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1、反渗透海水淡化技术综述1 概述海水淡化技术种类很多，有蒸馏法（多级闪蒸、多效蒸馏、压汽蒸馏等）、 膜法（反渗透、电渗析、膜蒸发等）、离子交换法、冷冻法等，但适用于大规模 淡化海水的方法只有多级闪蒸（MSF）、多效蒸馏（MED）和反渗透法（R0）。反渗 透法于20 世纪 70 年代起用于海水淡化，经过几十年的发展，随着反渗透膜性能 提高、预处理技术进步、能量回收效率的提高等，已成为投资最省、成本最低、 应用范围广泛的海水淡化技术。美国海水淡化的研究重点是反渗透技术，西欧尤 里卡计划中的首批尖端项目就包括“海水淡化渗透膜”，日本的“90 年代产业基 础研究开发制度”中列入了高效分离膜，由此可见反渗
2、透膜法水处理技术在当代 高科技中的竞争地位。 1989 年前，采用反渗透技术进行海水淡化的淡化水产量 占世界海水淡化市场的 6%，到1997 年底已升至 14%，近 10 年的市场占有率更是 呈直线上升趋势。反渗透法在 21 世纪将与蒸馏法一起成为海水淡化的主导技术。2反渗透技术（RO）2.1 基本原理用一张只透过水而不能透过盐的半透膜将淡水和盐水隔开，淡水会自然地透 过半透膜至盐水一侧，这种现象称为渗透。当渗透到盐水一侧的液面达到某一高 度时，渗透的自然趋势被这一压力所抵消从而达到平衡。这一平衡压力即为该体 系的渗透压，如在盐水一侧加一个大于渗透压的压力，盐水中的水会透过半透膜 到淡水处。这
3、种与自然渗透相反的水迁移过程称为反渗透。2.2 工艺流程进料海水经预处理，去除悬浮固体及其它有害物。然后经高压泵增压后，进 入膜脱盐设备，产出的中间淡水产品进入后处理设施（按淡水不同用途选择，如作饮用水，需pH调节和加氯杀菌设备），精制成终产品淡水。浓盐水自膜脱盐设备排出。见图 2-1：预处理反渗透装置后处理絮澱剂杀生剂pi凋存反渗透膜是一种用特殊材料和加工方法制成的、具有半透性能的薄膜。它能 够在外加压力作用下使水溶液中的某 些组分选择性透过，从而达到淡化、净化 或浓缩分离的目的。反渗透膜组件有多种结构形式，最常用的是中空纤维和螺旋 卷式两种。根据膜材料或成膜工艺又可分为非对称反渗透膜、复合
4、反渗透膜。目 前反渗透膜组件的使用寿命为35年。反渗透膜组件质量的优劣和水平的高低 关键在于膜性能的好坏。反渗透预处理的作用是防止膜被污染和污堵，其出水水质应满足反渗透装置 的进水水质要求：污染指数（SDI）3；海水反渗透预处理系统由于受取水方式以 及各地海水水质（物理指标）的变化而出入较大，一般情况下要采用加氯消毒、 凝聚过滤、加酸调节pH值、加阻垢剂、消除余氯以及过滤等措施才能进入反渗 透系统。所以，水质是选择系统的重要依据。目前，随着超滤技术的不断成熟， 超滤设备费用的降低，超滤作为海水淡化反渗透的预处理设备，因其具有出水稳 定，占地面积小，能够保证反渗透稳定运行等突出优点，已越来越多的
5、应用于海 水淡化系统的反渗透预处理中。反渗透的高压泵与能量回收反渗透本体部分主要由反渗透组件和高压泵两 大部分组成。反渗透组件是整个系统的心脏部分，而高压泵是系统的关键部件。 高压泵性能好坏对系统性能影响很大。反渗透所需能耗主要用于提供反渗透过程 所需压力上，为了降低淡化水的操作费用，通常在浓盐水排放管线上安装能量回 收装置。目前常用的能量回收装置主要有透平增压装置、皮尔顿水轮机和压力交 换器。能量回收装置可以回收浓盐水能量的 60% 90%，因此安装此装置后可使淡 化水的操作费用大为降低，其规模制水的能量消耗在 4.0 至 7.0kWh/m3 之间。据 称国外有公司可使淡化海水的吨水电耗维持
