反滲透技術(shù)在海水淡化中應(yīng)用

1、作者：BAOYEACC淺析反滲透在海水淡化中的應(yīng)用摘要：海水淡化自古以來就是人們夢寐以求的，現(xiàn)在已經(jīng)變?yōu)楝F(xiàn)實，尤其是近幾年來，反滲透技術(shù)由于其投資少、能耗低、成本便宜、建設(shè)周期短等優(yōu)點。已多次在國際海水淡化會化招標中勝出。本文主要介紹反滲透技術(shù)的發(fā)展，介紹了膜、組器、設(shè)備以及應(yīng)用工藝的創(chuàng)新性開拓，其中包括不對稱膜、復(fù)合膜。關(guān)鍵詞：海水淡化，滲透，反滲透，膜分離引言海水的組成很復(fù)雜，已知海水中含有80 多種化學(xué)元素，主要以離子形式存在。在海水濃縮、結(jié)晶過程中，則以鹽的形式析出。其中Cl - ，Na + ，Mg 2+ 等11 種含量超過1 × 10 - 6 的元素是海水的主要成份，占海水

2、總含鹽量的99.58% 。此外，海水中還存在某些同位素，重要的有氫的同位素氘等。海水中也溶解有多種氣體，含量最多的為二氧化碳、氮和氧?？諝庵械南∮袣怏w氬、氦和氖，在海水中也有微量存在。溶解在海水中的二氧化碳，與淡水中的情況不同，淡水中的二氧化碳主要是以游離狀態(tài)存在，可用煮沸或減壓等方法驅(qū)除。海水中的二氧化碳除少量是游離狀態(tài)外，主要是以碳酸根及碳酸氫根形式存在，需加入強酸方可逐出，用一般的方法難以驅(qū)逐。海水中還含有各種數(shù)量不等的無機和有機懸浮物，因此要從海水中提取淡水并不是一件很容易的事。世界上淡水資源不足，已成為人們?nèi)找骊P(guān)切的問題。作為水資源的開源增量技術(shù)，海水淡化已經(jīng)成為解決全球水資源危機的

3、重要途徑。反滲透法于20世紀70年代起用于海水凈化，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，隨著反滲透膜性能提高、預(yù)處理技術(shù)進步、能量回收率的提高等，已成為投資最省、成本最低、應(yīng)用范圍廣泛的海水淡化技術(shù)，也是目前最清潔的方法。一、反滲透簡介反滲透又稱逆滲透，一種以壓力差為推動力，從溶液中分離出溶劑的膜分離操作。對膜一側(cè)的料液施加壓力，當壓力超過它的滲透壓時，溶劑會逆著自然滲透的方向作反向滲透。從而在膜的低壓側(cè)得到透過的溶劑，即滲透液；高壓側(cè)得到濃縮的溶液，即濃縮液。若用反滲透處理海水，在膜的低壓側(cè)得到淡水，在高壓側(cè)得到鹵水。反滲透時，溶劑的滲透速率即液流能量N為：NKh(p)式中Kh為水力滲透系數(shù)，它隨溫度升高稍有

4、增大；p為膜兩側(cè)的靜壓差；為膜兩側(cè)溶液的滲透壓差。稀溶液的滲透壓為：iCRT式中i為溶質(zhì)分子電離生成的離子數(shù)；C為溶質(zhì)的摩爾濃度；R為摩爾氣體常數(shù)；T為絕對溫度。反滲透通常使用非對稱膜和復(fù)合膜。反滲透所用的設(shè)備，主要是中空纖維式或卷式的膜分離設(shè)備。反滲透膜能截留水中的各種無機離子、膠體物質(zhì)和大分子溶質(zhì)，從而取得凈制的水。也可用于大分子有機物溶液的預(yù)濃縮。由于反滲透過程簡單，能耗低，近20年來得到迅速發(fā)展?，F(xiàn)已大規(guī)模應(yīng)用于海水和苦咸水（見鹵水）淡化、鍋爐用水軟化和廢水處理，并與離子交換結(jié)合制取高純水，目前其應(yīng)用范圍正在擴大，已開始用于乳品、果汁的濃縮以及生化和生物制劑的分離和濃縮方面。 （一）反

