反渗透处理工艺在海水淡化领域的应用

【摘要】:海水淡化技术种类很多，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（RO）。反渗透法海水淡化与蒸馏法相比，膜法海水淡化只能利用电能，但随着反渗透膜性能的提高和能量回收装置的问世，其吨水耗电量逐渐降低。且反渗透技术具有较强的自身优势，如应用范围广，规模可大可小，建设周期短，不但可在陆地上建设，还适于在车辆、舰船、海上石油钻台、岛屿、野外等处使用。

【关键词】：反渗透；海水淡化；应用

中图分类号：P747文献标识码：A文章编号：

引言

人类在21世纪面临着严重的淡水资源紧缺问题。海水淡化作为解决淡水资源危机的有效途径，已经得到世界各国的普遍重视。我国淡水资源匮乏，人均淡水占有量仅是世界人均占有量的四分之一，特别是沿海地区淡水资源严重不足。大力推广海水淡化是解决我国沿海地区淡水资源问题的重要战略举措。

一、反渗透海水淡化技术的发展历程

人类发现渗透现象已有200多年的历史，现代的反渗透（ReverseOsmosis，RO）的则是上世纪50年代以来的研究结果。

1953年Florida大学和California大学在美国盐水局的资助下对反渗透水淡化进行了研究，结果表明二醋酸纤维素（CA）制成的膜可以从海水中提取淡水。60年代末期，GulfGeneralAtomics（即Allied-Signal）与AerojetGeneral开创了RO的商业时代，在美国盐水局的资助下，开发了二醋酸纤维素膜制成的螺旋式构型组件。同期，美国DuPont公司研制出了以尼龙一66为膜材料的中空纤维组件，并于1970年应用于苦咸水的淡化。1971年DuPont公司推出采用聚芳香酰胺中空细纤维的PermasepB-9型膜组件，1973年末又推出可以一级脱盐由海水制饮用水的PermasepB-10型膜组件。70年代中期，Dow化学公司、日本Toyobo公司先后推出了三醋酸纤维素中空纤维膜组件；FluidSystemsDivision与FilmTec（现为Dow化学公司的子公司）推出了螺旋卷式聚酰胺薄膜复合膜。整个80年代，反渗透处理工艺淡化海水的研究重点集中在提高膜的水通量和脱盐率上。90年代出现的采用微滤、纳滤或超滤等膜技术作为反渗透海水淡化系统的预处理工艺，使得反渗透海水淡化装置更加可靠。能够有效除掉进料海水中的胶体类物质，大大延长了反渗透膜的使用寿命。

目前反渗透复合膜主要以芳香族聚酰胺为材料，特征水通量为1978年的2倍，盐的透过率为1978年的四分之一左右，膜的脱盐率高于99.2%，抗氧化和抗污染能力有了大大的提高。

近些年开发的正位移式能量回收装置通过“压力能-压力能”一步转换，回收效率有大幅提高，可达90%以上，使反渗透海水淡化装置的能耗进一步降低。随着膜的性能不断提高，高压泵和能量回收装置性能的持续进步和各种预处理新工艺的不断提出，膜组件的价格和能耗呈现出下降的趋势，这就使得海水淡化的成本大大降低，反渗透技术的应用逐步扩大。

二、海水在进入反渗透膜装置之前必须进行预处理

反渗透系统需要较好的预处理，才能保证出水水质。由于海水中的硬度、总固体溶解物和其他杂质的含量均较高，在运行过程中，反渗透系统对于浊度、pH值、温度、硬度和化学物质等因素较为敏感，所以对进水的要求相对较高，如果进水水质差，产水率就非常低。

海水杀菌灭藻

海水中细菌、藻类的繁殖和微生物的生长不仅会给取水设施带来许多麻烦，而且会直接影响海水淡化设备及工艺管道的正常运行，所以海水淡化工程中大多采用投加液氯、硫酸铜、次氯酸钠等化学剂来杀菌灭藻。

混凝过滤

因为海水具有周期性潮涨潮落，水中常常夹带着大量的泥沙，混浊度变化比较大，容易造成海水预处理系统的运转不稳定，故在预处理中要加入混凝过滤，目的在于去除海水中的悬浮杂质、胶体，降低浊度。

