海水淡化技术研究.docx

膜法海水淡化技术研究（潘宏斐、）摘要：水是人类赖以生存的重要资源，随着全球人口数量的不断增长和工业化的不断完善，水资源缺乏已经成为了人类面临的一大难题，而海水淡化技术是解决这一难题的重要途径，针对国内外海水淡化技术的研究现状，本文主要介绍膜法海水淡化工艺发展现状以及存在的问题，指出了未来工艺发展趋势和方向。关键词：海水淡化、反渗透、电渗析法、发展趋势seawater desalination technology researchAbstracts: Water is the important living resources of human beings,Key words: seawater desalination, membrane method, heat method, development trend.膜法海水淡化技术主要包括反渗透法和电渗析法。1.反渗透法1.1.反渗透法原理反渗透法是一种膜分离淡化海水的方法，反渗透是渗透的逆过程，它利用只允许溶剂透过，而不允许溶质通过的半透膜，实现对海水中淡水的分离，如果在海水侧施加一个大于海水渗透压的外压，那么海水中的水分子将会透过半透膜而进入膜另一侧的淡水中，海水中的其他离子、分子等杂质将留在海水侧，从而实现海水的淡化。1.2反渗透法发展方向和历程 反渗透法海水淡化技术自20世纪70年代兴起以来，因其具有投资省、能耗低（无相变）、建设期短、占地少的特点而得到大力发展，随着预处理技术的进步、反渗透膜性能的提高以及能量回收率的提高，反渗透法已经成为了投资成本最低、应用范围最广的海水淡化技术，目前占到了全世界海水淡化总量的44%，世界上80%的海水淡化装置采用的都是反渗透法。图1为反渗透法海水淡化流程图，反渗透海水淡化法的发展依赖于包括反渗透膜、给水预处理设备、高压泵、能量回收装置等主要工艺设备的发展。 图1 反渗透法海水淡化技术流程图1.2.1反渗透膜性能逐渐提高 自从1930年提出反渗透海水淡化（SWRO）的概念，反渗透膜一直处于不断发展之中。1953年美国佛罗里达大学的C. E. Reid教授的研究结果证明利用醋酸纤维素膜可以从海水中制取淡水，1960年美国加利福尼亚大学的S. Loeb和S.Sourirajan成功制得了世界上第一张高脱盐率、高通透量的可用于海水脱盐的不对称醋酸纤维素反渗透膜。上世纪80 年代初Filmtec公司推出性能优异、实用的FT-30复合反渗透膜，80年代末高脱盐率的全芳香族聚酰胺复合膜实现了工业化，到90年代，中压、低压和超低压高脱盐聚酰胺复合膜进入市场，使反渗透法海水淡化技术的发展有了更广阔的前景。经过几十年的不断发展，反渗透膜的性能有了较大的提高，膜材料从初期单一的醋酸纤维素非对称膜发展到表面聚合技术制成的交联芳香族聚酰胺复合膜等新型材料与高效膜。目前的反渗透膜，水通量是1978年的2倍，盐的透过率大约为1978年的四分之一，价格稳中有降。表1为复合膜的主要性能。 表1 复合膜的主要性能（25）膜类型海水浓度/(mg/L)操作压力/MPa水通量/(L/m2h)脱盐率/%商品化时间/年TW20001.640981980SW35005.73499.11985高脱盐型35005.73499.51990超低压型5001.059981995抗污染型15001.650981995 反渗透海水淡化技术的关键是反渗透膜的应用，虽然目前膜及组件的生产已相当成熟，膜的脱盐率高于99.3%，但膜的平均使用寿命只有5 年，不可避免的膜污染问题是造成膜使用寿命短的主要原因，而膜的使用寿命短又造成了海水淡化成本较高。因此，在膜的“有限寿命”里，如何优化工艺技术，使膜分离技术在工程应用中发挥更大效益成为了一项极其有意义的工作。反渗透膜在使用过程中经常由于浓差极化和膜的污染而引起膜通量下降和截留率降低的问题，对反渗透膜进行改性可以提高膜的通量、截留率，而且可以提高膜的抗氯性和抗污染性，从而延长膜的使用周期。反渗透膜的改性方法主要有化学改性、等离子体改性。Zhou等4通过研究功能单体与膜性能的关系，为新型反渗透复合膜的研究工作提供了依据。在功能单体中引入能与水分子形成氢键的功能团、亲水基团、磺酸基等，提高了膜的截留率、水通量以及耐氯性和抗氧化性5。Konagaya等6提出用CH3代替NHCO 中的H或取代芳香二胺苯环中邻位的H或者引入一个具有消电子体的官能团以阻止邻位取代的方法来改变PA分子结构，从而改善PA 防止氯侵蚀的能力。1.2.2 给水预处理技术改进海水预处理技术的进步也促进了反渗透法的发展。海水不仅水质硬度偏高，而且当中微生物繁多，特别是水温较高的表层海水。