6、在3.7kWh。高压泵可选用往复泵、 离心泵、单螺杆泵和高速泵等类型。2.3 主要优缺点反渗透为无相变过程，能耗低，每吨淡水耗电 3.0-5.5 度；工程投资及造水 成本较低；装置紧凑，占地较少；操作简单，维修方便。反渗透的预处理要求严 格，反渗透膜需要定期更换，海水温度低的情况下需加热处理。2.3 适用范围适合大、中、小型海水工程、苦咸水淡化以及中水回用等淡化工程。3 反渗透海水淡化技术的发展反渗透法是一种膜分离淡化法，该法是利用只允许溶剂透过、不允许溶质透 过的半透膜将海水与淡水分隔开，若对海水一侧施加一大于海水渗透压的外压， 那么海水中的纯水将通过半透膜进入到淡水中。反渗透海水淡化法（S
7、WRO）技术 的发展有赖于关键设备（包括反渗透膜、预处理设备、高压泵、能量回收装置等） 的发展。3.1 反渗透膜性能的提高在反渗透膜发展的历史中，不对称膜和复合股的研发是创新的两个范例。不对称膜Loeb和Sotrirajan于I960年制得了世界上第一高股盐率，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. lmrn厚），传质速度极 底，无实用价值，而不对称膜仅表皮层是致密的（约0.2m厚）就这一点，是传质速度提高 了近3个数量级，表1给出了 1968年研制的CA-CTA膜的性能。目前通用的CA反渗透膜多用于表面水处理，表2 给出了其基本的膜性能。复合膜不
8、对称膜在高压下中间过渡层有压密现象，使水通量下降，为此在1963 年提出了复合 膜的概念，其创新点在子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0.2m 厚）是芳香族聚酰胺，支撑层是聚砜，这是膜的性能进一步提高，表3 给出了复合膜的典 型性能。反渗透膜组器技术的创新，伸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。中空纤维反渗透器经过多年的研究开发，1970年美国DuPont公司推出B9型苦咸水脱盐用中空纤维 反渗透器，作为重大化工进展而获得1971 年美国化工学会奖。其特点是：一支直径4 英寸 的反渗透器可内含90万条Q 084p m, （p 142
9、p m的中空纤维，表面积达150m2 ,在2.6MPa 下苦咸水脱盐可达8m3/d以上。卷式反渗透元件同样地，自1964 年提出卷式元件概念，经十多年的多次更新换代，卷式元件也于1970 年代中商品化，其构思是数个膜对绕中心多孔产品水管卷起来，呈筒状，其中，膜对是由 两张膜（脱盐层向外）和置于中间的产水流道布组成，除靠中心多孔产品水管的一边外， 其他三边都用粘合剂密封；使用时，将其放入压力容器中，这一构型使膜片的使用和生产 （特别是复合膜）得以急剧扩展。目前广泛使用的组件就是上述的这两种，中空纤维组件堆砌密度达10000m2/m3 ,卷式 元件的达1000m2/m3，虽然后者堆砌密度低些，但对
10、进水预处理的要求不像中空纤维组件 那么严。目前广泛应用的中空纤维组件有DuPont公司的芳族聚酸胺的（如B 10型6845TR， 产水量约26m3/d）和日本东洋纺的三醋酸纤维素的（如HR8355，产水量约12m3 / d）。 卷式元件多由美、日的数家公司生产如美国的Filmtec和Hydranautics,日本的Nitto和Toray 等，现多用复合膜制作，且以直径为8英寸的居多（一般产水量约20m3/d）。1930年提出反渗透海水淡化（SWR0）的概念。1953年美国佛罗里达大学的 C.E.Reid 教授的研究结果证明利用醋酸纤维素膜可以从海水中制取淡水， 1960 年，美国加利福尼亚大学
