反渗透海水淡化技术的发展及延伸

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70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[3]，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.　　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φ084μm，φ142μm的中空纤维，表面积达150m2，在2.6MPa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1970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Hydranautics，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RO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。图13—－15是几个纳滤应用的流程示意（略）。　　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。　　严格按照技术经济评价的原则、标准和方法，遵循评价采用的各个步骤，在技术经济综合分析的基础上，确定各方案的优劣并提出取舍意见。下面仅给出近几年国际招标和咨询的一个海水淡化工程的例子。 　　6、结语 　　40多年来，RO从一个概念，至实验室最终成为目前股盐技术中的姣姣者，是大量创新的思维，创新的技术编织而成的结果。RO技术可认为已接近发展的顶峰期，但仍有相当大的余地可进一步发展，特别是集成工艺方面，将是RO更大发挥优势的主要方向。