所需的能量急剧下降(图2A)(4,8,10,11)。能源消耗的减少归因于持续的技术改进,包括预测膜、能量回收设备的安装,和更高效的使用泵(4)。可能操作海水淡化的步骤以能源消耗的速度使用新的1.8千瓦时/ m3,效果SWRO膜元素最近被证明在半工业规模控制系统恢复50%(11)
图2
(A)从1970年至2008年，SWRO工厂的反渗透阶段耗电量的变化(SOM文本)。水平虚线相当于35克/升海水脱盐所需的理论最低能量(1.06 kWh/m3)。所提供的能源数据不包括进气、预处理、后处理和浓盐水排放所需的能量。(B)海水淡化的理论最低能量为普通海水的百分比恢复功能:25克/升是坦帕湾河口海水的典型值，35克/升是海水的平均值，45克/升是阿拉伯湾水域的特征。在45 - 55%之间的恢复最低能量，大多数SWRO工厂的操作范围，都被强调了。(C)反渗透海水淡化系统的流动和压力的示意图。加压送料体积，VF，被送入包含半透膜的膜组件，它被分离成纯水渗透，VP，和含有保留盐的浓缩物，VC。在整个过程中，通过高压泵进入系统的能量消耗在几个点上。
了解从海水中分离纯水所需的最低能量，为比较提供了基准，并有助于指导未来进一步降低能源需求的努力。这一理论的最小能量，独立于脱盐方法，当分离发生时作为可逆热力学过程(12)而实现。因此，分离的能量大小相等，但与自由能混合(13)相反。混合的自由能与渗透压之间有密切的关系:
minus;d(Delta;Gmix)=minus;RTlnawdnw=Pi;sVmacr;macr;macr;wdnwminus;d(Delta;Gmix)=minus;RTlnawdnw=Pi;sVmacr;wdnw
1)Delta;GmixDelta;Gmixis混合自由能,R是理想气体常数,T是绝对温度,addison - wesley的活性水,西北是水的摩尔数,Pi;s是海水的渗透压,andVmacr;macr;macr;wVmacr;w是水的摩尔体积。这种最小能量和渗透压之间的联系与我们对反渗透的物理理解是一致的。为了推动水的体积无限小穿过半透膜,Vmacr;macr;macr;wdnwVmacr;wdnw,应用压力必须等于海水的渗透压。
将脱盐的理论最低能量作为百分比恢复的函数(即从Eq的积分得到海水转化为淡水的百分比。1(12,13)(图2B)。随着海水的盐度或期望的水恢复增加，海水淡化所需的最低能量也随之增加。例如，海水脱盐的理论最低能量为百万分之3.5(百万分之一)盐，而典型的50%的回收率为1.06 kWh/m3。然而，实际的能源消耗更大，因为海水淡化厂的规模有限，而且不作为可逆的热力学过程
在SWRO脱盐装置中，加压的海水，VF，被送入一个膜模块，其中一个纯水渗透，VP，和一个浓缩，VC，包含保留盐产生(图2C)。驱动这种分离的能量通过一个泵进入系统，这个泵将给料体积带来一个高压，PH。这需要能量等于VFPH。膜组件的浓缩物仍然含有等于VCPH的能量，可以通过使用能量回收装置回收并转移到饲料中。更有效的能量回收装置的发明对于降低海水淡化的能量消耗至关重要(4、8、14)。驱动水VPPH渗透的能量在需要将海水带入与渗透压相等的压力(即，即:、VPPi;s理论最低能量)和需要生成合理的水通量,需要的能量等于(PHminus;Pi;s)副总裁。
细胞膜渗透率的大小将决定超压(PHminus;Pi;s)必要生成合理的水通量。然而，无论膜的渗透性如何，施加的压力不能低于浓缩物的渗透压(15-17)。这一限制的含义对于研究反渗透的能量使用是至关重要的。反渗透模块使用几个系列的膜元素，从第一个元素到第二个元素的集中，以此类推。因此，施加给第一个元素的进料的压力必须至少等于浓缩物离开最后一个元素的渗透压。,PH值ge;Pi;c)(15 - 17)。当施加的压力等于浓缩液的渗透压时，系统被认为是在热力学极限下运行。在这个极限，动力学的考虑不再影响过程的能量消耗。对于一个在热力学极限下的系统，高渗透性膜可以通过减少膜面积来帮助降低资本成本，但它们不会降低能源消耗。能量消耗是由需要将进料体积增加到等于集中的渗透压的压力而设定的。
额外的能量，gt;1 kWh/m3，由海水淡化装置(4)的进气、预处理、后处理和盐水排放阶段消耗(4)。在这些阶段，在将原始海水送入反渗透阶段之前对其进行预处理，这是大部分能源使用的主要原因。能源消费的另一个来源是去除硼和氯化物的后处理满足灌溉用水的需求(6),氯化硼和减少到可以接受的水平,部分或全部产品的水通过一个或多个反渗透,增加了能源消费总量和资本成本(4、6)。
新奇的材料能降低能耗吗
