文献解读丨海水淡化的能效与可持续性：基于热力学基准的全维度审视

三人行，必有我师焉；择其善者而从之，其不善者而改之。

——《论语・述而》

【今天解读海水淡化领域发表在《Nature Reviews Clean Technology》的综述文章《Energy efficiency and sustainability of desalination》，本文作者为 Ruoyu Wang、Yuanmiaoliang Chen、Menachem Elimelech 等，来自莱斯大学、上海交通大学、麻省理工学院等多家机构】

注：文献解读融合编者观点，非单纯翻译，欢迎指正。如涉侵权请联系删除。

全球水资源短缺是 21 世纪重大资源挑战，海水淡化已经从应急供水手段转变为干旱、半干旱地区基础供水核心技术，全球超过 170 个国家建有约 20000 座淡化厂，日产淡水约 1 亿立方米，供给市政、工业与农业用水。

现代海水淡化分为苦咸水淡化、海水淡化、高盐卤水处置三大应用场景。反渗透（RO）膜技术已经取代传统热法淡化成为行业主流。但淡化技术规模化扩张依然受制于能耗与环境负面影响。常规淡水处理能耗仅约 0.3 kWh m⁻³，而先进海水反渗透（SWRO）能耗普遍达到 3‑4 kWh m⁻³。

客观评判不同淡化技术优劣，不能只对比实测比能耗 SEC，必须引入“热力学极限基准”：它定义给定盐‑水分离目标下理论最小能耗，可以排除盐度、水回收率、产水水质带来的干扰，量化技术还有多大的节能改进空间。本篇综述使用统一热力学框架，分别剖析苦咸水、普通海水、超高盐卤水三类体系的能耗瓶颈、不可逆损失来源，同时覆盖取水、膜寿命、卤水处置、供电碳强度等全链条可持续性问题，为下一代海水淡化技术指明研发方向。

图 1｜海水淡化能量需求的热力学基础示意图。概括通用淡化系统、归一化最小比能耗、不同水体水化学势、能效与产水速率之间的固有权衡关系。

淡化理论：热力学极限与非理想电解质体系

任何海水淡化过程本质是对外输入功（电能 / 热能），把含盐进料分成低盐水产品和高盐浓卤水两股物流。“热力学最小功只取决于进料、产水、卤水的流量、组分、温度压力，和具体采用什么淡化技术无关”。

1）可逆等温分离的最小吉布斯自由能变化给出理论最低能耗，引入水回收率 WR、盐截留率 SR 两个无量纲指标，可以把最小比能耗SECmin用解析公式表达。实际工厂能耗和理论下限的差距来自“不可逆损失”：为维持实际产水通量必须施加额外驱动力，体现在泵、换热器、膜组件内部的熵产。

2）存在固有权衡：产水通量越高，需要的额外驱动力越大，不可逆损失上升，能耗随之增加；完全可逆过程能耗最低，但产水速率趋近于零，工程上无法实现。单级反渗透中，进料端渗透压低、外加压力过高，产生大量过压浪费；采用多级、间歇 / 半间歇操作可以重新分配驱动力，减少不可逆损失，但代价是系统复杂度提升、需要更大膜面积。

3）高盐卤水不能套用理想范特霍夫近似。高浓度盐水离子对、离子水化效应显著，活度系数偏离 1，必须采用 Pitzer‑Kim 等电解质模型计算渗透压与化学势。海水渗透压约 27 bar，而超高盐工业卤水渗透压可超过 150 bar，直接推高最低理论能耗；与之对比，不同产水（饮用水、超纯水）之间盐度很低，产水水质差异对理论能耗影响很小，主要影响后处理工艺。

图 2｜氯化钠溶液渗透系数：理想近似与真实电解质模型对比，高盐条件理想模型会带来显著误差。

苦咸水淡化：工艺配置比材料更关键

咸水淡化占全球淡化产能 21%，多用于内陆半干旱地区，进料总溶解固体 0.5‑35 g L⁻¹，渗透压远低于海水，但水质波动大，硬度、硅、有机物容易造成结垢污染。主流技术包含反渗透 BWRO、电渗析 ED、电容去离子 CDI 三类电化学 / 压力驱动工艺。