5、滲透的基本原理滲透現(xiàn)象早在1748 年就由一位名叫阿倍 諾倫特的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)：如果兩種不同含鹽量的液體用半透膜把它們隔開，那么低鹽度腔處的水分子會穿過半透膜向高鹽度腔運動，這個過程被稱為“滲透”。如圖1 所示，如果用一個只有水分子才能透過的薄膜（即半透膜）將一個容器隔成兩部分，在半透膜兩邊分別注入純水和鹽水到同一高度（見圖la ）。過一段時間就可以發(fā)現(xiàn)純水液面降低了，而鹽水的液面升高了（見圖1b , ) ，這種現(xiàn)象就叫做滲透現(xiàn)象。但是鹽水液面的升高并不是無止境的，而是到了一定高度后，產(chǎn)生的壓力抑制了淡水進一步向鹽水的滲透，從而滲透的自然趨勢被此壓力所抵消而達到滲透平衡狀態(tài)，這時半透膜兩端液面差所

6、代表的平衡壓力被稱為“滲透壓”（見圖lb ）。滲透壓的大小與鹽水的濃度直接相關(guān)。如果在鹽水腔一側(cè)施加一個大于“滲透壓”的壓力，那么鹽水中的水分子會透過半透膜向淡水腔一側(cè)移動（見圖1c , ）。這種現(xiàn)象與“滲透”現(xiàn)象正好相反，故稱之為“反滲透”。從理論上講，只要外加壓力高于滲透壓即可產(chǎn)生反滲透，但是在實際應(yīng)用中工作壓力通常要比滲透壓大得多。綜上所述，產(chǎn)生反滲透現(xiàn)象必須具備二個基本條件，第一，必須有一種高選擇性和高滲透性（透水性）的半透膜。第二，必須有外界推動力，即以壓力作為推動力，此操作壓力必須遠高于溶液的滲透壓。圖1 滲透、滲透壓、反滲透示意圖（二）反滲透膜分離原理當溶液與純?nèi)軇┍话胪改じ糸_，

7、半透膜兩側(cè)壓力相等時，純?nèi)軇┩ㄟ^半透膜進入溶液側(cè)使溶液濃度變低的現(xiàn)象稱為滲透。此時，單位時間內(nèi)從純?nèi)軇﹤?cè)通過半透膜進入溶液側(cè)的溶劑分子數(shù)目多于從溶液側(cè)通過半透膜進入溶劑側(cè)的溶劑分子數(shù)目，使得溶液濃度降低。當單位時間內(nèi)，從兩個方向通過半透膜的溶劑分子數(shù)目相等時，滲透達到平衡。如果在溶液側(cè)加上一定的外壓，恰好能阻止純?nèi)軇﹤?cè)的溶劑分子通過半透膜進入溶液側(cè)，此外壓稱為滲透壓。滲透壓取決于溶液的系統(tǒng)及其濃度，且與溫度有關(guān)，如果加在溶液側(cè)的壓力超過了滲透壓，則使溶液中的溶劑分子進入純?nèi)軇﹥?nèi)，此過程稱為反滲透。反滲透膜分離過程是利用反滲透膜選擇性地透過溶劑（通常是水）而截留離子物質(zhì)的性質(zhì)，以膜兩側(cè)的靜壓差為

8、推動力，克服溶劑的滲透壓，使溶劑通過反滲透膜而實現(xiàn)對液體混合物進行分離的膜過程。因此，反滲透膜分離過程必須具備兩個條件：一是具有高選擇性和高滲透性的半透膜；二是操作壓力必須高于溶液的滲透壓。（三）反滲透膜分離過程特點反滲透膜分離過程在常溫下進行、無相變、能耗低，可用于熱敏感性物質(zhì)的分離、濃縮；可有效地去除無機鹽和有機小分子雜質(zhì)；具有較高的脫鹽率和較高的水回用率；膜分離裝置簡單，操作簡便，便于實現(xiàn)自動化；分離過程要在高壓下進行，因此需配備高壓泵和耐高壓管路；反滲透膜分離裝置對進水指標有較高的要求，需對源水進行一定的預(yù)處理；分離過程中，易產(chǎn)生膜污染，為延長膜使用壽命和提高分離效果，要定期對膜進行清

9、洗。（四）反滲透過程傳質(zhì)機理20世紀50年代末以來，許多學(xué)者先后提出了各種不同的反滲透膜分離過程的傳質(zhì)機理和傳質(zhì)模型，現(xiàn)將幾種機理簡介如下。1、溶解擴散理論溶解擴散理論是朗斯代爾（Lonsdale）和賴利（Riley）等人提出的應(yīng)用比較廣泛的理論。該理論將反滲透膜的活性表面皮層看成是無缺陷的致密無孔膜，溶劑與溶質(zhì)都能溶解于均質(zhì)的非多孔膜表面皮層內(nèi)，溶解量的大小服從亨利定律，在濃度或壓力造成的化學(xué)位差推動下，從膜的一側(cè)向另一側(cè)擴散，再在膜的另一側(cè)解吸。溶質(zhì)和溶劑在膜中的溶解擴散過程服從菲克（Fick）定律。該機理認為溶質(zhì)和溶劑都能溶于均質(zhì)或非多孔型膜表面，以化學(xué)位差為推動力，通過分子擴散而實現(xiàn)滲