反渗透脱盐过程的核心是一种半透膜，能够分离纯水和海水(18)。第一个具有这种分离能力的具有商业可行性的膜是一种不对称的醋酸纤维膜，它是在20世纪60年代早期发展起来的。这种类型的膜是迄今为止最好的技术，直到20世纪80年代发展出坚固的薄膜复合膜(20)。随着能力保持稳定在pH值范围大于纤维素基膜,薄膜复合膜表现出更高的内在水渗透率,因为他们极薄(~ 100海里)polyamide-selective层(图3)。水和盐等跨膜运输由solution-diffusion机制,在物种的第一个分区聚酰胺阶段然后扩散浓度梯度(21)
图3
A)用于形成薄膜复合(TFC)膜的界面聚合的示意图。单体m-苯二胺和三甲酰氯反应形成一种高度交联的聚酰胺层，它允许选择性地将水从盐中运输。超薄薄膜是通过在水和非混相有机溶剂如己烷中溶解在水中的m-苯二胺和三甲酰氯来制备的。在水溶液中浸泡一个多孔的支架，然后与有机溶液接触。产生的聚酰胺形成局限于两个溶液界面附近的区域。聚酰胺化学的一个缺点是酰胺键(在虚线框中突出显示)，容易受到氯和其他氧化剂的攻击。(B)显示TFC膜结构的微图(48)。膜截面透射电子显微图显示在多孔聚砜支撑上的极薄的聚酰胺层。聚酰胺层顶部的暗区是金纳米颗粒，用于在成像过程中获得聚酰胺和聚砜层的充分对比。(插图)聚酰胺表面的扫描电子显微图显示了这些薄膜的粗糙的山脊和山谷结构。(C) TFC膜的表面性质(49,50)。抗污膜光滑，具有表面化学性质(30);TFC膜不能满足所有这些约束条件，与它们的高污染倾向一致。(D)已经证明了抵抗蛋白或有机高分子粘附能力的化学反应:聚(环氧乙烷)(31)，如聚亚砜(33)，糖衍生分子(30)，聚甘油(34)。
在过去的几十年里，薄膜复合膜的制造和性能得到了很大的改善，几乎所有的反渗透脱盐操作都使用这种膜(18)。薄膜复合膜表现出约3.5times;10minus;12立方米水渗透率m Paminus;minus;2 1 sminus;1和99.6可以拒绝99.8%的盐溶解在海水饲料(10)。经验证据表明，在不牺牲选择性的情况下，很难进一步提高这些膜的透水性。
尽管薄膜复合膜有了很大的改进，但仍有一些缺点阻碍了它们的应用。制造技术还没有成功地扩展到中空纤维结构，从而提供更高的填充密度。此外，薄膜复合膜的表面特性(图3、B、C)使其容易产生污垢，从而降低了工艺性能。如果在饲料中加入氯或其他氧化剂，膜表面微生物的生长可能会减少甚至避免。然而，聚酰胺复合膜中的酰胺链(图3A)容易受到氯的攻击，必须非常小心，以防止膜暴露于氧化剂(23)。考虑到薄膜复合膜的局限性，以及先进材料制造方面的最新进展，人们自然会质疑这些先进材料是否可以用于改善SWRO的能源使用、 可靠性和环境影响。
近年来，超高渗透膜作为薄膜复合膜的潜在替代品受到了广泛的关注。认为增加膜的渗透性将降低驱动渗透所需的压力，从而降低反渗透海水淡化的能源需求。对于超高渗透膜的两种想法是基于将排列好的纳米管(24,25)或水通道(26)结合成一个屏障矩阵。其中，排列整齐的碳纳米管膜显示了迄今为止最大的潜力。碳纳米管排列的实验表明，水通量比传统的水动力理论(24,25)高出3到4个数量级。这些极高的水通量可能是由于纳米管壁的分子平滑性，水在纳米管内的结构(27)，以及纳米管内部光滑的能量环境(28)。值得注意的是，这些机制都不能提供选择性地拒绝溶解盐的方法。因此，必须将排斥离子的化学功能添加到纳米管孔口上，或者纳米管的直径必须足够小，可以根据大小筛选出溶液中的离子。纳米管内径为0.5 ~ 0.6 nm，理论上可以产生与薄膜复合膜相比较的分离。,99%的人拒绝)(27)。然而，到目前为止，还没有实验研究表明盐的排斥足以用于脱盐。如果这样的纳米管纳入膜孔隙密度到每平方公分2.5times;1011孔(24),膜会有水渗透率四到六倍高于当前薄膜复合膜(27)。
使用纳米管或基于水通道的薄膜所能节省的能量可能非常小。当前SWRO植物已经操作在热力学极限下,施加压力是只有10到20%的渗透压高于集中注意力,Pi;c(10、17)。这种额外的压力(PHminus;Pi;c)补偿摩擦损失沿膜通道,确保积极的净开车就在通道出口的压力。虽然这些膜可能会使使用更小的膜区成为可能，但这需要重新设计膜模块，因为高水通量引起的浓度极化已经阻碍了当前薄膜复合膜组件的性能(29)。此外，在较高的水流量中，膜污染加剧，进一步降低了超高渗透膜对SWRO脱盐的价值。
抗污膜的发展将提高SWRO的能源使用、可靠性和环境影响。尽管在抗污膜方面进行了广泛的研究，到目前为止，还没有开发出适合脱盐应用的膜。尽管如此，这些努力帮助建立了表面化学与薄膜之间的结构-性质关系，以抵抗诸如蛋白质等生物分子的粘附，这是理解有机物和微生物污染的关键。亲水的表面含有氢键受体，而且是电中性的，但不含氢键的供体，在抵抗蛋白粘附(30)方面是最好的。
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