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反渗透技术在水处理中的应用进展

[导读]反渗透技术是一种新兴的液体分离技术,具有分离效率高,操作简单,环境友好等优点。本文 介绍了反 渗透技术的原理和发展, 着重探讨了反渗透技术在海水和苦咸水淡化、纯 水和超纯水的制备以及工业废水处理中的 应用,进一步讨论了反渗透水处理技术应用中存在的问题和解决方法,并对该技术的发展进行了展望。

水资源是一种宝贵的稀缺资源,由于水资源在 日常生活和生产中发挥着不可代替的作用,21 世纪 水资源问题已经不仅仅是资源问题,更成为关系到 各个国家经济发展、社会进步和国家稳定的重要战 略问题 [1]。我国水资源总储量居世界第6位,约为 2.81 万亿 m3。但是由于我国人口基数巨大,人均水 资源占有量仅为世界人均水资源占有量的 1/4,不足 2150m3,位列世界110位,是联合国认定的“水资源 最为紧缺”的 13 个国家之一 [2]。为了解决我国水 资源短缺的现状,开发新型水资源和污水处理回用 技术越来越受到重视。近些年,反渗透  技术广泛应 用于水处理方面,并展现出其独特的优势。

1   原理、工艺及发展

1.1   原理 反渗透(Reverse Osmosis)是利用反渗透膜的 选择性,以膜两侧静压差为动力,克服溶剂(通常是 水)的渗透压,允许溶剂通过而截留离子物质,对液 体混合物进行分离的膜过程。进行反渗透分离过程 有2个必要条件 [3]:一是外加压力必须大于溶液的 渗透压力(操作压力一般为1.5~10.5MPa);二是必 须有一种高透水性、高选择性的半透膜。反渗透膜 表面微孔孔径一般小于 1nm,对绝大部分无机盐、溶 解性有机物、溶解性固体、生物和胶体都有很高的去 除率。

1.2   技术工艺 反渗透膜自身对进水的 pH、温度以及特定的化学物质比较敏感,进水的水质严格要求pH值范围 4~10,温度< 40℃,淤泥密度指数SDI<5,游离氯 < 0.1mg·L-1,浊度<1,含铁量<0.1mg·L-1 等。 为了满足反渗透膜进水要求,原水在进入反渗透膜 系统之前首先要进行预处理(沉降、混凝、微滤、超 滤、活性炭吸收、pH 调节等) ,然后经加压泵加压进 入膜组件,在压力的作用下原水透过反渗透膜成为 产水,而无机盐、有机物及微粒等被反渗透膜截留在 膜的另一侧形成浓液。根据具体工艺的需求,浓液 可被回收利用或者再处理。反渗透可以与超滤、 纳 滤等膜装置连用,组成集成膜装置。反渗透水处理 简易工艺流程见图 1

1.3   发展 反渗透膜的发展大致经历了3个阶段(表 1)。 目前,我国常用的反渗透膜材料主要有醋酸纤维素 膜(CA 膜)、芳香聚酰胺膜(PA 膜)和壳聚糖膜(CS 膜)这3类。CA膜是运用最早的膜材料,无臭、无味、 无毒,对光稳定,吸湿性强,但是CA膜的化学稳定 性、热稳定性、压密性较差,而且易降解。PA 膜是工 业上最常用的反渗透膜,具有物化稳定性,耐强碱、 油酯、有机溶剂,机械强度好等优点,但是PA膜具 有带电性,水中颗粒易在膜表面沉积,形成膜污染, 缩短使用寿命。CS 膜是天然高分子膜材料,无毒、无副作用,能抗菌,碱土金属离子的脱除能力强, 是 更优越的硬水软化的反渗透膜,是一种极有潜力的膜材料,在国际受到极大的关注 [9~11]。

反渗透膜的最新发展包括无机膜、杂化膜和新 型有机膜 [12]。理论上,无机膜离子截留性能很高, 但成本高,制备条件苛刻,不利于工业化应用;杂化 膜融合了有机材料与无机材料的优点,在提高膜分 离性能及抗污染方面有很好的应用前景,具有很大 的发展潜力,有待进一步的理论研究;新型有机膜的 制备还在初级阶段,主要目的是改善膜通量及化学 稳定性,目前仍未获得突破性进展。

