高從堦：海水淡化可有效緩解水資源供需矛盾
【人物簡介】高從堦，男，1942年11月，中共黨員，研究員、博士研究生導師。1965年畢業于山東海洋學院海洋化學系，1967-1969年參加全國海水淡化會戰，1982年-1984年赴加拿大滑鐵盧大學進修，從事膜分離研究開發工作40多年。1993年獲國家有突出貢獻的中青年專家稱號，1995年5月評選為中國工程院院士。杭州水處理技術研究開發中心首席科學家，中國海水淡化與水再利用學會名譽理事長，中國膜工業協會和浙江省膜學會名譽理事長，國際《脫鹽和水再利用》雜志編委，《水處理技術》雜志主編，中國海洋大學雙聘院士，浙江工業大學海洋學院院長。
近年來，黨和國家對海水淡化事業高度重視，海水淡化工作已列入一系列法律法規、規劃綱要和重要文件中。《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十二個五年規劃綱要》指出：大力推進再生水、礦井水、海水淡化和苦咸水利用。《全國海洋經濟發展“十二五”規劃》明確提出加快海水利用事業，提升產業競爭力。2012年更是我國海水淡化事業備受矚目的一年，《國務院辦公廳關于加快發展海水淡化產業的意見》《國家發展改革委海水淡化產業發展“十二五”規劃》《科技部、國家發展改革委海水淡化科技發展“十二五”專項規劃》《國家海洋局關于促進海水淡化產業發展的意見》先后頒布實施，為我國海水淡化科技進步以及產業發展注入了強勁的動力，開辟了廣闊的前景。
黨的十八大提出了“建設海洋強國”的戰略部署，伴隨著新一輪海洋事業發展高潮的來臨，無論是北方的遼寧沿海經濟帶、天津濱海新區、河北曹妃甸經濟區和山東半島藍色經濟區，還是南方的江蘇沿海開發區、長三角經濟區、浙江海洋經濟發展示范區、福建海峽西岸經濟區、珠三角藍色產業帶和北部灣經濟區的規劃與實施，都為海水淡化產業提供了巨大的市場需求和發展機遇，我國海水淡化事業已經駛入了發展的快車道。
近日，記者就海水淡化技術的現狀和發展采訪了中國工程院高從堦院士。
記者：“水危機”正在威脅人類生存，為什么說海水淡化技術是解決我國水資源匱乏的有效手段?
高從堦：水是生命之源，人類的一切活動都是起源于水;水是生產之要，是經濟社會持續發展不可替代的基礎資源;水是生態之心，是生物生命的載體，是能量流動和物質循環的介質，地球的生態系統與水緊密相關。
我國水資源總量居世界第6位，但人均為世界水平的四分之一，是世界上21個貧水國家之一。全國有400多個城市缺水，其中110多個嚴重缺水。水資源短缺已經嚴重影響到沿海社會經濟的發展以及海防的安全。我國水資源面臨的幾大突出問題：人均水資源不足;時空分布不均;水體污染加劇;地下水開采過度;水浪費嚴重;極端和突發事件頻繁;城市缺水嚴重;飲用水供用的安全問題：工藝陳舊、二次污染、消毒殘留、水處理能力滯后、低下等。
水資源危機解決方案，有治污為本：清潔生產，污水資源化，保護水環境，流域水質保護，飲用水源地保護等;節流優先：高效用水的節水型社會，節約用水，水再利用;多渠道開源：合理開發，優先配置：地表水、地下水、雨水、海水、苦咸水、再生水、水資源循環利用;引水、蓄水、調水：實現水資源的時空轉移，但不增加水資源總量。
向海洋水要淡水是我國現階段解決水資源供應不足的戰略選擇。目前，海水淡化已成為我國沿海和海島地區解決缺水問題的有效途徑，已在我國的浙江、天津、山東、河北、遼寧、廣東等沿海地區有廣泛應用。應用領域主要為市政和電力、石化、鋼鐵等高耗水行業。海水取之不盡，供水不受氣候影響，水質好且穩定;主要技術有膜法(反滲透)和蒸餾法(低溫多效，多級閃蒸)，技術工藝已相當成熟;海水淡化已經成為世界各沿海國家解決水資源不足問題的有效途徑，在中東地區、美國、以色列、西班牙、澳大利亞、新加坡等國家都有大量應用。目前世界上有將2億多人口依靠海水淡化水生存和發展。
因此，通過海水淡化來解決水資源短缺、促進經濟發展非常可行。在這方面技術發展已經成熟，而且這些技術還可以廣泛應用于苦咸水淡化、廢水處理，這對于解決中西部地區水資源緊缺同樣大有可為。
記者:國際海水淡化產業的現狀是怎樣的?
