海水反渗透淡化技术的分析与探讨李赞忠

［9〕牛继勇，张猛，王东，等.A-O-O污水处理技术在焦化废水中的应用［J］.冶金动力，2009（1）：71-77.［10］周长丽，郭东平.生物脱氮技术在我国焦化废水处理中的应用与研究［J］.河北化工，2007，30（7）：77-80.［11］李进平，甘金华，侯浩波，等.用粉煤灰处理废水的研究现状及潜力［J］.粉煤灰综合利用，2007（4）：54-56.［12］陈劲松，文一波，王凯，等.Fenton氧化混凝沉淀法处理焦化废水研究［J］.水科学与工程技术，2009（1）：18-20.［13］阳立平，肖贤明.Fenton法在焦化废水处理中的应用及研究进展［J］.中国给水排水，2008，24（18）：9-13.［14］蔡健，吴恒喜，肖建军，等.HSB高效菌种在焦化废水处理中的应用［J］.武钢技术，2009，47（3）：5-7.［15］魏宏斌，陈良才，贾志宇，等.Q-WSTN工艺及其在焦化废水中的应用［J］.冶金环境保护，2007（3）：42-45.［16］刘金泉，李天增，王发珍，等.O3、H2O2/O3及UV/O3在焦化废水深度处理中的应用［J］.环境工程学报，2009，3（3）：501-505.［17］周集体，邢礼娜，张劲松.多级A/O+VTBR组合工艺处理焦化废水［J］.环境工程，2010，28（3）：26-29.［作者简介］丁玲（1976—），2005年毕业于武汉理工大学，讲师，博士研究生，从事环境化学研究。电话：[phone]，E-mail：[e-mail]。［收稿日期］2010-11-17（修改稿）海水反渗透淡化技术的分析与探讨李赞忠，乔子荣（内蒙古化工职业学院，内蒙古呼和浩特010010）［摘要］反渗透海水淡化技术是一种高效、节能、先进的液体分离技术。论述了目前国内外海水反渗透淡化技术的应用现状，着重介绍了反渗透膜材料及特点、膜污染及清洗、典型的海水反渗透淡化流程，探讨了反渗透海水淡化技术目前存在的问题及未来发展趋势。［关键词］海水淡化；反渗透技术；反渗透膜［中图分类号］TV213.1［文献标识码］A［文章编号］1005-829X（2011）03-0010-05AnalysisanddiscussiononseawaterdesalinationbyreverseosmosistechnologyLiZanzhong，QiaoZirong（InnerMongoliaVocationalCollegeofChemicalEngineering，Huhhot010010，China）Abstract：Seawaterdesalinationutilizingreverseosmosistechnologyisanefficient，energysaving，advancedliquidseparationtechnology.Theapplicationandthecurrentsituationofseawaterdesalinationbyreverseosmosistechno-logyinChinaandabroadarediscussed，focusingonthematerialsandcharacteristicsofmembranes，foulingandcleaningofmembranes，andtypicalseawaterdesalinationprocess.Meanwhiletheexistingproblemsandfuturetrendsofseawaterdesalinationutilizingreverseosmosistechnologyarealsodiscussed.Keywords：seawaterdesalination；reverseosmosistechnology；reverseosmosismembrane目前，地球上约96.5％的水存在于海洋中，1.7％的水存在于冰川中；仅有大约0.8％的水资源属于淡水，其余水资源是微咸水。