10、透過程。因此，物質(zhì)的滲透能力不僅取決于擴散系數(shù)，而且取決于其在膜中的溶解度。溶質(zhì)和溶劑溶解度的差異及在膜相中擴散性的差異強烈地影響其透過膜的能力的差異。溶質(zhì)的擴散系數(shù)與水分子的擴散系數(shù)相差越大，在壓力作用下，水與溶質(zhì)在膜中的移動速度相差就越大，因而兩者透過膜的分子數(shù)相差越多，滲透分離效果越明顯。溶解擴散理論的具體滲透過程為：（1）溶質(zhì)和溶劑在膜的料液側(cè)表面吸附溶解。（2）溶質(zhì)和溶劑之間沒有相互作用，他們在化學(xué)位差的作用下以分子擴散的形式滲透過反滲透膜的活性層。（3）溶質(zhì)和溶劑在膜的另一側(cè)表面解吸。在以上滲透過程中，一般假設(shè)溶解和解吸過程進行得較快，而滲透過程相對較慢，滲透速率取決于溶質(zhì)和溶劑在

11、膜內(nèi)的擴散過程。該理論最適用于均相、高選擇性的膜分離過程，如反滲透和滲透汽化過程。2、優(yōu)先吸附-毛細孔流理論當溶液中溶有不同物質(zhì)時，其表面張力將發(fā)生不同的變化。例如當水中溶入醇、酸、醛、酯等有機物質(zhì)時，可使其表面張力減??；但當溶入某些無機鹽類時，反而使其表面張力稍有增加。研究發(fā)現(xiàn)，溶質(zhì)的分散是不均勻的，即溶質(zhì)在溶液表面層中的濃度與溶液內(nèi)部的濃度不同，這種溶質(zhì)濃度的改變現(xiàn)象稱為溶液表面的吸附現(xiàn)象。使表面層濃度大于溶液內(nèi)部濃度的作用稱為正吸附作用，反之稱為負吸附作用。這種由表面張力引起的溶質(zhì)在兩相界面上正的或負的吸附過程，形成一個相當陡的濃度梯度，使得溶液中的某一成分優(yōu)先吸附在界面上。這種優(yōu)先吸附

12、的狀態(tài)與界面性質(zhì)（物化作用力）密切相關(guān)。索里拉金等人提出了優(yōu)先吸附-毛細孔流理論。以氯化鈉水溶液為例，溶質(zhì)是氯化鈉，溶劑是水，膜的表面選擇性地吸收水分子而排斥氯化鈉，鹽是負吸附，水是正吸附，水優(yōu)先吸附在膜的表面上。在壓力作用下，優(yōu)先吸附的水分子通過膜，從而形成了脫鹽的過程。這種理論同時給出了混合物分離和滲透性的一種臨界孔徑的概念。當膜表面毛細孔直徑為純水層厚的2倍時，對一個毛細孔而言，將能夠得到最大流量的純水，此時對應(yīng)的毛細孔徑稱為臨界孔徑。理論上講，制膜時應(yīng)使孔徑為2倍純水厚度的毛細孔盡可能多地存在，以便膜的純水通量最大。當膜毛細孔的孔徑大于臨界孔徑時，溶液將從毛細孔的中心部位通過而導(dǎo)致溶質(zhì)

13、的泄露。在該理論中，膜被假定為有微孔，分離機理由膜的表面現(xiàn)象和液體通過孔的傳質(zhì)所決定。膜層有優(yōu)先吸附水及排斥鹽的化學(xué)性質(zhì)，使膜表面及膜孔內(nèi)形成一幾乎為純?nèi)軇┑娜軇?，該層?yōu)先吸附的溶劑在壓力作用下，連續(xù)通過膜而形成產(chǎn)液，其濃度低于料液。在料液和膜表面層之間形成一濃縮的邊界層。根據(jù)該理論，反滲透過程是由平衡效應(yīng)和動態(tài)效應(yīng)兩個因素控制的，平衡效應(yīng)是指膜表面附近呈現(xiàn)的排斥力或吸引力有關(guān)；動態(tài)效應(yīng)是指溶質(zhì)和溶劑通過膜孔的流動性，既與平衡效應(yīng)有關(guān)，又與溶質(zhì)在膜孔中的位阻效應(yīng)有關(guān)。依據(jù)這一理論，索里拉金等于1960年8月研制出一種具有高脫鹽率和高通量的可用于海水脫鹽的多孔醋酸纖維素反滲透膜。從此，反滲透開

