反渗透海水淡化技术的现状与发展.pdf
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1、系统解决方案自动化应用反渗透海水淡化技术的现状与发展丁旭东(浙江石油化工有限公司,浙江舟山3 1 6 2 0 0)摘要:海水淡化作为一种水资源增量技术,已成为全球缓解水资源危机的重要途径。其中,反渗透海水淡化技术因其操作简单、易于规模化等优点,已成为海水淡化的主要手段。本文围绕如何降低海水淡化的造水成本,系统综述了反渗透膜材料、海水淡化工艺、新能源利用等方面的研究进展及发展趋势,以期为我国反渗透海水淡化技术的发展提供借鉴。关键词:海水淡化,反渗透,工艺集成,新能源DING Xudong中图分类号:P747Status and Development of Reverse Osmosis Sea
2、water Desalination TechnologyAbstract:As an incremental technology of water resources,seawater desalination has become an important way to alleviatethe global water crisis.Among them,reverse osmosis seawater desalination technology has become the main means of seawaterdesalination because of its sim
3、ple operation,easy scale and other advantages.Focusing on how to reduce the cost of seawaterdesalination,this paper systematically summarizes the research progress and development trend of reverse osmosis membranematerials,seawater desalination process,new energy utilization,etc.,in order to provide
4、 reference for the development ofreverse osmosis seawater desalination technology in China.Key words:seawater desalination,reverse osmosis,process integration,new energy文献标识码:A(Zhejiang Petrochemical Co.,Ltd.,Zhoushan,Zhejiang 316200,China)0引言随着世界人口的持续增长和经济的不断发展,水资源供需矛盾日益突出,水资源短缺已成为全球性问题。由于海水及苦咸水淡化技
5、术不受气候影响,可提供全天候稳定供水,已成为世界各国应对淡水短缺的重要途径。目前,海水淡化的主流技术为热法和膜法。热法海水淡化技术主要包括低温多效蒸馏、多级闪蒸、机械压汽蒸馏等工艺,虽然在操作工艺上差异较大,但其本质均为相变传热过程。该技术产水纯度高,可满足多用途的水质要求,但也存在海水利用效率低和蒸发温度过高等问题,可能导致设备结垢、余热被冷却水带走等缺点。反渗透膜法海水淡化技术从2 0 世纪7 0 年代开始研究,经过数十年的发展,已成为海水淡化及苦咸水脱盐的主要手段之一,约占全球海水淡化市场份额的6 5%2。反渗透淡化技术主要利用高于海水渗透压的外部压力,使水分子透过反渗透膜获得淡水,能耗
6、较高。据相关文献测算 3,利用含盐量3.5%(质量分数)的海水进行淡化,当回收率为50%时,其热力学理论最小能耗为1.0 6 kWh/m。但即使目前较为先进的海水淡化厂,其能耗约为3 4 kWh/m,与理论最小值之间仍具有较大的距离,存在进一步减小的空间 4。因此,如何提高反渗透海水淡化的效率、降低淡水制造成本是反渗透海水淡化技术的发展重点。本文主要从反渗透膜材料、海水淡化工艺和新能源利用等方面分析反渗透海水技术的现状与发展趋势,以期为进一步降低反渗透海水淡化能耗提供借鉴。1海水淡化反渗透膜反渗透海水淡化技术的核心为海水淡化反渗透膜,其分离性能对系统产水水质及能耗具有重要影响。性能优异的反渗透