3.1 不同技术的适用窗口

• 反渗透 BWRO

  进料盐度＞5 g L⁻¹、高盐截留条件下比能耗最低；

• 电渗析 ED

  在低盐（＜3 g L⁻¹）区间具备微弱优势，但能耗优势幅度有限；

• CDI 电容去离子

  即便在有利工况，热力学能量效率通常低于 10%，受电极界面电势、充放电混合损失制约，规模化淡化不占优势，更适合选择性离子分离小众场景。

过去大量研究追求更高透水通量膜、更高离子交换容量膜、更高比电容电极，但模拟表明：

• BWRO 把膜透水性能从行业主流 3‑5 提升至 10 L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹，SEC 仅下降 2.6%，外加会加剧浓差极化与膜污染；

• 电渗析商用膜选择性已经＞95%，膜电阻只占堆体总压降 5% 以内；

• CDI 电极电容大幅提升，能效提升仍然不足 3%。

核心结论：单纯提升材料本征输运性能很难实现大幅节能，系统工艺构型改进收益更大。两级 BWRO 可以实现约 20% 能耗下降；闭路循环 RO 理论节能，但实际会带来过压、反向通量等附加损失。

同时苦咸水淡化不能只看能耗：高水回收工况下矿物结垢是硬性约束。部分场景电渗析抗结垢优势可以抵消其能耗劣势。技术选型必须综合能耗、结垢风险、药剂成本、可靠性，而不是只看 SEC 指标。

图 3｜苦咸水淡化：RO、ED、CDI 的能耗、热力学能效对比，膜与电极材料性能模拟结果。

海水淡化：已经逼近工程最低能耗

海水反渗透 SWRO 是技术最成熟的淡化路线。从上世纪 70 年代至今，SWRO 单元比能耗由＞15 kWh m⁻³ 下降至大型工厂约 2.5 kWh m⁻³，主要来自三层变革：聚酰胺复合膜问世、能量回收装置 ERD 迭代、高效率高压泵普及。

如今商业 SWRO 热力学效率已经达到 35‑50%，距离工程实用最低能耗缺口仅剩约 30%，单纯继续提升膜透水率已经很难取得可观收益。海水渗透压接近 30 bar，而克服膜阻力只需要几 bar 额外压力；再提高透水，SEC 降幅仅有 3‑4%，还伴随盐截留下降、浓差极化恶化、污染加剧等副作用。

4.1 多级 RO 的机遇与现实约束

两级 SWRO 可以重新分配全流程不可逆过压损失。模拟显示，搭配超高透水膜，两级方案理论最多可以实现约 15% 能耗降低。但现实中两级会抬升设备投资、增加运维复杂度，只有在同时需要提升水回收率的改造项目才具备经济性，很难作为普适解决方案。

4.2 预处理与后处理正在成为新的能耗底板

预处理 / 后处理能耗属于近乎固定的开销，不随盐分离程度变化，典型约 0.5 kWh m⁻³（按进料体积计）。随着 RO 本体不断逼近能耗下限，预处理的权重越来越大。如果可以把预处理能耗减半，系统总 SEC 可以下降 0.55 kWh m⁻³，还会改变最优水回收率的操作点。

想要降低预处理负担，重点不是更高透水膜，而是开发抗氯、抗污染、高硼截留的耐用膜材料，以此减少药剂消耗、清洗频次与后段精制工序。

图 4｜SWRO 工艺流程图、历史能耗演变、单 / 两级 RO 性能对比、预处理能耗对系统最优操作点的影响。

高盐卤水处置：MLD 与 ZLD，膜‑热耦合是出路

内陆苦咸水、工业产出水产生大量超高盐浓卤水；受法规限制，直接排放不可行，催生最小液体排放 MLD和零液体排放 ZLD需求。ZLD 目标实现 100% 水回收，产出固体盐渣；MLD 是折中方案，高水回收同时保留少量残余卤水。传统 ZLD 依赖机械蒸汽压缩 MVC 热蒸发，能耗极高，达到理论最低值 7‑8 倍。

常规 RO 受渗透压限制（商用设备最高约 80 bar），卤水浓度上限约 100 g L⁻¹。为突破盐度天花板出现几类新型膜工艺：

1. 高压反渗透 HPRO

   强化承压模块，操作压力提高到 100‑120 bar，最高浓缩到约 140 g L⁻¹，但依然达不到结晶所需 250 g L⁻¹；

2. 渗透辅助反渗透 OARO

   透过侧引入含盐扫掠流，降低跨膜有效渗透压差；

3. 低截留反渗透 LSRRO

   采用选择性降低的膜，允许部分盐跨膜，缓解渗透压差，需要多级串联才可以实现超高浓缩。

现实路径：不追求单一膜工艺直接完成 ZLD；采用膜预浓缩 + 热结晶混合系统。先用 RO 类工艺把进料浓缩到尽可能高，再交给热法处理少量残余卤水，显著降低整体能耗。MLD 场景下各类改进 RO 方案优势巨大；真正 ZLD 工况必须认真考虑电解质非理想效应，多级系统复杂度急剧上升，还要面对多组分卤水结垢、混合盐结晶难题。

