高从堦：海水淡化可有效缓解水资源供需矛盾
【人物简介】高从堦，男，1942年11月，中共党员，研究员、博士研究生导师。1965年毕业于山东海洋学院海洋化学系，1967-1969年参加全国海水淡化会战，1982年-1984年赴加拿大滑铁卢大学进修，从事膜分离研究开发工作40多年。1993年获国家有突出贡献的中青年专家称号，1995年5月评选为中国工程院院士。杭州水处理技术研究开发中心首席科学家，中国海水淡化与水再利用学会名誉理事长，中国膜工业协会和浙江省膜学会名誉理事长，国际《脱盐和水再利用》杂志编委，《水处理技术》杂志主编，中国海洋大学双聘院士，浙江工业大学海洋学院院长。
近年来，党和国家对海水淡化事业高度重视，海水淡化工作已列入一系列法律法规、规划纲要和重要文件中。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》指出：大力推进再生水、矿井水、海水淡化和苦咸水利用。《全国海洋经济发展“十二五”规划》明确提出加快海水利用事业，提升产业竞争力。2012年更是我国海水淡化事业备受瞩目的一年，《国务院办公厅关于加快发展海水淡化产业的意见》《国家发展改革委海水淡化产业发展“十二五”规划》《科技部、国家发展改革委海水淡化科技发展“十二五”专项规划》《国家海洋局关于促进海水淡化产业发展的意见》先后颁布实施，为我国海水淡化科技进步以及产业发展注入了强劲的动力，开辟了广阔的前景。
党的十八大提出了“建设海洋强国”的战略部署，伴随着新一轮海洋事业发展高潮的来临，无论是北方的辽宁沿海经济带、天津滨海新区、河北曹妃甸经济区和山东半岛蓝色经济区，还是南方的江苏沿海开发区、长三角经济区、浙江海洋经济发展示范区、福建海峡西岸经济区、珠三角蓝色产业带和北部湾经济区的规划与实施，都为海水淡化产业提供了巨大的市场需求和发展机遇，我国海水淡化事业已经驶入了发展的快车道。
近日，记者就海水淡化技术的现状和发展采访了中国工程院高从堦院士。
记者：“水危机”正在威胁人类生存，为什么说海水淡化技术是解决我国水资源匮乏的有效手段?
高从堦：水是生命之源，人类的一切活动都是起源于水;水是生产之要，是经济社会持续发展不可替代的基础资源;水是生态之心，是生物生命的载体，是能量流动和物质循环的介质，地球的生态系统与水紧密相关。
我国水资源总量居世界第6位，但人均为世界水平的四分之一，是世界上21个贫水国家之一。全国有400多个城市缺水，其中110多个严重缺水。水资源短缺已经严重影响到沿海社会经济的发展以及海防的安全。我国水资源面临的几大突出问题：人均水资源不足;时空分布不均;水体污染加剧;地下水开采过度;水浪费严重;极端和突发事件频繁;城市缺水严重;饮用水供用的安全问题：工艺陈旧、二次污染、消毒残留、水处理能力滞后、低下等。
水资源危机解决方案，有治污为本：清洁生产，污水资源化，保护水环境，流域水质保护，饮用水源地保护等;节流优先：高效用水的节水型社会，节约用水，水再利用;多渠道开源：合理开发，优先配置：地表水、地下水、雨水、海水、苦咸水、再生水、水资源循环利用;引水、蓄水、调水：实现水资源的时空转移，但不增加水资源总量。
向海洋水要淡水是我国现阶段解决水资源供应不足的战略选择。目前，海水淡化已成为我国沿海和海岛地区解决缺水问题的有效途径，已在我国的浙江、天津、山东、河北、辽宁、广东等沿海地区有广泛应用。应用领域主要为市政和电力、石化、钢铁等高耗水行业。海水取之不尽，供水不受气候影响，水质好且稳定;主要技术有膜法(反渗透)和蒸馏法(低温多效，多级闪蒸)，技术工艺已相当成熟;海水淡化已经成为世界各沿海国家解决水资源不足问题的有效途径，在中东地区、美国、以色列、西班牙、澳大利亚、新加坡等国家都有大量应用。目前世界上有将2亿多人口依靠海水淡化水生存和发展。
因此，通过海水淡化来解决水资源短缺、促进经济发展非常可行。在这方面技术发展已经成熟，而且这些技术还可以广泛应用于苦咸水淡化、废水处理，这对于解决中西部地区水资源紧缺同样大有可为。
记者:国际海水淡化产业的现状是怎样的?
高从堦：早在上世纪中叶，美国专设盐水局来推进水资源和脱盐技术进步，日本也成立了造水促进中心，推动海水淡化发展。目前，全球海水淡化日产量已接近一亿吨，其中80%用于饮用水，解决了几亿人的供水问题。中东地区海水淡化对整个水的供应差不多达到50%～65%，过去，中东及海湾地区树立了榜样，前几年，澳洲、非洲、西欧、日本等步子迈得更快，近几年的论坛来了不少国外企业，带来的技术和成果是一流的。
记者:与发达国家相比，我国海水淡化技术水平如何?
