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源于水,溶于水

世界水日,水,能源

每年的3月22日是世界水日。联合国于1993年设立了这一纪念日,是为了提醒人们水对于人类的重要性。在这一天,所有国家都响应号召,围绕水的话题开展各种具体行动。2014年世界水日的主题是“水与能源”。这是一个重要但在公众之中却鲜有讨论的主题,强调了洁净的水资源与全世界不断增长的能源需求之间的联系。化学工业在这两方面都可以做出重要的贡献。

获得洁净的饮用水是人类生活的基本要求之一,但在世界的许多地方却仍然难以做到。目前全球大约有十亿人口——主要集中在亚洲和非洲——仍喝不上洁净的饮用水。据专家说,未来对水的需求将只会有增无减。据估计,每年八千万左右的人口增长意味着每年对水的需求将增长640亿立方米。

这一前景与能源的供给相类似:全世界有15亿人仍用不上电。水与能源之间的联系是很显而易见的。水在能源资源的开采中扮演着重要角色,在能源的生产中也同样重要,如水力发电、发电站以及地热能源等。在发电和供热中,水是动力的源泉,例如推动大型涡轮机的叶轮转动;同时水也被用于冷却。而另一方面,能源在农村地区的供水或灌溉的过程中也发挥着重要的作用。

 没有水,一切都无法运转

工业是用水大户。无论是用化石燃料发电还是核能发电,还是造纸之类的化工行业、或是电子产业,甚至在矿业、食品产业、炼钢或是汽车产业中亦复如是——没有 水,一切都无法运转。全球被利用的水总量的20%是用于工业加工之用的,地表水如河水和湖水等也来自地下水的补充。在高度发达的地区,如欧洲,这个比例甚 至高达60%,而发展中国家的工业用水所占的比例仅为近8%。在德国,多达84%的汲取水被用于工业领域。此外,热电站的用水量占到了其中的四分之三,主 要用于冷却的目的。单单为了满足德国的电力需求,平均每人每天就需要630升冷却水,不过这些水大部分在封闭的循环中发挥作用,不断进行回收再利用。

发电站里,将水用作冷却水、工业用水或接近纯净的软化水,需要复杂的化学和机械制备过程。这些给水通过使用离子交换树脂被基本软化和去矿物质。这是必要的步骤,否则水中所含的盐类和碱性物质会因发电站的高温而在加热的表面沉淀结垢,从而形成一个绝热层,阻碍热传递。由于这个原因,锅炉会出现热应力开裂甚至爆裂,而蒸汽则会造成涡轮的锈蚀、磨损和不平衡等问题。加工过的水之后被输入到发电站的冷凝回路中。在这个回路中,水被蒸发,用于发电和再冷凝。

在某些地方,在水处理过程的下游还需要第二个步骤,即“反渗透”,例如如果水中含有高含量的有机物质的话。这些物质也会导致涡轮和水蒸汽循环过程中其他部件的损坏。

 强大的过滤元件

III_1_Weltwassertag举例来说,在德国开姆尼茨市由能源供应商eins energie in Sachsen有限公司运作的热电站里,朗盛的膜滤元件大幅降低了水质的波动,特别是将有机物质过滤了出来。Lewabrane品牌的60个膜元件通过反渗透过程,每小时可净化50至60立方米的待处理河水,以用于蒸汽发电机。

这家发电站将来自开姆尼茨和茨肖堡地区的河水用于冷却和蒸汽发电。根据具体用途——冷却用水、工业用水、用于蒸汽发电的近乎纯净的软化水——复杂的机械和化学制备过程都是必不可少的。尽管使用离子交换树脂进行了软化和脱盐,水中仍然含有高含量的有机物质,可能会造成过量的热传导,从而损坏涡轮和水蒸汽循环过程中的其他部件。90%的输入水量作为补充给水被用于后续的工艺。

 IV_2_Weltwassertag发电站运营商通过使用上述膜技术可以实现将河水有机物杂质含量降低90%的目标。但是反渗透能做的事情还不止如此:例如,这种技术适用于为苦咸水或海水去盐,以从中汲取饮用水。

离子交换和反渗透膜技术互为补充,因此二者常常结合使用,以达到最佳效果。

 通过工艺优化减少水的消耗

由于工业生产工艺的不断变化和水处理方法的不断优化,水的消耗量可通过长年累月的多重使用而不断减少。化学工业的产品也为此而做出了重要的贡献。

例如,在五十年代中期的造纸工艺中,水可以反复使用2.4次,而现在则可以循环使用12次。如今,水在化学工业中平均循环利用28次之后才向下游的处理厂输出,在那里经过再度净化之后,可以再次输入到水流循环之中加以使用。

技术还在进一步地向前发展。化学是原材料水与能源生产之间的枢纽,发挥着重要作用。作为德国第四大产业的化工业不仅提供高效利用原材料水的创新方法,而且还为能源生产提供解决方案,节约资源,进而有助于可持续发展。化学工业角色的重要性在未来将日益凸显出来。