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艾科浦纯水机反渗透膜

[导读]反渗透膜过滤技术是一种高效、 低能和易操作的液体分离技术, 同传统的水处理方法相比具有处理效果好,可实现海水淡化、废水的循环利用和对有用物质回收等优点. 本文基于中空纤维反渗透膜技术的发展,研究其在国内外的应用现状,介绍了反渗透膜在海水和苦咸水淡化、纯水制备、废水处理、食品加工等方面的应用,并讨论了反渗透膜的研究方向和发展前景.

反渗透膜是以膜两侧静压差为推动力而实现对液体混合物分离的选择性分离膜,其操作压力一般为1.5~10.5 MPa,反渗透膜只能通过溶剂(通常是水)而截留离子或小分子物质. 20 世纪 60 年代,Loeb 和Sourirajan 采用相转化法制备出第一张不对称醋酸纤维素膜之后,反渗透膜技术才有了突破性的进展[1]. 反渗透膜的第二次突破是以界面聚合法制备高通量薄层复合膜的出现 [2-4]. 中空纤维分离膜具有自支撑结构,组件制备工艺简单,放大效应小,在单位体积内可提供更大的膜面积[5],堆积密度比管式膜大,预处理和维护比卷式膜更为简单 [6]. 但国内外对中空纤维反渗透膜的研究仍处在实验研究阶段,目前还没有商品化的中空纤维反渗透膜膜组件,市场上的反渗透膜大多是以界面聚合法制备的全芳香聚酰胺管式或卷式膜.日东电工集团/美国海德能公司已联合推出增强型的污染卷式反渗透复合膜-PROC10 和低压高脱盐卷式反渗透复合膜-CPA 已在纯水制备、废水处理等方面得到广泛应用. 本文对反渗透膜在海水和苦咸水淡化、纯水生产、废水处理及食品加工等领域的应用进行综述

1 海水和苦咸水淡化

水资源短缺已成为全球性的问题,它严重地制约着经济的发展、社会的进步和人民生活水平的提高.据Shiklomanov 统计显示[7],2000 年全球每人每年的淡水供应为 7 000 m3,然而,由于人口的增加、地表及地下水资源的污染,人们正在面临水资源危机. 海水和苦咸水淡化是解决水资源短缺的有效途径之一,而反渗透技术是实现海水和苦咸水淡化的有效手段.

1.1 海水淡化

从海水淡化的技术种类来说,目前主要还是蒸馏法和反渗透法两大主流技术,其中反渗透海水淡化技术由于具有设备投资省、能量消耗低、建造周期短等诸多优点,近 10 年来发展相当迅速,目前最大的反渗透海水淡化厂产水规模已经达到 3.3×105 m3/d. 2005年以色列最大的反渗透海水淡化工厂建成,产水量100 Mm3/y,预计 2020 年底可以生产饮料用水,产水量305 Mm3/y[8]. 20 世纪 70 年代末,海水反渗透系统的单位能量消耗为 20 kW·h·m-3;随着反渗透膜、泵效率和能量回收系统的改进,80 年代中期,海水反渗透系统的单位能耗为 8.0 kW·h·m-3;21 世纪初,随着能量回收技术的出现,海水反渗透系统的单位能耗已经降至2.0 kW·h·m-3 [9]. Matt Folley 等[10]自制的反渗透海水淡化系统,水通量为 102 m3/h,产水平均含盐量为 288mg/L,平均能耗为 2.1 kW·h·m-3,其中反渗透单元的能耗仅为 1.85 kW·h·m-3.

1.2 苦咸水淡化

苦咸水一般指含盐量为 1 000~15 000 mg/L 的天然水、地面水和自流井水[11],由于含盐量高,不能直接应用于工农业生产及人们的生活饮用水,必须进行淡化处理,才能加以利用. 孙魏等[12]采用超滤膜和反渗透膜处理含盐量在 4 010 ~ 4 500 mg/L 的苦咸水,对进水CODMn、总硬度、Cl、总溶解固体的去除率分别高于95%、98%、94.73%、97%,其它出水指标如硝酸盐、硫酸根、细菌和大肠杆菌数量远远优于国家饮用水标准.

