1、學 年 論 文論 文 題 目： 淺談反滲透膜法技術淡化海水 學 院 名 稱： 化學工程學院 專 業： 化學工程與工藝 班 級： 姓 名： 學 號 指 導 教 師： 職 稱 定稿日期：2010年12月31日摘要: 海水淡化，就是利用海水脫鹽生產淡水的技術過程，而反滲透膜法由于具有設備簡單、效率高、占地小、操作方便、沒有相態改變、無需加熱、能量消耗少、適應性強等顯著特點已成為淡化海水最主要方法之一。本文簡單介紹了反滲透膜法技術及創新，以及其發展和前景。 關鍵詞：海水淡化；反滲透膜；工藝；淡水1概論世界淡化水的總產量從60 年代至今已經增長到2 300 ×104 m3/ d ，而且還在以1

2、0 %30 %的年增長率攀升。供養的人口不僅有中東的若干國家，還有美國、俄國、日本、意大利、西班牙等發達國家的部分地區，達1 億之眾。從海水淡化的技術種類來說，目前主要的還是蒸餾法，但是，反滲透海水淡化技術由于其設備投資省、能量消耗低、建造周期短等諸多優點，近10 年來發展速度很快，目前最大的反滲透海水淡化廠產水規模已經達到11 ×104 m3/ d ，在21世紀將與蒸餾法一起成為海水淡化的主導技術1。2反滲技術2.1反滲透法的原理利用半透膜中分子晶格空隙對水及鹽類溶解度的差異而將其分離。在半透膜兩側分別為淡水及含鹽類之溶液。依熱力學定律，物質會趨向較低化學勢能的方向移動，因鹽水的化

3、學勢能較清水為低，故由淡水一側會產生滲透流，通過膜面，進入鹽水溶液，直到膜兩側化學勢能達到平衡為止。當兩側的壓力差等于滲透壓時，則達到平衡狀。若在鹽水一側施加大于滲透壓之壓力時，則鹽水的化學勢能會高于清水，而使鹽水中的水份，通過膜面流向清水側，此種現象即稱為反滲透2。2.2反滲透法工藝流程 圖1反滲透法工藝流程圖 32.3反滲優點反滲透法較其他淡化方法有如下主要優點裝置結構簡單， 整個工程設備也較簡單， 占地小；設備的成本較低；操作管理方便；運轉費用低；適應性強，效率高，應用范圍廣。不僅可用于海水和苦咸水脫鹽，而且也可用于使各種工業過程污染的水再生利用及宇宙航行中水的回收再用等；能量消耗較低，

4、因為沒有相態的改變， 所以消耗的能量僅用于推動泵的電能；在常溫下進行操作， 減輕了鍋垢和腐蝕問題；不需要大量的水用于熱散逸， 減輕了熱污染；不需要熱量， 并能從苦咸水或其他不能利用的水獲得價格比蒸餾法低的淡水4-6；3發展歷程發現滲透現象已有200多年的歷史，現代的反滲透(Reverse Osmosis， RO) 的海水淡化則是上世紀年代以來的研究結果。1953年Florida大學和California大學在美國鹽水局的資助下對反滲透水淡化進行了研究，結果表明二醋酸纖維素制成的膜可以從海水中提取淡水。60年代末期，Gulf General Atomics與Aerojet General開創了R

5、O的商業時代，在美國鹽水局的資助下，開發了二醋酸纖維素膜制成的螺旋式構型組件。同期，美國Du Pont公司研制出了以尼龍一66為膜材料的中空纖維組件， 并于1970年應用于苦咸水的淡化。1971年。Du Pont公司推出采用聚芳香酞胺中空細纖維組件，1973年末又推出可以一級脫鹽由海水制飲用水的膜組件。70年代中期，Dow化學公司、日本Toyobo公司先后推出了三醋酸纖維紊中空纖維膜組件Fluid Systems Division與Film Tec推出了螺旋卷式聚酞胺薄膜復合膜。整個80年代，反滲透海水淡化研究的重點集中在提高膜的脫鹽率和水通上。90年代出現的采用徽濾、超濾或納濾等膜技術作為反

6、滲透海水淡化系統的預處理工藝，使得反滲透海水淡化裝更加可靠。用膜技術作為海水反滲透的預處理，不需要加入絮凝劑、殺菌劑和還原劑等化學藥品，同時也省去了保安過濾器，使反滲透的進水水質從傳統處理方法能夠達到的出水污染指數小于3改進到小于1，能有效去除進料海水中的膠體類物質，延長了反滲透膜的使用壽命。經過幾十年的不斷發展和改進，海水淡化反滲透復合膜的性能已經有了較大的提高，產生了很高的經濟效益。7-84反滲透膜法的淡化海水技術新進展4.1 反滲透膜的技術進步在反滲透膜發展的歷史中，不對稱膜和復合膜的研發是創新的兩個范例。4. 1. 1 不對稱膜Loeb 和Sourirajan 于1960 年制得了世界

7、上第一高脫鹽率，高通量，不對稱醋酸纖維素(CA) 反滲透膜，其創新在于，以往的膜皆為均相致密膜(約011 mm 厚) ，傳質速度極低，無實用價值，而不對稱膜僅表皮層是致密的(約0. 2m 厚) ，就這一點，使傳質速度提高了近3 個數量級. 上世紀70 年代研制了優異的CA - CTA 膜，其中之一的性能為在10. 2 MPa 操作壓力下， 對35 000 mg/ L NaCl 溶液，脫鹽率99. 4 %99. 7 % ，水通量2030 L/ (m2·h) 。4. 1. 2 復合膜復合膜的概念是在1963 年提出的，其創新點在于膜的脫鹽層和支撐層分別由優選的材料來制備，如脫鹽層(約0.