14、始作為海水和苦咸水淡化的技術(shù)進入實用裝置的研制階段。3、氫鍵理論Reid等提出，在醋酸纖維素膜中，由于氫鍵和范德華力的作用，大分子之間存在牢固結(jié)合的結(jié)晶區(qū)和完全無序的非結(jié)晶區(qū)。水和溶質(zhì)不能進入晶區(qū)，溶劑水充滿在非晶區(qū)，在接近醋酸纖維素分子的地方，水與醋酸纖維素羰基上的氧原子形成氫鍵，即所謂的“結(jié)合水”。在非晶區(qū)較大的空間里（假定為孔），結(jié)合水的占有率相對較低，在孔的中央存在普通結(jié)構(gòu)的水，不能與醋酸纖維素形成氫鍵的離子或分子可以通過孔的中央部分遷移，這種遷移方式稱為孔穴型擴散。能和膜形成氫鍵的離子或分子與醋酸纖維素的氧原子形成結(jié)合水，以有序擴散的方式進行遷移，通過不斷改變和醋酸纖維素形成氫鍵的位

15、置進行傳遞透過膜。在壓力作用下，溶液中的水分子和醋酸纖維素的活化點羰基上的氧原子形成氫鍵，而原來結(jié)合水的氫鍵被斷開，水分子解離出來并隨之轉(zhuǎn)移到下一個活化點形成新的氫鍵，通過一連串的氫鍵形成與斷開，水分子離開膜的表面致密層進入膜的多孔層，又由于膜的多孔層含有大量的毛細管水，水分子暢通地流到膜的另一側(cè)。氫鍵理論能夠解釋許多溶質(zhì)的分離現(xiàn)象。該理論認為，作為反滲透的膜材料必須是親水性的并能與水形成氫鍵，水在膜中的遷移主要是擴散。但是，氫鍵理論將水和溶質(zhì)在膜中的遷移僅歸結(jié)為氫鍵的作用，忽略了溶質(zhì)-溶劑-膜材料之間實際存在的各種相互作用力。4、擴散-細孔流理論Sherwood等提出了擴散-細孔流理論，該理

16、論是介于溶解擴散理論與優(yōu)先吸附-毛細孔流理論之間的理論。該理論認為膜表面存在細孔，水和溶質(zhì)在細孔和溶解擴散的共同作用下透過膜，膜的透過特性既取決于細孔流，也取決于水和溶質(zhì)在膜表面的擴散系數(shù)。當通過細孔的溶液量與整個膜的透水量之比越小，水在膜中的擴散系數(shù)比溶質(zhì)在膜中的擴散系數(shù)越大，則膜的選擇透過性越好。5、自由體積理論Yasuda等在自由體積的基礎(chǔ)上提出了自由體積理論。該理論認為，膜的自由體積包括聚合物的自由體積和水的自由體積。聚合物的自由體積指的是在無水溶脹的由無規(guī)則高分子線團堆積而成的膜中，未被高分子占據(jù)的空間。水的自由體積指的是在水溶脹的膜中純水所占據(jù)的空間。水可以在整個膜的自由體積中遷移

17、，而鹽只能在水的自由體積中遷移，從而使得膜具有選擇透過性能。以上這些理論在解釋反滲透膜的傳質(zhì)機理時，都有各自的局限性，反滲透膜的透過機理還在不斷地發(fā)展和完善中。三、反滲透在海水中的應(yīng)用（一）反滲透的發(fā)展概況海水淡化是從海水中獲取淡水的技術(shù)和過程。早在50年代，為解決“水的危機”，美國從52年起專設(shè)鹽水局，74年后轉(zhuǎn)為資源技術(shù)局，不斷推進水資源和脫鹽的技術(shù)進步，其中反滲透法海水淡化（SWRO）就是1953年據(jù)膜和海水界面有一純水層而提出的；73年日本通產(chǎn)省下設(shè)造水促進中心，專門研究節(jié)能的脫鹽技術(shù)，歐洲則在尤里卡等計劃下推動海水淡化的發(fā)展，它們也都以膜法為重點。經(jīng)過近50年的研究、開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，S

18、WRO自70年代進入海水淡化市場之后，發(fā)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(jīng)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(fā)成功使能量回收效率都高達90%以上3，從而使SWRO的本體能耗在3kWh/m3淡水以下，成為從海水制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(yōu)勢而屢屢中標。SWRO所以能如此成功，與其在膜、組器、設(shè)備和工藝等方面的創(chuàng)新性開拓是分不開的。（二）反滲透海水淡化技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀國外早在20 世紀40 年代就開始了反滲

