《膜科学与海水淡化的新进展以及在中东和新加坡的科学技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《膜科学与海水淡化的新进展以及在中东和新加坡的科学技术（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、膜科学与海水淡化的新进展以及在中东和新加坡的科学技术渥太华大学，工业膜的研究实验室，化学与生物工程，161路易斯巴斯德，渥太华，安大略省。 K1N6N5，加拿大11942安曼，约旦，约旦大学化学工程系环境水技术创新中心，义安理工学院，599489新加坡，535金文泰路 关键词：海水淡化，膜科学与技术，反渗透，膜输运理论，非对称膜，薄膜，复合膜，表面改性，防污，膜蒸馏，中东的膜渗透技术，海水淡化，新加坡的海水淡化目录1、 引言2、 用于海水淡化的膜分离过程：综述2.1、反渗透历史2.2、膜的不对称结构2.3、完整表皮非对称膜的相转化制备技术2.4、薄膜复合膜的界面中原位聚合制备2.5、膜表面改性
2、的性能增强2.6、RO跨膜运输2.7、反渗透模块2.8、膜性性能的提高；除硼，氯耐受性，抗生物污染膜2.9、新的膜工艺性能在海水淡化和水处理的应用如（渗透技术和膜蒸馏）2.10、碳纳米管3、案例研究：中东地区的膜脱盐3.1、阿拉伯世界的膜脱盐3.2、沙特阿拉伯的膜脱盐状态3.3、巴林的膜脱盐状态3.4、科威特的膜脱盐状态3.5、阿拉伯联合大公国的膜脱盐状态3.6、阿曼的膜脱盐状态3.7、海湾合作委员会国家的膜脱盐状态3.8、红色死亡输送机项目3.9、以色列的膜脱盐状态3.9.1阿什克伦世界最大的反渗透海水淡化厂3.9.2 阿什克伦工厂设计和特殊功能3.9.3、以色列膜脱盐的未来发展趋势3.10
3、、埃及的膜脱盐状态3.11、阿尔及利亚的膜脱盐状态3.12、突尼斯的膜脱盐状态3.13、伊朗的膜脱盐状态4. 案例分析：新加坡的膜脱盐4.1、全国水龙头政策4.1.1. 1st全国自来水：集水区4.1.2. 2nd全国自来水：进水口4.1.3. 3rd全国自来水：新生水4.1.4. 4th全国自来水：新加坡的海水淡化4.2、位于新加坡的第一个海水淡化厂4.3、进一步降低海水淡化的能源消耗的技术4.4、海水淡化的能源消耗减少至0.75 kWh/m35、 结论及未来展望总结海水淡化膜的发展在不断进步的，并且在性能方面显示了非常显著的成就。事实上，出现在眼前的这些膜的性能是没有限制的。Loeb-So
4、urirajan 对非对称反渗透膜（RO）的第一次历史性的发现使海水淡化成为了一个产业规模。后来，由于 Cadotte对薄膜复合物 (TFC) 的改善，提高了膜的性能。目前可用的商业膜的通量是一个数量级，高于20世纪60年代反渗透膜脱盐率高达99.8。进一步尝试通过将纳米颗粒和修改膜表面来增加磁通，来改善膜的稳定性。此外，制造的膜可以拒绝硼，砷，和有机低分子量化合物比当前可用的膜能到更高程度，这需要生产危险性较少的饮用水。能承受超高压海水淡化的膜，和在超低温也压力下的苦咸水淡化膜实现了饮用水的生产。通常情况下，膜蒸馏，正渗透和碳纳米管膜被认为是潜在的适用于海水淡化。在中东和新加坡的膜脱盐的现状
5、和未来的发展方向作为案例研究进行了讨论。1. 引言 据报道地球上的水有96.5的海水，1.7的冰帽，0.8的淡水，其余的是苦咸水。由于水源短缺已是一个问题，很长一段时间以来，许多社区和人类一直在寻找解决方案，海水淡化，把咸水变成淡水，不一定是一个新的概念。今天，饮用水短缺是一个严重的世界广泛关注热点，由于人口的增长和需求增加，饮用水容易超过可用的水资源。超过1亿人没有干净的饮用水，约2.3亿人（世界人口的41）生活在缺水地区（格林利等，2009）.其结果是，人们已经开始寻找解决方案，中水回用和海水淡化成为人类活动的可持续增长的关键。中水回用基本上用于，如灌溉，电站的冷却水，工业过程水和地下水补