2  在水处理中的应用 与其他传统分离工程相比 ,反渗透分离过程有 其独特的优势:(1)压力是反渗透分离过程的主动 力,不经过能量密集交换的相变,能耗低;(2)反渗 透不需要大量的沉淀剂和吸附剂,运行成本低;(3) 反渗透分离工程设计和操作简单,建设周期短;(4) 反渗透净化效率高,环境友好。因此,反渗透技术在 生活和工业水处理中已有广泛应用,如海水和苦咸 水淡化、医用和工业用水的生产、纯水和超纯水的制 备、工业废水处理、食品加工浓缩、气体分离等。

2.1   海水和苦咸水淡化 20世纪60年代以来,反渗透脱盐已成为一种 获取饮用水的重要途径,是解决淡水资源紧缺的一 种有效方法 [13]。目前,反渗透脱盐技术主要应用在 两个方面:海水淡化和苦咸水脱盐。 全世界海水淡化装置中约有30%是利用反渗 透技术实现的,通过反渗透膜可除去海水中 99% 以 上的盐离子 [14],得到可饮用的淡水。以色列的反 渗透海水淡化技术比较领先,2005 年阿什克伦建 造了当时世界上最大的反渗透海水淡化装置,产水 量为 3.3×105m3·d-1,占到以色列全部水需求量的 15%,产水成本约为0.53 美元·m-3 [15]。我国最大 的反渗透海水淡化站位于大连市长海县,日产淡水 1000m3,淡水成本 6 元·m-3 [16]。 苦咸水在我国北方地区分布较为广泛,含盐离子较多,可通过反渗透技术进行除盐淡化处理,达到饮 用水标准。马莲河流域示范工程利用马莲河上游环 江苦咸水资源,采用反渗透膜技术,建立1000 m3·d-1 苦咸水淡化工程,出水水质达到国家生活饮用水卫生 标准,有效解决了环县城区5万居民饮水问题 [17]。杭 州湾新区水厂 [18] 采用了超滤及反渗透组合设备处理 当地水库的高盐水,投入运行1年多来出水水质稳 定,符合国家饮水水质标准。何绪文 [19]、姚永毅 [20] 、 孙魏[21]等均对苦咸水进行过反渗透处理的实验研究, 系统脱盐率>95%,出水水质优于国家饮用水标准。 海水和苦咸水淡化是反渗透技术的传统应用领 域,目前存在的问题仍然是操作压力偏高,能耗较 大,另外海水中的 Cl- 对反渗透膜也有较大的污染, 阻碍了反渗透技术在该领域的进一步推广。目前, 低压、低能耗、抗污染、抗氧化的反渗透膜正在积极 的研发之中,以便从根本上解决现在存在的问题。

2.2    纯水和超纯水的制备 清华紫光古汉集团衡阳制药厂 [22] 采用反渗透+ 混床水处理技术改进了原来的全离子交换制水工艺, 运行期间,产水增加,水质改善,大幅度降低了制水成 本。此外,许多科研人员 [23~27] 均对反渗透+电去离 子法制取纯水进行了实验研究,达到了预期结果,证 实了反渗透+电去离子法制取高纯水的可行性。 通过控制反渗透的级数可制取不同纯度脱盐 水。随着反渗透级数的增加,脱盐水的纯度提高,但 是出水量减少,水利用率降低,因此,反渗透装置连 用一般不会超过二级,通常将反渗透与电去离子技 术联用,不仅克服了反渗透出水不能彻底除盐的不 足,还可以提高电去离子装置的进水水质,防止电去 离子设备损坏,提高整体净水效果。

2.3   工业废水处理 工业废水处理是除脱盐和纯水的制备领域外, 反渗透技术应用最多的一个领域。工业废水处理具 有降低生产成本,保护环境,实现废水资源化等多重意义。由于反渗透膜对进水要求较高,运用反渗透 技术对废水进行深度处理时,往往还要结合沉降、混 凝、微滤、超滤、活性炭吸收、pH调节等预处理工艺。