7、膜在生产更高质量和更安全淡水的同时,可简化预处理或后处理步骤,提高能源和成本效率。1.1高选择渗透性反渗透膜1960年,Loeb及Sourirajan利用相转化法制备得到醋酸纤维素不对称膜,并首次应用于海水淡化或苦咸水淡化领域。但其水通量相对较少,在55bar下,水渗透系数仅为0.21/mhbar5。2 0 世纪8 0 年代,Filmtec公司提出以间苯二胺为水相单体、均苯三甲酰氯为有机相单体,利用界面作者简介:丁旭东,男,1 9 9 0 年生,助理工程师,从事大型炼化企业水系统生产运行管理工作。2023/12A期I29自动化应用系统解决方案聚合方法在聚砜超滤膜表面构建聚酰胺分离层,其具体示意
8、图如图1 所示,并取名为FT-30膜,水渗透系数大幅提升至1.2 1/mhbar,截留率也达到9 9.4%,开启了反渗透海水淡化技术的新阶段 6。聚砜基膜淡化膜,则使用一级反渗透即可获得符合要求的淡水,不仅可以简化系统,还能降低能耗。目前,主要通过3 种途径提升反渗透膜的脱硼性能:(1)鉴于反渗透膜的分离层中存在少量介孔,造成硼截留率偏低,可通过表面功能化改性技术,在介孔处定向引人小分子,有效提升硼截留率;(2)在界面聚合制膜过程中,含MPD聚砜基膜初生态PA膜热处理2漂洗T将相容性较好的高分子功能材料(如聚异丁烯PIB)引人聚酰胺分离层,与原有的聚酰胺分子构成互穿网络结构,利用其尺寸排斥效应
9、抑制硼的透过,可使硼截留率从成品SWCO膜图1 界面聚合法制备海水淡化膜示意图为进一步提高反渗透海水淡化的产水效率、降低运行能耗,科研人员通过调控界面聚合制备工艺改善反渗透海水淡化膜的分离性能,具体包括基膜微观结构的调节、单体及添加剂的选择、反应过程的优化、膜表面的功能化改性等 7。经过数十年的研究,目前商品化反渗透海水淡化膜的分离性能达到了更高水平。如DupontFilmtec公司的Seamaxx系列海水淡化膜,其水渗透系数突破2.0/mhbar,NaCl截留率也达到9 9.7%8 1,有效促进了反渗透海水淡化技术的发展,反渗透海水淡化膜的发展如图2 所示。100.099.8F99.6F%/
10、幸群明99.499.299.0醋酸纤维素膜98.80.0图2 反渗透海水淡化膜的发展近年来,随着纳米材料的快速发展,纳米杂化反渗透膜已成为研究热点,如LG公司的NanoH,O海水淡化膜。纳米杂化反渗透膜的核心是在界面聚合过程中引人具有纳米孔道结构的功能材料,如分子筛、碳纳米线等,利用纳米颗粒内部的流道及其与聚酰胺结合处新形成的水力通道,强化膜的渗透性能。Chae等在界面聚合制膜时,将氧化石墨烯分散到水相溶液中,所得反渗透膜维持脱盐率99.3%不变的前提下,使渗透通量提升8 0%,并赋予其额外的抗生物污染及耐氯性能,表现出纳米杂化反渗透复合膜良好的发展前景。由于引人纳米颗粒会干扰界面聚合且有机-
11、无机界面附着力低,容易产生无选择性缺陷,减弱截留能力,因此还未得到大规模的工业化应用。1.2高脱硼率反渗透膜虽然目前的商品化海水淡化膜具有优异的NaCl截留性能,但其对酯、醇、酮和硼酸等尺寸较小、荷电较低的溶质截留率仍偏低。因此,为获得安全可靠的饮用水,通常需要使用二级反渗透技术。若能制备得到高脱硼反渗透海水30I|自动化应用81.36%上升至9 3.1 2%;(3)在反渗透膜分离层中引入具有硼吸附性能的无机材料,如多孔纳米颗粒UiO-66,同样可改善硼的脱除率。1.3抗污染反渗透膜反渗透海水淡化膜除了优异的渗透效率及分离性能,其运行稳定性也同样重要。一旦发生膜污染,为了保证系统产水量,需要提
12、升驱动力并进行周期性的化学清洗,一方面,增加海水淡化的运行成本;另一方面,频繁的化学清洗会缩短海水淡化膜的使用寿命。因此,针对反渗透海水淡化膜的微观结构及化学性质,改善其抗污染性能,延长其使用寿命具有非常重要的现实意义。反渗透海水淡化膜抗污染的提升主要通过提高膜表第二代面亲水性实现,作为亲水性好、化学性能稳定的聚乙烯醇,TFC膜是最早应用于聚酰胺复合膜表面抗污染改性的高分子材第一代TFC膜不对称0.5x10s1.0 x10%水渗透系数/mhPa)料之一,也是目前商品化聚酰胺复合膜表面抗污染改性的主要材料。聚乙烯醇涂层虽然可有效改善聚酰胺复合膜的陶氏海德能东丽GE时代沃顿杭州水中心1.5x105
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- 反渗透 海水 淡化 技术 现状 发展