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 ◎ 相關知識 > 反滲透技術在海水淡化領域的發展及延伸  
-- 反滲透技術在海水淡化領域的發展及延伸

反滲透海水淡化技術的發展及延伸

l、前言
     水是生命的源泉,是社會和經濟發展的命脈,是人類寶貴的不可替代的自然資源。當前缺水已成為世界性問題,成為製約社會進步和經濟發展的瓶頸,解決水資源的供需矛盾,對我國的可持續發展是非常迫切的和重要的。我國沿海地區僅占全國土地麵積的15%,人口的40%,但創造著60%以上的社會總產值,和全國一樣,沿海城市,特別是北方地區以及島嶼的供水嚴重不足,形勢嚴峻。沿海地區有豐富的海水資源,用海水淡化技術向大海要淡水,滿足沿海城鎮和島嶼對淡水的需求或緊缺需求,是自古以來人們所夢寐以求的,現在已變為現實。反滲透海水淡化不僅技術上完全可行,而且在許分情況下是經濟的。
2、反滲透的發展概況
     海水淡化是從海水中獲取淡水的技術和過程。早在50年代,為解決“水的危機”,美國從52年起專設鹽水局,74年後轉為資源技術局,不斷推進水資源和脫鹽的技術進步,其中反滲透法海水淡化(SWRO)就是1953年據膜和海水界麵有一純水層而提出的;73年日本通產省下設造水促進中心,專門研究節能的脫鹽技術,歐洲則在尤裏卡等計劃下推動海水淡化的發展,它們也都以膜法為重點。經過近50年的研究、開發和產業化,SWRO自70年代進入海水淡化市場之後,發展十分迅速。RO用膜和組件已相當成熟,組件脫鹽率可高達 99.5%以上,有約20年的經驗積累, SWRO工藝過程也逐漸成熟,近年來,功交換器和壓力交換器的開發成功使能量回收效率都高達90%以上,從而使SWRO的本體能耗在3kWh/m3淡水以下,成為從海水製取引用水最廉價的方法,進一步增強了SWRO的競爭力。
       近幾年來,在國際海水淡化招標中,SWRO以投資最低,能耗最省,成本最低,建造周期短等優勢而屢屢中標。SWRO所以能如此成功,與其在膜、組器、反滲透設備和工藝等方麵的創新性開拓是分不開的。下麵是著幾方麵的簡要的發展概況:
3、反滲透的一些重大的創新進展
3.1反滲透膜的進步
     在反滲透膜發展的曆史中,不對稱膜和複合股的研發是創新的兩個範例。
3.1.1 不對稱膜
      Loeb和Sotrirajan於1960年製得了世界上第一高股鹽率,高通量,不對稱醋酸纖維素(CA)反滲透膜,其創新在於,以往的膜皆為均相致密膜(約0.lmrn厚),傳質速度極底,無實用價值,而不對稱膜僅表皮層是致密的(約0.2m厚)就這一點,是傳質速度提高了近3個數量級,表1給出了1968年研製的CA-CTA膜的性能。目前通用的CA反滲透膜多用於表麵水處理,表2給出了其基本的膜性能。
3.1.1  複合膜
     不對稱膜在高壓下中間過渡層有壓密現象,使水通量下降,為此在1963年提出了複合膜的概念,其創新點在子膜的脫鹽層和支撐層分別由優選的材料來製備,如脫鹽層(約0.2m厚)是芳香族聚酰胺,支撐層是聚碸,這是膜的性能進一步提高,表3給出了複合膜的典型性能。

1968年研製的CA—CTA膜的性能

膜類型
測試條件
膜性能
海水濃度(mg/L)
操作壓力(MPa)
溫度(0C)
水通量
(L/m2.h)
脫鹽率
(%)
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反滲透膜的性能
 
