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反渗透海水淡化技术的发展及延伸

来源:南京水处理公司  更新:2018-05-30 18:23 点击:
产品知识

l、前言

水是生命的源泉,是社会和经济发展的命脉,是人类宝贵的不可替代的自然资源。当前缺水已成为世界性问题,成为制约社会进步和经济发展的瓶颈,解决水资源的供需矛盾,对我国的可持续发展是非常迫切的和重要的。我国沿海地区仅占全国土地面积的15%,人口的40%,但创造着60%以上的社会总产值,和全国一样,沿海城市,特别是北方地区以及岛屿的供水严重不足,形势严峻。沿海地区有丰富的海水资源,用海水淡化技术向大海要淡水,满足沿海城镇和岛屿对淡水的需求或紧缺需求,是自古以来人们所梦寐以求的,现在已变为现实。反渗透海水淡化不仅技术上完全可行,而且在许分情况下是经济的。

2、反渗透的发展概况

海水淡化是从海水中获取淡水的技术和过程。早在50年代,为解决“水的危机”,美国从52年起专设盐水局,74年后转为资源技术局,不断推进水资源和脱盐的技术进步,其中反渗透法海水淡化(SWRO)就是1953年据膜和海水界面有一纯水层而提出的;73年日本通产省下设造水促进中心,专门研究节能的脱盐技术,欧洲则在尤里卡等计划下推动海水淡化的发展,它们也都以膜法为重点。经过近50年的研究、开发和产业化,SWRO自70年代进入海水淡化市场之后,发展十分迅速。RO用膜和组件已相当成熟,组件脱盐率可高达 99.5%以上,有约20年的经验积累, SWRO工艺过程也逐渐成熟,近年来,功交换器和压力交换器的开发成功使能量回收效率都高达90%以上,从而使SWRO的本体能耗在3kWh/m3淡水以下,成为从海水制取引用水最廉价的方法,进一步增强了SWRO的竞争力。

近几年来,在国际海水淡化招标中,SWRO以投资最低,能耗最省,成本最低,建造周期短等优势而屡屡中标。SWRO所以能如此成功,与其在膜、组器、设备和工艺等方面的创新性开拓是分不开的。下面是着几方面的简要的发展概况:

3、反渗透的一些重大的创新进展

3.1反渗透膜的进步

在反渗透膜发展的历史中,不对称膜和复合股的研发是创新的两个范例。

3.1.1 不对称膜

Loeb和Sotrirajan于1960年制得了世界上第一高股盐率,高通量,不对称醋酸纤维素(CA)反渗透膜,其创新在于,以往的膜皆为均相致密膜(约0.lmrn厚),传质速度极底,无实用价值,而不对称膜仅表皮层是致密的(约0.2m厚)就这一点,是传质速度提高了近3个数量级,表1给出了1968年研制的CA-CTA膜的性能。目前通用的CA反渗透膜多用于表面水处理,表2给出了其基本的膜性能。

3.1.1 复合膜

不对称膜在高压下中间过渡层有压密现象,使水通量下降,为此在1963年提出了复合膜的概念,其创新点在子膜的脱盐层和支撑层分别由优选的材料来制备,如脱盐层(约0.2m厚)是芳香族聚酰胺,支撑层是聚砜,这是膜的性能进一步提高,表3给出了复合膜的典型性能。

1968年研制的CA—CTA膜的性能

3.2 膜组器技术的不断发展

反渗透膜组器技术的创新,伸膜的性能得以充分的发挥,这里特别提出的是中空纤维反渗透器和卷式反渗透元件。

3.2.1 中空纤维反渗透器

经过多年的研究开发,1970年美国DuPont公司推出B-9型苦咸水脱盐用中空纤维反渗透器,作为重大化工进展而获得1971年美国化工学会奖。其特点是:一支直径4英寸的反渗透器可内含90万条φ084μm,φ142μm的中空纤维,表面积达150m2,在2.6MPa下苦咸水脱盐可达8m3/d以上。

3.2.2卷式反渗透元件

同样地,自1964年提出卷式元件概念,经十多年的多次更新换代,卷式元件也于1970年代中商品化,其构思是数个膜对绕中心多孔产品水管卷起来,呈筒状,其中,膜对是由两张膜(脱盐层向外)和置于中间的产水流道布组成,除靠中心多孔产品水管的一边外,其他三边都用粘合剂密封;使用时,将其放入压力容器中,这一构型使膜片的使用和生产(特别是复合膜)得以急剧扩展。

目前广泛使用的组件就是上述的这两种,中空纤维组件堆砌密度达10000m2/m3,卷式元件的达1000m2/m3,虽然后者堆砌密度低些,但对进水预处理的要求不像中空纤维组件那么严。目前广泛应用的中空纤维组件有DuPont公司的芳族聚酸胺的(如B-10型6845TR,产水量约26m3/d)和日本东洋纺的三醋酸纤维素的(如HR8355,产水量约12m3/d)。卷式元件多由美、日的数家公司生产如美国的Filmtec和Hydranautics,日本的Nitto和Toray等,现多用复合膜制作,且以直径为 8英寸的居多(一般产水量约20m3/d)。

