膜分离在海水淡化中的应用

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1、膜分离在海水淡化中的应用窗体顶端摘要：20世纪以来，国内的淡水水资源危机日益凸显，为了提高水资源的运用率，海水淡化成为广大学者研究的重要课题。与此同步，在海水淡化中发挥着十分重要的作用的膜分离技术应运而生，具有低能耗的明显优势，并得到国际广泛承认和注重。本文就从国内海水淡化的现状出发，重点分析膜分离技术在海水淡化中的具体应用，进而展望其发展前景，为海水淡化事业提供指引借鉴窗体顶端【核心词】膜分离技术；海水淡化；开发前景窗体底端窗体顶端1、海水淡化现状概述窗体底端窗体顶端1.1核心设备得以改善 海水淡化中，膜脱盐用的核心设备是必不可少的一部分，其中能量回收装置与高压泵等核心设备发挥着功不可没的作

2、用。如今，这些海水淡化所用的核心设备得以不断改善，如能量回收装置更新换代的速度不断提高，海水淡化的效率不断提高，日益成为低能耗的核心设备，并且被广泛应用在大型海水淡化工程中。1.2工艺过程日益成熟 随着海水淡化技术的不断进步，有关工艺过程已经比较成熟，成本能耗不断下降。其中反渗入膜分离技术经历了一级海水淡化工艺、高压一级海水淡化工艺、高效两段法、NF淡化工艺、集成过程以及其她工艺过程，这些过程在丰富的经验之下变得十提成熟，使得国内海水淡化工程数量不断增长，技术经济指标已经达到世界先进水平。目前，国内海水淡化技术基本成熟，已建成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

3、的少数几种国家之一。1.3膜分离技术的持续进步窗体顶端窗体底端窗体顶端 海水淡化事业的不断发展，离不开日益进步成熟的膜分离技术，其中膜性能和组器技术进步十分大。自从20世纪80年代以来，膜性能价格不断减少，技术不断改善，从而使得反渗入海水淡化的成本日益下降，其强大的竞争力得到国际市场的青睐和承认窗体底端窗体顶端2、膜分离技术在海水淡化中的具体应用 窗体顶端2.1正渗入膜分离技术的应用 正渗入膜分离技术（Forward Osmosis，FO）实行的过程中，通过水渗入压的作用下，从低向高渗入压侧中扩散，也就是纯水一侧渗入到浓盐水一侧。其工作基本原理是，往纯水中加入某种溶质，从而制备成一种驱动液，从

4、而运用其形成的高于盐水的渗入压，促使盐水中的水通过膜进入到驱动液之中，接着将水与驱动液分离，最后得到可以食用的净水。FO技术应用于海水淡化中，不需要借助外界的压力，只是单纯依托水的渗入压，因此，具有低能耗、无二次污染的优势，可以作为反渗入膜分离技术的补充，共同为解决人类水资源危机做出一定的奉献。2.11窗体顶端2.1.1初期研究FO 用于海水淡化是其研究最为广泛的领域之一。初期的应用研究重要见于某些专利中，但这些技术大多不太成熟，因而可行性不高。Batchelder4将挥发性物质（SO2）溶于海水或淡水中制成 “提取液”，运用 FO 工艺从海水提取淡水。当提取液被产水稀释到一定限度时，停止 F

5、O 过程，提取液内的挥发性溶质可以通过加热或气提的方式从液相清除。该专利没有对膜产水通量和脱盐率进行定量。1965 年，Glew5初次提出了将提取液中的溶质进行分离和循环。1972 年，Frank6运用可沉盐（硫酸铝）作为干净的产水，过量的钙可通过投加硫酸或 CO2产生硫酸钙或碳酸钙沉淀来清除。1975 年，Kravath7发明了一种运用醋酸纤维素膜进行海水淡化的正向渗入工艺。最初的实验采用葡萄糖溶液作为提取液，进一步的实验采用葡萄糖的海水溶液作为提取液。该工艺可在海上救生船应用，水分从海水中渗入到葡萄糖提取液中，经稀释的葡萄糖提取液可作为短期的养分摄取之用。1989 年，Stache 8 对