微生物污染给引水设施和淡化系统的正常运行造成各种麻烦，甚至事故。反渗透膜表面的污染，造成了产水量和脱盐率下降、组件压差的增大等问题的频繁发生。因此，反渗透膜海水淡化过程是否顺利，给水的预处理工作十分关键。由于大多数反渗透膜的耐氯性能差，容易被损坏或降解。因此膜组件的给水均需采取除氯处理。通过几年现场的实验研究，美国杜邦公司和日本东洋纺公司均基本解决了微生物污染与控制问题，从而大大地减少化学清洗的次数，提高反渗透法的处理效率。日本东洋纺公司把过去的连续加氯法改为间断加氯。加氯量也比以往少，采用所谓“弱消毒”，使加入氯量刚好足以抑制海藻等的生长，但又不会促进可被消化有机物的生成。此外，为了更好地剔除进料海水中的胶体类物质，研究者们提出了利用膜处理作为反渗透预处理工艺流程，20 世纪90年代在少数设备中出现了采用微滤（MF）和纳滤（NF）等膜技术作为反渗透海水淡化系统的预处理工艺。微滤膜（孔径0.2m）在保持较大的水通量的前提下，可使海水中的胶体颗粒和细菌数量减少几个数量级，不再需要加入絮凝剂、杀菌剂和还原剂等化学药品，同时也省去了保安过滤器，有利于反渗透装置的长期稳定运行。纳滤膜（孔径在纳米级）用于降低海水硬度和脱除溶解固体，从而提高了海水反渗透的操作压力和系统的回收率。此技术由于提高了进水水质，不仅延长了反渗透膜的使用寿命，而且有助于提高系统的回收率、降低运行费用。1.2.3能量回收技术的进步反渗透海水淡化技术中，膜脱盐用的关键设备对工艺路线的改进、能耗的降低等也有着重要的作用。反渗透海水淡化之所以能成为有竞争力的一种海水淡化技术，能量回收装置的作用功不可没。例如高压泵的余压能量回收，现在工业中使用的装置有多种形式，概括起来有三大类: 第一类是水力回收透平，它是与高压泵电机主轴相连的涡轮机，用脱盐后的高压浓海水冲击来回收能量，效率约为50%；第二类是功或压力交换器，直接将压力由浓海水传给新进的海水，效率一般认为大于90%，这样反渗透海水淡化的本体耗电可以降到3 kWh /m3以上；第三类是水力涡轮增压器，其优点是不必与泵的主轴相连，安装方便。1.3反渗透法发展趋势目前反渗透法海水淡化技术在实际应用中，首先面临的是膜污染问题，预处理与膜清洗是抑制膜污染的主要方法，但是清洗剂或者杀菌剂常常又会导致膜性能的下降，所以要有效进行新型功能单体及膜材料的开发，提高膜的抗污染性能，开发出具有高效、高寿命等特点的反渗透膜。此外，反渗透膜的截留性能仍需进一步提高，以提高膜的分离效率，降低生产成本。虽然现代大型反渗透装置的能量利用效率在不断提高，但是仍然有将近一半的成本受制于所消耗的电能，所以通过降低能耗来控制成本至关重要；另外，随着人类对淡水资源需求量更加快速的增长，大型装置规模扩张的速度也很迅速。因此，这些大型装置过大的能量消耗总量，在未来会成为限制其发展的一个潜在因素，可以从可再生能源的利用方向考虑解决这一问题。1.2电渗析法1.2.1电渗析法原理电渗析法同样也是利用膜的选择透过性来达到海水淡化的目的，它是以电位差为推动力，利用离子选择性膜来实现对海水中淡水的分离。电渗析法利用电场的作用，强行将离子向电极处吸引，致使电极中间部位的离子浓度大为下降，从而制得淡水。在外加电场的的作用下，水溶液中的阴，阳离子会分别向正负两电极处移动，如果中间再加上一种交换膜，则可以达到分离浓缩的目的。电渗析与电解的不同之处在于：电渗析的电压虽高，电流并不大，维持不了连续的氧化还原反应所需；而电解却正好相反。4 Zhou Y，Yu S C，Liu M H，et alPolyamide thin film composite membraneprepared from mphenylenediamine and mphenylenediamine5sulfonic acidJMembrSci，2006，270: 1621685 Chen G，Li S H，Zhang X S，et alNovel thinfilm composite membranes with improved water flux from sulfonated cardo poly ( arylene ethersulfone) bearing pendant amino groupsJ.J Membr Sci,2008,( 310) : 1021096 王湛，周翀.膜分离技术基础M.北京: 化学工业出版社，2006:828610 王克涛.水处理系统反渗透膜的污染及清洗方法J.中国电力，1999，12( 32) : 343611 Migliorini G，Luzzo E. Seawater