微咸水主要分布于河水、地表水以及地下含咸水层〔1-2〕。全世界超过1亿的人没有干净的饮用水，大约23亿人生活在缺水地区〔3-4〕。传统的淡水资源如湖泊、河流、地下水被过度使用或滥用，使淡水资源逐渐减少或已变质成为含盐水。而通过节约用水、限制用水、水库建设等措施来解决淡水资源短缺问题是远远不够的。因此，许多国家通过海水淡化来满足持续增长的淡水资源需求，海水淡化已成为重要的饮用水源生产方案。近年来，利用反渗透膜技术进行海水淡化已得到很大的发展。全球有约80％的海水淡化工厂安装使用了反渗透膜技术设备〔5〕。通过改善膜材料的使用性能，可降低海水淡化的生产成本及操作费用。目前，反渗透膜技术仍是海水淡化的领先技术，并且，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，第31卷第3期2011年3月工业水处理IndustrialWaterTreatmentVol．31No．3Mar．，201110能够应用于多种咸水资源的淡化处理。海水的反渗透淡化包括反渗透海水和反渗透苦咸水，二者的主要区别在于水源的差异，如污染物质、盐度、氯含量等〔6-7〕。1反渗透技术的发展膜分离技术虽然出现在20世纪初，但在后期才实现了利用反渗透膜技术进行海水淡化的大规模工业化生产，而且主要集中于中东一些严重缺水的国家。科威特首先成功利用反渗透技术将含盐水转变成清洁的淡水，每天产水33万t，淡化成本为0.53美元/t〔8〕。随着膜材料技术的发展，膜的渗透性得到极大改善，利用反渗透膜技术进行海水淡化的生产能力有了显著提高，并成为新的海水淡化厂的首选技术。2005年以色列开发了世界上最大的海水淡化反渗透设备，该设备日处理能力达到3.3×105m3，产水良好〔9〕。2009年英国已开始规划在伦敦东部建设一座海水淡化厂来生产饮用水〔10〕。在我国，随着现代化的工业发展和人口的急剧膨胀，淡水资源供应严重不足。仅仅依靠南水北调战略还远远不够，必须大力实施海水淡化技术。海水反渗透淡化技术在我国的应用已取得了显著成效，2004年投产的大连石化5650t/d反渗透海水淡化脱盐项目的装置脱盐率达99.5%，水利用率达45%〔11〕；黄岛发电厂的海水淡化能力约为1.6×104m3/d；青岛发电厂和青岛碱业公司也相继建设了反渗透海水淡化工程，海水淡化能力达3×104m3/d。目前，青岛市正在建设总规模为1×105m3/d的海水淡化项目，该项目采用世界上成熟可靠的反渗透海水淡化技术，计划于2011年建成通水〔12〕。2反渗透原理及特点2.1反渗透原理渗透是水从稀溶液一侧通过半透膜向浓溶液一侧自发流动的过程。半透膜只允许水通过，而阻止溶解固形物（盐）的通过。浓溶液随着水的流入不断被稀释。当水向浓溶液一侧流动而产生的压力能够阻止水的继续流入时，渗透处于平衡状态。平衡时，水通过半透膜相互流入的数量相等，即处于动态平衡状态，此时的压力称为溶液的渗透压。当向浓溶液一侧施加一个大于渗透压的外压时，浓溶液中的水就会通过半透膜流向稀溶液，使浓溶液的浓度更大，这一过程就是渗透的相反过程，称为反渗透。渗透是自发过程，而反渗透则是非自发过程。水通过膜迁移的速率与膜性能，溶液温度，膜两侧施加的压力差及浓、稀溶液间的渗透压差等有关。渗透压与溶液的浓度和温度成正比，也与溶液中离子的类型有关〔13-14〕。反渗透膜分离技术就是利用反渗透原理进行分离的技术，即加在溶液上的压力超过了渗透压，使溶液中的溶剂向纯溶剂方向流动。2.2反渗透的特点反渗透膜可除去0.0001μm的颗粒杂质及相对分子质量大于150～200的有机物，除盐率可达95％以上，是高含盐水采用的主要预脱盐手段之一，运行压力一般为1.4～6.0MPa〔15〕。反渗透法与现有的其他分离方法（如蒸发、冷冻等）相比，具有相态不变、无需加热、设备简单、效率高、占地小、操作方便、能量消耗少、适应性强等显著特点〔16〕。