6、 Kravath 的方案进行了扩展，将浓缩的果糖溶液盛于一种膜袋中作为提取液，果糖的溶解度大，具有很高的“渗入势”，能产生很高的渗入压。将膜袋进入海水中，水不断扩散进入膜袋，直至果糖溶液被稀释至一定的限度。此法可进行小体积的海水脱盐，同步生产出富含养分的饮品。与Kravath 的发明同样，该工艺不对提取液进行解决，由于果糖液是用于直接摄入之用。窗体顶端1992 年，Yaeli9使用蔗糖溶液做提取液，采用FO 膜和低压 RO 膜组合，发明了一套持续流的海水淡化工艺。海水经 FO 解决后，水分进入蔗糖提取液；稀释后的蔗糖液进入 RO 系统，采用疏松的低压反渗入膜分离并浓缩蔗糖液，并回流至 FO 单

7、元，使渗入过程持续进行。由于蔗糖溶液的渗入势较低，因此该工艺的产水率较低。窗体顶端2.1.2 FO 海水淡化近期研究FO 工艺的核心在于提取液的选择。同步，FO 工艺并不能单独地完毕海水淡化过程，一般需要将其与另一项工艺进行耦合，用来分离浓缩提取液并得到产水。因而，研究者对提取液的选用及相应的浓缩工艺开展了广泛的研究。Mc Ginnis10发明了一套提取液循环运用的两阶段 FO 工艺，并使用高渗入势的提取液以提高产水率。海水经加热后进入第 1 级 FO 膜系统，第 1 级使用的 KNO3提取液同样被加热至一定温度，KNO3溶液被渗入的水分稀释后进入一种冷凝槽内，与进水进行热互换，使 KNO3溶

8、溶液降温并析出大量的KNO3，同步进水被预热。冷凝过程中，KNO3溶液中析出大量盐分，减少了渗入压，溶液进入下一级 FO系统；第 2 级系统使用 SO2饱和溶液作为提取液，将KNO3溶液中的水分提取出来，同步使 KNO3溶液得到浓缩；产水中的 SO2可用常规的措施清除，从而得到纯净的水。两级 FO 系统中的提取液组分 KNO3和 SO2均进行循环运用。由于饱和 SO2溶液的渗入压低于饱和 KNO3溶液，因而若单独采用饱和 SO2溶液做提取液，系统产水率将低于此两阶段 FO 工艺 。窗体底端2.2 反渗入膜分离技术 反渗入膜分离技术（Reverse Osmosis，RO）是当今应用较广泛的商业化

9、海水淡化技术，实行过程中，通过外界压力的作用，水会克服渗入压，通过半透膜从高向低渗入压侧溶液中进行扩散。因此，反渗入膜分离技术是通过排斥盐离子发挥作用的，在海水增压的环境下，通过反渗入膜排除海水中的盐分，从而得到净水。这种膜是由半渗入聚合材料制作的，分为中空纤维膜与平板膜这两种。在海水淡化中，RO技术已经实现商业化，应用也十分广泛。然而，RO技术发挥作用的过程中，需要实行高压操作，存在高能耗、高运营成本、较严格的预解决、存在二次污染等缺陷，因此需要FO技术作为辅助，两种技术相结合，共同为解决水资源难题做出应有的奉献和力量。反渗入海水淡化妆置中,通过反渗入(R.0.)元件的给水约有20%转换成淡

10、水,此淡水一般含盐度0.0003,符合饮用水原则(盐度0.0005).增长一级反渗入膜组件可进一步减少盐度,但给水压力也增高.这种装置产水的质量与给水的温度、压力、含盐有关.产水的含盐浓度随给水温度、含盐量的增长而增长,这是由于穿过膜的盐,其扩散性随温度增高而扩大的缘故;并随给水压力的增长而减少,反之亦然.窗体顶端2.2.1反渗入法海水淡化的长处 反渗入法是一种膜解决技术，其工作原理是运用只容许溶剂透过，不容许溶质透过的半透膜，将海水和淡水分隔开。（1）反渗入是一种膜解决技术，具有膜的长处，如能耗低，对热敏感性物质的分离效果较好，合用的范畴比较广泛，设备简朴，维修以便，运营费用比较低，同步设备

