反渗透海水淡化技术的发展及延伸

反渗透海水淡化技术的发展及延伸反渗透海水淡化技术的发展及延伸 资料 l 前言 水是生命的源泉 是社会和经济发展的命脉 是人类宝贵的不可替代的自然资源 当 前缺水已成为世界性问题 成为制约社会进步和经济发展的瓶颈 解决水资源的供需矛盾 对我国的可持续发展是非常迫切的和重要的 我国沿海地区仅占全国土地面积的15 人口的40 但创造着60 以上的社会总产值 和全国一样 沿海城市 特别是北方地区 以及岛屿的供水严重不足 形势严峻 沿海地区有丰富的海水资源 用海水淡化技术向大 海要淡水 满足沿海城镇和岛屿对淡水的需求或紧缺需求 是自古以来人们所梦寐以求的 现在已变为现实 反渗透海水淡化不仅技术上完全可行 而且在许分情况下是经济的 2 反渗透的发展概况 海水淡化是从海水中获取淡水的技术和过程 早在50年代 为解决 水的危机 美国 从52年起专设盐水局 74年后转为资源技术局 不断推进水资源和脱盐的技术进步 其中 反渗透法海水淡化 SWRO 就是1953年据膜和海水界面有一纯水层而提出的 73年日 本通产省下设造水促进中心 专门研究节能的脱盐技术 欧洲则在尤里卡等计划下推动海 水淡化的发展 它们也都以膜法为重点 经过近50年的研究 开发和产业化 SWRO 自7 0年代进入海水淡化市场之后 发展十分迅速 RO 用膜和组件已相当成熟 组件脱盐率可 高达 99 5 以上 有约20年的经验积累 SWRO 工艺过程也逐渐成熟 近年来 功交 换器和压力交换器的开发成功使能量回收效率都高达90 以上 从而使 SWRO 的本体能 耗在3kWh m3淡水以下 成为从海水制取引用水最廉价的方法 进一步增强了 SWRO 的竞争力 近几年来 在国际海水淡化招标中 SWRO 以投资最低 能耗最省 成本最低 建造 周期短等优势而屡屡中标 SWRO 所以能如此成功 与其在膜 组器 设备和工艺等方面 的创新性开拓是分不开的 下面是着几方面的简要的发展概况 3 反渗透的一些重大的创新进展 3 1反渗透膜的进步 在反渗透膜发展的历史中 不对称膜和复合股的研发是创新的两个范例 3 1 1 不对称膜 Loeb 和 Sotrirajan 于1960年制得了世界上第一高股盐率 高通量 不对称醋酸纤 维素 CA 反渗透膜 其创新在于 以往的膜皆为均相致密膜 约0 lmrn 厚 传质速 度极底 无实用价值 而不对称膜仅表皮层是致密的 约0 2m 厚 就这一点 是传质速 度提高了近3个数量级 表1给出了1968年研制的 CA CTA 膜的性能 目前通用的 CA 反渗透膜多用于表面水处理 表2给出了其基本的膜性能 3 1 1 复合膜 不对称膜在高压下中间过渡层有压密现象 使水通量下降 为此在1963年提出了复合 膜的概念 其创新点在子膜的脱盐层和支撑层分别由优选的材料来制备 如脱盐层 约0 2m 厚 是芳香族聚酰胺 支撑层是聚砜 这是膜的性能进一步提高 表3给出了复合膜的 典型性能 1968年研制的 CA CTA 膜的性能 膜类型 测试条件 膜性能 海水浓度 mg L 操作压力 MPa 温度 0C 水通量 L m2 h 脱盐率 CA CTA 35000 10 2 25 20 30 99 4 99 7 CA CTA 10000 5 5 25 80 100 97 98 目前通用的 CA 反渗透膜的性能 膜类型 测试条件 膜性能 海水浓度 mg L 操作压力 MPa 温度 0C 水通量 L m2 h 脱盐率 CA 1500 1 6 25 12 5 96 复合膜的典型性能 膜类型 测试条件 膜性能 海水浓度 mg L 操作压力 MPa 温度 0C 水通量 L m2 h 脱盐率 商品化时间 TW 2000 1 6 25 40 98 1980 TW BW SW 2000 2000 3500 1 6 1 6 5 7 25 25 25 40 40 34 98 98 99 1 1985 高脱盐型 3500 5 7 25 34 99 5 1990 超低压型 抗污染型 500 1500 1 0 1 6 25 25 59 50 98 98 1995 3 2 膜组器技术的不断发展 反渗透膜组器技术的创新 伸膜的性能得以充分的发挥 这里特别提出的是中空纤维 反渗透器和卷式反渗透元件 3 2 1 中空纤维反渗透器 经过多年的研究开发 1970年美国 DuPont 公司推出 B 9型苦咸水脱盐用中空纤维 反渗透器 作为重大化工进展而获得1971年美国化工学会奖 其特点是 一支直径4英寸 的反渗透器可内含90万条 084 m 142 m 的中空纤维 表面积达150m2 在2 6MP a 下苦咸水脱盐可达8m3 d 以上 3 2 2卷式反渗透元件 同样地 自1964年提出卷式元件概念 经十多年的多次更新换代 卷式元件也于197 0年代中商品化 其构思是数个膜对绕中心多孔产品水管卷起来 呈筒状 其中 膜对是 由两张膜 脱盐层向外 