過(guò)去十年來(lái)，在膜技術(shù)和材料科學(xué)進(jìn)步推動(dòng)下，海水淡化經(jīng)歷了加速發(fā)展。最近的技術(shù)進(jìn)步——如，基于壓力交換器先進(jìn)能量回收系統(tǒng)、更高效的反滲透膜、納米反滲透膜、創(chuàng)新的膜容器配置和高回收率反滲透系統(tǒng)——預(yù)計(jì)將進(jìn)一步降低海水淡化能耗和成本，并成為咸水源（即，海水、苦咸水和經(jīng)處理的廢水）淡化生產(chǎn)淡水成本下降的基石。

根據(jù)最近對(duì)高回收率系統(tǒng)進(jìn)行的全面測(cè)試，海水鹽度為35,000 mg/L和43,000 mg/L時(shí)，海水反滲透系統(tǒng)能耗分別為2.1 kWh/m³和2.9 kWh/m³。這樣的能耗與使用壓力交換器回收海水的傳統(tǒng)SWRO系統(tǒng)能耗相當(dāng)，但關(guān)鍵區(qū)別在于高回收系統(tǒng)的可持續(xù)回收范圍高出10~20%。為實(shí)現(xiàn)更高回收率而設(shè)計(jì)水廠的取水和預(yù)處理系統(tǒng)，可為新建水廠節(jié)省大量資金和制水成本，并能以相對(duì)較低的資金投入提高現(xiàn)有水廠的淡水生產(chǎn)能力。

尋求降低海水淡化能源消耗和淡水生產(chǎn)成本的最新趨勢(shì)是開發(fā)納米結(jié)構(gòu)（NST）反滲透膜，與現(xiàn)有傳統(tǒng)薄膜元件相比，它有更高的水通過(guò)效率。NST膜本質(zhì)是RO膜，包含隨機(jī)嵌入薄膜聚合物基質(zhì)中的單獨(dú)線性納米尺寸通道（管/顆粒），或者它們可以完全由簇狀納米尺寸通道（納米管）制成。

NST膜技術(shù)在過(guò)去10年中發(fā)展迅速，最近開發(fā)的NST膜要么在傳統(tǒng)膜中結(jié)合了無(wú)機(jī)納米顆粒，要么由密集排列的納米管陣列組成的高度結(jié)構(gòu)化的多孔膜制成。據(jù)報(bào)道，在幾乎相同高脫鹽率下，這些NST膜比傳統(tǒng)RO膜具有更高的比滲透性。此外，NST膜與在相同條件下運(yùn)行的傳統(tǒng)膜和RO膜相比，具有相當(dāng)或更低的污染率，并且可以設(shè)計(jì)用于增強(qiáng)特定離子的截留選擇性。

循環(huán)經(jīng)濟(jì)是全球經(jīng)濟(jì)可持續(xù)增長(zhǎng)的必由之路。例如，應(yīng)用循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式，海水淡化廠產(chǎn)生的鹵水可以作為提取高值礦物質(zhì)之來(lái)源，例如，鈣、鎂和氯化鈉，稀土元素——包括鋰、鍶、釷和銣——也可以從鹵水中提取。

最近，全球稀土元素市場(chǎng)壓力使稀有金屬可用性和供應(yīng)成為可持續(xù)發(fā)展討論和研究議程的前沿。這些金屬用于制造許多產(chǎn)品的關(guān)鍵部件，包括飛機(jī)、汽車、智能手機(jī)和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備。

人們?cè)絹?lái)越認(rèn)識(shí)到，清潔能源技術(shù)以及可持續(xù)產(chǎn)品、工藝和制造業(yè)開發(fā)和部署將需要大量稀有金屬和貴重元素，包括鋰、銅、鈷、銀和金等鉑族金屬。

最新的技術(shù)趨勢(shì)表明，鎂正在汽車、計(jì)算機(jī)和手機(jī)行業(yè)取代鋁，因?yàn)殒V的重量輕了30%以上。雖然世界上鎂的開采來(lái)源有限，但海水中含有大量的鎂，可以通過(guò)淡化鹵水濃縮，然后通過(guò)選擇性吸附提取來(lái)回收。