8、 2 m 厚) 是芳香族聚酰胺，支撐層是聚砜，這使膜的性能進一步提高. 歷年來，開發了許多不同用途的復合膜，如用于海水淡化的“高脫鹽型”，純水制備的“超低壓和極低壓型”，廢水處理的“耐污染型”等. 最近海水淡化的“高脫鹽型”復合膜性能大大提高，在5. 52 MPa 操作壓力下，對35 000mg/L NaCl 溶液，脫鹽率為99. 8 %，水通量40 L/(m2·h) 以上。4. 2 膜組器技術的不斷發展反滲透膜組器技術的創新，使膜的性能得以充分的發揮，這里特別提出的是中空纖維反滲透器和卷式反滲透元件。4. 2. 1 中空纖維反滲透器經多年的研究開發，1975 年美國DuPont 公

9、司推出B - 10 型海水脫鹽用聚酰胺中空纖維反滲透器;1980 年日本Toyobo 公司推出Hollosep 型海水脫鹽用CTA 中空纖維反滲透器。其特點是一支反滲透器內可含幾十萬到幾百萬條中空纖維，具有最高的膜面積堆砌密度。4. 2. 2 卷式反滲透元件卷式元件概念是1964 年提出的，經10 多年的多次更新換代，上世紀70 年代中商品化，其構思是數個膜片對和流道隔網繞中心多孔產水管卷起來，呈筒狀;使用時幾個元件以串接方式放入一壓力容器中. 經膜片對的數目和寬度、流道隔網的式樣和厚度、粘合和密封方式、多個元件產水的收集方式和端封等的不斷研究和改進，目前，復合膜廣泛用于卷式元件的大規模生產，

10、元件的直徑為4 英寸、8 英寸、1618 英寸等，以8 英寸的居多。4. 3 關鍵設備的不斷改進SWRO 用的關鍵設備，如高壓泵和能量回收裝置也得到快速的發展. 除高壓泵的品種和型號不斷增多，容量不斷增大，以及效率不斷提高(達80 %以上) 之外，特別應提及的是能量回收裝置，第一代能量回收裝置是與高壓泵電機主軸相連的渦輪機，之后是水力渦輪增壓器，效率都在60 %70 %;新一代產品為功或壓力交換器，直接將壓力由濃海水傳給新進的海水，效率大于90 % ，這樣反滲透海水淡化的本體耗電降至約3 kWh/ m3 。4. 4 工藝過程的持續開發據反滲透膜和組器技術的進步，SWRO 工藝也不斷地發展，主要

11、工藝過程分述如下。4. 4. 1 二級海水淡化工藝上世紀70 年代商用RO 膜脫鹽率僅在95 %98 %時，為了從海水中制取飲用水而采用此工藝，第一級的產水再經第二級進一步淡化為飲用水，第二級的濃水返回第一級作為部分進水，顯然該過程能耗是高的，約10 kWh/ m3 淡水。 目前該工藝用來從海水中制取含鹽量在2040 mg/ L 的軟化水。4. 4. 2 一級海水淡化工藝上世紀80 年代中期以后， RO 膜的脫鹽率達99. 2 %以上，這為一級SWRO 創造了條件。海水經一級RO 后，產水即為飲用水，水回收率達30 %35 %。4. 4. 3 高壓一級海水淡化工藝這是近年來，為了進一步提高回收

12、率而提出的新工藝之一.。通常一級SWRO 的操作壓力在515MPa，而若提高到8. 4 MPa 下操作，則可達60 %的回收率，這樣海水預處理省了，試劑用量少了，新建的SWRO 廠可采用該工藝。4. 4. 4 高效兩段法這也是提高回收率的新工藝，這是一級兩段工藝的改進，在兩段間設增壓部分，第一段的濃海水經增壓和最終的能量回收部分相結合進入第二段，這也可使回收率達60 %。該工藝不僅適合于新建的SWRO 廠，且可將以前的一級SWRO 廠增設第二段，使其產量增加一半。4. 4. 5 SWRO 與納濾(NF) 集成NF 膜的孔徑在納米級，其對單價鹽類易透過，而對多價鹽的截留率很高，上世紀90 年代，