19、透技術(shù)的研究，從試驗到生產(chǎn)，主要用于海水淡化、純水制備等領(lǐng)域。到80 年代，反滲透技術(shù)在各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。國外艦船上也大量采用了反滲透技術(shù)進行海水淡化。在國內(nèi)，雖然反滲透技術(shù)已經(jīng)在某些領(lǐng)域得到了一定的應(yīng)用，但是由于起步較晚，使得反滲透技術(shù)在艦船上的應(yīng)用受到限制，所以，目前艦船上所用的純水絕大多數(shù)還都是蒸餾法生產(chǎn)的，反滲透海水淡化技術(shù)還沒有得到普遍應(yīng)用，但是由于反滲透海水淡化方法具有其他方法無法比擬的優(yōu)點，已經(jīng)越來越受到重視，目前已有反滲透海水淡化裝置裝船實際使用。（三）反滲透技術(shù)的發(fā)展20 世紀50 年代，科學(xué)家開始利用反滲透作為一種實驗室技術(shù)進行溶液中溶質(zhì)和溶劑的有效分離。60 年代以來

20、，先后有醋酸纖維素、醋酸甲基丙烯酸纖維素、醋酸丁酸纖維、芳香族聚酰胺以及多種材料復(fù)合而成的反滲透膜問世。膜的形式有板狀膜、管狀膜、卷式膜、中空纖維、盤式膜等多種。經(jīng)過多年的發(fā)展和實踐，國際上的反滲透海水淡化技術(shù)已趨成熟。目前，反滲透膜的抗壓密、耐水解和抗污染等綜合性能已大為提高，膜的脫鹽率在99% 左右，海水經(jīng)一次脫鹽即可滿足生活飲用水的標準，膜的工作壽命已達4 萬h 左右。（四）反滲透海水淡化技術(shù)的特點反滲透海水淡化技術(shù)相比其他海水淡化方法具有明顯的特點和優(yōu)勢：1、在常溫、沒有發(fā)生相變化的條件下，可對溶質(zhì)與水進行分離。因此可避免由于熱而產(chǎn)生的被處理液中溶質(zhì)的變性、水垢化和材料腐蝕等問題。2、

21、水和溶質(zhì)分離過程沒有相的變化，所以淡化所需的能量很少。根據(jù)大型海水淡化工程計算，海水淡化能耗僅為2. 6 kWh / rn3 ，再加上預(yù)處理等耗能，海水淡化的總能耗約為2. 83 kWh / rn3 。（3）反滲透技術(shù)是膜分離技術(shù)的一種，它不僅可以脫鹽，使電導(dǎo)率達到使用要求，而且由于反滲透膜的孔徑很小，只有10 × 10 - 10 m，細菌、病毒等都很難通過反滲透膜，可以除去水中的微量有機物及微粒，因此用反滲透法制得的產(chǎn)品水可達到宜飲水的品質(zhì)，因而其價值較高。3、以壓力為分離的原動力，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，單位體積產(chǎn)水量高，占地面積小，同時操作簡單，自動化程度高。4、反滲透海水淡化裝

22、置反滲透海水淡化裝置主要包括海水供給及預(yù)處理設(shè)備、海水高壓泵、反滲透膜組、壓力調(diào)節(jié)閥、管路及附件、監(jiān)控設(shè)備等。反滲透海水淡化裝置圖( 1 ）反滲透膜組裝置中最重要的部件是反滲透膜及膜的組件形式選擇。近年來，國際上反滲透膜的性能已有長足發(fā)展，膜組的形式也多種多樣。主要的膜組形式有3 種：板框式（平板式）膜組、中孔纖維膜組和盤式膜組。板框式（平板式）膜組是反滲透早期的一種形式，一般認為它的工藝簡單，性能穩(wěn)定，對海水的前處理要求低。缺點是海水流動狀態(tài)不良，易造成濃差極化，膜堆密度小等。中孔纖維膜組的最大優(yōu)點在于膜堆密度大（同產(chǎn)水量情況下它的體積最小），濃差極化小。最大的缺點是對海水的前處理要求高，不

23、易清洗。卷式膜膜堆密度間對海水前處理的要求比板框式（平板式）膜組高，但比中孔纖維膜組要低，海水流動狀態(tài)也比較好。作為艦船用裝置，一般都希望結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，膜堆密度大的膜組相對體積肯定要小些。但對海水前處理要求過高，勢必使海水過濾部分復(fù)雜化，有的中孔纖維膜組的反滲透裝置的前處理使用了超濾。就艦船設(shè)備來說，單純追求膜堆密度大而復(fù)雜的前處理，對整臺反滲透裝置并沒有好處。對海水前處理要求低是板框式（平板式）膜組的最大優(yōu)點，國外公司在充分利用這個優(yōu)點的基礎(chǔ)上對板框式（平板式）膜組結(jié)構(gòu)進行改進，改善了海水流動狀態(tài)。改進后的板框式（平板式）膜組稱為盤式膜組，可以更好地滿足船用裝置的要求。目前盤式膜組和卷式