过滤器过滤

为了使反渗透的进水水质得到进一步提高，降低进水的浊度，通常在混凝过滤之后加上一个砂滤过滤器，使得水中的微小悬浮物和颗粒物得到进一步的去除，确保了水质的进一步提高。

阻垢剂和还原剂

海水的组成非常复杂，硬度和碱度都非常高，为了保持系统始终在没有结垢的情况下运行，需要根据具体的水质投加相对应的阻垢剂。另外，因为反渗透预处理中投加了氧化剂杀菌，故在反渗透进水时需要投加还原剂来还原。

保安过滤器

因为海水的含盐量非常多，故保安过滤器的材质要采用316L滤器，滤芯孔径通常选5μm，阻挡过滤海水中直径大于5μm颗粒杂质，以保证高压泵，反渗透膜元件和能量回收装置的长期安全、稳定的运行。

系统控制

反渗透海水淡化控制系统通常采用可编程控制器PLC组成一个分散采样控制，集中监视操作的控制系统。按工艺参数设置高低压保护开关，自动切换装置，一旦电导、压力和流量出现异常时，能够快速实现自动切换、自动联锁报警并停机，以保护高压泵和反渗透膜元件。通过变频控制高压泵的开关，节省能耗，防止由于反压或水锤造成高压泵和膜元件的损坏。在反渗透装置开机和停机前后，设计的程序应能实现低压自动冲洗。动态工艺流程操作的监视画面应该清晰直观，且易于人工操作，确保控制系统能自动、安全可靠地运行。

三、反渗透处理工艺淡化海水在我国的应用

淡水资源日益短缺乃至水危机已成为我国经济社会可持续发展中的最大瓶颈之一，已严重影响了人民的正常生活。我国人均水资源量为2125m3，而沿海大部分地区人均水资源占有量则低于500m3，现有水资源已远远不能满足沿海地区经济社会快速发展的需求。目前，反渗透法海水淡化吨水成本已降到4-5元左右，而且产水水质可以达到饮用水标准。因此，膜法海水淡化和苦咸水淡化可以作为解决我国资源性缺水、水质型缺水的重要途径之一。

我国在20世纪60年代开始开发反渗透技术，1967-1969年全国海水淡化会战为乙酸纤维素不对称反渗透膜的开发奠定了基础，70年代进行卷式反渗透组件和中空纤维的研究开发，80年代进行反渗透复合膜的研究开发，开始步入产业化，并在我国水处理行业得到了广泛应用。近年来，在国家改革开放政策的引导下，世界发达国家的高性能膜组器开始大量涌入我国，带动了国内反渗透工程应用的高速发展。国内相关研发单位在纳滤复合膜、高性能反渗透等研究方面也已取得突破，正在实施水膜的产业化计划。

2002年12月底和2003年3月，山东省荣成市石岛水产供销集团总公司与国家海洋局杭州水处理技术开发中心签订了“万吨级反渗透海水淡化示范工程”项目1.2期协议。该示范工程采取总体设计，分步实施。其中，工程的基础设施按总体设计，一次建成。工艺设备由两个日产5000吨淡化水的独立机组组成，第一期完成一个机组的施工，第二期完成另一个机组的施工。工程采用膜组件为美国陶氏公司生产的高性能反渗透海水淡化复合膜元件SW30HR-380，其元件平均脱盐率为99.6%。整套装置共配置了420支海水膜元件，分别装在60根并联布置的膜压力管内，每根压力管内串联排列7支SW30HR-380海水膜元件。

结束语

随着反渗透膜技术的不断改进和分离工艺的改良，反渗透海水淡化在世界海水淡化产业中所占比例正在不断扩大，而反渗透海水淡化处理工艺也得到了高度的重视，并以较快的速度发展。同时，随着新型膜与膜技术的开发，海水淡化成本有望进一步降低，必将加快膜法海水淡化技术转化为实际生产力的速度，使之在解决世界性水资源短缺的难题中发挥更大的作用。

参考文献：

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