反渗透膜在海水淡化中的应用

发表时间:2017/3/17   来源:《科技中国》2017年1期   作者:郑祎晴
[导读] 本文介绍了目前几种反渗透膜作用机理,反渗透膜在海水淡化中的工程应用与其发展趋势。

(北京市海淀实验中学,北京100160)
摘要
全球淡水资源短缺是一个普遍问题,海水淡化可以有效解决目前淡水资源短缺的困境。在海水淡化处理中,利用反渗透膜进行海水淡化是高效的具有光明前景的一种处理方法。本文介绍了目前几种反渗透膜作用机理,反渗透膜在海水淡化中的工程应用与其发展趋势,并对未来的发展方向做了展望。

关键词:海水淡化 反渗透膜 作用机理

        一、引言
        目前,水资源危机已经成为各个国家面临的全球性问题,干净的适用于生活与生产的淡水资源不断被消耗,在许多地方,水资源的需求量已经远远超过了自然能够提供的量。淡水资源是新世纪重要的稀缺资源,其也成为了各国经济与社会可持续发展的多方面的战略热点。地球上有97%的水资源蕴藏在海洋中,解决目前淡水资源短缺的最有效的方法为海水淡化。而利用反渗透膜进行海水淡化是高效的具有光明前景的一种处理方法。20世纪70年代后,反渗透海水淡化技术逐渐走进人们的视野,相应技术与工程应用发展十分迅速。如今,反渗透技术已经取得了令人瞩目的成果。目前反渗透膜与组件的生产已经相当成熟,膜的脱盐率能够达到99.8%,脱硼率达到95%,水通量大大增加,抗污染和抗氧化能力也不断提高[1]。
        二.反渗透膜作用机理
        反渗透又称逆渗透,是一种膜分离操作,其推动力为压力差,将溶剂从溶液中分离出。膜一侧的溶液被施加压力后,其压力大于本身的渗透压,溶液就会与自然渗透的方向相反,做反向渗透,这样在膜的低压一侧得到所谓“渗透液”;而在高压的一侧得到浓缩液。用反渗透技术淡化海水,就可以在膜的低压侧得到淡水,在高压侧得到浓水。海水盐度越高,所需压力越大,所耗能量也越高[2]。
        作为反渗透膜海水淡化技术的核心,研究反渗透膜的作用机理对于改进反渗透膜的功能,提高反渗透效率具有指导作用。随着反渗透膜的发展,迄今为止,提出过的反渗透膜脱盐理论包括氢键模型、优先吸附毛细管流动模型、溶解扩散模型等。其中溶解扩散模型、优先吸附毛细管流动模型是目前工程中被广泛应用的模型。
        2.1反渗透膜脱盐机理
        2.1.1氢键
        氢键模型最早由Reid等最早提出[3],该模型针对的是第一代醋酸纤维酯膜。此模型认为在氢键作用下,水分子和膜材料上的活性基团可以结合为类似“冰”形状结构的结合水。在压力下,结合水从一个氢键位置迁移到另一个相邻的氢键位置并与之形成新的氢键。易形成这种结合水的材料适于反渗透要求。
        2.1.2 优先吸附毛细管流动模型
        优先吸附—孔流膜型是由Sourirajan等构建[5],他们认为反渗透膜表层是非均匀有孔的,在盐水溶液和聚合物多孔膜接触的情况下,如果在此界面上有择优吸附水而排斥盐的性质,则会形成一负吸附层。纯水的输送可通过膜中的小孔来进行。膜表面具有合适的化学性质及合适尺寸的孔径和孔数是反渗透成功的两个必不可少的条件。反渗透膜的表层应尽可能的薄以减小液体流动的阻力,膜的整个孔结构必须是非对称的。
        2.1.3 溶解扩散理论
        溶解扩散理论的基本出发点是假设膜是理想无缺陷的膜,水和溶质的透过可基于一个简单的均匀扩散模型用分子扩散来描述。水和溶质的透过分两个阶段完成。首先水和溶质溶解进入到膜材料中,之后水和溶质在膜中进行扩散作用。实际上膜一般都具有某些缺陷,它们对水的透过没有什么影响,但对盐的透过则有显著影响,使盐的流速不仅和浓度有关,而且与压力有关。此外,如果膜有高的水吸收作用,则会有高的水渗透性和盐渗透性,反之亦然[3]。水在膜中的分布状态也是相当重要的,它还可能影响溶质在膜中的状态。
        在溶解扩散模型的经典理论基础之上,许多人提出了改进的理论模型。Sherwood等提出了不完全的溶解-扩散模型(SDIM),这是由于膜的固有缺陷。Burghoff等则考虑压力与溶质化学势的关系,提出了扩展的溶解-扩散模型(ESDM)。王一鸣等考虑了溶质体积压力驱动项对反渗透膜中溶质迁移的影响,提出了一个半经验的改进的反渗透膜溶解-扩散模型(MSDM)[4]。
        2.1.5.其他学说
        另外一些解释反渗透膜作用机理的学说包括吸附扩散模型、膜内孔隙开闭学说、Donnan平衡理论、基团贡献模式、水离子通道蛋白模式等。