6、给水的生产。它也被作为一种方法，用于生产新加坡（新生水）的饮用水。另外，海水淡化的饮用水生产已成为一个主要来源。目前的海水淡化技术有两种方法。一个是在过去的60年里已经发展的热海水淡化，而另一种是在过去的40年发展的膜过程。海水淡化是一个通用的去除盐分从咸水到淡水的方法。值得一提的是，淡水的定义取决于这个国家。例如，美国环境保护署（EPA）的淡水的非强制执行的标准为250 mg / L的氯和500 mg/ L总溶解盐（TDS）（EPA，2002年）。世界卫生组织（WHO）和海湾地区的饮用水标准，建议1000毫克/ L TDS“（Fritzmann等人，2007）的饮用水标准。与政府标准相比，大
7、部分海水淡化设施的设计，实现了TDS为500 mg/ L或以下（格林利等，2009）。当淡化海水时被用于其他目的时，例如作物灌溉，TDS浓度可能更高。给水中盐度海水淡化设施范围为1000 mg / L降至60000毫克/升。大多数海水资源包含30,000到45,000 mg / L的TDS，通过反渗透（RO）（格林利等人，2009），而处理的范围内为1,00010,000 mg / L的微咸水。如上所述，海水淡化过程分为以下两大类，即热过程和膜分离过程。热过程中已经使用了很多年以来的史前时代，但操作的大型蒸馏厂的饮用水生产开始于20世纪50年代（格林利等，2009）。在开始使用了一个称为多效蒸
8、馏（MED）的过程，但后来，开发了称为多级冲洗（MSF）蒸馏的一个过程。中东地区作为一个整体拥有世界50左右的海水淡化量，主要使用MSF技术。然而，自20世纪60年代以来，基于膜过程的设施被迅速的安装，现在在新厂房安装了超过热的过程。中东以外的新的反渗透装置安装已持续稳步增长。2001年，51的新装置基于RO工艺，而在2003年，RO工艺中已占新产能的75。反渗透，纳米过滤（NF），电渗析（ED）是典型的可用于海水淡化的膜分离过程。反渗透和纳米过滤被称为压力驱动型膜分离过程，因为跨膜压差的驱动力被用于质量传输，而纳米过滤的驱动力被用于质量（离子）运输。电渗析是一种比反渗透和纳米过滤陈旧的膜脱盐
9、过程。纳米过滤是一个相对较新的膜分离过程，在20世纪80年代开发。纳米过滤不能淡化海水生产饮用水的任何一个步骤，但它可以用来成功地处理轻度微咸水（格林利等，2009）。因此，需要结合反渗透和纳米过滤用于海水淡化。纳米过滤的最重要的特点是它去除二价离子（如钙和镁）的能力和对改善水的硬度的贡献。然而，RO膜可以去除一价离子如钠和氯，因此膜海水淡化技术已经成为主流。盐截留率高达99.7和99.8，可以由RO实现（海德能，2007年格林利等，2009; Reverberi和Gorenflo，2007年）。 RO膜适用于海水和苦咸水淡化反渗透膜技术。正如前面提到的，大规模的饮用水生产所用的海水淡化过程的
10、第一个国家是在中东。海水淡化厂在20世纪50年代开始发展，科威特第一工业海水淡化厂始建于20世纪60年代。第一个成功的RO植物苦咸水在20世纪60年代末作为饲料（阿姆贾德1993年）。在接下来的几十年中，细胞膜的通透性大大改善，之后RO膜应用于海水淡化（Vander Bruggen和Vandecasteele，2002年）从60年代初期到90年代末，膜生产率（光通量）和脱盐率是有很大的提高，如图1。表1还显示了类似的进步，为陶氏RO膜。图1。过去40年中膜性能的研究进展。反向渗透条件：NaCl进料浓度，1500-3000 ppm的工作压力0.5-3.0兆帕，温度25C，pH值为6.5。I，II
