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反渗透的一些重大的创新进展

[导读]重点介绍了反渗透不对称膜和复合膜的发展,特别是复合膜品种 的不断增多与性能的不断改进和提高;中空纤维和卷式反渗透膜组器技术的创新,特别是卷 式反渗透膜组器的设计和制备技术的改进及组器的性能提高和大型化; 效率不断提高的高压 泵和能量回收装置,

 1 反渗透膜的进步 在反渗透膜发展的历史中,不对称膜和复合膜 的研发是创新的两个范例. 

 1. 1 不对称膜 Loeb 和 Sourirajan 于 1960 年制得了世界上第 一高脱盐率,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. 1 mm 厚) ,传质速度极低,无实用价值,而不对称 膜仅表皮层是致密的(约 0. 2 μ m 厚) ,就这一点,使 传质速度提高了近 3 个数量级. 上世纪 70 年代研制了优异的 CA -CTA 膜,其 中之一的性能为 在 10. 2 MPa 操作压力下, 对 35 000 mg/L NaCl 溶液,脱盐率 99. 4%~ 99. 7%, 水通量 20~ 30 L/( m2·h). 

1. 2 复合膜 复合膜的概念是在 1963 年提出的,其创新点在 于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 . 2 μ m 厚)是芳香族聚酰胺,支撑层是聚砜,这使膜的性能进一步提高. 历年来,开发了 许多不同用途的复合膜,如用于海水淡化的“高脱盐 型”,纯水制备的“超低压和极低压型”,废水处理的 “耐污染型”等. 最近海水淡化的“高脱盐型”复合膜 性能大大提高,在 5. 52 MPa 操作压力下,对 35 000 mg/L NaCl 溶液,脱盐率为 99 . 8%,水通量 40 L/ ( m 2·h)以上. 

 2  膜组器技术的不断发展 反渗透膜组器技术的创新,使膜的性能得以充 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. 

2 . 1 中空纤维反渗透器 经多年的研究开发,1975 年美国 DuPont 公司 推出 B -10 型海水脱盐用聚酰胺中空纤维反渗透 器; 1980 年日本 Toyobo 公司推出 Hollosep 型海水 脱盐用 CTA 中空纤维反渗透器. 其特点是一支反渗 透器内可含几十万到几百万条中空纤维,具有最高 的膜面积堆砌密度. 2. 2 . 2 卷式反渗透元件 卷式元件概念是 1964 年提出的,经 10 多年的 多次更新换代,上世纪 70 年代中商品化,其构思是 数个膜片对和流道隔网绕中心多孔产水管卷起来, 呈筒状; 使用时几个元件以串接方式放入一压力容 器中. 经膜片对的数目和宽度、流道隔网的式样和厚 度、粘合和密封方式、多个元件产水的收集方式和端 封等的不断研究和改进,目前,复合膜广泛用于卷式 元件的大规模生产,元件的直径为 4 英寸、8 英寸、 16~ 18 英寸等,以 8 英寸的居多.

 3  关键设备的不断改进 SWRO 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(达 80%以 上)之外,特别应提及的是能量回收装置,第一代能 量回收装置是与高压泵电机主轴相连的涡轮机,之 后是水力涡轮增压器,效率都在 60%~ 70%; 新一 代产品为功或压力交换器,直接将压力由浓海水传 给新进的海水,效率大于 90%,这样反渗透海水淡 化的本体耗电降至约 3 kWh/m3 . 

2. 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,主要工艺过程分述如下。 

2. 4 . 1 二级海水淡化工艺 上世纪 70 年代商用 RO 膜脱盐率仅在 95%~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 10 kWh/m3 淡水. 目前该工艺用来从 海水中制取含盐量在 20~ 40 mg/L 的软化水. 

2. 4. 2 一级海水淡化工艺 上世纪 80 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,水回收率达 30%~ 35%. 

2. 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. 5 MPa,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,新建 的SWRO 厂可采用该工艺. 

2. 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 SWRO 厂,且可将以前的一级 SWRO 厂增设第二 段,使其产量增加一半. 

2. 4. 5 SWRO 与纳滤( NF)集成 NF 膜的孔径在纳米级,其对单价盐类易透过, 而对多价盐的截留率很高,上世纪 90 年代,提出 RO 与 NF 结合的海水淡化新工艺,但集成的工艺有 不同,一是纳滤在 RO 之前,纳滤的产水为 RO 的进 水,这对 RO 很有利; 另一种是将纳滤放在 RO 之 后,RO 的浓水为纳滤的进水,纳滤的产水返到 RO 之前,作为 RO 的进水,这可大大提高回收率. 

2. 4. 6 SWRO 过程优化 对SWRO 过程进行优化,就是以淡化水成本最 低为目标,考虑各种不同的影响因素,确定其影响的 大小和相互关系,在给定的条件下进行单元及全过 程的优化求解. 如对预处理、RO 本体、运行和后处 理的分别优化及整个 SWRO 过程的优化. 

2. 4. 7  SWRO 与多级闪蒸( MSF)或多效( MED) 集成 SWRO 与 MSF 集成已商品化,阿联酋的 Fujeirah 水电联产厂就采用这一集成技术,其中,MSF 产淡水 28 . 4 ×104 m3/d,SWRO 产淡水 17 . 0 ×104m3/d,这一集成技术使工厂的生产更灵活,水的成 本更便宜. 如果水电联产与海水利用(冷却、养殖、制 盐和盐化工等)进一步集成,综合效益会更显著. 2. 4 . 8 微滤( MF)或超滤( UF)预处理 SWRO 要求严格的预处理以防止难溶盐类的 结垢和膜污染,以 MF 或 UF 作为 SWRO 的预处理 是近几年来提出的. 经 MF 或 UF 预处理后的水质 比常规预处理的要好得多,这样 SWRO 的回收率可 大大提高,膜的使用寿命也可延长. 

2. 4 . 9 SWRO 技术的延伸 除 SWRO 淡化之外,RO 广泛用于苦咸水淡化 以及纯水和超纯水的制备,并成为其最经济的制备 工艺过程. 纯水和超纯水的制备在电子、电力、化工、 石化、医药、饮料、食品、冶金等各行业广泛采用; 苦 咸水淡化在西部大开发中将进一步发挥作用. RO 预浓缩技术是在膜下游获得淡水的同时, 上游料液被浓缩,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 标排放等. 

2. 5  对环境的影响及对策 虽然 SWRO 能对缺水地区提供所需的淡水,但 用 SWRO 大规模生产淡水也有其负面的影响. 一是 SWRO 本体能耗在 3 kWh/m3 淡水,这意味着生产 1 t 淡水,要消耗 1 kg 的油,要产生 2 kg 多的 CO2 . 二是 SWRO 的回收率一般为 40%, 那么 60 %的原 海水成为浓海水并排放到海中,这将对所排放的海 区的环境和生态产生一定的影响. 另外有噪音、占地 和景观等的影响. 这些影响可通过使用清洁的和可 再生能源、浓海水的综合利用和合理排海及其他相 应措施来解决或减缓.



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