膜類型
測試條件
膜性能
海水濃度
(mg/L)
操作壓力
(MPa)
溫度
(0C)
水通量
(L/m2.h)
脫鹽率
(%)
CA
1500
1.6
25
12.5
96
複合膜的典型性能
 
膜類型
測試條件
膜性能
海水濃度
(mg/L)
操作壓力
(MPa)
溫度
(0C)
水通量
(L/m2.h)
脫鹽率
(%)
商品化時間
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
 
高脫鹽型
3500
5.7
25
34
99.5
1990
超低壓型
抗汙染型
500
1500
1.0
1.6
25
25
59
50
98
98
 
1995
 3.2 膜組器技術的不斷發展
     反滲透膜組器技術的創新,伸膜的性能得以充分的發揮,這裏特別提出的是中空纖維反滲透器和卷式反滲透元件。
3.2.1 中空纖維反滲透器
      經過多年的研究開發,1970年美國DuPont公司推出B-9型苦鹹水脫鹽用中空纖維反滲透器,作為重大化工進展而獲得1971年美國化工學會獎。其特點是:一支直徑4英寸的反滲透器可內含90萬條φ084μm,φ142μm的中空纖維,表麵積達150m2,在2.6MPa下苦鹹水脫鹽可達8m3/d以上。
3.2.2卷式反滲透元件
      同樣地,自1964年提出卷式元件概念,經十多年的多次更新換代,卷式元件也於1970年代中商品化,其構思是數個膜對繞中心多孔產品水管卷起來,呈筒狀,其中,膜對是由兩張膜(脫鹽層向外)和置於中間的產水流道布組成,除靠中心多孔產品水管的一邊外,其他三邊都用粘合劑密封;使用時,將其放入壓力容器中,這一構型使膜片的使用和生產(特別是複合膜)得以急劇擴展。
      目前廣泛使用的組件就是上述的這兩種,中空纖維組件堆砌密度達10000m2/m3,卷式元件的達1000m2/m3,雖然後者堆砌密度低些,但對進水預處理的要求不像中空纖維組件那麽嚴。目前廣泛應用的中空纖維組件有DuPont公司的芳族聚酸胺的(如B-10型6845TR,產水量約26m3/d)和日本東洋紡的三醋酸纖維素的(如HR8355,產水量約12m3/d)。卷式元件多由美、日的數家公司生產如美國的Filmtec和Hydranautics,日本的Nitto和Toray等,現多用複合膜製作,且以直徑為 8英寸的居多(一般產水量約20m3/d)。
3.3關鍵設備的不斷改進
     與此同時,膜脫鹽用的關鍵設備,如高壓泵和能量回收裝置也得到快速的發展。除高壓泵的品種和型號不斷增多,容量不斷增大,以及效率不斷提高之外,特別應提及的是能量回收裝置,反滲透海水淡化所以能成為有競爭力的過程,能量回收裝置的作用功不可沒。
     第一代能量回收裝置是與高壓泵電機主軸相連的渦輪機,用脫鹽後的高壓濃海水衝擊來回收能量,效率約50%;第二代產品是水力渦輪增壓器,其優點是不必與泵的主軸相連,安裝方麵,效率也在50%左右;第三代產品為功或壓力交換器,互接將壓力由濃海水傳給新進的海水,效率大於90%,這樣反滲透海水淡化的本體耗電降到3kwh/m3以上。
3.4工藝過程的持續開發
    據反滲透膜和組器技術的進步,SWRO工藝也不斷地發展,主要工藝過程如下:
3.4.1二級海水淡化工藝1970年代商用RO膜脫鹽率僅在95一98%時,為了從海水中製取飲用水而采用此工藝,第一級的產水(約2000mg/L),再經第二級進一步淡化為飲用水,第二級的濃水返回第一級作為部分進水,顯然該過程能耗是高的,約10kwh/rn3以上。