11、容易定型，自控比较强，便于管理运营，有助于形成产业化。（2）反渗入膜的孔径很小，细菌病毒等微生物都无法通过反渗入膜，同步该膜还可清除水中绝大多数的有机物和微粒，因此运用反渗入法解决后的出水水质较好，可以达到饮用水水质原则。（3）以压力为分离的原动力，设备构造紧凑，体积小，单位体积产水量高，占地面积小，同步操作简朴，自动化限度高。2.2.2 反渗入法海水淡化的缺陷 （1）反渗入膜对进水水质的规定比较严格，因此，在进液淡化水之前必须对原水做严格的预解决，如采用微滤超滤膜等过滤措施。尽量避免污染渗入膜，堵塞微孔。（2）反渗入在运营过程中过滤器 R.O.膜元件更换频率较高，增长费用，运营噪声较大7。（

12、3）由于海水中具有大量的悬浮物、难溶的盐、化合窗体顶端物及细菌等杂质，反渗入淡化妆置长期使用后，容易附有污垢堵塞，因此必须采用合适的清洁剂对反渗入膜进行定期的清洗，恢复膜组件的性能。为了避免膜上滋生细菌，需要定期对膜进行消毒解决。（4） 目前海水淡化产业发展规模很小，日产量仅占世界的1左右；海水作冷却水用量仅占世界的 6左右。成本费用相对沿海地区自来水价格而言仍然偏高。大规模海水淡化技术不成熟，无法可依、无规可循也是重要因素之一，有条件运用海水但不运用的状况比较严重。窗体顶端2.3薄膜蒸馏淡化技术 薄膜蒸馏淡化技术，重要通过多孔性疏水膜将加热的海水蒸发，而散发的蒸汽将会在膜的此外一侧得到冷凝，

13、从而实现海水淡化。这种措施不同于常规的蒸馏措施，将蒸汽空间缩小甚至取消，其中的蒸馏膜难以替代换热面，而目前的薄膜蒸馏装置可以分为直接接触式、扫气式与空气隙式这三种。其中扫气式薄膜蒸馏装置配有专门的气体解决系统，具有高供水除气规定的特点；直接接触式薄膜蒸馏装置构造是最简朴的，并且运营可以实行自动化，一般会用于实船的应用研究；空气隙式薄膜蒸馏装置分为冷液、热液、蒸馏水三种系统，得名于薄膜与壁面的1毫米空气间隙。薄膜蒸馏装置的蒸发过程稳定,一次性生产出的蒸馏水水质好,其溶解物含量在5x10一5以内,其纯度高于R.0.装置.2.3.1薄膜蒸馏的特点 窗体顶端窗体顶端薄膜蒸馏的薄膜薄膜窗体底端薄膜蒸馏是

14、一种由疏水膜将蒸刊登面和冷凝面隔开,热液在膜的一侧蒸发,蒸发出的蒸汽在膜的另一侧冷凝的过程。膜起到液体与蒸汽间分界面的作用。这种蒸馏措施,大大缩小乃至事实上取消了常规蒸馏器的蒸汽空间。但膜不能取代换热面,在薄膜蒸馏装置中,还需要设计与膜面积相等的换热面。窗体顶端2.3.2薄膜的种类和材料 蒸馏薄膜的种类也像反渗入膜同样,可提成四种:)I平面型膜;2)管型膜(大者管内径约Zomm,一般约lomm);3)中空纤维膜(纤维内径约。.6mm);4)螺卷型膜。蒸馏膜的材料应是非润湿性,疏水性能好。目前已研究出下列几种:l)聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene,缩写“PTFE”或Te

15、flon)膜。2)聚丙烯(Polypropylene)膜。3)聚偏二氟乙烯“PVDF”膜。4)硅酮聚合物和聚矾膜。5)聚乙烯膜。研究和应用得较多的是前两种膜。尤以聚四氟乙烯膜性能最佳,其孔隙分布均匀,孔径和孔隙率大,现已商用,但价格昂贵。聚丙烯平面膜的孔径和孔隙率不及聚四氟乙烯膜,但用聚丙烯制成的管状膜,就与之非常接近。因此,在薄膜蒸馏海水淡化妆置中,采用聚丙烯管状膜,是保证蒸馏性能和减少膜的成本的重要途径。 窗体顶端2.3.3膜的孔隙尺寸膜的孔隙尺寸、孔隙率和孔隙分布,是膜的重要特性指标。直接接触式薄膜蒸馏装置中所采用的原则膜孔径为0.10.5拌m;扫气式薄膜蒸馏中,膜的孔径不不小于1拜m;