11、的 S.Loeb 和 S.Sourirajan 成功制得了世界上第一张高 脱盐率、高通透量的可用于海水脱盐的不对称醋酸纤维素反渗透膜。上世纪 80 年代初 Filmtec 公司推出性能优异实用的 FT-30 复合反渗透膜，80 年代末高脱 盐率的全芳香族聚酰胺复合膜实现了工业化，到90 年代，中压、低压和超低压 高脱盐聚酰胺复合膜进入市场，使反渗透技术的发展有了更广阔的前景。经过几 十年的不断发展，海水淡化反渗透膜的性能有了较大的提高，膜材料从初期单一 的醋酸纤维素非对称膜发展到表面聚合技术制成的交联芳香族聚酰胺复合膜等 新型材料与高效膜。目前的反渗透膜，水通量是 1978 年的 2 倍，盐的
12、透过率大 约为1978 年的四分之一，价格稳中有降。表 3-1为复合膜的主要性能。表1复合膜的匸要性能（25C）血类型海水裂度/（mg/L）操柞压力/MPa水通量/(L/n?h)脱盐率/%丽胡化TW20001.6409S1980SW35005.73499 AW85高脱盐型35005.734gg.51990超让m型5001.0599S1995抗淸染型15001.6509819953.2 微滤和纳滤技术用于海水预处理海水不仅硬度高，且水中的悬浮物、胶体物质、微生物、细菌等会使膜受到 污染、侵蚀，水的温度、pH值、余氯含量、压力等参数的变化也会影响膜的性 能，所以给水预处理对反渗透安全运行是至关重要
13、的。传统的常规海水预处理包 括：灭菌、沉降、过滤、软化、脱气等，需要多道工序。20 世纪 90 年代在少数 设备中出现了采用微滤（MF）和纳滤（NF）等膜技术作为反渗透海水淡化系统的 预处理工艺。微滤膜（孔径0.2“m）在保持较大的水通量的前提下，可使海水 中的胶体颗粒和细菌数量减少几个数量级，不再需要加入絮凝剂、杀菌剂和还原 剂等化学药品，同时也省去了保安过滤器，有利于反渗透装置的长期稳定运行。 纳滤膜（孔径在 nm 级）用于脱除海水硬度和总溶解固体，从而提高海水反渗透 的操作压力和系统的回收率。美国加州海水淡化厂在1994年将MF-RO与常规处理-RO的比较性运行，结果见表3-2表2 R0
14、的常规和M F给水预处理比较水质扌旨标常规预处理K4F预处理浊度NTU2510.1悬汁1 mg/L 510I65612沉菌 CFU/1 OOrnL10-106减少3-41og减少 5l51og(TOC ) / ( mg/L)20.3RO清洗间隔46周812 月运行管理费$0.2 6/n?3.3 能量回收效率不断提高与此同时，膜脱盐用的关键设备，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，以及效率不断提高之外，特别应提及的是能 量回收装置，反渗透海水淡化所以能成为有竞争力的过程，能量回收装置的作用功不可 没。第一代能量回收装置是与高压泵电机主轴相连的涡轮
15、机，用脱盐后的高压浓海水冲击 来回收能量，效率约50；第二代产品是水力涡轮增压器，其优点是不必与泵的主轴相连， 安装方面，效率也在50左右；第三代产品为功或压力交换器，互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到3kwh/m3以上。反渗透海水膜组件的操作压力一般为6.0 MPa，从膜器中排放出的浓盐水的 压力也近5.0 MPa，这部分能量有着巨大的回收潜力和经济意义。能量回收装置 主要有两种：涡轮透平式和压力交换器。先期的透平式能量回收装置利用压力较 高的浓盐水转动涡轮，再通过传动装置将其能量输送至原海水，能量回收效率为 50%80%。1998年投入商业应用的压力交换器(Pressure Exchanger)的特点是 旋转部件和高压流体直接接触，直接将压力由浓盐水传给新进的海水，能量回收 率高达90%以上，吨水能量消耗仅为2.6kW/h。能量的回收使海水淡化成本得以 大幅下降，反渗透海水淡化所以能成为有竞争力的技术，能量回收装置的作用功 不可没。表3 SW RO ：. I |J产水价恪地淡化?K容量/ ( m