3.4.2一級海水淡化工藝1970年代末,特別是1980年代中期以後,RO膜的脫鹽率達99.2%以上,這為一級SWRO創造了條件。海水經一級 RO後,產水即為飲用水(300- 400mg/1),水回收率30—35%。
3.4.3高壓一級海水淡化工藝這是近年來,為了進一步提高回收率而提出的新工藝之一。通常一級SWRO的操作壓力在5.5MPa,而若提高到8.4 MPa下操作,則可達60%的回收率,這樣海水預處理省了,試劑用量少了,能耗也低了,新建的SWRO廠可采用該工藝
3.4.4高效兩段法這也是提高回收率的新工藝,這是一級兩段工藝的改進,在兩段間設增壓部分,第一段的濃海水經增壓和最終的能量回收部分相結合進入第二段,這也可使回收率達60%。該工藝不僅適合於新建的研件SWRO廠,且可將以前的一級SWRO廠增設第二段,變其產量增加一半。
     另外沙特海水轉化公司的研發中心提出納濾(NF)-RO)一蒸餾的新工藝;也有人提出利用深海的靜壓力進行SWRO淡化,相似地,上海一環境公司提出用人造水柱的靜壓力進行SWRO淡化等。
4. SWRO技術的延伸
4.1 RO脫鹽技術
     除SWRO淡化,解決沿海地區和島嶼用水緊張狀況之外,RO廣泛用於苦鹹水淡化以及純水和超純水的製備,並成為最經濟的工藝過程。其中,純水和超純水的製備約占RO市場的70—80%,涉及電子、電力、化工、石化、醫藥、飲料、食品、冶金等各行業;苦鹹水淡化將在西部大開發中進一步發揮作用。
4.2 RO預濃縮技術
      在膜下遊獲得淡水的同時,上遊料液被濃縮,由於滲透壓的限製,將無機鹽和小分子物質濃縮到10%左右是經濟的,這已在化工、醫藥、食品和中草藥等領域得以應用,在環保方麵,RO也用於電鍍、礦山、放射、垃圾滲濾等廢水的濃縮處理,水回用或達標排放。       
4.3 RO集成工藝
      RO膜過程有其特點也有其限度和使用要求,為了發揮RO的優勢,采用集成膜過程是十分重要的。如上述的純水和超純水製備、物料的濃縮、海水的全利用等基本上都是RO與其他技術集成的。RO發揮了其脫鹽和預濃縮的作用。
4.4 納濾(NF)
      納濾膜和工藝都是在RO膜和工藝研發的基礎上形成的,NF膜的孔徑在納米級,其對單價鹽類易透過,而對多價鹽和分子量1000以下的物質截留率很高,這一特點,決定了其在飲用水淨化、水軟化及生物、醫藥、化工等行業的分離、淨化和濃縮中的廣泛應用,成為改造傳統生產工藝,開發新工藝過程方麵的一項重要技術。
5、海水淡化的技術經濟評價
      海水淡化的技術經濟評價是正確把握技術方案的重要環節之一,在大多數情況下是決定性的。該評價是在統一可比的條件下,對各方案進行綜合分析,既考慮技術上的先進、高效、可靠性、安全、簡便和靈活等,又要考慮經濟上的節能降耗、投資省、成本低、人工少等,還應考慮環境因素,如是否有三廢和處理措施及對環境的影響等。
      嚴格按照技術經濟評價的原則、標準和方法,遵循評價采用的各個步驟,在技術經濟綜合分析的基礎上,確定各方案的優劣並提出取舍意見。下麵僅給出近幾年國際招標和谘詢的一個海水淡化工程的例子。
6、結語
      40多年來,RO反滲透從一個概念,至實驗室最終成為目前股鹽技術中的姣姣者,是大量創新的思維,創新的技術編織而成的結果。RO技術可認為已接近發展的頂峰期,但仍有相當大的餘地可進一步發展,特別是集成工藝方麵,將是RO更大發揮優勢的主要方向。
 

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