高從堦：早在上世紀中葉，美國專設鹽水局來推進水資源和脫鹽技術進步，日本也成立了造水促進中心，推動海水淡化發展。目前，全球海水淡化日產量已接近一億噸，其中80%用于飲用水，解決了幾億人的供水問題。中東地區海水淡化對整個水的供應差不多達到50%～65%，過去，中東及海灣地區樹立了榜樣，前幾年，澳洲、非洲、西歐、日本等步子邁得更快，近幾年的論壇來了不少國外企業，帶來的技術和成果是一流的。
記者:與發達國家相比，我國海水淡化技術水平如何?
高從堦：我是1965年從海大畢業的，剛參加工作就趕上全國海水淡化大會戰，從海洋局一所到二所，后來又到水處理中心，近50年來走南闖北，親身經歷了反滲透法、電滲析法、蒸餾法等技術的演進過程。50多年前我國海水淡化從電滲析和蒸餾法起步，后來開始研究反滲透技術，1975年開始研究大中型蒸餾技術，這些年，隨著國內一批上規模的淡化裝備陸續投入使用，海水淡化產業迎來了春天。沿海地區和島嶼的社會經濟發展及海水淡化技術的成熟和成本的降低，促使社會對海水淡化的需求越來越大。舟山和長島地區，幾年內將逐步建成多個海水淡化站，濱海電廠和缺水城鎮也在考慮海水淡化;北方濱海城市如大連和天津等，也在考慮用海水淡化水作為城市應急供水。
這說明，隨著水資源短缺形勢日益嚴峻，我國海水淡化技術的市場前景越來越廣闊。
海水淡化技術在我國研發已有半個世紀，但真正規模化應用是從1997年開始。我國的海水淡化技術目前接近于國際先進水平，也引起了國際上足夠的重視，但要達到國際領先水平還是遠遠不夠的。2005年《全國海水利用專項規劃》的發布，為海水利用提供了良好的政策環境，在蒸餾技術和反滲透技術方面，我國科研人員勵精圖治，進步不小。然而，具有自主知識產權的關鍵技術少、缺乏政策法規引導以及水資源開發利用市場機制不完善等，一直制約著海水淡化產業發展。
目前，我國海水淡化水日產量已近100萬噸，約為全球的1%;膜價格從最開始的7、800元一平方米，降到100元左右一平米。我國海水淡化產能，從人口來說，還是相當不平衡的，我國相對比較落后，日產量不到百萬噸級，國際上已有萬噸級、十萬噸級，國內萬噸級已是一個飛躍。我國需要大型海水淡化廠，將國內領先同時做成國際先進。
記者：海水淡化有多種技術方法，能否通俗地講一講?