2.3.1   重金属废水处理 反渗透技术在重金属废水处理中应用较早, 国 内外均对此进行了大量的研究。早在 20 世纪 70 年 代,反渗透技术已经在电镀废水处理中有所应用,主 要是大规模用于镀镍、铬、锌漂洗水和混合重金属废 水的处理。 Mohsen Niaa[28] 加入Na2EDTA对Cu2+ 和Ni2+ 离子 进行螯合作用,然后通过反渗透过滤,对Cu2+ 和Ni2+ 的离子截留率可以提高至 99.5%。Covarrubias[29]、Bodalo[30] 等采用反渗透膜处理制革废水,结果表明,反渗 透膜对皮革工业废水中的铬和有机物有很高的去除 率。 长沙力元新材料股份有限公司 [31] 采用膜分离 技术浓缩电镀镍漂洗水,镍离子的截留率大于99%, 经一级纳滤和两级反渗透浓缩后,浓缩液中镍离子 浓度达到50g·L-1,透过液可经处理后再次回用。 张连凯 [32] 对印制电路板加工酸洗车间产生的重金 属废水调节 pH 至中性后采用超滤 + 反渗透工艺进 行中试,反渗透系统对 Cu2+ 和溶解性总固体的去除 率分别为 99.9% 和 98.9%。

2.3.2    印染废水处理 印染纺织废水不仅色度高、水量大,而且成分十 分复杂,废水中含有染料、浆料、油剂、助剂、酸碱、 纤 维杂质以及无机盐等,染料结构中还含有很多较大 生物毒性的物质,如硝基和胺类化合物以及铜、铬、 锌、砷等重金属元素 [33],如不经处理直接排放,必将 对环境造成严重污染。 曾杭城 [34] 应用超滤+反渗透双膜技术处理印 染废水,超滤能够有效地去除废水中大分子有机 物,降低浊度,使进水水质达到反渗透膜的要求,经 反渗透处理后,有机物和盐的去除率可分别达99% 和 93% 以上,产水化学需氧量小于 10mg·L-1,电导 率小于 80μS·cm-1,产水满足大部分印染工艺用 水标准。钟璟 [35] 采用中空纤维超滤膜和反渗透技 术处理羊毛印染废水,操作压力为0.1MPa,流速为 1500L·h-1 的条件下,色度、含盐量等指标均有显著 的降低,COD 值、色度达标排放。

2.3.3    电厂循环废水处理 电厂循环冷却水系统对水的消耗量很大,占到纯火力发电厂用水的80%,热电厂用水的50%以上 [36], 对循环排放水进行回收处理,产水作为循环补充水或 锅炉补给水系统的水源,不仅防止了对环境造成污 染,还可以有效节约水资源,降低生产成本。 北京京丰天然气燃机联合循环电厂[37] 采用 超滤+反渗透技术联合操作对电厂循环排污水进 行处理,投运以来,反渗透系统运行良好,产水量 68 m3·h-1,电导率小于35μS·cm-1,脱盐率高于 97%。邯郸钢铁集团有限责任公司电厂 [38] 脱盐水 站同样采用双膜法水处理工艺,经过超滤+二级反 渗透+混床处理后的精脱盐水可供电厂锅炉及干熄 焦使用,日产精脱盐水15000t。此外,郭青 [39] 在临 沂发电有限公司,对超滤 - 反渗透组合工艺处理循 环冷却排污水做了现场试验,反渗透系统各段运行 压力平稳,产水满足回用的要求。陈颖敏 [40] 采用连 续微滤 + 反渗透技术对循环排污水进行预除盐, 反 渗透系统脱盐率达 98% 以上。