在過(guò)去幾年中，海水淡化行業(yè)開發(fā)了多種鹵水濃縮和礦物提取技術(shù)，以便能夠從鹵水中制造具有商業(yè)價(jià)值的產(chǎn)品。

與陸地采礦相比，從海水中提取礦物是一項(xiàng)更加環(huán)保的事業(yè)。此外，海水開采不需要淡水進(jìn)行加工，也不會(huì)產(chǎn)生大量需要處理的污染水或廢料。此外，這些新的鹽水濃縮技術(shù)還能大幅減少或完全消除向海洋排放鹵水的現(xiàn)象。

隨著鹵水資源化技術(shù)的發(fā)展，從鹵水中商業(yè)化提取高價(jià)值礦物質(zhì)（如，鎂、鋰和純氯化鈉）的收入可以抵消生產(chǎn)淡化水的成本，從而將淡化水從成本最高的可持續(xù)淡水供應(yīng)來(lái)源轉(zhuǎn)變?yōu)槌杀咀畹偷牡?yīng)來(lái)源。

鹵水資源化也可能是解決海水淡化能源可持續(xù)性挑戰(zhàn)的關(guān)鍵。下一代核電站將使用釷和銣代替鈾作為核燃料。功率在10到50兆瓦之間的小型核電站可為大中型海水淡化廠提供電力。這種新能源的主要優(yōu)勢(shì)在于，可以直接從海水淡化廠鹵水中提取足夠數(shù)量的原料。除了容易從鹵水中提取之外，這些稀土元素的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它們不能被用于制造核武器，從而使海水淡化鹵水成為和平利用原子能的新原料，為人類帶來(lái)更大的利益。

用于咸水和海水反滲透膜清洗的化學(xué)品通常與牙膏、肥皂和商業(yè)洗滌劑中使用的化學(xué)品相同。反沖洗水和膜清洗水通常經(jīng)過(guò)處理以去除固體或其它污染物，然后，再加入海水淡化濃縮液中排放。而現(xiàn)代淡化廠采用的最先進(jìn)海水淡化工藝中使用的化學(xué)品非常有限。

在海水淡化各種處理過(guò)程中添加的所有化學(xué)品均為食品級(jí)，可生物降解，并經(jīng)過(guò)特別篩選，不會(huì)對(duì)水生生物產(chǎn)生毒性。海水淡化廠排放物對(duì)海洋生物也無(wú)毒、無(wú)害，而且設(shè)計(jì)為可迅速降解，不會(huì)對(duì)周圍海洋生態(tài)系統(tǒng)造成永久性改變。

最近，海水淡化已轉(zhuǎn)向無(wú)化學(xué)物質(zhì)淡化，并從濃縮液中回收有價(jià)值的礦物質(zhì)和稀有金屬，預(yù)計(jì)海水淡化將成為本世紀(jì)最環(huán)保、最可持續(xù)的供水替代方案之一。

在過(guò)去五年中，許多擁有大型海水淡化廠的國(guó)家，如，澳大利亞、西班牙、沙特阿拉伯和中東其它地區(qū)，都開始實(shí)施綠色海水淡化綜合計(jì)劃，旨在減少海水淡化生產(chǎn)過(guò)程中化學(xué)品的使用量和種類。這些計(jì)劃將利用海水淡化技術(shù)和科研最新進(jìn)展，最終把所有現(xiàn)有設(shè)施改造成不含化學(xué)物質(zhì)的海水淡化廠。

海水淡化廠過(guò)去一直使用次氯酸鈉對(duì)進(jìn)水進(jìn)行氯化處理，以抑制海洋生物在進(jìn)水管道和反滲透膜上的生長(zhǎng)。近十年前，大多數(shù)海水淡化廠經(jīng)營(yíng)者都放棄了這種做法，目前，每月只使用一到兩次氯化，每次6~8個(gè)小時(shí)。此外，一些海水淡化廠管理者不對(duì)進(jìn)水口海水使用任何消毒劑，因?yàn)樗麄兏敢馐褂煤Ｋ瘡S預(yù)處理系統(tǒng)來(lái)控制生物污染，而不是使用化學(xué)品。

