（水利论文）反渗透在海水和苦咸水淡化技术的应用

反渗透在海水和苦咸水淡化技术的应用

沧州水文局  付学功

摘要：简要的了解反渗透技术的发展过程、工艺、设备及技术特点，并介绍存在的问题。

关键字：反渗透；海水；淡化；

1. 反渗透技术的发展过程：

  为了从海水和苦咸水中获得廉价的淡水，50年代开始了反渗透技术的研究。1953年，首先由美国佛罗里达大学的CharlesReid教授提出了反渗透法海水淡化方案，并在美国盐水局的资助下进行了开拓性研究，结果证明利用醋酸纤维素商品膜可以从盐水中制取淡水。1960年成功研制出了第一张高盐截留率、高水通量的不对称二醋酸纤维素海水反渗透膜，使反渗透法逐渐达到实用化的水平，开启了反渗透技术的应用大门。

  60年代末期，出现了反渗透的商业时代，研制出了一尼龙-66为莫材料的工业规模应用的中空纤维膜组件，1970年应用于苦咸水淡化，1973年末又推出了用于海水淡化的发布身体中空纤维组件。70年代中期，又推出了三醋酸纤维素中空纤维膜组件和卷式聚酰胺复合膜。经过近20年的不断发展，海水淡化反渗透复合膜的性能已经有了较大的提高，目前的反渗透复合膜系采用芳香族聚酰胺为材料，特征水通量是1978年的2倍，盐的透过率大约为1978年的四分之一，膜的脱盐率高于99.3%，抗污染和抗氧化能力大大提高。技术的进步使得海水淡化制取饮用水由原来的二级流程简化为一级流程成为现实。

2. 反渗透淡化的基本原理：

海水中含高浓度盐，其总溶解固体含量（TDS）高达35000mg/L以上。苦咸水（包括地表水和地下水）的TDS常高于1000mg/L，一般饮用水要求TDS<500*10。反渗透膜具有透过水、截留这些盐的能力。若将反渗透膜作成中空纤维形状，当含盐水在加压下从管外流过时，水透过膜进入纤维内，盐及其他溶解在水中的杂质被膜截留，从中空纤维开口端即可得到脱盐的淡化水。

对反渗透膜选择性透过水而截留膜的分离过程，曾提出过一些传质机理，并建立了传质模型，如优先吸附传质模型、溶解扩散模型和不可逆热力学模型。

进行反渗透有两个必要条件，一是有一张适合的膜（决定于膜材料及膜结构）能优先吸附和溶解水而截留盐；二是提供水透过膜所需的推动力，即在料液侧加压，以克服膜二侧因盐浓度差而形成的渗透压差、水透过膜的阻力以及料液流经膜组件的流动阻力。

反渗透盐中的主要性能指标是脱盐率（截留率）、膜的渗透通量和水的回收率。

3. 海水淡化工艺流程：

  流程包括：井水供水体系、预处理、RO及产水后处理：

先将料液送入充氮的密闭储槽，以防止水中硫化氢氧化，生成胶状硫而污染膜和预处理装置。

在进水管线上加入聚电解质絮凝剂后，经10个双介质（砂和无烟煤）过滤器，以保证与你密度指数SDI小于3.0.

经18个活性炭过滤器脱除痕量烃类，同时SDI进一步降至0.3-0.5，废活性炭在一个碳再生其中再生。

化学处理包括：加硫酸，调PH值至6.0，以控制碳酸钙成垢；加SHMP防止硫酸钙沉淀，用SBS（亚硫酸氢钠）进行间歇冲击式灭菌处理。

经以上预处理的水进入微保安过滤器(MGF),这是防止RO膜污染的最后防线，对出水的流速和SDI必须严格控制。在RAJJ，通过每个MGF的流速是380立方米每小时，SDI<1.0，共有8个MGF壳体，每个内装96个5微米的滤芯，经MGF过滤的水进入与能量回收汽轮机耦合的高压泵，送入7个RO机组。

当RO工厂停工前，产水自动经清洗泵进入高压泵的上游，对组件进行清洗，防止高盐度废水停滞在系统中产生腐蚀。

后处理包括加硫酸，调PH值至4.4，在送到解析塔，用空气吹出硫化氢和二氧化碳，解析出来的硫化氢通过一吸收塔后经烟囱排入大气。吸收塔内一苛性苏打作吸收剂。从解析塔出来的水加氯（余氯为0.5-1.0mg/L）灭菌，并将亚硫酸氢钠氧化成硫酸盐。在脱硫化氢的同时，二氧化碳也被脱除。产水进入储水槽钱还需经石灰和二氧化碳处理，以调节PH值和LSI。