2.3.4   化工废水处理 采用离子交换法生产K2CO3 的生产过程中,会 产生大量的NH4Cl 废水,为了节约用水和彻底解决 NH4Cl废水排放问题,张继臻 [41] 采用选择离子交换、 反渗透膜分离和低温多效闪蒸相结合的方法,将低 浓度NH4Cl废水进一步浓缩回收,使废水由达标排 放转变为全部回收利用,达到零排放。 石油化工废水成分复杂,除含有油、硫、苯、酚、 氰、环烷酸等有机物以外,还含有金属盐、反应残渣 等,污染物浓度高且难降解,水量及酸碱度波动较 大,传统的水处理工艺很难达到资源回收再利用的 目的。兰州石化公司 [42] 于 2006 年新建的 500t·h-1 脱盐水装置,5 年间运行稳定,脱盐率高,效果良好。 李宇航 [43] 采用超滤+反渗透双膜法进行了石化废 水再生利用的中试,超滤系统产水 SDI < 3,反渗透 系统的脱盐率> 99%,终端产水达到循环冷却补水 水质要求。 反渗透一般作为工业废水终端处理,对水中的 无机盐、有机物、重金属离子等都有很高的截留率, 出水水质优良,可回用作冷却水或工艺用水循环利 用,不仅节约了新鲜水的使用量,节约生产成本,还 减少了污水的排放量,对环境保护和可持续发展都 有着重要意义,对缺水地区具有巨大的经济效益。

3  存在的问题及解决方案

3.1  操作压力问题 反渗透技术较之传统分离工艺在能耗方面有着 独特的优势,但是在反渗透的传统脱盐领域和废水 处理领域,降低能耗仍然是人们关注的重点,尤其是 海水淡化中,反渗透所需能耗远大于反渗透膜的成 本。为了减小操作压力,提高通量,反渗透材料正在 向皮层超薄型和低压型反渗透膜方向发展;对出水 要求不是很高的工业废水处理,可选择采用纳滤膜 代替反渗透膜,在产水水质满足用水要求的前提下, 降低能耗。 3.2   膜污染问题 反渗透膜污染是制约反渗透技术广泛应用的另 一重要因素,膜污染不仅影响了膜的稳定运行和出 水水质,还缩短了膜的使用寿命。针对膜污染,主要 的方法有 [44]:(1)完善预处理系统,保证反渗透系统 进水水质;(2)对反渗透膜进行清洗,对膜污染物进 行化学分析,选择最佳的清洗剂和清洗方法;(3)定 期对反渗透膜装置进行停车保养。

3.3   浓水处理问题 反渗透水处理工艺对进水进行分离后,不可避 免地会产生浓水,浓水的主要特点是含盐量比较大, 由于反渗透进水严格,因此浓水的色度,浊度,以及 有机物的含量都比较低。根据反渗透浓水的特点, 可加入阻垢剂后回用反渗透系统,调节浓水和进水 比例,达到循环利用;如浓水中某贵重离子含量较 高,可对该离子进一步浓缩提纯。詹金坤 [45] 还验证 了反渗透浓水作为超滤反洗水的可行性,也是一种 反渗透浓水利用的新方法。 4   总结及展望 在人口众多,水资源不断匮乏的今天,如何提高 水资源利用率和降低水处理成本,对企业而言是关 系到企业发展,环境保护以及社会利益的重大问题。 为了解决这些问题,水处理方法也在不断地发展和 成熟。20 世纪 60 年代迅速崛起的膜分离技术, 无 论是在产品结构调整、降低能耗及污染防治等方面 都有明显的优势。反渗透技术的净化效率高,设计 和操作简单,切实解决了目前水处理面临的许多难 题。 但反渗透水处理技术的发展仍将面临两个难题:一是反渗透膜材料的发展,研究开发低压超薄、 抗污染、抗氧化、易清洗、高截留和高水通量的新型 反渗透膜材料,从根本上解决反渗透水处理应用中 存在的问题;二是反渗透水处理工艺的改进,开发反 渗透膜组件与其他分离技术的联用,提高进水质量, 降低膜污染,增加反渗透膜的使用寿命,优化浓水处 理,提高水利用率,在现有的基础上进一步降低水处 理成本,所有这些都为科研工作者在反渗透技术领 域的研究提供了广阔天地。


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