和置于中间的产水流道布组成 除靠中心多孔产品水管的一边外 其他三边都用粘合剂密封 使用时 将其放入压力容器中 这一构型使膜片的使用和生 产 特别是复合膜 得以急剧扩展 目前广泛使用的组件就是上述的这两种 中空纤维组件堆砌密度达10000m2 m3 卷式元件的达1000m2 m3 虽然后者堆砌密度低些 但对进水预处理的要求不像中空纤 维组件那么严 目前广泛应用的中空纤维组件有 DuPont 公司的芳族聚酸胺的 如 B 10 型6845TR 产水量约26m3 d 和日本东洋纺的三醋酸纤维素的 如 HR8355 产水 量约12m3 d 卷式元件多由美 日的数家公司生产如美国的 Filmtec 和 Hydranautic s 日本的 Nitto 和 Toray 等 现多用复合膜制作 且以直径为 8英寸的居多 一般产水 量约20m3 d 3 3关键设备的不断改进 与此同时 膜脱盐用的关键设备 如高压泵和能量回收装置也得到快速的发展 除高 压泵的品种和型号不断增多 容量不断增大 以及效率不断提高之外 特别应提及的是能 量回收装置 反渗透海水淡化所以能成为有竞争力的过程 能量回收装置的作用功不可没 第一代能量回收装置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50 第二代产品是水力涡轮增压器 其优点是不必与泵的主轴相连 安装方面 效率也在50 左右 第三代产品为功或压力交换器 互接将压力由浓海水传 给新进的海水 效率大于90 这样反渗透海水淡化的本体耗电降到3kwh m3以上 3 4工艺过程的持续开发 据反渗透膜和组器技术的进步 SWRO 工艺也不断地发展 主要工艺过程如下 3 4 1二级海水淡化工艺1970年代商用 RO 膜脱盐率仅在95一98 时 为了从海水 中制取饮用水而采用此工艺 第一级的产水 约2000mg L 再经第二级进一步淡化为饮 用水 第二级的浓水返回第一级作为部分进水 显然该过程能耗是高的 约10kwh rn3以 上 3 4 2一级海水淡化工艺1970年代末 特别是1980年代中期以后 RO 膜的脱盐率达 99 2 以上 这为一级 SWRO 创造了条件 海水经一级 RO 后 产水即为饮用水 300 400mg 1 水回收率30 35 3 4 3高压一级海水淡化工艺这是近年来 为了进一步提高回收率而提出的新工艺之 一 通常一级 SWRO 的操作压力在5 5MPa 而若提高到8 4 MPa 下操作 则可达60 的回收率 这样海水预处理省了 试剂用量少了 能耗也低了 新建的 SWRO 厂可采用 该工艺 3 4 4高效两段法这也是提高回收率的新工艺 这是一级两段工艺的改进 在两段间 设增压部分 第一段的浓海水经增压和最终的能量回收部分相结合进入第二段 这也可使 回收率达60 该工艺不仅适合于新建的研件 SWRO 厂 且可将以前的一级 SWRO 厂 增设第二段 变其产量增加一半 另外沙特海水转化公司的研发中心提出纳滤 NF RO 一蒸馏的新工艺 也有人 提出利用深海的静压力进行 SWRO 淡化 相似地 上海一环境公司提出用人造水柱的静 压力进行 SWRO 淡化等 4 SWRO 技术的延伸 4 1 RO 脱盐技术 除 SWRO 淡化 解决沿海地区和岛屿用水紧张状况之外 RO 广泛用于苦咸水淡化以 及纯水和超纯水的制备 并成为最经济的工艺过程 其中 纯水和超纯水的制备约占 RO 市场的70 80 涉及电子 电力 化工 石化 医药 饮料 食品 冶金等各行业 苦 咸水淡化将在西部大开发中进一步发挥作用 4 2 RO 预浓缩技术 在膜下游获得淡水的同时 上游料液被浓缩 由于渗透压的限制 将无机盐和小分子 物质浓缩到10 左右是经济的 这已在化工 医药 食品和中草药等领域得以应用 在环 保方面 RO 也用于电镀 矿山 放射 垃圾渗滤等废水的浓缩处理 水回用或达标排放 4 3 RO 集成工艺 RO 膜过程有其特点也有其限度和使用要求 为了发挥 RO 的优势 采用集成膜过程 是十分重要的 如上述的纯水和超纯水制备 物料的浓缩 海水的全利用等基本上都是 R O 与其他技术集成的 RO 发挥了其脱盐和预浓缩的作用 4 4 纳滤 NF 纳滤膜和工艺都是在 RO 膜和工艺研发的基础上形成的 NF 膜的孔径在纳米级 其 对单价盐类易透过 而对多价盐和分子量1000以下的物质截留率很高 这一特点 决定了 其在饮用水净化 水软化及生物 医药 化工等行业的分离 净化和浓缩中的广泛应用 成为改造传统生产工艺 开发新工艺过程方面的一项重要技术 5 海水淡化的技术经济评价 海水淡化的技术经济评价是正确把握技术方案的重要环节之一 在大多数情况下是决 定性的 该评价是在统一可比的条件下 对各方案进行综合分析 既考虑技术上的先进 高效 可靠性 安全 简便和灵活等 又要考虑经济上的节能降耗 投资省 成本低 人 工少等 还应考虑环境因素 如是否有三废和处理措施及对环境的影响等 严