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活性炭电吸附法:海水淡化成本不再是障碍

发布时间:2013/5/2 来源:河南浩祥净化

海水淡化是必然之选

资料显示,虽然我们地球有71%面积充满海水,淡水却不及总水量3%,扣除南北极冰盖,深地下水等等,人类可利用的淡水就不及0.37%了,因此是一个缺水的星球。

向海洋要淡水成为必然选择。

目前,世界上已有120多个国家在运用海水淡化技术获取淡水,全球有海水淡化厂1.3万多座,海水淡化日产量约5560万吨,相当于0.5%的全球用水量,可以解决1亿人的用水问题。

但成本和投资费用过高一直是制约海水淡化产业发展的主要障碍。

侯梦斌让海水淡化进入一元时代

已是满头银发的侯梦斌可能从没想过自己有一天会为海水淡化做出如此大的贡献。

今年72岁的侯梦斌,福州闽侯人,1982年从国家航天部某科研所退休后回到福州,此后投入到海水淡化的工艺改进当中。经过不懈努力,他发现,用以竹为原料的活性炭纤维材料制成电吸附法淡化海水所需的电极可以大幅减低成本。可将海水淡化的成本降到每吨1元以内。这使得用电吸附法淡化海水具备了大规模推广的可能。

“我是站在别人的肩膀上。因为活性炭不是我的发明,电吸附法淡化海水工艺也有一百多年的历史,国内也已经有一家企业在使用木质活性炭材料生产电极,我的贡献只是采用更为便宜的方法制成活性炭纤维材料而已。”侯梦斌说。

可就是侯梦斌说的“而已”之举却可使阻碍海水淡化产业化的成本问题不再是障碍。

成本有优势才具竞争力

目前,国际上海水淡化的主流技术是“热法”与“膜法”。我国海水淡化也基本采用这两种办法,比例分别占到34.8%和60%。

“膜法”和“热法”是根据去除海水中盐分过程中采用的方法进行区分的:“热法”基于淡水与盐分沸奌差异,加热海水就可蒸发收集淡水,低温多效蒸馏法、多级闪蒸法、压汽蒸馏法也属此类;“膜法”基于淡水与盐分分子形态与大小的区别,可以通过膜过滤截留盐分,滤得淡水。

“‘热法’与‘膜法’工艺各有优缺点,虽然不断进步,但成本还是很高。”侯梦斌说。

比如,“热法”的缺点是耗能高,“这种办法必须付出水的气化热能耗,成本太高,多数建设在火电厂等热源的附近,以后如果太阳能应用起来会缓解这一缺点,但是盐分在设备上结垢是个顽疾” 。

“膜法”在能耗方面较“热法”优越,因为不需要付出水的气化热能耗,但因为膜阻力大,过程中需要用到高压泵,实际能耗仅比热法低10%-20%。而且膜很贵价格不菲,寿命又短,每年有50%的衰减。此外,为了防止膜阻塞,要多级前处理,又要经常清洗再生。

“‘膜法’的主要专利与原材料国外控制,这块市场被日本、美国、韩国的5家企业几乎完全垄断了,高压泵这样的设备都要进口”。

侯梦斌的新突破使另外一种利用静电除盐理论的电吸附法淡化海水技术具备了和“热法”、“膜法”竞争的可能,从而具有广阔前景。

静电除盐的理论依据是法拉第的电解理论,在电场作用下,水中阴、阳离子或其他带电粒子会向带相反电荷的电极表面迁移,这样海水中的溶解盐类、胶体颗粒和其他带电物质就被吸附到电极表面。

实际上,电吸附法是一种很传统的海水淡化方法,之所以没有如同“热法”、“膜法”那样推广开来,就是因为成本问题。

找到一种低成本电极材料,成为研究电吸附法最为关键的环节。“最初,采用石墨作为电极材料,但石墨太贵,一吨要3万多元,电场吸附离子的同时,电极也会溶解。”侯梦斌说。

科学家们为此前赴后继,尝试过用活性炭粉、炭气凝胶、活性炭纤维、炭毡、炭布等多种材料来制备电极,并不断改进这些材料的制备工艺,降低材料的制造成本。

直到2000年,电吸附法重新焕发青春。

这一年,一个名叫孙晓慰的留美博士在常州创办了爱思特水务科技有限公司,利用自主研发的复合金属材料作为电极,采用电吸附法实现水的净化或淡化,电极成本大幅降低,使电吸附法水处理技术的总体成本低于“热法”和“膜法”。“从投资、运行成本数据来看,虽然电吸附法的一次性投资成本高,但运行成本要比那两种办法低得多”。

而侯梦斌找到了比孙晓慰更为低廉的电极制备材料。侯梦斌说,“据我所知,活性炭纤维布是目前做成电极的最理想材料,它既不会像石墨那样溶解,同时因为本身具有高吸附力。还顺带解决了电极吸附到的离子、盐分等的储存问题”。

此前采用石墨、复合金属材料制成的电极一般表面光滑,离子、盐分容易被吸附在电极表面,这样离子、盐分易重回到水中,或者会沉积到槽底,需要定期清理。“在建设海水淡化工程时,定期清理的成本也是运营成本中不小的开支。”侯梦斌说,更为重要的是,制作活性炭纤维布可以找到更低廉的原材料——竹子。“据我了解,孙晓慰的电极制备成本每吨大概在2万元左右,而使用竹基活性炭纤维布,成本可以低至8000多元。”