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膜分离在海水淡化中的应用窗体顶端摘要：20世纪以来，我国的淡水水资源危机日益凸显，为了提高水资源的利用率，海水淡化成为广大学者研究的重要课题。与此同时，在海水淡化中发挥着十分重要的作用的膜分离技术应运而生，具有低能耗的明显优势，并得到国际广泛认可和重视。本文就从我国海水淡化的现状出发，重点分析膜分离技术在海水淡化中的具体应用，进而展望其发展前景，为海水淡化事业提供指导借鉴窗体顶端【关键词】膜分离技术；海水淡化；开发前景窗体底端窗体顶端1、海水淡化现状概述窗体底端窗体顶端1.1关键设备得以改善 海水淡化中，膜脱盐用的关键设备是必不可少的一部分，其中能量回收装置与高压泵等关键设备发挥着功不可没的作用。如今，这些海水淡化所用的关键设备得以不断改善，如能量回收装置更新换代的速度不断提高，海水淡化的效率不断提升，日益成为低能耗的关键设备，并且被广泛应用在大型海水淡化工程中。1.2工艺过程日益成熟 随着海水淡化技术的不断进步，相关工艺过程已经比较成熟，成本能耗不断下降。其中反渗透膜分离技术经历了一级海水淡化工艺、高压一级海水淡化工艺、高效两段法、nf淡化工艺、集成过程以及其他工艺过程，这些过程在丰富的经验之下变得十分成熟，使得我国海水淡化工程数量不断增加，技术经济指标已经达到世界先进水平。目前，我国海水淡化技术基本成熟，已建成具有自主知识产权的千吨级和万吨级示范工程，是完全独立掌握海水淡化技术的少数几个国家之一。1.3膜分离技术的持续进步窗体顶端窗体底端窗体顶端 海水淡化事业的不断发展，离不开日益进步成熟的膜分离技术，其中膜性能和组器技术进步十分大。自从20世纪80年代以来，膜性能价格不断降低，技术不断改进，从而使得反渗透海水淡化的成本日益下降，其强大的竞争力得到国际市场的青睐和认可窗体底端窗体顶端2、膜分离技术在海水淡化中的具体应用 窗体顶端2.1正渗透膜分离技术的应用 正渗透膜分离技术（forward osmosis，fo）实行的过程中，通过水渗透压的作用下，从低向高渗透压侧中扩散，也就是纯水一侧渗透到浓盐水一侧。其工作基本原理是，往纯水中加入某种溶质，从而制备成一种驱动液，从而利用其形成的高于盐水的渗透压，促使盐水中的水经过膜进入到驱动液之中，接着将水与驱动液分离，最终得到可以食用的净水。fo技术应用于海水淡化中，不需要借助外界的压力，只是单纯依靠水的渗透压，因此，具有低能耗、无二次污染的优势，可以作为反渗透膜分离技术的补充，共同为解决人类水资源危机做出一定的贡献。2.11窗体顶端2.1.1早期研究fo 用于海水淡化是其研究最为广泛的领域之一。早期的应用研究主要见于一些专利中，但这些技术大多不太成熟，因而可行性不高。batchelder4将挥发性物质（so2）溶于海水或淡水中制成 “提取液”，利用 fo 工艺从海水提取淡水。当提取液被产水稀释到一定程度时，停止 fo 过程，提取液内的挥发性溶质可以通过加热或气提的方式从液相去除。该专利没有对膜产水通量和脱盐率进行定量。1965 年，glew5首次提出了将提取液中的溶质进行分离和循环。1972 年，frank6利用可沉盐（硫酸铝）作为洁净的产水，过量的钙可通过投加硫酸或 co2产生硫酸钙或碳酸钙沉淀来去除。