4. 海水淡化设备：

反渗透海水淡化装置主要包括海水供给及预处理设备、海水高压泵、反渗透膜组、压力调节阀、管路及附件、监控设备等。

4.1 反渗透膜组

装置中最重要的部件是反渗透膜及膜的组件形式选择。近年来，国际上反渗透膜的性能已有长足发展，

膜组的形式也多种多样。主要的膜组形式有3 种：板框式（平板式）膜组、中孔纤维膜组和盘式膜组。

板框式（ 平板式）膜组是反渗透早期的一种形式，一般认为它的工艺简单，性能稳定，对海水的前处理要求低。缺点是海水流动状态不良，易造成浓差极化，膜堆密度小等。中孔纤维膜组的最大优点在于膜堆密度大（同产水量情况下它的体积最小），浓差极化小。最大的缺点是对海水的前处理要求高，不易清洗。卷式膜膜堆密度间对海水前处理的要求比板框式（ 平板式）膜组高，但比中孔纤维膜组要低，海水流动状态也比较好。作为舰船用装置，一般都希望结构紧凑、体积小，膜堆密度大的膜组相对体积肯定要小些。但对海水前处理要求过高，势必使海水过滤部分复杂化，的中孔纤维膜组的反渗透装置的前处理使用了超滤。就设备来说，单纯追求膜堆密度大而复杂的前处理，对整台反渗透装置并没有好处。对海水前处理要求低是板框式（平板式）膜组的最大优点，国外公司在充分利用这个优点的基础上对板框式（ 平板式）膜组结构进行改进，改善了海水流动状态。改进后的板框式（ 平板式）膜组称为盘式膜组，可以更好地满足船用装置的要求。目前盘式膜组和卷式膜组比较适用于反渗透海水淡化装置使用。

4.2 海水供给及预处理设备

反渗透装置一般都设置1 台海水供水泵。只要装置的海水进口与船上的海水系统相接，即可简化海水供给，省略海水供水泵。这对减小装置的体积、简化装置和操作是很有效的。国外有的舰船用反渗透装置就是借用船上的海水系统，装置本身不装海水供水泵，实际应用效果也很不错。反渗透的预处理主要是满足反渗透膜组的要求，可采用常规过滤方法，主要考虑相应膜组的处理要求。

4.3 海水高压泵

海水淡化的膜组渗透工作压力一般在5. 0 ～ 6. 0MPa，必须通过高压泵工作达到工作压力要求，因此，高压泵是反渗透装置中的重要部件。

4.4 压力调节阀、管路及附件、监控设备

管路及附件主要用来连接装置的各个部件，监控设备对装置进行监测、控制、报警等，实现装置的自动化运行。压力调节阀用来调节膜组工作压力，保证膜组工作压力的稳定。

5. 海水淡化技术特点：

通常又称超过滤法，是1953年才开始采用的一种膜分离淡化法。该法是利用只允许溶剂透过、不允许溶质透过的半透膜，将海水与淡水分隔开的。在通常情况下，淡水通过半透膜扩散到海水一侧，从而使海水一侧的液面逐渐升高，直至一定的高度才停止，这个过程为渗透。此时，海水一侧高出的水柱静压称为渗透压。如果对海水一侧施加一大于海水渗透压的外压，那么海水中的纯水将反渗透到淡水中。反渗透法的最大优点是节能。它的能耗仅为电渗析法的1/2，蒸馏法的1/40。因此，从1974年起，美日等发达国家先后把发展重心转向反渗透法。

反渗透海水淡化技术发展很快，工程造价和运行成本持续降低，主要发展趋势为降低反渗透膜的操作压力，提高反渗透系统回收率，廉价高效预处理技术，增强系统抗污染能力等。

与传统的蒸馏法相比，反渗透海水淡化过程不发生相的变化。根据热力学计算，常温下用反渗透法淡化海水的最低能耗仅为0.7KW.h/m3左右。所以，从理论上讲，它是最节能的海水淡化方法。

6. 海水淡化技术存在的问题：

为了保证反渗透海水淡化装置冬季的正常运行，在一期装置上马上兴建了燃烧锅炉用于冬季加热海水提高温度。我国北方兴建的其他反渗透海水淡化装置也都存在由于冬季就、海水温度过低需加热所以海水，或为避免海水加热消耗较多能量而采用冬季停止运行的措施。如何以最低的能源消耗来保证冬季反渗透海水淡化装置正常运行将是反渗透海水淡化在我国大规模推广的研究方向之一。