3.3关键设备的不断改进

与此同时,膜脱盐用的关键设备,如高压泵和能量回收装置也得到快速的发展。除高压泵的品种和型号不断增多,容量不断增大,以及效率不断提高之外,特别应提及的是能量回收装置,反渗透海水淡化所以能成为有竞争力的过程,能量回收装置的作用功不可没。

第一代能量回收装置是与高压泵电机主轴相连的涡轮机,用脱盐后的高压浓海水冲击来回收能量,效率约50%;第二代产品是水力涡轮增压器,其优点是不必与泵的主轴相连,安装方面,效率也在50%左右;第三代产品为功或压力交换器,互接将压力由浓海水传给新进的海水,效率大于90%,这样反渗透海水淡化的本体耗电降到3kwh/m3以上。

3.4工艺过程的持续开发

据反渗透膜和组器技术的进步,SWRO工艺也不断地发展,主要工艺过程如下:

3.4.1二级海水淡化工艺

1970年代商用RO膜脱盐率仅在95一98%时,为了从海水中制取饮用水而采用此工艺,第一级的产水(约2000mg/L),再经第二级进一步淡化为饮用水,第二级的浓水返回第一级作为部分进水,显然该过程能耗是高的,约10kwh/rn3以上。

3.4.2一级海水淡化工艺

1970年代末,特别是1980年代中期以后,RO膜的脱盐率达99.2%以上,这为一级SWRO创造了条件。海水经一级 RO后,产水即为饮用水(300- 400mg/1),水回收率30—35%。

3.4.3高压一级海水淡化工艺

这是近年来,为了进一步提高回收率而提出的新工艺之一。通常一级SWRO的操作压力在5.5MPa,而若提高到8.4 MPa下操作,则可达60%的回收率,这样海水预处理省了,试剂用量少了,能耗也低了,新建的SWRO厂可采用该工艺

3.4.4高效两段法

这也是提高回收率的新工艺,这是一级两段工艺的改进,在两段间设增压部分,第一段的浓海水经增压和最终的能量回收部分相结合进入第二段,这也可使回收率达60%。该工艺不仅适合于新建的研件SWRO厂,且可将以前的一级SWRO厂增设第二段,变其产量增加一半。

另外沙特海水转化公司的研发中心提出纳滤(NF)-RO)一蒸馏的新工艺;也有人提出利用深海的静压力进行SWRO淡化,相似地,上海一环境公司提出用人造水柱的静压力进行SWRO淡化等。

4. SWRO技术的延伸

4.1 RO脱盐技术

除SWRO淡化,解决沿海地区和岛屿用水紧张状况之外,RO广泛用于苦咸水淡化以及纯水和超纯水的制备,并成为最经济的工艺过程。其中,纯水和超纯水的制备约占RO市场的70—80%,涉及电子、电力、化工、石化、医药、饮料、食品、冶金等各行业;苦咸水淡化将在西部大开发中进一步发挥作用。

4.2 RO预浓缩技术

在膜下游获得淡水的同时,上游料液被浓缩,由于渗透压的限制,将无机盐和小分子物质浓缩到10%左右是经济的,这已在化工、医药、食品和中草药等领域得以应用,在环保方面,RO也用于电镀、矿山、放射、垃圾渗滤等废水的浓缩处理,水回用或达标排放。

4.3 RO集成工艺

RO膜过程有其特点也有其限度和使用要求,为了发挥RO的优势,采用集成膜过程是十分重要的。如上述的纯水和超纯水制备、物料的浓缩、海水的全利用等基本上都是RO与其他技术集成的。RO发挥了其脱盐和预浓缩的作用。

4.4 纳滤(NF)

纳滤膜和工艺都是在RO膜和工艺研发的基础上形成的,NF膜的孔径在纳米级,其对单价盐类易透过,而对多价盐和分子量1000以下的物质截留率很高,这一特点,决定了其在饮用水净化、水软化及生物、医药、化工等行业的分离、净化和浓缩中的广泛应用,成为改造传统生产工艺,开发新工艺过程方面的一项重要技术。

5、海水淡化的技术经济评价

海水淡化的技术经济评价是正确把握技术方案的重要环节之一,在大多数情况下是决定性的。该评价是在统一可比的条件下,对各方案进行综合分析,既考虑技术上的先进、高效、可靠性、安全、简便和灵活等,又要考虑经济上的节能降耗、投资省、成本低、人工少等,还应考虑环境因素,如是否有三废和处理措施及对环境的影响等。

严格按照技术经济评价的原则、标准和方法,遵循评价采用的各个步骤,在技术经济综合分析的基础上,确定各方案的优劣并提出取舍意见。下面仅给出近几年国际招标和咨询的一个海水淡化工程的例子。


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