1975 年，kravath7发明了一种利用醋酸纤维素膜进行海水淡化的正向渗透工艺。最初的试验采用葡萄糖溶液作为提取液，进一步的试验采用葡萄糖的海水溶液作为提取液。该工艺可在海上救生船应用，水分从海水中渗透到葡萄糖提取液中，经稀释的葡萄糖提取液可作为短期的养分摄取之用。1989 年，stache 8 对 kravath 的方案进行了扩展，将浓缩的果糖溶液盛于一个膜袋中作为提取液，果糖的溶解度大，具有很高的“渗透势”，能产生很高的渗透压。将膜袋进入海水中，水不断扩散进入膜袋，直至果糖溶液被稀释至一定的程度。此法可进行小体积的海水脱盐，同时生产出富含养分的饮品。与kravath 的发明一样，该工艺不对提取液进行处理，因为果糖液是用于直接摄入之用。窗体顶端1992 年，yaeli9使用蔗糖溶液做提取液，采用fo 膜和低压 ro 膜组合，发明了一套连续流的海水淡化工艺。海水经 fo 处理后，水分进入蔗糖提取液；稀释后的蔗糖液进入 ro 系统，采用疏松的低压反渗透膜分离并浓缩蔗糖液，并回流至 fo 单元，使渗透过程持续进行。由于蔗糖溶液的渗透势较低，所以该工艺的产水率较低。窗体顶端2.1.2 fo 海水淡化近期研究fo 工艺的关键在于提取液的选择。同时，fo 工艺并不能单独地完成海水淡化过程，一般需要将其与另一项工艺进行耦合，用来分离浓缩提取液并得到产水。因而，研究者对提取液的选取及相应的浓缩工艺开展了广泛的研究。mc ginnis10发明了一套提取液循环利用的两阶段 fo 工艺，并使用高渗透势的提取液以提高产水率。海水经加热后进入第 1 级 fo 膜系统，第 1 级使用的 kno3提取液同样被加热至一定温度，kno3溶液被渗透的水分稀释后进入一个冷凝槽内，与进水进行热交换，使 kno3溶溶液降温并析出大量的kno3，同时进水被预热。冷凝过程中，kno3溶液中析出大量盐分，降低了渗透压，溶液进入下一级 fo系统；第 2 级系统使用 so2饱和溶液作为提取液，将kno3溶液中的水分提取出来，同时使 kno3溶液得到浓缩；产水中的 so2可用常规的方法去除，从而得到纯净的水。两级 fo 系统中的提取液组分 kno3和 so2均进行循环利用。由于饱和 so2溶液的渗透压低于饱和 kno3溶液，因而若单独采用饱和 so2溶液做提取液，系统产水率将低于此两阶段 fo 工艺 。窗体底端2.2 反渗透膜分离技术 反渗透膜分离技术（reverse osmosis，ro）是当今应用较广泛的商业化海水淡化技术，实行过程中，通过外界压力的作用，水会克服渗透压，经过半透膜从高向低渗透压侧溶液中进行扩散。因此，反渗透膜分离技术是通过排斥盐离子发挥作用的，在海水增压的环境下，通过反渗透膜排除海水中的盐分，从而得到净水。这种膜是由半渗透聚合材料制作的，分为中空纤维膜与平板膜这两种。在海水淡化中，ro技术已经实现商业化，应用也十分广泛。然而，ro技术发挥作用的过程中，需要实行高压操作，存在高能耗、高运行成本、较严格的预处理、存在二次污染等缺点，因此需要fo技术作为辅助，两种技术相结合，共同为解决水资源难题做出应有的贡献和力量。反渗透海水淡化装置中,通过反渗透(r.0.)元件的给水约有20%转换成淡水,此淡水一般含盐度0.0003,符合饮用水标准(盐度0.0005).增加一级反渗透膜组件可进一步降低盐度,但给水压力也增高.