图 5｜MLD/ZLD 处理工艺流程；HPRO、OARO、LSRRO 原理；不同工艺可达到的最大卤水浓度；MVC 和各类膜‑热耦合系统的比能耗对比。

全链条可持续性：跳出 SEC 看待海水淡化环境影响

分离单元本身已经逼近热力学极限，淡化系统可持续性更多取决于分离单元以外全流程环节，不能只用比能耗 SEC 单一指标评判技术好坏。

1）取水生态影响：海水取水造成水生生物撞击、卷挟；低流速筛网、地下取水可以缓解，但地下取水受水文地质、建设成本约束。

2）膜全生命周期：RO 膜寿命 3‑7 年，报废后大多填埋或焚烧。拓展方向：提升抗污染 / 耐氧化性能延长服役寿命；废旧膜降级再利用（改造为 LSRRO、纳滤膜）；组件回收；生物基膜基材开发。系统运行阶段碳排放远大于膜制造，材料创新必须做生命周期评估，避免 “制造端环保，运行端代价更高”。

3）卤水处置：

- 滨海厂：扩散器、高混合区排放可以减轻近海盐度扰动。

- 内陆厂：深井回灌、蒸发塘、MLD/ZLD。深井回灌存在地震风险，蒸发塘受土地气候约束。

- 卤水资源化回收矿物在理论可行，但多数场景受产品价值、提纯成本制约，难以普适推广，仅局部特殊卤水具备经济潜力。

4）电力供给的脱碳：

淡化本身不产生碳排放；碳足迹完全取决于电网碳强度。天然气供电 SWRO 约 1.46 kg CO₂e m⁻³；如果改用风光低碳电力，碳排放可下降 90% 以上。可再生能源不会改变淡化热力学下限，但直接决定淡化工程的气候影响。

图 6｜淡化全链条可持续性要素示意图，包含取水、排卤、膜循环利用、低碳电力、内陆卤水处置等策略。

总结与展望

7.1 综述核心科学认识

1. 海水淡化评价必须坚持统一热力学基准。最小分离功由进料、产水、卤水的组分与回收率决定，与技术路线无关；真实系统能耗‑产水速率存在固有权衡，不可逆损失分布由驱动力匹配程度决定。

2. 海水淡化已经告别依靠材料通量实现巨大节能的时代。
   

   海水淡化：节能增益更多来自系统配置、预处理 / 后处理优化。

   苦咸水淡化：多级工艺构型收益大于单纯改良膜 / 电极。

   高盐卤水：膜‑热耦合混合系统是现实可行路线，单一膜很难完成完整 ZLD 。

3. SEC（比能耗）不能作为唯一决策指标。水回收率、矿物结垢、药剂消耗、膜寿命、卤水处置成本、供电碳强度共同决定技术综合表现，最低 SEC 方案不一定是全生命周期成本最优方案。

1）材料层面：不是一味追求高透水，重点开发抗污染、耐化学清洗、高压稳定、高选择性膜；面向多组分复杂卤水的阻垢策略。

2）工艺层面：多级、间歇等构型需要权衡能耗、设备投资与运维可靠性；高盐体系要充分考虑电解质非理想行为，不能简单套用理想溶液模型。

3）可持续层面：取水生态、卤水管理、膜循环、电力脱碳，要做全生命周期评估，不能只看分离单元能耗。

7.3 未来方向展望：海水淡化的创新已经从追求大幅降低单位能耗，转向系统层面精细管控不可逆损失。

• 苦咸水方向：面向高水回收工况开发抗结垢工艺与材料，针对真实多变进料开展中试验证。

• 海水方向：挖掘预处理、后处理减负潜力，审慎评估多级工艺的综合经济性。

• 高盐卤水方向：发展膜‑热混合 MLD/ZLD 系统，攻克多离子共存下的结垢、混合盐结晶难题。

• 评价范式：坚持热力学基准对标，把环境、运维、经济指标纳入技术筛选，推动海水淡化真正实现大规模低碳可持续供水