16、空气隙式薄膜蒸馏中,膜的孔径可达几微米。2.3.4复合膜抱负的蒸馏膜是具有高孔隙率的多层构造,孔隙级为2拌m。这是一种超薄表层之间夹杂着小孔隙(如孔径为0.1拌m)层的构造,能满足高进水压力的需要,膜较厚。传导热损失最小,热质互换效率高。扫气薄膜蒸馏装置中采用这种膜之后,其蒸发量可高于任何既有的薄膜蒸馏装置。3、膜分离技术在海水淡化中的具体应用窗体底端窗体顶端 膜分离技术作为船用海水淡化妆置近年来有了长足的发展,据有关资料表白,许多国家始终热衷于该项技术的开发研究.反渗入淡化技术,已分别在美国的“弗莱彻”、“斯普鲁恩斯”等驱逐船上成功地使用,技术较为成熟,美国的“富利吉海水淡化妆置的”PE、S

17、pW系列也在众多的远洋捕捞船上受到广泛应用;日本新近还推出了便携式反渗入海水淡化机.笔者觉得在以燃气轮机、柴油机为动力装置的舰船,废热综合运用(辅汽轮机废热发电)的商用船舶,海上工作平台以及远洋捕捞船,反渗入海水淡化妆置是首选.薄膜蒸馏海水淡化技术用于蒸汽动力、核动力或柴油机动力装置且余热能源品位较高的舰船上,作为生产锅炉补水或生活用水,其应用前景也很广阔,特别以直接接触管状膜蒸馏装置最具发展潜力.如果从英国、瑞典、日本、澳大利亚、意大利等国的近期的研究状况来看,似有在淡化领域取代反渗入装置的趋势.窗体顶端结束语综上所述，膜分离技术日益成为海水淡化事业不可或缺的一部分。只有不断投入精力和时间，

18、汲取有关经验教训，推动膜分离技术的日益成熟，才会给人类发展提供充足的水资源，推动人类社会的不断进步窗体顶端l王建平.船用反渗入海水淡化技术【A.第二届全国膜和膜过程学术报告会论文集仁cj.杭州:水解决技术编辑部,1996.497一501.2陈凤章.膜蒸馏式海水淡化技术的发展J,机电设备,1卯4,(1):1一9.窗体底端窗体顶端3崔迎,吴国旭,顾玲.正向渗入膜分离技术在海水淡化中的应用新进展J.水解决技术,201(5)窗体顶端4李刚，李雪梅，何涛，等 正渗入膜技术及其应用J 化工进展，29( 8) : 1388 1398窗体底端窗体顶端5 阮国岭, 冯厚军. 国内外海水淡化技术的进展J.中国给水

19、排水,24(20):86-90.6 邹士洋, 张建平, 伍俊荣, 等. 新型膜分离技术正向渗入及其应用J.中国给水排水,24(24):16-18. 窗体顶端7高从堦，郑根江，汪锰，等 正渗入水纯化和脱盐的新途J 水解决技术，34( 2) : 1 4窗体底端窗体顶端8张乾，时强，阮国领，等 正渗入水解决核心技术研究进展J工业水解决，32( 5) : 5 9窗体底端窗体顶端9施人莉，杨庆峰 正渗入膜分离的研究进展J 化工进展，30( 1) : 66 73窗体底端窗体顶端10刘子文，黄肖容，刘文龙 正渗入技术在海水淡化中的应用J现代化工，33( 7) : 34 37窗体底端 窗体顶端11解利昕.反渗入海水淡化技术现状与展望J中国给水排水，,16（3）：242712 王俊红.海水淡化的发展及应用J工业水解决，,28（5）：6913 汪国祥.反渗入海水淡化技术在舰船上的应用研究J舰船科学技术，,27（2）：710窗体底端