反渗透膜处理前后苦咸水的水质指标见表 1.突尼斯位于半干旱地区,水资源非常有限,特别是南部地区,需要对苦咸水进行淡化处理来补充饮用水的不足. 1999 年,国有 SONEDE 公司建立苦咸水淡化工程来生产饮用水以满足突尼斯地区人民的生活需要[13],所用到的反渗透膜是海德能公司的聚酰胺反渗透膜. 原水的含盐量为 6 000 mg/L,产水电导率低于400 μS/cm,产水量为 15 000 m3/d,转化率为 75%.

2 纯水生产

纯水在人们的日常生活和工业生产中的重要作用日益突出,饮用纯水的品质已成为影响人们的生活水平及健康状况的重要因素;另外,对烧碱及制药工业来说,水质的好坏也直接影响到产品质量.

2.1 饮用水生产

20 世纪 80 年代欧美国家已将反渗透膜广泛应用于生活用水的净化处理,20 世纪 90 年代后期我国也开始大规模使用反渗透膜技术. 巴西南部的某超纯水生产厂,利用膜总面积为 28 000 m2 反渗透系统生产超纯水,产水电导率为 0.3 μS/cm,反渗透膜的水通量为 650 m3/h[14]. 咸阳国际机场供水是含铬及氟苦咸水,水质较差,不宜饮用,尚天宠采用反渗透装置对其进行净化、淡化处理后成为符合国家生活饮用卫生标准和世界卫生组织饮水水质准则的优质水[15].

2.2 工业用水生产

在工业用水方面,反渗透膜分离技术主要用来脱盐、脱色和除杂. 张菊青等[16]采用反渗透膜技术制取的高纯水质量完全达到了烧碱工艺用水要求,反渗透膜采用美国海德能公司生产的 CPA3-LD 系列超低压卷式复合膜组件(RO 组件),单支膜组件标准产水量为41.6 m3/d,标准截留率为 99.7%. 氯碱工业水中的 Ca2+、Mg2+等离子严重影响产品的质量,因此为得到高纯度的氯化钠必须将其除去. Madaeni 等人用不同的商品反渗透膜(FT30,PVD,DOW-PS)对氯碱工业用水进行处理[17],研究结果表明,PVD 膜具有较高的钙镁离子脱除率,同时对氯化钠的截留率较低.

2.3 制药用水生产

反渗透作为一种新型的膜分离技术,已广泛应用于制药行业. 浙江大东吴集团红延药业有限公司根据其工艺用水特点[18],选用美国海德能公司的超低压聚酰胺复合膜,采用二级反渗透法制取医药纯水. 红延药业有限公司所处的浙江省湖州市自来水水质浊度低,电导率在 300 μS/cm 左右,硬度(以 CaCO3 计)约140 mg/L,经反渗透处理后,出水电导率在 0.52~1.92μS/cm,水通量可达 2.3 m3/h,二级反渗透回收率达到80%,满足了制药工艺要求. M Belkacema 等[19]采用BW30LE-440 管式聚酰胺反渗透膜处理阿尔及尔的地下水作为制药用水,每支反渗透膜的有限面积为 35m2. 原水经过沉淀、消毒、砂滤等预处理,浊度由 0.46NTU 降至 0 NTU,产水电导率为 1 700 μS/cm. 预处理水经过反渗透膜处理后,电导率由 1 700 μS/cm 降至15 μS/cm,再经去离子处理后,电导率降至 0.59 μS/水供应为 7 000 m3,然而,由于人口的增加、地表及地下水资源的污染,人们正在面临水资源危机. 海水和苦咸水淡化是解决水资源短缺的有效途径之一,而反渗透技术是实现海水和苦咸水淡化的有效手段.


1.1 海水淡化

从海水淡化的技术种类来说,目前主要还是蒸馏法和反渗透法两大主流技术,其中反渗透海水淡化技术由于具有设备投资省、能量消耗低、建造周期短等诸多优点,近 10 年来发展相当迅速,目前最大的反渗透海水淡化厂产水规模已经达到 3.3×105 m3/d. 2005年以色列最大的反渗透海水淡化工厂建成,产水量100 Mm3/y,预计 2020 年底可以生产饮料用水,产水量305 Mm3/y[8]. 20 世纪 70 年代末,海水反渗透系统的单位能量消耗为 20 kW·h·m-3;随着反渗透膜、泵效率和能量回收系统的改进,80 年代中期,海水反渗透系统的单位能耗为 8.0 kW·h·m-3;21 世纪初,随着能量回收技术的出现,海水反渗透系统的单位能耗已经降至2.0 kW·h·m-3 [9]. Matt Folley 等[10]自制的反渗透海水淡化系统,水通量为 102 m3/h,产水平均含盐量为 288mg/L,平均能耗为 2.1 kW·h·m-3,其中反渗透单元的能耗仅为 1.85 kW·h·m-3.