高从堦：我是1965年从海大毕业的，刚参加工作就赶上全国海水淡化大会战，从海洋局一所到二所，后来又到水处理中心，近50年来走南闯北，亲身经历了反渗透法、电渗析法、蒸馏法等技术的演进过程。50多年前我国海水淡化从电渗析和蒸馏法起步，后来开始研究反渗透技术，1975年开始研究大中型蒸馏技术，这些年，随着国内一批上规模的淡化装备陆续投入使用，海水淡化产业迎来了春天。沿海地区和岛屿的社会经济发展及海水淡化技术的成熟和成本的降低，促使社会对海水淡化的需求越来越大。舟山和长岛地区，几年内将逐步建成多个海水淡化站，滨海电厂和缺水城镇也在考虑海水淡化;北方滨海城市如大连和天津等，也在考虑用海水淡化水作为城市应急供水。
这说明，随着水资源短缺形势日益严峻，我国海水淡化技术的市场前景越来越广阔。
海水淡化技术在我国研发已有半个世纪，但真正规模化应用是从1997年开始。我国的海水淡化技术目前接近于国际先进水平，也引起了国际上足够的重视，但要达到国际领先水平还是远远不够的。2005年《全国海水利用专项规划》的发布，为海水利用提供了良好的政策环境，在蒸馏技术和反渗透技术方面，我国科研人员励精图治，进步不小。然而，具有自主知识产权的关键技术少、缺乏政策法规引导以及水资源开发利用市场机制不完善等，一直制约着海水淡化产业发展。
目前，我国海水淡化水日产量已近100万吨，约为全球的1%;膜价格从最开始的7、800元一平方米，降到100元左右一平米。我国海水淡化产能，从人口来说，还是相当不平衡的，我国相对比较落后，日产量不到百万吨级，国际上已有万吨级、十万吨级，国内万吨级已是一个飞跃。我国需要大型海水淡化厂，将国内领先同时做成国际先进。
记者：海水淡化有多种技术方法，能否通俗地讲一讲?
高从堦：从国际范围来看，海水淡化主要使用两个方法，一个是热法(蒸馏法)，一个是膜法(反渗透法)。
热法有多级闪蒸和低温多效技术。多级闪蒸技术，由于用的早，目前在热法海水淡化市场中占主要地位，今后不会有突破性进展，从投资、材料、能耗、运行管理等方面考虑，难以适合我国国情。由于低温多效的经济性，所以目前此技术发展比较迅速。膜法相比热法起步较晚，热法是上个世纪40、50年代逐渐开始发展起来，膜法则是起步于上个世纪60、70年代，膜技术较大规模用在海水淡化产业中是自上个世纪80年代才开始的，是近10多年来发展最快的淡化方法，1990年后，随着反渗透膜性能的提高，价格的下降，高压泵和能量回收效率的提高，反渗透法成为投资最省、成本最低的海水淡化技术。目前反渗透制水成本为4～5元/吨，蒸馏法制水成本6～8元/吨。
记者：您是膜方面的行家，为什么说膜分离技术是海水淡化的最有效手段?
高从堦：膜分离技术是在20世纪初期出现，20世纪60年代后迅速崛起的一门新技术，膜技术较大规模用在海水淡化产业中是自上个世纪80年代才开始的。膜分离的优点主要体现在：常温下选择性好，无化学变化，适应性强且能耗低。
膜技术就好像是信息产业的芯片，谁掌握了膜技术，谁就掌握了21世纪化工的未来。在国际上，海水淡化技术随着水资源危机的加剧得到了快速发展，在已经开发的十多种淡化技术中，蒸馏法、电渗析法、反渗透法都达到了工业规模化生产的水平，并在世界各地广泛应用，膜分离技术在其中占据着不可替代的地位。
对于海水淡化的大规模普及应用，未来水资源的可持续发展离不开海水淡化以及膜分离技术的提高，国家应对膜分离给予充分的重视和投资，政府要提倡和引导淡化水的使用，对于水资源耗费量大的企业要限制淡水的使用量，在政策法规上要明确鼓励用海水淡化水，对从事海水淡化的企业给予优惠待遇和产业政策扶持，同时，加快科研平台的建设和人员的培育，提高技术研发能力，加强企业竞争力，使得海水淡化产业健康快速地发展。
记者：目前反渗透膜技术是海水淡化最重要的技术，您能不能具体讲讲反渗透膜?
