反渗透法海水淡化技术的发展

反渗透法海水淡化技术的发展

海洋捕捉是在大海中获得淡水的技术和过程。大海专业化技术在半个多世纪初就发展起来。从技术上讲，它相对成熟，海水已被大规模转化为淡水，出现在世界各地。目前，主要的海水淡化方法有多个级别的闪蒸（msf）、浸泡（swro）和蒸发（med）。海水淡化技术已成为解决当前水资源短缺的重要手段之一。世界人均淡水产量约为2400万米，解决了1亿人（世界人口1.40）的供水问题，其中应急反应约占44%。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.海水淡化水本体能耗已降到3kWh/m3以下,淡化水成本在0.5美元/m3左右.目前SWRO成为从海水制取饮用水最有竞争力的海水淡化手段.海水淡化在《全国海洋经济发展规划纲要》和《海水利用专项规划》中已列为重点发展技术之一.通过努力,使关键材料与设备基本实现国产化,工程规模大型化,形成产业化基地,建成示范城市和示范区,建立工程研究中心和研究试验现场.使我国的海水淡化技术达到国际先进水平,使海水淡化成为我国沿海地区供水安全保障体系的重要组成部分.另外,该技术是一共性技术,它的发展不仅能带动材料、化工、自动化等的进步,而且该技术的延伸在电子、电力、生物工程、医药(疗)、化工和环保等领域也发挥了重大作用,可以此技术作为循环经济、清洁生产和提升传统产业的主要手段,带动相关产业年增产值数百亿元,获取显著的经济、社会和生态效益的回报.1swro在海水淡化领域的创新海水淡化是从海水中获取淡水的技术和过程.早在上世纪50年代,为解决“水的危机”,美国从1952年起专设盐水局,1974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年提出的;1973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自上世纪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99.8%以上,有约30多年的海水淡化的经验积累,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,成为从海水制取饮用水最廉价的方法,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.2关于一些重要创新进展2.1抗渗透膜的进步在反渗透膜发展的历史中,不对称膜和复合膜的研发是创新的两个范例.2.1.1膜的致密特性,使人工降温ctaLoeb和Sourirajan于1960年制得了世界上第一高脱盐率,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0.1mm厚),传质速度极低,无实用价值,而不对称膜仅表皮层是致密的(约0.2μm厚),就这一点,使传质速度提高了近3个数量级.上世纪70年代研制了优异的CA-CTA膜,其中之一的性能为在10.2MPa操作压力下,对35000mg/LNaCl溶液,脱盐率99.4%～99.7%,水通量20～30L/(m2·h).2.1.2芳香族聚酰胺复合膜复合膜的概念是在1963年提出的,其创新点在于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0.2μm厚)是芳香族聚酰胺,支撑层是聚砜,这使膜的性能进一步提高.历年来,开发了许多不同用途的复合膜,如用于海水淡化的“高脱盐型”,纯水制备的“超低压和极低压型”,废水处理的“耐污染型”等.最近海水淡化的“高脱盐型”复合膜性能大大提高,在5.52MPa操作压力下,对35000mg/LNaCl溶液,脱盐率为99.8%,水通量40L/(m2·h)以上.2.2膜设备技术的不断进步反渗透膜组器技术的创新,使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.2.2.1聚酰胺中空纤维反渗透器经多年的研究开发,1975年美国DuPont公司推出B-10型海水脱盐用聚酰胺中空纤维反渗透器;1980年日本Toyobo公司推出Hollosep型海水脱盐用CTA中空纤维反渗透器.其特点是一支反渗透器内可含几十万到几百万条中空纤维,具有最高的膜面积堆砌密度.2.2.2卷着色密度和责任卷式元件概念是1964年提出的,经10多年的多次更新换代,上世纪70年代中商品化,其构思是数个膜片对和流道隔网绕中心多孔产水管卷起来,呈筒状;使用时几个元件以串接方式放入一压力容器中.经膜片对的数目和宽度、流道隔网的式样和厚度、粘合和密封方式、多个元件产水的收集方式和端封等的不断研究和改进,目前,复合膜广泛用于卷式元件的大规模生产,元件的直径为4英寸、8英寸、16～18英寸等,以8英寸的居多.2.3第二代压压泵站和能量回收装置的应用,实现了从“推动SWRO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(达80%以上)之外,特别应提及的是能量回收装置,第一代能量回收装置是与高压泵电机主轴相连的涡轮机,之后是水力涡轮增压器,效率都在60%～70%;新一代产品为功或压力交换器,直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至约3kWh/m3.2.4可持续开发技术过程据反渗透膜和组器技术的进步,SWRO工艺也不断地发展,主要工艺过程分述如下。