        2.2反渗透膜脱除有机小分子机理
        最初普遍认为,有机溶质的脱除只是由于筛网效应,其脱除率主要与分子量大小和形状有关。由于有机物的分子不能被膜的表面排斥,又由于有机物倾向于降低溶液与膜之间的表面张力,一些分子量小于100的有机物容易通过膜的孔隙。分子量在100-200之间的有机物可以通过膜小半,分子量在200以上的有机物则基本上可以100%去除。
        三.反渗透膜工业发展与工程实例
        3.1反渗透膜工业发展
        反渗透膜的发展已经经历了三个阶段,第一代反渗透膜是均质膜,已在实际应用中被淘汰;第二代反渗透膜是用 L-S制膜工艺制造的非对称膜,目前仍在一定范围内应用;第三代是复合型反渗透膜,目前广泛应用在各个领域。
        3.2国内外反渗透膜海水淡化应用工程
        二十世纪七十年代反渗透技术应用到海水淡化以来,反渗透法海水淡化的发展十分迅速。目前全球海水淡化设备年均市场容量约40亿美元,中国海水淡化设备未来十年投资规模将高达120-140亿元,海水淡化发展进入黄金十年。相比南水北调,对于北方沿海地区,海水淡化在中国更具有现实价值。因反渗透膜法淡化海水投资省、能耗低、污染少、操作管理方便等特点,已成为全球先进的脱盐技术。但反渗透膜淡化水也存在一定局限性,淡化水具有高纯度、低硬度、低含盐量、极差的化学稳定性、低碱度、弱酸性等显著特征。
        根据国际海水淡化协会(IDA)的统计,截至2013年8月,全世界现役17277家海水淡化工厂日产量已超过8000万吨,168个国家和地区应用了海水淡化技术,3亿多人部分或全部依靠淡化水满足日常所需。海水淡化产业每年增长15%,远高于经济增长速度。
        我国海水淡化技术基本成熟,已建成多个具有自主知识产权的千吨级和万吨级示范工程,是完全独立掌握海水淡化技术的少数国家之一。
        3.2.1杭州六横海水淡化项目
        我国首个具有独立知识产权的反渗透海水淡化工程目前已经由杭州水处理技术研究开发中心研发并建成投运。工程中大部分的关键设备实现国产化应用。项目规模为单机1万m3/d,工艺流程分为海水取水、海水一级预处理、海水二级预处理、反渗透海水淡化、产品水后处理和系统控制5个部分[7]。运行成本为3.266元/m3,运行吨水电耗为2.56kWh,吨水电耗对比相同级别项目较低,同时工程投资成本有所下降。
        3.2.2 以色列Sorek反渗透海水淡化项目
        全球规模最大最先进的反渗透海水淡化厂为以色列Sorek反渗透海水淡化厂[6],于2013年10月投入全面运营。Sorek反渗透海水淡化厂产水规模达62.4万立方米/天,其中约54万立方米的水直接供应给以色列的供水系统。采用IDE先进的反渗透膜淡化技术,减少了大量部件、膜壳和联管箱的数量,便于快速安装使得技术更易实现。采用了压力中心设计,降低能耗,增加工厂产量。为提升运行效率,降低能源消耗,装备了超高压泵和能源回收装置。
        4.结论
        海水淡化为一项近年来发展迅速的新兴技术,目前虽然大型反渗透装置的处理效率不断提高,但是由于较高电能的消耗,控制成本为中心问题。目前可能的发展趋势为利用再生能源解决电能的高消耗问题。经过几十年的研究和发展,并应用于工程实例,反渗透海水淡化厂的能耗已经降至1/5左右,取得了相当的突破,具有巨大的发展潜力。

参考文献:
[1]冯厚军,谢春刚. 中国海水淡化技术研究现状与展望[J]. 化学工业与工程,2010,02:103-109.
[2]S.索里拉金,刘廷惠. 反渗透科学  第一章  反渗透分离的物理化学本质[J]. 膜科学与技术,1984,01:3+1-37.
[3]刘懋涛,鲁学仁. 反渗透法脱盐机理的研究现状[J]. 水处理技术,1981,04:33-43.
[4]王一鸣,许振良,张永锋,姬朝青. 改进的反渗透膜溶解-扩散模型及其验证[J]. 高校化学工程学报,2010,04:574-578.
[5]冯厚军,谢春刚. 中国海水淡化技术研究现状与展望[J]. 化学工业与工程,2010,02:103-109.
[6]徐子丹. 全球规模最大的反渗透海水淡化厂[J]. 水处理技术,2014,06:17.
[7]余涛,杨波,薛立波,谭永文,郑宏林,俞海英. 国产化单机日产水1万吨的反渗透海水淡化工程[J]. 水处理技术,2012,09:114-116.

 

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