24、膜組比較適用于艦船反滲透海水淡化裝置使用。( 2 ）海水供給及預(yù)處理反滲透裝置一般都設(shè)置一臺海水供水泵。而在艦船上，只要裝置的海水進口與船上的海水系統(tǒng)相在應(yīng)用過程中，影響反滲透海水淡化裝置反滲透接，即可簡化海水供給，省略海水供水泵。這對減小性能的裝置的體積、簡化裝置和操作是很有效的。國外有艦船用反滲透裝置就是借用船上的海水系統(tǒng)，裝置本身不裝海水供水泵，實際應(yīng)用效果也很不錯。反滲透的預(yù)處理主要是滿足反滲透膜組的要求。 ( 3 ）海水高壓泵海水淡化的膜組滲透工作壓力一般在5.0 一6.0 MPa ，必須通過高壓泵工作達到工作壓力要求，因此，高壓泵是反滲透裝置中的重要部件。( 4 ）壓力調(diào)節(jié)閥、管路

25、及附件、檢測設(shè)備管路及附件主要用來連接裝置的各個部分，監(jiān)控設(shè)備對裝置進行檢測、控制、報警等，實現(xiàn)裝置的自動化運行。壓力調(diào)節(jié)閥用來調(diào)節(jié)膜組工作壓力，保證膜組工作壓力的穩(wěn)定。（五）反滲透膜海水淡化技術(shù)流程實際上，一個大型的海水淡化項目往往是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程。就主要工藝過程來說，包括海水預(yù)處理、淡化（脫鹽）、淡化水后處理等。其中預(yù)處理是指在海水進入起淡化功能的裝置之前對其所作的必要處理，如殺除海生物，降低濁度、除掉懸浮物（對反滲透法），或脫氣（對蒸餾法），添加必要的藥劑等；脫鹽則是通過上列的某一種方法除掉海水中的鹽分，是整個淡化系統(tǒng)的核心部分，這一過程除要求高效脫鹽外，往往需要解決設(shè)備的防腐與

26、防垢問題，有些工藝中還要求有相應(yīng)的能量回收措施；后處理則是對不同淡化方法的產(chǎn)品水針對不同的用戶要求所進行的水質(zhì)調(diào)控和貯運等處理。海水淡化過程無論采用哪種淡化方法，都存在著能量的優(yōu)化利用與回收，設(shè)備防垢和防腐，以及濃鹽水的正確排放等問題。如下圖所示反滲透膜海水淡化技術(shù)流程圖三、淡化產(chǎn)品水的性質(zhì)（一）淡化水水質(zhì)指標分析反滲透淡化由于反滲透膜的脫鹽率可達99.3，并且反滲透膜能夠截留糖類、氨基酸、細菌、病毒等物質(zhì)，因此其產(chǎn)品水安全可靠，水質(zhì)純凈，TDS僅為20500 mg L。一般反滲透淡化水水質(zhì)控制指標為細菌總數(shù)（MNP·100 ML或CFU·100mL）、大腸桿菌（CFU&#

27、183;100mL）、色度/度、pH、總?cè)芙庑怨腆w、總硬度、揮發(fā)酚、硅、硼、鈉、鐵、氯離子、硫酸根、氟化物等。一般來講，反滲透法所產(chǎn)淡化水，具有礦物質(zhì)含量少、輕微腐蝕性和偏酸性(pH值為6.57.5)的特點。反滲透法海水淡化產(chǎn)品水除硼外，其他指標均達到國內(nèi)外生活飲用水標準(GB 5749-2006、世衛(wèi)組織飲用水準則、歐盟飲用水水質(zhì)指令及EPA 822-R-04-005)指標限值。（二）淡化水的后處理方法對淡化水的進一步處理通常稱之為海水淡化后處理。國外的研究認為：經(jīng)過處理后的淡化水水質(zhì)，當堿度>80 mg/L、80 mg/L<Ca2+<120 mg/L、3 mg/L<

