浅谈反渗透膜法技术淡化海水

学年论文论文题目：浅谈反渗透膜法技术淡化海水学院名称：化学工程学院专业：化学工程与工艺班级：姓名：学号指导教师：职称定稿日期：2010年12月31日摘要:海水淡化，就是利用海水脱盐生产淡水的技术过程，而反渗透膜法由于具有设备简单、效率高、占地小、操作方便、没有相态改变、无需加热、能量消耗少、适应性强等显著特点已成为淡化海水最主要方法之一。本文简单介绍了反渗透膜法技术及创新，以及其发展和前景。关键词：海水淡化；反渗透膜；工艺；淡水1概论世界淡化水的总产量从60年代至今已经增长到2300×104m3/d，而且还在以10%～30%的年增长率攀升。供养的人口不仅有中东的若干国家，还有美国、俄国、日本、意大利、西班牙等发达国家的部分地区，达1亿之众。从海水淡化的技术种类来说，目前主要的还是蒸馏法，但是，反渗透海水淡化技术由于其设备投资省、能量消耗低、建造周期短等诸多优点，近10年来发展速度很快，目前最大的反渗透海水淡化厂产水规模已经达到11×104m3/d，在21世纪将与蒸馏法一起成为海水淡化的主导技术[1]。2反渗技术2.1反渗透法的原理利用半透膜中分子晶格空隙对水及盐类溶解度的差异而将其分离。在半透膜两侧分别为淡水及含盐类之溶液。依热力学定律，物质会趋向较低化学势能的方向移动，因盐水的化学势能较清水为低，故由淡水一侧会产生渗透流，通过膜面，进入盐水溶液，直到膜两侧化学势能达到平衡为止。当两侧的压力差等于渗透压时，则达到平衡状。若在盐水一侧施加大于渗透压之压力时，则盐水的化学势能会高于清水，而使盐水中的水份，通过膜面流向清水侧，此种现象即称为反渗透[2]。2.2反渗透法工艺流程图1反渗透法工艺流程图[3]2.3反渗优点反渗透法较其他淡化方法有如下主要优点①装置结构简单，整个工程设备也较简单，占地小；②设备的成本较低；③操作管理方便；④运转费用低；⑤适应性强，效率高，应用范围广。不仅可用于海水和苦咸水脱盐，而且也可用于使各种工业过程污染的水再生利用及宇宙航行中水的回收再用等；⑥能量消耗较低，因为没有相态的改变，所以消耗的能量仅用于推动泵的电能；⑦在常温下进行操作，减轻了锅垢和腐蚀问题；⑧不需要大量的水用于热散逸，减轻了热污染；⑨不需要热量，并能从苦咸水或其他不能利用的水获得价格比蒸馏法低的淡水[4-6]；3发展历程发现渗透现象已有200多年的历史，现代的反渗透(ReverseOsmosis，RO)的海水淡化则是上世纪年代以来的研究结果。1953年Florida大学和California大学在美国盐水局的资助下对反渗透水淡化进行了研究，结果表明二醋酸纤维素制成的膜可以从海水中提取淡水。60年代末期，GulfGeneralAtomics与AerojetGeneral开创了RO的商业时代，在美国盐水局的资助下，开发了二醋酸纤维素膜制成的螺旋式构型组件。同期，美国DuPont公司研制出了以尼龙一66为膜材料的中空纤维组件，并于1970年应用于苦咸水的淡化。1971年。DuPont公司推出采用聚芳香酞胺中空细纤维组件，1973年末又推出可以一级脱盐由海水制饮用水的膜组件。70年代中期，Dow化学公司、日本Toyobo公司先后推出了三醋酸纤维紊中空纤维膜组件FluidSystemsDivision与FilmTec推出了螺旋卷式聚酞胺薄膜复合膜。整个80年代，反渗透海水淡化研究的重点集中在提高膜的脱盐率和水通上。90年代出现的采用徽滤、超滤或纳滤等膜技术作为反渗透海水淡化系统的预处理工艺，使得反渗透海水淡化装更加可靠。用膜技术作为海水反渗透的预处理，不需要加入絮凝剂、杀菌剂和还原剂等化学药品，同时也省去了保安过滤器，使反渗透的进水水质从传统处理方法能够达到的出水污染指数小于3改进到小于1，能有效去除进料海水中的胶体类物质，延长了反渗透膜的使用寿命。经过几十年的不断发展和改进，海水淡化反渗透复合膜的性能已经有了较大的提高，产生了很高的经济效益。[7-8]4反渗透膜法的淡化海水技术新进展4.1反渗透膜的技术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。4.1.1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011mm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0.2μm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10.2MPa操作压力下，对35000mg/LNaCl溶液，脱盐率99.4%～99.7%，水通量20～30L/(m2·h)。4.1.2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0.2μm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5.52MPa操作压力下，对35000mg/LNaCl溶液，脱盐率为99.8%，水通量40L/(m2·h)以上。4.2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。4.2.1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。4.2.2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。4.3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3kWh/m3。4.4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。4.4.1二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10kWh/m3淡水。目前该工艺用来从海水中制取含盐量在20～40mg/L的软化水。4.4.2一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%。4.4.3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515MPa，而若提高到8.4MPa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。4.4.4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。4.4.5SWRO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。4.4.6SWRO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。4.4.7SWRO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28.4×104m3/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。4.4.8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。4.4.9SWRO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。4.5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3kWh/m3淡水，这意味着生产1t淡水，要消耗1kg的油，要产生2kg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[9-10]。5总结在世界上许多干旱缺水而且工业很发达的地区，对淡水的需求量日益增加。因此，需要对海水和苦咸水进行脱盐淡化以提供大量淡水。就目前人们的认识能力认为，现行的各种方法中，最有发展前途的方法是反渗透法。因为蒸馏法设备费用高，装置复杂，易结垢，热能消耗大，所以要从现有的规模进一步发展受到较大限制，电渗析法则由于耗电量较大，在当前电费尚高的情况下，进一步大规模采用也受到限制。而反渗透法脱盐，由于它具有设备简单、效率高、占地小、操作方便、没有相态改变、无需加热、能量消耗少、适应性强等显著特点，十几年来随着反渗透膜性能的迅速改进提高，已发展成为高效能的海水和苦咸水脱盐的新工艺[11]。反渗透膜海水淡化技术已趋成熟，在世界范围内，其总的造水规模和单机容量使解决区域性供水问题已成为现实。我国是一个贫水国，在淡水资源的解决问题上，引水工程耗资巨大而可引的水源又十分有限，利用海水淡化技术开发淡水资源不失为一种切实可行的有效方法和基本途径[12]。参考文献[1]解利昕，阮国岭，张耀江.反渗透海水淡化技术现状与展望[J].中国给水排水，2000.16(3):24~27.[2]周赤忠，李焱.当前海水淡化主流技术的分析与比较[J].电站辅机，2008.107(4)：1~5.[3]刘秀艳，谢正苗，项硕，叶敏.海水淡化翻身系统研究进展[C].海水淡化与水再利用西湖论坛.2006.127~130.[4]童金忠，葛文越.海水淡化主要方