高從堦：從國際范圍來看，海水淡化主要使用兩個方法，一個是熱法(蒸餾法)，一個是膜法(反滲透法)。
熱法有多級閃蒸和低溫多效技術。多級閃蒸技術，由于用的早，目前在熱法海水淡化市場中占主要地位，今后不會有突破性進展，從投資、材料、能耗、運行管理等方面考慮，難以適合我國國情。由于低溫多效的經濟性，所以目前此技術發展比較迅速。膜法相比熱法起步較晚，熱法是上個世紀40、50年代逐漸開始發展起來，膜法則是起步于上個世紀60、70年代，膜技術較大規模用在海水淡化產業中是自上個世紀80年代才開始的，是近10多年來發展最快的淡化方法，1990年后，隨著反滲透膜性能的提高，價格的下降，高壓泵和能量回收效率的提高，反滲透法成為投資最省、成本最低的海水淡化技術。目前反滲透制水成本為4～5元/噸，蒸餾法制水成本6～8元/噸。
記者：您是膜方面的行家，為什么說膜分離技術是海水淡化的最有效手段?
高從堦：膜分離技術是在20世紀初期出現，20世紀60年代后迅速崛起的一門新技術，膜技術較大規模用在海水淡化產業中是自上個世紀80年代才開始的。膜分離的優點主要體現在：常溫下選擇性好，無化學變化，適應性強且能耗低。
膜技術就好像是信息產業的芯片，誰掌握了膜技術，誰就掌握了21世紀化工的未來。在國際上，海水淡化技術隨著水資源危機的加劇得到了快速發展，在已經開發的十多種淡化技術中，蒸餾法、電滲析法、反滲透法都達到了工業規模化生產的水平，并在世界各地廣泛應用，膜分離技術在其中占據著不可替代的地位。
對于海水淡化的大規模普及應用，未來水資源的可持續發展離不開海水淡化以及膜分離技術的提高，國家應對膜分離給予充分的重視和投資，政府要提倡和引導淡化水的使用，對于水資源耗費量大的企業要限制淡水的使用量，在政策法規上要明確鼓勵用海水淡化水，對從事海水淡化的企業給予優惠待遇和產業政策扶持，同時，加快科研平臺的建設和人員的培育，提高技術研發能力，加強企業競爭力，使得海水淡化產業健康快速地發展。
記者：目前反滲透膜技術是海水淡化最重要的技術，您能不能具體講講反滲透膜?
高從堦：把含聚合物的成膜溶液倒到玻璃板上，然后刮一層薄膜，在控制的濕度和溫度下，蒸發一定的時間，然后放到水里面，當成膜溶液里的溶劑擴散到水里面，留下的聚合物就形成一層薄膜，即反滲透膜。反滲透膜是整個海水淡化系統的核心，有選擇透過(半透過)性的功能，以壓力差為推動力，可使水分子不斷地透過膜，將水中的雜質，如可溶性鹽分、離子、有機物、細菌、病毒等物質截留，從而達到淡化凈化目的;最后將淡化的海水進行后礦化處理，使水質達到飲用水的要求。
與傳統的電滲析、蒸餾法相比，反滲透膜技術最大的特點就是節能，生產同等質量的淡水，它的能源消耗僅為蒸餾法的1/3。世界上最早開始研究反滲透膜技術的是美國，1953年的時候，就把反滲透膜法海水淡化列到國家計劃中。1967年，我參加了由全國多個科研機構組成的海水淡化會戰，國外當時就報道了醋酸纖維素膜可以進行海水淡化，但是這個膜用什么樣的醋酸纖維素好，用什么樣的溶劑好，用什么樣的添加劑好，在什么條件下能夠做出來，不少都是保密的。從材料到配方，再到生產條件，每一個環節，都要經歷上千次的實驗和失敗，經過不斷的改良和分析，終于取得了重大突破。記得是1968年初做的膜，脫鹽率達到96%以上了，水通量也達到了我們的預期指標，大家都非常高興，看到希望了。這解決了我們國家海水淡化的反滲透膜從無到有的這個目標。
1967～1969年的全國海水淡化會戰，為醋酸纖維素不對稱反滲透膜的開發打下了基礎，70年代，國家主要對中空纖維和卷式反滲透膜組件進行了研究開發，80年代和90年代主要對反滲透復合膜進行研究開發，并開始在我國水處理行業得到了應用。反滲透膜有個非常重要的指標是脫鹽率，它從90%到95.0%，從99.0%到99.5%，再到目前的99.75%，不斷地突破。
目前我國反滲透技術在材料、設備、工藝及集成技術和應用方面取得了一定的進展，但同時也有很大的發展進步空間。首先，反滲透復合膜技術將向著更節能、耐氯、耐熱、耐污方向發展;其次，膜組器技術從板式、管式、中空纖維式向卷式發展，進一步結構優化和大型化;第三，關鍵設備不斷改進，高壓泵和能量回收裝置得到了快速進步，向大型化化和低能耗的方向發展;第四，工藝過程持續開發，產業鏈向集成工藝發展，將充分利用核能、太陽能、風能等可再生能源，同時，實現濃海水資源的綜合利用等。
記者：請您簡單介紹下未來海水淡化的創新技術?