11、，III和IV是全芳香族聚酰胺类TFC膜（改编Kurihara 和Fusaoka,，1999年）年生产力脱盐率苦咸水199080009819881000099.220071100099.8海水1990400099.41998550099.520077500800099.8表1 陶氏RO膜的进展从1996年到2007年，典型的海水淡化膜的排斥反应从99.6上升到99.8，通量由43增加至69 L/m2bar每天（Mickols等人，2005）。截至2009年，在全球范围内有超过15,000个海水淡化厂，约50的是RO厂。最近一个新的趋势，是建设大型海水淡化厂其生产能力为10万立方米或以上(Gre
12、enlee et al，2009）。 沙特是目前世界领先的海水淡化其产能约26，其次是美国（17）。在沙特大部分海水淡化厂是基于基础热过程（新建成的厂是不同的）它的水源是海水。相反，在美国69的海水淡化厂是基于反渗透，只有7是海水淡化厂。而只占世界各地的海水淡化厂使用热过程的20，且其总生产能力的50是基于热工过程。以色列开设了世界上最大的海水反渗透海水淡化厂，其生产能力达到33万立方米每天，或一亿立方米每年。阿拉伯联合酋长国富查伊拉于2005年开办了海水淡化厂其处理城市生活垃圾和生产反渗透膜能力为454,000立方米每天。2 膜处理法脱盐：概述2.1 反渗透的历史 如前所述，反渗透在目前用于
13、海水淡化的膜分离过程中占主导地位。有趣的是，早期开始发展海水淡化的反渗透膜始于以下的基本方程称为吉布斯吸附等温线（Sourirajan，1970）。 其中是表面过剩值，R是常用气体常数，T为绝对温度，为表面张力和一个活性系数。方程预测了超薄纯水层在食盐水表面的存在。表2总结了纯净水层的厚度用方程（1）的计算。正如上表所示它的厚度在2.6到5.6的范围内，取决于氯化钠的浓度。 表2中 纯净水层在空气/氯化钠溶液界面的厚度。 这是卡斯特集团在美国加州大学洛杉矶分校（UCLA），试图机械的对纯地表水层进行脱脂（Yuster等，1958）。但最后失败了。应用吉布斯吸附等温线的基本概念，Souriraj
14、an还试图通过在食盐水上施加压力来收集纯净水，食盐水被带到接触的膜的一侧 。Sourirajan的尝试很快就被证明是成功的，脱盐水通过膜渗透生产。经过最初尝试使用纤维素和硅氧烷涂层纤维素膜，一种商品乙酸纤维素（CA）的膜被使用，它导致了一个高的盐截留。虽然后者的排斥反应被认为是足够高的饮用水生产，但是水通量为每天收集极低几滴渗透液，因此该膜被认为是几乎无用。应当指出，佛罗里达大学的Reid和Breton通过使用CA膜获得了相当独立的，类似海水淡化的类似的实验结果（Reid and Breton, 1959）。又过了4年Loeb和Sourirajan开发了CA膜通量的实用性，这为新的膜脱盐过程开
15、辟了途径，被称为反渗透（RO）。 根据Sourirajan，通过RO膜淡化海水的机制如下：当盐如氯化钠溶液与膜的表面接触，在溶液/膜界面形成纯净水的界面层。假设类比氯化钠溶液 - 空气界面氯化钠溶液 - 膜界面，界面纯净水层的一小部分的厚度为纳米。在细孔的存在下，直径小于或等于2t，纯水层将在氯化钠溶液中所施加的压力下流经孔隙，之后作为渗透物出现在该膜的另一侧（参见图2a）。如果孔径是大于2t，氯化钠溶液将流入中心区域的孔，污染渗透物（图2b）。 因此，要求双RO成功膜开发。一个是界面纯净水层的存在和另一个是它存在下形成气孔，其尺寸小至纳米级的一小部分。 RO膜的孔径由几个研究者在理论上进行了评价。例如，基于CA反渗透膜表面处聚合物结节的SEM图像，Schultz和Assumma得出结论孔的大小应是1.85纳米“（Schultz和Assumma，1970）。Glckauf得出盐（氯化钠）的排斥反应是基于Onsager-Samalas 方程的电介质的细孔径的作用（Glckauf，1965）。 电子偶素湮没寿命谱（PALS）最近已经成为一种流行的工具来表征的亚纳米细孔。例如，Boussu等人描述了六大商业NF膜的特点。 通过使用深度选择性PALS测量，它显露的皮肤层有两个不同的孔径大小：孔径大小为1.25-155以及孔径为,3.20-3 .9