这种装置产水的质量与给水的温度、压力、含盐有关.产水的含盐浓度随给水温度、含盐量的增加而增加,这是因为穿过膜的盐,其扩散性随温度增高而扩大的缘故;并随给水压力的增加而减少,反之亦然.窗体顶端2.2.1反渗透法海水淡化的优点 反渗透法是一种膜处理技术，其工作原理是利用只允许溶剂透过，不允许溶质透过的半透膜，将海水和淡水分隔开。（1）反渗透是一种膜处理技术，具有膜的优点，如能耗低，对热敏感性物质的分离效果较好，适用的范围比较广泛，设备简单，维修方便，运营费用比较低，同时设备容易定型，自控比较强，便于管理运营，有利于形成产业化。（2）反渗透膜的孔径很小，细菌病毒等微生物都无法通过反渗透膜，同时该膜还可去除水中绝大多数的有机物和微粒，因此利用反渗透法处理后的出水水质很好，可以达到饮用水水质标准。（3）以压力为分离的原动力，设备结构紧凑，体积小，单位体积产水量高，占地面积小，同时操作简单，自动化程度高。2.2.2 反渗透法海水淡化的缺点 （1）反渗透膜对进水水质的要求比较严格，因此，在进液淡化水之前必须对原水做严格的预处理，如采用微滤超滤膜等过滤方法。尽量避免污染渗透膜，堵塞微孔。（2）反渗透在运行过程中过滤器 r.o.膜元件更换频率较高，增加费用，运行噪声较大7。（3）由于海水中含有大量的悬浮物、难溶的盐、化合窗体顶端物及细菌等杂质，反渗透淡化装置长期使用后，容易附有污垢堵塞，因此必须采用合适的清洁剂对反渗透膜进行定期的清洗，恢复膜组件的性能。为了避免膜上滋生细菌，需要定期对膜进行消毒处理。（4） 目前海水淡化产业发展规模很小，日产量仅占世界的1左右；海水作冷却水用量仅占世界的 6左右。成本费用相对沿海地区自来水价格而言依然偏高。大规模海水淡化技术不成熟，无法可依、无规可循也是重要原因之一，有条件利用海水但不利用的情况比较严重。窗体顶端2.3薄膜蒸馏淡化技术 薄膜蒸馏淡化技术，主要通过多孔性疏水膜将加热的海水蒸发，而散发的蒸汽将会在膜的另外一侧得到冷凝，从而实现海水淡化。这种方法不同于常规的蒸馏方法，将蒸汽空间缩小甚至取消，其中的蒸馏膜难以代替换热面，而目前的薄膜蒸馏装置可以分为直接接触式、扫气式与空气隙式这三种。其中扫气式薄膜蒸馏装置配有专门的气体处理系统，具有高供水除气要求的特点；直接接触式薄膜蒸馏装置结构是最简单的，而且运行可以实行自动化，通常会用于实船的应用研究；空气隙式薄膜蒸馏装置分为冷液、热液、蒸馏水三种系统，得名于薄膜与壁面的1毫米空气间隙。薄膜蒸馏装置的蒸发过程稳定,一次性生产出的蒸馏水水质好,其溶解物含量在5x10一5以内,其纯度高于r.0.装置.2.3.1薄膜蒸馏的特点 窗体顶端窗体顶端薄膜蒸馏的薄膜薄膜窗体底端薄膜蒸馏是一种由疏水膜将蒸发表面和冷凝面隔开,热液在膜的一侧蒸发,蒸发出的蒸汽在膜的另一侧冷凝的过程。膜起到液体与蒸汽间分界面的作用。这种蒸馏方法,大大缩小乃至实际上取消了常规蒸馏器的蒸汽空间。但膜不能取代换热面,在薄膜蒸馏装置中,还需要设计与膜面积相等的换热面。窗体顶端2.3.2薄膜的种类和材料 蒸馏薄膜的种类也像反渗透膜一样,可分成四种:)i平面型膜;2)管型膜(大者管内径约zomm,一般约lomm);3)中空纤维膜(纤维内径约。.6mm);4)螺卷型膜。蒸馏膜的材料应是非润湿性,疏水性能好。