高從堦：僅舉兩個例子：目前已有公司發明出納米級厚度的石墨烯膜，這種膜由于非常薄，用于海水淡化，所需的能耗更低，從而可進一步降低成本。石墨烯早在20多年前就被科學家們發現了，但在過去五年中，主要因為其電子的屬性，科學界才對這種材料表現出很大的興趣。它的最主要特性是純碳以及苯環形式的二維聚合物結構，這種結構使其具有極高的強度。石墨烯膜的另一個優點是不容易結污垢，目前仍處于試驗階段。
另外，正滲透工藝以其能耗低、產水率高等優點，已成為近年來膜分離技術領域的研究熱點之一，其在海水淡化領域的應用前景廣闊。但正滲透工藝的關鍵在于汲取液的選擇和正滲透膜的制備，目前正滲透膜元件和提取液還存在不足，不具備工業化條件，同時，正滲透工藝并不能單獨地完成海水淡化過程，一般需要與另外的工藝進行耦合，如反滲透、納濾等過程，從稀釋的汲取液中分離出產品水和原汲取液。
記者：未來海水淡化技術的發展趨勢?
高從堦：在海水淡化技術方面，我們將緊隨世界先進技術的發展方向，向低能耗、環保型、低成本、大型化、高效率的趨勢發展。
海水淡化的工藝方法主要還是熱法和膜法兩種，其中熱法的發展趨勢是發展低溫多效海水淡化裝置;膜法則是發展反滲透膜海水淡化裝置，近年來正滲透法也引起了廣泛興趣。無論是熱法還是膜法都朝著大型化、高效率、低成本的方向發展。在膜法海水淡化方面，隨著大型化和超大型化海水淡化工程的實施，與之相應的取水、預處理、膜與膜組件、膜系統布局、高壓泵、能量回收和濃鹽水利用等方面也將開展新的研究;在低溫多效蒸餾海水淡化方面，規模大型化、提高關鍵設備效率、提高系統造水比則是今后的努力方向。
在我國，海島及船只、中西部苦咸水地區，對海水及苦咸水淡化都有較廣泛的需求，因此，研究開發中小型或便攜式海水淡化裝置和苦咸水微咸水淡化裝置是十分必要的;因地制宜研究開發新能源海水淡化裝置，并力求經濟可靠，是一個發展趨勢。在有條件的地方，延長產業鏈，將海水淡化與制鹽或鹽化工相結合，一方面可以減少濃海水排海造成的環境和生態影響，另一方面也可以資源綜合利用提高附加值。因此，濃海水綜合利用技術(制鹽、鹽化工或提取鎂、鉀、溴等元素)的研發也是一個發展方向。
向海洋要甘泉，從無到有，從弱到強，從進口到自有知識產權，海水淡化技術走出國門。在政府的引導下，科研人員的努力下，中國海水淡化技術在走過漫長的50年后，終于進入了人們的視野，并走上了國際舞臺。
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