13、提出RO 與NF 結合的海水淡化新工藝，但集成的工藝有不同，一是納濾在RO 之前，納濾的產水為RO 的進水，這對RO 很有利; 另一種是將納濾放在RO 之后，RO 的濃水為納濾的進水，納濾的產水返到RO之前，作為RO 的進水，這可大大提高回收率。4. 4. 6 SWRO 過程優化對SWRO 過程進行優化，就是以淡化水成本最低為目標，考慮各種不同的影響因素，確定其影響的大小和相互關系，在給定的條件下進行單元及全過程的優化求解. 如對預處理、RO 本體、運行和后處理的分別優化及整個SWRO 過程的優化。4. 4. 7 SWRO 與多級閃蒸(MSF) 或多效(MED)集成SWRO 與MSF 集成已商

14、品化，阿聯酋的Fujeirah 水電聯產廠就采用這一集成技術，其中，MSF產淡水28. 4 ×104 m3/ d ，SWRO 產淡水17. 0 ×104m3/ d ，這一集成技術使工廠的生產更靈活，水的成本更便宜。 如果水電聯產與海水利用(冷卻、養殖、制鹽和鹽化工等) 進一步集成，綜合效益會更顯著。4. 4. 8 微濾(MF) 或超濾(UF) 預處理SWRO 要求嚴格的預處理以防止難溶鹽類的結垢和膜污染，以MF 或UF 作為SWRO 的預處理是近幾年來提出的。 經MF 或UF 預處理后的水質比常規預處理的要好得多，這樣SWRO 的回收率可大大提高，膜的使用壽命也可延長。4.

15、 4. 9 SWRO 技術的延伸除SWRO 淡化之外，RO 廣泛用于苦咸水淡化以及純水和超純水的制備，并成為其最經濟的制備工藝過程. 純水和超純水的制備在電子、電力、化工、石化、醫藥、飲料、食品、冶金等各行業廣泛采用;苦咸水淡化在西部大開發中將進一步發揮作用.RO 預濃縮技術是在膜下游獲得淡水的同時，上游料液被濃縮，這已在化工、醫藥、食品和中草藥等領域得以應用在環保方面，RO 也用于電鍍、礦山、放射、垃圾滲濾等廢水的濃縮處理，水回用或達標排放等。4. 5 對環境的影響及對策雖然SWRO 能對缺水地區提供所需的淡水，但用SWRO 大規模生產淡水也有其負面的影響. 一是SWRO 本體能耗在3 kW

16、h/ m3 淡水，這意味著生產1 t 淡水，要消耗1 kg 的油，要產生2 kg 多的CO2 .二是SWRO 的回收率一般為40 % ，那么60 % 的原海水成為濃海水并排放到海中，這將對所排放的海區的環境和生態產生一定的影響。另外有噪音、占地和景觀等的影響。這些影響可通過使用清潔的和可再生能源、濃海水的綜合利用和合理排海及其他相應措施來解決或減緩9-10。5總結 在世界上許多干旱缺水而且工業很發達的地區， 對淡水的需求量日益增加。因此，需要對海水和苦咸水進行脫鹽淡化以提供大量淡水。就目前人們的認識能力認為，現行的各種方法中，最有發展前途的方法是反滲透法。因為蒸餾法設備費用高，裝置復雜，易結垢

17、，熱能消耗大，所以要從現有的規模進一步發展受到較大限制，電滲析法則由于耗電量較大，在當前電費尚高的情況下，進一步大規模采用也受到限制。而反滲透法脫鹽，由于它具有設備簡單、效率高、占地小、操作方便、沒有相態改變、無需加熱、能量消耗少、適應性強等顯著特點，十幾年來隨著反滲透膜性能的迅速改進提高，已發展成為高效能的海水和苦咸水脫鹽的新工藝11。反滲透膜海水淡化技術已趨成熟，在世界范圍內，其總的造水規模和單機容量使解決區域性供水問題已成為現實。我國是一個貧水國，在淡水資源的解決問題上，引水工程耗資巨大而可引的水源又十分有限，利用海水淡化技術開發淡水資源不失為一種切實可行的有效方法和基本途徑12。參考文

18、獻1 解利昕，阮國嶺，張耀江. 反滲透海水淡化技術現狀與展望J. 中國給水排水， 2000. 16(3): 2427.2 周赤忠，李焱. 當前海水淡化主流技術的分析與比較J. 電站輔機， 2008. 107(4)：15.3 劉秀艷，謝正苗，項碩，葉敏. 海水淡化翻身系統研究進展C.海水淡化與水再利用西湖論壇. 2006. 127130.4 童金忠，葛文越. 海水淡化主要方法介紹和比較J. 技術與應用，2007. （3）：4245.5 樊雄，張維潤. 膜法與蒸餾法海水淡化方法的技術經濟比較J. 電力設備，2007. 8（7）：4447.6 趙蔚. 沿海地區電廠海水淡化優選方案分析J. 環境保護與循環經濟，2006. 9(6): 3941.7 鄭偉，石艷玲，遲名迎. 我國反滲海水淡化技術應用現狀J. 導刊理論視角，2007. 6(3):