1.2 苦咸水淡化

苦咸水一般指含盐量为 1 000~15 000 mg/L 的天然水、地面水和自流井水[11],由于含盐量高,不能直接应用于工农业生产及人们的生活饮用水,必须进行淡化处理,才能加以利用. 孙魏等[12]采用超滤膜和反渗透膜处理含盐量在 4 010 ~ 4 500 mg/L 的苦咸水,对进水CODMn、总硬度、Cl、总溶解固体的去除率分别高于95%、98%、94.73%、97%,其它出水指标如硝酸盐、硫酸根、细菌和大肠杆菌数量远远优于国家饮用水标准.反渗透膜处理前后苦咸水的水质指标见表 1.突尼斯位于半干旱地区,水资源非常有限,特别是南部地区,需要对苦咸水进行淡化处理来补充饮用水的不足. 1999 年,国有 SONEDE 公司建立苦咸水淡化工程来生产饮用水以满足突尼斯地区人民的生活需要[13],所用到的反渗透膜是海德能公司的聚酰胺反渗透膜. 原水的含盐量为 6 000 mg/L,产水电导率低于400 μS/cm,产水量为 15 000 m3/d,转化率为 75%.2 纯水生产纯水在人们的日常生活和工业生产中的重要作用日益突出,饮用纯水的品质已成为影响人们的生活水平及健康状况的重要因素;另外,对烧碱及制药工业来说,水质的好坏也直接影响到产品质量.

2.1 饮用水生产

20 世纪 80 年代欧美国家已将反渗透膜广泛应用于生活用水的净化处理,20 世纪 90 年代后期我国也开始大规模使用反渗透膜技术. 巴西南部的某超纯水生产厂,利用膜总面积为 28 000 m2 反渗透系统生产超纯水,产水电导率为 0.3 μS/cm,反渗透膜的水通量为 650 m3/h[14]. 咸阳国际机场供水是含铬及氟苦咸水,水质较差,不宜饮用,尚天宠采用反渗透装置对其进行净化、淡化处理后成为符合国家生活饮用卫生标准和世界卫生组织饮水水质准则的优质水[15].

2.2 工业用水生产

在工业用水方面,反渗透膜分离技术主要用来脱盐、脱色和除杂. 张菊青等[16]采用反渗透膜技术制取的高纯水质量完全达到了烧碱工艺用水要求,反渗透膜采用美国海德能公司生产的 CPA3-LD 系列超低压卷式复合膜组件(RO 组件),单支膜组件标准产水量为41.6 m3/d,标准截留率为 99.7%. 氯碱工业水中的 Ca2+、Mg2+等离子严重影响产品的质量,因此为得到高纯度的氯化钠必须将其除去. Madaeni 等人用不同的商品反渗透膜(FT30,PVD,DOW-PS)对氯碱工业用水进行处理[17],研究结果表明,PVD 膜具有较高的钙镁离子脱除率,同时对氯化钠的截留率较低.

2.3 制药用水生产

反渗透作为一种新型的膜分离技术,已广泛应用于制药行业. 浙江大东吴集团红延药业有限公司根据其工艺用水特点[18],选用美国海德能公司的超低压聚酰胺复合膜,采用二级反渗透法制取医药纯水. 红延药业有限公司所处的浙江省湖州市自来水水质浊度低,电导率在 300 μS/cm 左右,硬度(以 CaCO3 计)约140 mg/L,经反渗透处理后,出水电导率在 0.52~1.92μS/cm,水通量可达 2.3 m3/h,二级反渗透回收率达到80%,满足了制药工艺要求. M Belkacema 等[19]采用BW30LE-440 管式聚酰胺反渗透膜处理阿尔及尔的地下水作为制药用水,每支反渗透膜的有限面积为 35m2. 原水经过沉淀、消毒、砂滤等预处理,浊度由 0.46NTU 降至 0 NTU,产水电导率为 1 700 μS/cm. 预处理水经过反渗透膜处理后,电导率由 1 700 μS/cm 降至15 μS/cm,再经去离子处理后,电导率降至 0.59 μS/