28、CCPP<10 mg/L、pH<8.5、Larso比例>5時，能夠保證管網(wǎng)不受腐蝕，滿足進入市政管網(wǎng)的要求。通常的后處理包括下列過程：礦化。防腐蝕。消毒。強化脫出特定化學(xué)成分。一般情況下后處理過程只采取上述一種或幾種措施就能滿足要求。例如，與原水混合或添加必要的礦物質(zhì)(如鈣、鎂)能同時穩(wěn)定產(chǎn)品水水質(zhì)并保護供水系統(tǒng)免于腐蝕。再如，通常添加次氯酸鈣是為了殺菌消毒，同時也能增加一些礦物質(zhì)鈣。通常淡化廠的產(chǎn)品水與原水混合并加入次氯酸鈣消毒后，可達到衛(wèi)生安全和管網(wǎng)防腐蝕的目的。（三）反滲透水處理工藝在海水淡化領(lǐng)域的應(yīng)用和展望海水淡化技術(shù)種類很多，有蒸餾法（多級閃蒸多效蒸餾、壓汽蒸餾等）

29、、膜法（反滲透、電滲析膜蒸發(fā)等）、離子交換法、冷凍法等，但適用于大規(guī)模淡化海水的方法只有多級閃蒸（MSF）、多效蒸餾（MED）和反滲透法（RO）。 反滲透法海水淡化與蒸餾法相比，膜法海水淡化只能利用電能，蒸餾法海水淡化利用熱能和電能。所以反滲透淡化適合有電源的場合，蒸餾法適合有 熱源或電源的各種場合。但是隨著反滲透膜性能的提高和能量回收裝置的問世，其噸水耗電量逐漸降低。反滲透海水淡化經(jīng)一次脫鹽，能生產(chǎn)相當于自來水水質(zhì)的淡 化水。雖然蒸餾法海水淡化水質(zhì)較高，但反滲透技術(shù)仍具有較強的自身優(yōu)勢，如應(yīng)用范圍廣，規(guī)?？纱罂尚。ㄔO(shè)周期短，不但可在陸地上建設(shè)，還適于在車輛、艦 船、海上石油鉆臺、島嶼、野外

30、等處使用。 反滲透系統(tǒng)需要較好的預(yù)處理，才能保證出水水質(zhì)。在海水淡化領(lǐng)域中，預(yù)處理是保證反滲透系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。由于海水中的硬度、總固體 溶解物和其他雜質(zhì)的含量均較高，在運行過程中，反滲透系統(tǒng)對于濁度、pH值、溫度、硬度和化學(xué)物質(zhì)等因素較為敏感，所以對進水的要求相對較高，如果進水水 質(zhì)差，產(chǎn)水率就非常低。因此，海水在進入反滲透膜裝置之前必須進行預(yù)處理。以下是海水淡化的常用的工藝簡述。 1、海水殺菌滅藻 由于海水中存在大量微生物、細菌和藻類。海水中細菌、藻類的繁殖和微生物的生長不僅會給取水設(shè)施帶來許多麻煩，而且會直接影響海水淡化設(shè)備及工藝管道的正常運轉(zhuǎn)，所以海水淡化工程多采用投加液氯、次氯

31、酸鈉和硫酸銅等化學(xué)劑來殺菌滅藻。 2、混凝過濾 因為海水具有周期性漲潮、退潮，水中常夾帶大量泥沙，濁度變化較大，易造成海水預(yù)處理系統(tǒng)運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，故在預(yù)處理中要加入混凝過濾，目的在 于去除海水中的膠體、懸浮雜質(zhì)，降低濁度。在反滲透膜分離工程中通常用污染指數(shù)（SDI）來計量，要求進入反滲透設(shè)備的給水的SDI4。由于海水比重較 大，pH值較高，且水溫季節(jié)性變化大，預(yù)處理系統(tǒng)常選用三氯化鐵作為混凝劑，其具有不受溫度影響，礬花大而結(jié)實，沉降速度快等優(yōu)點。 3、過濾器過濾 為了使反滲透的進水水質(zhì)得到進一步提高，降低進水的濁度，通常在混凝過濾之后加上一個砂濾過濾器，使得水中的微小懸浮物和顆粒物得到進一步的去

32、除，確保了水質(zhì)的進一步提高。 4、阻垢劑和還原劑 海水的組成非常復(fù)雜，硬度和堿度都非常高，為了使得反滲透系統(tǒng)能夠更好的運行，保持系統(tǒng)始終在沒有結(jié)垢的情況下運行，需要根據(jù)具體的水質(zhì)投 加相對應(yīng)的阻垢劑。另外，因為反滲透預(yù)處理中投加了氧化劑殺菌，故在反滲透進水時需要投加還原劑來還原，使得反滲透系統(tǒng)的進水余氯小于0.1ppm（或 ORP<200mV），滿足反滲透系統(tǒng)對進水氧化物質(zhì)含量的要求。 5、保安過濾器 因為海水的含鹽量非常多，故保安過濾器的材質(zhì)要采用316L濾器，濾芯孔徑通常選5m，過濾進高壓泵前的海水，阻擋海水中直徑大于5m顆粒雜質(zhì)，確保高壓泵，能量回收裝置和反滲透膜元件安全、長期穩(wěn)定