高从堦：把含聚合物的成膜溶液倒到玻璃板上，然后刮一层薄膜，在控制的湿度和温度下，蒸发一定的时间，然后放到水里面，当成膜溶液里的溶剂扩散到水里面，留下的聚合物就形成一层薄膜，即反渗透膜。反渗透膜是整个海水淡化系统的核心，有选择透过(半透过)性的功能，以压力差为推动力，可使水分子不断地透过膜，将水中的杂质，如可溶性盐分、离子、有机物、细菌、病毒等物质截留，从而达到淡化净化目的;最后将淡化的海水进行后矿化处理，使水质达到饮用水的要求。
与传统的电渗析、蒸馏法相比，反渗透膜技术最大的特点就是节能，生产同等质量的淡水，它的能源消耗仅为蒸馏法的1/3。世界上最早开始研究反渗透膜技术的是美国，1953年的时候，就把反渗透膜法海水淡化列到国家计划中。1967年，我参加了由全国多个科研机构组成的海水淡化会战，国外当时就报道了醋酸纤维素膜可以进行海水淡化，但是这个膜用什么样的醋酸纤维素好，用什么样的溶剂好，用什么样的添加剂好，在什么条件下能够做出来，不少都是保密的。从材料到配方，再到生产条件，每一个环节，都要经历上千次的实验和失败，经过不断的改良和分析，终于取得了重大突破。记得是1968年初做的膜，脱盐率达到96%以上了，水通量也达到了我们的预期指标，大家都非常高兴，看到希望了。这解决了我们国家海水淡化的反渗透膜从无到有的这个目标。
1967～1969年的全国海水淡化会战，为醋酸纤维素不对称反渗透膜的开发打下了基础，70年代，国家主要对中空纤维和卷式反渗透膜组件进行了研究开发，80年代和90年代主要对反渗透复合膜进行研究开发，并开始在我国水处理行业得到了应用。反渗透膜有个非常重要的指标是脱盐率，它从90%到95.0%，从99.0%到99.5%，再到目前的99.75%，不断地突破。
目前我国反渗透技术在材料、设备、工艺及集成技术和应用方面取得了一定的进展，但同时也有很大的发展进步空间。首先，反渗透复合膜技术将向着更节能、耐氯、耐热、耐污方向发展;其次，膜组器技术从板式、管式、中空纤维式向卷式发展，进一步结构优化和大型化;第三，关键设备不断改进，高压泵和能量回收装置得到了快速进步，向大型化化和低能耗的方向发展;第四，工艺过程持续开发，产业链向集成工艺发展，将充分利用核能、太阳能、风能等可再生能源，同时，实现浓海水资源的综合利用等。
记者：请您简单介绍下未来海水淡化的创新技术?
高从堦：仅举两个例子：目前已有公司发明出纳米级厚度的石墨烯膜，这种膜由于非常薄，用于海水淡化，所需的能耗更低，从而可进一步降低成本。石墨烯早在20多年前就被科学家们发现了，但在过去五年中，主要因为其电子的属性，科学界才对这种材料表现出很大的兴趣。它的最主要特性是纯碳以及苯环形式的二维聚合物结构，这种结构使其具有极高的强度。石墨烯膜的另一个优点是不容易结污垢，目前仍处于试验阶段。
另外，正渗透工艺以其能耗低、产水率高等优点，已成为近年来膜分离技术领域的研究热点之一，其在海水淡化领域的应用前景广阔。但正渗透工艺的关键在于汲取液的选择和正渗透膜的制备，目前正渗透膜元件和提取液还存在不足，不具备工业化条件，同时，正渗透工艺并不能单独地完成海水淡化过程，一般需要与另外的工艺进行耦合，如反渗透、纳滤等过程，从稀释的汲取液中分离出产品水和原汲取液。
记者：未来海水淡化技术的发展趋势?
高从堦：在海水淡化技术方面，我们将紧随世界先进技术的发展方向，向低能耗、环保型、低成本、大型化、高效率的趋势发展。
海水淡化的工艺方法主要还是热法和膜法两种，其中热法的发展趋势是发展低温多效海水淡化装置;膜法则是发展反渗透膜海水淡化装置，近年来正渗透法也引起了广泛兴趣。无论是热法还是膜法都朝着大型化、高效率、低成本的方向发展。在膜法海水淡化方面，随着大型化和超大型化海水淡化工程的实施，与之相应的取水、预处理、膜与膜组件、膜系统布局、高压泵、能量回收和浓盐水利用等方面也将开展新的研究;在低温多效蒸馏海水淡化方面，规模大型化、提高关键设备效率、提高系统造水比则是今后的努力方向。
在我国，海岛及船只、中西部苦咸水地区，对海水及苦咸水淡化都有较广泛的需求，因此，研究开发中小型或便携式海水淡化装置和苦咸水微咸水淡化装置是十分必要的;因地制宜研究开发新能源海水淡化装置，并力求经济可靠，是一个发展趋势。在有条件的地方，延长产业链，将海水淡化与制盐或盐化工相结合，一方面可以减少浓海水排海造成的环境和生态影响，另一方面也可以资源综合利用提高附加值。因此，浓海水综合利用技术(制盐、盐化工或提取镁、钾、溴等元素)的研发也是一个发展方向。
向海洋要甘泉，从无到有，从弱到强，从进口到自有知识产权，海水淡化技术走出国门。在政府的引导下，科研人员的努力下，中国海水淡化技术在走过漫长的50年后，终于进入了人们的视野，并走上了国际舞台。
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