3.6 城市污水处理

杨树雄等[30]采用超滤(UF)-反渗透(RO)-连续电去离子膜块(EDI)联合工艺对城市污水处理厂二级出水进行深度处理,其出水水质可满足大连泰山热电厂440 t/h 超高循环流化床锅炉对其化学补给水的水质要求,并能保证大连泰山热电厂超高压锅炉用水的安全性和可靠性. 本系统一级、二级反渗透膜组件分别采用美国陶氏公司生产的 BW30-365FR 抗污染复合反渗透膜和 BW30-400FR 复合反渗透膜,单根膜脱盐率均达 99.6%.

4 食品工业

反渗透膜在食品工业中主要应用于牛奶加工、果汁加工及酒的加工等.

4.1 牛奶加工

在干酪生产中,每 100 kg 牛奶可产出 10~20 kg 的干酪和 80~90 kg 的乳清. 乳清是干酪生产中的副产品,含有大量的蛋白质、脂肪、乳糖、乳酸和矿物质. 由于乳清乳糖与蛋白质比例小、BOD 高 (30 000~50 000mg/L),所以不容易处理和利用. 反渗透可以用于乳清生产过程,包括乳清浓缩、去除部分矿物质、乳清分离和脱盐. 用反渗透处理乳清可以使乳糖结晶,从而提高了奶粉的生产效率. 乳清是第一种应用膜技术进行浓缩的液体食物[31]. 经过反渗透处理,乳清由废品变成了可以生产营养品的有用源料.

4.2 果汁加工

反渗透技术在果汁生产中有许多优点[32]:操作过程在常温下进行,营养成分的损失较小;无相变化,能保持饮料的芳香口味;能耗低,仅为蒸发浓缩和冷冻浓缩方法的 1/2~1/3;色素分解和褐变反应较少,饮料颜色纯正、悦目;不需化学试剂和添加剂,产品不受外界污染;分离装置简便、操作容易、易控制.国外已将超滤反渗透技术用于菠萝汁、柑桔汁、葡萄汁、蕃茄汁、梨汁等果汁的澄清与浓缩 ,产品质量及经济效益较好[33]. Rektor 等[34]采用丹麦 DDS 公司生产的HR-30 和ACM-2 型 RO 膜浓缩葡萄汁均取得较好效果,在操作温度 35 ℃、操作压力5 MPa,循环流量 300 L/h 时,对花青素的截留率可达 99.5%. 橙汁含有大量的维生素 C和天然抗氧化剂,Galaverna 等[35]采用超滤-反渗透-渗透蒸馏工艺对 Parmalat S P A 的红橙汁浓缩,既可以得到高浓度的橙汁,而且不损害橙汁的有效成分,橙汁可以由 12~12.6°Brix 浓缩至61°Brix,比传统的热蒸发获得的橙汁浓度 56.3°Brix高.

4.3 酒类加工

反渗透可应用于酿酒过程,制备低酒精度产品.与限制发酵、蒸馏脱醇等方法相比,反渗透法能克服限制发酵产品中残糖高、蒸馏法有蒸煮味等风味缺陷,得到高品质的无醇啤酒,且投资和运行等费用也不高. 冯凌蕾等[36]运用反渗透法对普通啤酒进行脱醇后,酒精度达到 0.5%(体积分数)以下,除含酒精量较低外,仍具有普通啤酒的色、香、味,满足无醇啤酒的标准.

5 结束语

应用反渗透膜处理海水和苦咸水、工业及市政废水,不仅可以节约能源,还可以减少环境污染. 虽然反渗透膜的截留率高、操作压力低,有很好的机械稳定性、热稳定性、化学稳定性及水解稳定性,但是还存在一些问题,如截留率不高、耐氯性及抗污染性差等. 近年来,由于水资源的日益紧缺、环境标准的不断提高以及物质分离纯化高效低成本的要求,反渗透膜的应用领域不断扩展,在这一背景下,中空纤维反渗透膜的研究和推广应用也变得更为重要. 笔者认为,今后应当加强以下几方面的研究:在获得高截留率的同时提高反渗透膜的水通量;提高反渗透膜的耐氯性及抗污染能力;加强反渗透膜清洗及保养方式的研究,增加反渗透膜的使用寿命.





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