33、的運行。 6、高壓泵和能量回收裝置 高壓泵和能量回收裝置是為反滲透海水淡化提供能量轉(zhuǎn)換和節(jié)能的重要設(shè)備，按反滲透海水淡化所需的流量和壓力選型，能量回收裝置具有水力透平 結(jié)構(gòu)，能利用反滲透排放濃縮海水的壓力使反滲透進水壓力提升30%，使得濃水的能量得到有效的利用，同時降低能耗，從而有效地減少運行費用。 7、反滲透元件與裝置 反滲透膜元件是反滲透海水淡化的核心部件，要選用與海水淡化系統(tǒng)相對應(yīng)的海水淡化膜，根據(jù)系統(tǒng)的不同設(shè)計，可以選擇VONTRON公司的 SW218040或者SW22-8040海水淡化膜元件，該海水淡化元件具有高脫鹽率，較好的耐壓性、抗氧化和耐污染等性能。海水淡化系統(tǒng)的設(shè)備材質(zhì)在 高

34、壓部分要采用316L以上的不銹鋼材質(zhì)，防止海水的高含鹽水質(zhì)對高壓管路的腐蝕。 8、系統(tǒng)控制 反滲透海水淡化控制系統(tǒng)通常采用可編程控制器PLC組成一個分散采樣控制，集中監(jiān)視操作的控制系統(tǒng)。按工藝參數(shù)設(shè)置高低壓保護開關(guān)，自動切 換裝置，電導(dǎo)、流量和壓力出現(xiàn)異常時，能實現(xiàn)自動切換、自動聯(lián)鎖報警、停機，以保護高壓泵和反滲透膜元件。變頻控制高壓泵的起動和關(guān)停，實現(xiàn)高壓泵的軟操 作，節(jié)省能耗，防止由于水錘或反壓造成高壓泵和膜元件損壞。程序設(shè)計在反滲透裝置開機和停機前后，能實現(xiàn)低壓自動沖洗，特別在停運時，濃縮海水的亞穩(wěn)定狀 態(tài)會轉(zhuǎn)化出現(xiàn)沉淀，污染膜面，低壓淡化水自動沖洗能置換出濃縮海水，保護膜面不受污染，延

35、長膜的使用壽命。對系統(tǒng)的溫度、流量、水質(zhì)、產(chǎn)水等相關(guān)參數(shù)能實 現(xiàn)顯示、儲存、統(tǒng)計、制表和打印。監(jiān)視操作中的動態(tài)工藝流程畫面清晰直觀，系統(tǒng)控制簡化人工操作，確保系統(tǒng)能自動、安全、可靠地運行。 9、展望 隨著反滲透膜技術(shù)的不斷改進和分離工藝的改良，反滲透海水淡化在世界海水淡化產(chǎn)業(yè)中所占比例正在不斷擴大，而反滲透海水淡化處理工藝也得到 了高度的重視，并以較快的速度發(fā)展。同時，隨著新型膜與膜技術(shù)的開發(fā)，海水淡化成本有望進一步降低，必將加快膜法海水淡化技術(shù)轉(zhuǎn)化為實際生產(chǎn)力的速度，使 之在解決世界性水資源短缺的難題中發(fā)揮更大的作用。四、結(jié)束語地球上的淡水資源危機今后將愈加嚴重，而海水淡化是解決水問題的唯一途徑。海水淡化的成本是人們最關(guān)心的問題，鑒于自來水價格很低，因此淡化成本就不能太高。淡化水的成本是個很復(fù)雜的問題，它不僅與淡化方法有關(guān)，而且與工藝設(shè)計、選材、給水和淡化的水質(zhì)、比能耗、地理、當?shù)啬茉磧r格、投資來源、管理體制有密切關(guān)系。比較各種淡化方法，反滲透淡化法的投資費和運行費都是低的。反滲透技術(shù)將是21世紀海水淡化的主要方法。參考文獻1 王越,蘇保衛(wèi),徐世昌,王志,王世昌. 反滲透海水淡化技術(shù)最新研究動態(tài)J. 膜科學(xué)與技術(shù), 2004,(02) . 2 常宇清,鞠茂偉,周一卉. 反滲透海水淡化系統(tǒng)中的能量回收技術(shù)及裝置研究進展J. 能源工程