目前已研究出下列几种:l)聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene,缩写“ptfe”或teflon)膜。2)聚丙烯(polypropylene)膜。3)聚偏二氟乙烯“pvdf”膜。4)硅酮聚合物和聚矾膜。5)聚乙烯膜。研究和应用得较多的是前两种膜。尤以聚四氟乙烯膜性能最佳,其孔隙分布均匀,孔径和孔隙率大,现已商用,但价格昂贵。聚丙烯平面膜的孔径和孔隙率不及聚四氟乙烯膜,但用聚丙烯制成的管状膜,就与之非常接近。因此,在薄膜蒸馏海水淡化装置中,采用聚丙烯管状膜,是保证蒸馏性能和降低膜的成本的重要途径。 窗体顶端2.3.3膜的孔隙尺寸膜的孔隙尺寸、孔隙率和孔隙分布,是膜的重要特性指标。直接接触式薄膜蒸馏装置中所采用的标准膜孔径为0.10.5拌m;扫气式薄膜蒸馏中,膜的孔径不大于1拜m;空气隙式薄膜蒸馏中,膜的孔径可达几微米。2.3.4复合膜理想的蒸馏膜是具有高孔隙率的多层构造,孔隙级为2拌m。这是一种超薄表层之间夹杂着小孔隙(如孔径为0.1拌m)层的构造,能满足高进水压力的需要,膜较厚。传导热损失最小,热质交换效率高。扫气薄膜蒸馏装置中采用这种膜之后,其蒸发量可高于任何现有的薄膜蒸馏装置。3、膜分离技术在海水淡化中的具体应用窗体底端窗体顶端 膜分离技术作为船用海水淡化装置近年来有了长足的发展,据有关资料表明,许多国家一直热衷于该项技术的开发研究.反渗透淡化技术,已分别在美国的“弗莱彻”、“斯普鲁恩斯”等驱逐船上成功地使用,技术较为成熟,美国的“富利吉海水淡化装置的”pe、spw系列也在众多的远洋捕捞船上受到广泛应用;日本新近还推出了便携式反渗透海水淡化机.笔者认为在以燃气轮机、柴油机为动力装置的舰船,废热综合利用(辅汽轮机废热发电)的商用船舶,海上工作平台以及远洋捕捞船,反渗透海水淡化装置是首选.薄膜蒸馏海水淡化技术用于蒸汽动力、核动力或柴油机动力装置且余热能源品位较高的舰船上,作为生产锅炉补水或生活用水,其应用前景也很广阔,尤其以直接接触管状膜蒸馏装置最具发展潜力.如果从英国、瑞典、日本、澳大利亚、意大利等国的近期的研究状况来看,似有在淡化领域取代反渗透装置的趋势.窗体顶端结束语总而言之，膜分离技术日益成为海水淡化事业不可或缺的一部分。只有不断投入精力和时间，汲取相关经验教训，推动膜分离技术的日益成熟，才会给人类发展提供充足的水资源，推动人类社会的不断进步窗体顶端l王建平.船用反渗透海水淡化技术【a.第二届全国膜和膜过程学术报告会论文集仁cj.杭州:水处理技术编辑部,1996.497一501.2陈凤章.膜蒸馏式海水淡化技术的发展j,机电设备,1卯4,(1):1一9.窗体底端窗体顶端3崔迎,吴国旭,顾玲.正向渗透膜分离技术在海水淡化中的应用新进展j.水处理技术,201(5)窗体顶端4李刚，李雪梅，何涛，等 正渗透膜技术及其应用j 化工进展，2010，29( 8) : 1388 1398窗体底端窗体顶端5 阮国岭, 冯厚军. 国内外海水淡化技术的进展j.中国给水排水,2008,24(20):86-90.6 邹士洋, 张建平, 伍俊荣, 等. 新型膜分离技术正向渗透及其应用j.中国给水排水,2008,24(24):16-18. 窗体顶端7高从堦，郑根江，汪锰，等 正渗透水纯化和脱盐的新途j 水处理技术，2008，34( 2) : 1 4窗体底端窗体顶端8张乾，时强，阮国领，等