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上海和泰反渗透膜分离技术的创新性进展

[导读]简述了大型反渗透法海水淡化厂对环境的影响 ,如与能耗相关的 CO2 的排放 、浓海水排海 、占地 、噪音和景观等 ;最后对反 渗透技术的延伸进行了简介

海水淡化是从海水中获取淡水的技术和过程 .海水淡化技术经过半个多世纪的发展,从技术上讲 ,已经比较成熟, 大规模地把海水变成淡水 ,已经在世界各地出现.目前主要海水淡化方法有多级闪蒸(MSF)、反渗透(SW RO)、多效蒸发(M ED)等 .海水化技术成为解决当今水资源匮乏的重要手段之一,全世界淡化水日产量约 3 400 万 m3, 解决了 1亿多人口(世界人口的 1/40)的供水问题 ,其中反渗透约占 44 %.经过近 50 年的研究 、开发和产业化 , SWRO 自70 年代进入海水淡化市场之后 , 发展十分迅速 .海水淡化水本体能耗已降到 3 kWh/m3 以下 , 淡化水成本在 0 .5 美元/m3 左右 .目前 SWRO 成为从海水制取饮用水最有竞争力的海水淡化手段 .海水淡化在《全国海洋经济发展规划纲要》和《海水利用专项规划》中已列为重点发展技术之一.通过努力 ,使关键材料与设备基本实现国产化,工程规模大型化, 形成产业化基地 ,建成示范城市和示范区, 建立工程研究中心和研究试验现场 .使我国的海水淡化技术达到国际先进水平 , 使海水淡化成为我国沿海地区供水安全保障体系的重要组成部分.另外 ,该技术是一共性技术, 它的发展不仅能带动材料、化工、自动化等的进步 , 而且该技术的延伸在电子、电力 、生物工程 、医药(疗)、化工和环保等领域也发挥了重大作用,可以此技术作为循环经济 、清洁生产和提升传统产业的主要手段 ,带动相关产业年增产值数百亿元 ,获取显著的经济、社会和生态效益的回报 .

反渗透的一些重大的创新进展

2 .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 .

2 .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 μm 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 -C TA 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).

2 .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 μm 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 M Pa 操作压力下, 对 35 000mg/L NaCl 溶液 , 脱盐率为 99 .8 %, 水通量 40 L/(m2·h)以上.

2 .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 .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 .

2 .3 关键设备的不断改进

SW RO 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, SW RO 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 5.5M Pa ,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 SW RO 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(M ED)集成

SWRO 与 M SF 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 ,M SF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

SW RO 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 SW RO 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 SW RO 大规模生产淡水也有其负面的影响 .一是SW RO 本体能耗在 3 kWh/m

3 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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