2.4.1产水双膜分离工艺上世纪70年代商用RO膜脱盐率仅在95%～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/m3淡水.目前该工艺用来从海水中制取含盐量在20～40mg/L的软化水.2.4.2级swro资金来源,产水回收率高,为一级swro创造了一个条件上世纪80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,水回收率达30%～35%.2.4.3提高swro系统压力和回收率这是近年来,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8.4MPa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,新建的SWRO厂可采用该工艺.2.4.4增压部分的回收率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SWRO厂,且可将以前的一级SWRO厂增设第二段,使其产量增加一半.2.4.5新的海水淡化工艺NF膜的孔径在纳米级,其对单价盐类易透过,而对多价盐的截留率很高,上世纪90年代,提出RO与NF结合的海水淡化新工艺,但集成的工艺有不同,一是纳滤在RO之前,纳滤的产水为RO的进水,这对RO很有利;另一种是将纳滤放在RO之后,RO的浓水为纳滤的进水,纳滤的产水返到RO之前,作为RO的进水,这可大大提高回收率.2.4.6swro过程优化对SWRO过程进行优化,就是以淡化水成本最低为目标,考虑各种不同的影响因素,确定其影响的大小和相互关系,在给定的条件下进行单元及全过程的优化求解.如对预处理、RO本体、运行和后处理的分别优化及整个SWRO过程的优化.2.4.7msf/swro水集成技术SWRO与MSF集成已商品化,阿联酋的Fujeirah水电联产厂就采用这一集成技术,其中,MSF产淡水28.4×104m3/d,SWRO产淡水17.0×104m3/d,这一集成技术使工厂的生产更灵活,水的成本更便宜.如果水电联产与海水利用(冷却、养殖、制盐和盐化工等)进一步集成,综合效益会更显著.2.4.8swro回收率的提高SWRO要求严格的预处理以防止难溶盐类的结垢和膜污染,以MF或UF作为SWRO的预处理是近几年来提出的.经MF或UF预处理后的水质比常规预处理的要好得多,这样SWRO的回收率可大大提高,膜的使用寿命也可延长.2.4.9超纯水的制备除SWRO淡化之外,RO广泛用于苦咸水淡化以及纯水和超纯水的制备,并成为其最经济的制备工艺过程.纯水和超纯水的制备在电子、电力、化工、石化、医药、饮料、食品、冶金等各行业广泛采用;苦咸水淡化在西部大开发中将进一步发挥作用.RO预浓缩技术是在膜下游获得淡水的同时,上游料液被浓缩,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,水回用或达标排放等.2.5海水淡化的影响虽然SWRO能对缺水地区提供所需的淡水,但用SWRO大规模生产淡水也有其负面的影响.一是SWRO本体能耗在3kWh/m3淡水,这意味着生产1t淡水,要消耗1kg的油,要产生2kg多的CO2.二是SWRO的回收率一般为40%,那么60%的原海水成为浓海水并排放到海中,这将对所排放的海区的环境和生态产生一定的影响.另外有噪音、占地和景观等的影响.这些影响可通过使用清洁的和可再生能源、浓海水的综合利用和合理排海及其他相应措施来解决或减缓.3海水淡化技术1965年开始反渗透膜的实验室研究,1967-1969年全国海水淡化会战为醋酸纤维素不对称反渗透膜的开发打下基础,上世纪70年代进行了中空纤维和卷式RO元件的研究开发,上世纪80年代初步产业化并推广应用;上世纪80年代进行复合反渗透的研究开发,并中试放大成功,近年来与引进相结合,进行复合反渗透的规模化生产,性能达到海水淡化要求.1997年舟山在嵊山岛用国外的膜组件建成500m3/d的海水RO淡化示范站……至今已建20多处SWRO淡化站,能耗约为4kWh/m3淡水,总产淡水约5万m3/d.目前我国已经具备了万吨级海水淡化的工程能力,吨水成本已经从10年前的7元左右降至5元左右,随着装置规模的扩大、技术的进步和集成,造水成本仍有降低的空间.海水淡化技术在2003年颁布的《全国海洋经济发展规划纲要》和2005年颁布的《全国海水利用专项规划》中被列为重点发展技术之一.据国内沿海地区海水淡化和西部地区苦咸水淡化的需求,通过纲要和规划的实施,能使关键材料与设备基本实现国产化,工程规模大型化,形成几个产业化基地,建成几个示范城市和示范区,设立工程研究中心和研究试验平台.使海水淡化成为我国沿海地区供水安全保障体系的重要组成部分,使我国的海水淡化技