氯化鐵和硫酸鐵是目前常用的海水預(yù)處理混凝劑。過(guò)去，這些化學(xué)藥劑投加速度恒定，投加量相對(duì)較高。海水淡化行業(yè)已采用自動(dòng)監(jiān)測(cè)海水中固體含量，并根據(jù)水中懸浮固體實(shí)際含量按比例自動(dòng)調(diào)整混凝劑用量。過(guò)去10年間，全球大多數(shù)工廠都采用了這一運(yùn)行策略，從而將混凝劑使用量減少到過(guò)去的一半以下。

直到十年前，許多海水淡化廠還在使用酸和絮凝劑來(lái)優(yōu)化水處理化學(xué)過(guò)程。現(xiàn)在，大多數(shù)先進(jìn)的海水淡化工廠和有經(jīng)驗(yàn)的工程師都不再使用酸和絮凝劑進(jìn)行預(yù)處理，而是依靠?jī)?yōu)化的預(yù)處理系統(tǒng)和操作來(lái)管理水處理的化學(xué)過(guò)程。

直到2010年，許多海水淡化廠還在普遍使用防垢劑和氫氧化鈉，主要是為了防止海水淡化水中的硼被去除而結(jié)垢。2011年，世界衛(wèi)生組織將飲用水中硼的指導(dǎo)限值從0.5 mg/L提高到2.4 mg/L，自此以后，大多數(shù)海水淡化廠不再添加氫氧化鈉和防垢劑。

在采用不含化學(xué)物質(zhì)、以可再生能源為基礎(chǔ)的新技術(shù)方面，下一步是使用從鹽水中提取的鈣來(lái)對(duì)淡化水進(jìn)行后處理，而不是使用市場(chǎng)上供應(yīng)的鈣化合物，如，石灰。

從海水中分離鹽分需要大量能源，以克服反滲透膜上自然產(chǎn)生的滲透壓。盡管海水淡化生產(chǎn)飲用水的碳足跡高于利用傳統(tǒng)淡水資源生產(chǎn)飲用水，但卻小于其它提高生活質(zhì)量的人類活動(dòng)，如，冷藏食物、加熱洗澡水、駕駛私家車或乘坐飛機(jī)。

目前，大多數(shù)海水淡化廠都使用化石燃料發(fā)電。不過(guò)，澳大利亞最近幾家SWRO海水淡化廠實(shí)施了風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目，其發(fā)電量與海水淡化廠用電量相當(dāng)。幾個(gè)中東和北非國(guó)家已主動(dòng)開發(fā)了強(qiáng)大的可再生能源發(fā)電廠組合，為海水淡化提供電力。

在探索可再生能源替代方案的同時(shí)，美國(guó)、沙特阿拉伯和歐洲的世界領(lǐng)先研究中心正在開發(fā)新一代能源回收裝置、高壓泵和膜，旨在將海水淡化總能耗降至2.45 kWh/m³以下，反滲透海水淡化的能耗需求降至1.8 kWh/m³以下。這些進(jìn)步將使海水淡化廠的總能耗和碳足跡減少30%以上。

自2001年引入第一臺(tái)壓力交換器以來(lái)，這項(xiàng)顛覆性技術(shù)已將海水淡化能源回收效率從75%提高到96%。不過(guò)，仍有機(jī)會(huì)將能量回收率提高到理論最高值99%。

隨著大型和超大型海水淡化項(xiàng)目逐漸成為行業(yè)主流，其復(fù)雜性也隨之增加，給工廠運(yùn)營(yíng)可用性和可靠性帶來(lái)了挑戰(zhàn)。通過(guò)以下方法可以進(jìn)一步改善設(shè)備運(yùn)行并減少停機(jī)時(shí)間：