而且采用反渗透技术不会造成环境的二次污染，排污费用较低，容易达到环保要求，制水成本可大幅度降低，易于大规模工业化生产。3反渗透水源3.1水源分类反渗透水源一般有地表水和地下水（苦咸水）2种。地表水包括的范围很广，如江河、湖泊、水库、海洋等，而地下水是由雨水和地表水经过地层的渗流而形成的，存在于土壤和岩石内。地球上的水源分布及水质情况如表1所示。表1地球上的水源分布及水质情况注：部分雨水稀少地区，地表水含盐质量浓度可达1000～5000mg/L。某些内陆湖水含盐质量浓度可达40000mg/L以上。3.2水源的选择当地表水（主要为海水）和地下水（苦咸水）均可作为反渗透的水源时，应对2种可供水源及其相应特性进行核查，以便选择更经济可行的水源。选择水源时应考虑：取水点的安全性；水量是否充足；水泥质量；取水要求（如取水口构造、取水井深度等）；处理要求（含废液处置的成本和灵活性）；水源输送和水源布点要求〔17-18〕。水源分布水量含盐质量浓度/（mg·L-1)体积/(109·m3)体积分数/%空气中水汽129000.001江河、湖泊2300000.017100～500冰川291200002.157海洋131872000097.228000～35000地下水86166000.6253000～10000合计1356699500100.00地表水工业水处理2011－03，31（3）李赞忠，等：海水反渗透淡化技术的分析与探讨114反渗透膜材料及其优缺点4.1反渗透膜材料对于反渗透膜，从膜的材质上分类大致包括：醋酸纤维膜，芳香聚酰胺膜，高分子电解质膜，无机质膜等。在反渗透（RO）技术发展的较早阶段，反渗透膜绝大多数是基于醋酸纤维素材料，具有不对称结构。迄今为止，研究较为成熟而且已实现工业化应用的主要是醋酸纤维膜和芳香聚酰胺膜。在20世纪后期，开发了大量芳香族复合膜材料，复合膜大多带有正电荷或负电荷，具有更高的盐截留率，可在低压下操作，极大地延长了膜的使用寿命〔19〕。各类复合反渗透膜如表2所示。表2各类复合反渗透膜4.2不同膜材料的优缺点常用于水脱盐处理的膜材料有醋酸纤维素膜（CA膜）、聚酰胺膜（PA膜）和复合膜（TFC膜）。尽管CA膜的脱盐率可高达95%以上，但其易受微生物侵蚀而降解，从而使膜脱盐率降低；此外，CA膜在酸性、碱性环境中易水解，还原成纤维和醋酸，随着水温的升高，当给水pH超出最佳pH（pH为5～6）时，水解速率加快〔20-21〕。因此，通常需加酸维持给水pH在最佳范围内，以延长CA膜使用寿命。PA膜克服了CA膜的缺点，即该膜不易受微生物侵蚀而降解，不易水解，通常可在pH为4～11的范围内运行；但该膜如受到氯或其他氧化剂侵蚀，则易降解。PA膜的最高运行温度为40℃。TFC膜是一种新研制的膜，并已得到应用。该膜与CA膜相比，不易水解，可在pH为2～11内运行，抗生物侵蚀能力强，且能抗膜的压密。该膜可在较低压力（1.6MPa）下运行，节约了能源，且脱盐率稳定。4.3反渗透膜的构型反渗透膜制成一定构型才可用于水处理。目前膜的构型主要有平板式、管式、卷式和中空纤维式，但常用于水处理的是卷式和中空纤维式2种〔22〕。无论是卷式还是中空纤维式，均要求膜材料能提供适当的机械支撑，以便承受一定的给水压力，确保处理过程中给水、浓水和产品水不混合，加压给水在通过膜表面时能均匀分布并有良好的流动状态，使浓差极化降至最低。膜的构型应能保证最大程度地提高脱盐率和透水量。4.3.1螺旋卷式膜构型卷式膜元件广泛应用于苦咸水的脱盐。当要求产水量较大时，通常使用直径为101.6mm或203.2mm，长度为1016mm或1524mm的膜元件。卷式膜组件由几个膜元件连接起来，装在圆筒形压力容器内构成〔23〕。当压力给水进入第1个膜元件，并在该膜元件的螺旋卷绕之间的通道内流动时，一部分给水渗透过膜，并通过卷式通道流到膜元件中心的产品水收集管，另一部分给水则沿着膜元件长度方向继续流动至第2个膜元件，这一过程依次进行。每个膜元件的产品水都通过公共产品水管排