海水淡化：跳水价

　　在许多沿海地区，饮用水非常稀缺。海水淡化可以生产饮用水，但传统工艺需要消耗大量电力。西门子的工程师已经开发出使能耗减半的电动淡化技术。

　　新加坡降水非常丰富，很难想象这个热带国家也会遭受缺水的困扰。新加坡国土最宽处仅40千米，受陆地面积的限制，该国无法利用雨水或地下水满足其500万居民的饮用水需求。因此政府已经着手解决饮用水供应问题。新加坡已将大片土地改造成水库，开始从马来西亚进口部分饮用水，并且已经投运多座污水处理设施。

　　此外，新加坡政府将海水淡化视为其水管理系统的重要内容。海水淡化的问题在于，蒸馏和反渗透这两种常见工艺需要消耗大量电力。蒸馏的能耗最大，约为10度/立方米纯净水（kWh/m3）。反渗透较为经济，它的能耗约为40度/立方米。其中，高压泵运行的耗电量占大部分。高压泵用于使水穿过极细的薄膜过滤器。

　　因此，西门子水处理技术的工程师致力于寻找更高效的技术。早在2008年，他们便在实验室中创下了世界节能新纪录。为此西门子在新加坡政府发起的“新加坡挑战”竞赛中胜出，该竞赛要求海水淡化最大能耗率不超过4度/立方米。此后西门子致力于开发其工艺的商用化解决方案。2010年12月，西门子使用在新加坡公用事业局的帮助下建立的一座大型试验设施，展示其如何实现反渗透工艺一半的能耗。“这种新方法标志着海水淡化领域的一场革命。”SWTL开发总监Rüdiger Knauf博士说，“该试验设施表明，我们的技术不仅在实验室里有效，而且能够实现50立方米的日产能。”

　　两种工艺的结合。西门子海水淡化工艺的奥秘在于两种工艺的结合。首先，利用专门处理高盐含量的电渗析装置（ED）将盐分从海水中除去。然后，不断地对水进行电去离子（CEDI）处理，以除去少量的盐分。这种方法确保这两种工艺都在最佳条件下进行。此外，西门子的CEDI工艺得益于它作为市场领导者在生产制药用高纯水领域的经验。

　　详细原理如下：海水中的盐含量约为3.5%，而饮用水的盐含量最多只能为该含量的1/7。为了大幅降低盐含量，ED和CEDI工艺采用强大的电场。海水中的氯化钠（盐）由带电的离子构成，所以ED工艺让水穿过两个电极之间包含超过700个半透膜对的区域。而CEDI可保证较高的淡化能力。薄膜只允许正离子或者只允许负离子通过的膜交替排列。这些离子循着电场引力通过一层膜，然后被阻挡在下一层膜之前。

　　因此，盐含量低的水（即经稀释的水）聚集在每个膜对之间的区域。而盐分聚集在两边的区域，形成的浓缩液作为废水从系统中排出。当今新开发的膜允许将电渗析用于高盐浓度，如海水的盐浓度。Knauf说：“可以将这项技术与先进的电去离子技术相结合，在今后5年内开发出适销对路的产品。”

　　流经三个电渗析模块后，经稀释的水的盐含量下降到1%以下。此时电渗析脱盐不再高效，因此下一步是连续的电去离子工艺。在此工艺中，膜之间的离子交换树脂可大幅提高工艺效率。离子交换树脂从盐分中吸收离子并将之运送至膜。同时，通过吸收因水在强电场中的部分分离而形成的正负离子，该树脂可实现自我再生。

　　降低噪音和振动。该技术最大的好处在于，蒸发过程无需高能耗，过滤过程无需高压。需要克服的问题只有相对较低的膜电阻。相较于以前最常用的反渗透工艺，该技术还有其他优点，比如它无需使用高压泵，因而运行更加安全。该过程还产生较少的噪音和振动。由于使用塑料管，因而更耐腐蚀。过程之前和之后所需的水处理是最少的。此外，还可根据不同的电场强度，设置饮用水所需的矿物质含量。

　　西门子其他专家也参与了这一创新技术的开发。例如，西门子中央研究院（CT）在新加坡的专家正在研究膜的特性，意在优化所采用的新材料和生产技术。CT专家Andreas Hauser博士也贡献了自己的系统仿真知识。在未来三年，Hauser将与亚琛工业大学合作一个项目，该项目由德国联邦教育和科研部（BMBF）资助，旨在创建电渗析仿真模型。

　　其目标是使用极其强大的计算机在分子水平对工艺进行描绘，以便更加准确地揭示离子如何通过膜，以及在电场中的水流动态形式。Hauser说：“所得结果将用于西门子的产品开发活动。”从而研究人员便可进一步优化海水淡化工艺。“我希望我们开发出可为每位客户计算出最佳设施设计的软件，”Knauf如是道。

　　按照计划，到2012年年中，将在新加坡、美国和加勒比地区为客户将建成现场示范装置。这些装置将表明，尽管海水盐含量的地区差异非常大，这种新型低成本海水淡化技术，不仅能用于新加坡，也能在任何其他地方发挥作用。Knauf解释道，“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。”