海水淡化反渗透膜最新进展及其应用_田华

套设备性能提高以及工艺优化， 反渗透海水淡化本体最低吨水能 耗已降到3Kwh/m3以下，制水吨 水成本降到0.5-0.7美元/m3[1]。
能耗及制水吨水成本的 降低促进了反渗透海水淡化的 快速发展。据统计，2005年全 球反渗透海水淡化总产能为 5,000,000m3/d，而2009年则达 到了15,000,000m3/d。在亚洲
反渗透海水淡化技术至上世 纪70年代商业化以来，其高效、 低能耗、清洁、少污染、操作管 理方便等特点使其成为当今先进 的脱盐技术。经过50多年的研究 开发及产业化，反渗透海水淡化 膜及膜组件性能得到大幅度的提 高，其脱盐率已高达99.8%，而 产水量提高了2-3倍多。随着能 量回收系统转化效率的提高、配
一。硼在自然界中以硼酸的形式 存在，经实验室动物口服试验证 明硼酸主要表现在雄性生殖系统 的痕迹上。然而，在反渗透海水 淡化领域中，硼的去除较难，这 是因为海水中含有相当高的硼浓 度(4~7mg/L)。虽然通常的海水 淡化膜元件拥有高于90%的脱硼 率，但仍然不够，因此，在脱硼 要求的传统海水淡化中，为了使 产水中硼浓度满足要求，必须通 过SWRO+BWRO工艺处理，如 图2显示。
硼率及通量的膜元件以满足制水 成本和产水水质。
硼酸是反渗透工艺中最难 去除的物质。首先，硼酸的分 子太小（直径约0.4nm）以至 于很难通过膜孔大小去除。其 次，硼酸的pKa为9.14～9.25，在 pH7.0～8.0的自然海水中为非电 离状态，在pH等于9或者更高时 处于游离状态，因此在自然条件 下，通过反渗透脱硼很难达到预 期效果。对于海水淡化反渗透膜 来说，硼脱除率的提高难于氯化 钠的脱除率。
SWRO系统操作参数
产水TDS/B
能耗
吨水能耗
mg/L
KWh
Kwh/m3
202.3/ 0.73
202.99
2.03
218.0/ 1.04
183.49
1.83
271.7/ 1.25
183.19
1.83
229.7/ 1.01
193.24
1.93
325.2/ 1.45
182.80
1.83
电费 元/元件.年
图2 传统脱硼SWRO+BWRO工艺流程
本相似，如果产水对硼有1mg/L 以下的限制要求，采用高脱硼一 级海水淡化系统即可以生产出高 品质的产水，从而降低系统投资 成本。
二、反渗透海水淡化膜最新 进展及其应用
1、高通量低能耗 能耗占据了制水成本的30% 以上，故其是削减制水成本的主 要目标。最近几年，众多的反渗 透膜厂家和工程设计者把开发及 应用节能型膜元件作为重要的课 题。这就需要高效（高渗透性、 高脱盐）膜元件的成功开发，并 且其兼容性结构设计利于低压操 作。 标准海水淡化膜元件在1990 年时产水量仅有4000~4500gpd左 右，经历近20年的发展，400ft2 膜面积的膜元件产水量已经高 达9000gpd，增大了一倍多。高 通量膜元件不仅具有很高的脱 盐率，而且具有非常优异的渗透 性，其节能优势尤为明显。 产水量为100m3/h的SWRO 系统中，日本东丽公司标准海水 淡化膜元件TM820C-400的吨水 能耗为2.03Kwh/m3，而高通量 节能型TM820V-400膜元件的吨 水能耗仅为1.83Kwh/m3，以开 工率90%计算，电费按0.65元/度 计算表明，采用高通量节能型膜 元件每一支每年节省的电费高达 近550元，见表3。项目越大，其 能耗节省成本总额尤为突出， 比如，针对10000m3/d的SWRO 系统，采用TM820V-400比采用 TM820C-400每年节省电费高达 40万元，每一支膜元件每年节省 电费近530元。
目－阿尔及利亚Magtaa海水淡化 厂 (50万吨/天)就采用了这种高脱 硼、高产水量、高膜面积的膜元 件TM820R-440。
在如图2所示的工艺流程中 虽然在高pH值下脱硼率较高，但 是以下几个问题不容忽视：碱化 学品的消耗、高pH值下膜寿命缩 短、难溶盐结垢潜在风险等。在 某些海域，如果海水中硼浓度不 是很高，采用高脱硼率的膜元件 通过一级SWRO即可以保证产水 中的硼浓度达到限制要求，从而 大幅度降低投资成本。
由表2可见，高脱硼膜元件 的应用可以最大幅度降低产水中 硼的浓度，原水含硼5mg/L时， 采用95%的脱硼率的膜元件即可 以保证产水中硼浓度小于1mg/ L，否则必须采用双级RO或其它 后处理工艺。因此，对产水水质 的要求也是影响反渗透系统成本 的重要因素。中国沿海水质与日
表1 SWRO成本比例[3]
项目 SWRO系统投资及折旧
系统能耗 取水、浓水排放、预处理
其它 合计
成本百分比（*1） 40% 30% 15% 15% 100%
（*1）说明：成本百分比受工程规模影响
地区，2000年总产能为412,000 m3/d，2009年则达到了2,100,000 m3/d，其中中国的总产能比例 由2000年的3%提高到了目前的 23%，也就是说我国反渗透海水 淡化产能已经超过480,000m3/d （包括在建），相比2000年的 12,400m3/d的产能来说提高了38 倍多[2]。
东丽公司科学家使用正电 子束法的正电子湮灭时间的光 谱分析（PALS）分析了反渗透
膜表面构造，研究了硼脱除率 和膜结构之间的关系。 PALS分 析论证了反渗透膜孔径范围在 0.56nm～0.70nm之间。另外， 也论证了孔径大小和脱硼率之间 的关系，随着膜孔径的增加，脱 硼率降低。在图3中，孔径依次 变小的反渗透膜S1、S2、B1、 B2，其硼去除率依次增大。可见 孔径越小，硼去除率越高。图4 通过分子动力学模拟评测了硼酸 分子直径约4nm，而大部分反渗 透膜孔径在0.5-0.7nm范围内，其 结果与PALS分析一致。
随着日趋紧张的能源危机， 高通量低能耗的海水淡化膜元件 将不断得到应用，其将是以后发 展的重要方向。东丽公司开发的 TM820V系列产品不仅具有高达 99.8%的脱盐率，其高通量性能 也具有明显的节能效果。
2、高脱盐高脱硼 从能耗来看，虽然操作压 力比较低的大通量反渗透膜最适 合，但必须权衡提高水通量和降 低盐分及硼去除率的关系。在 最近的大型海水淡化反渗透系统 设计中，每个项目都针对性地提 出了诸如TDS、氯离子、硼等脱 除率的要求。因此，针对原水特 点，应选择最优化的脱盐率、脱
在以上研究成果基础上，东 丽公司开发了更高脱硼率的新型 反渗透膜元件。一方面采用精密
水工业市场 2011年第1期 71
COMMUNION 经验交流
图3 膜孔径与脱硼率关系
图4 分子动力学模拟进行孔径解析
分子设计和纳米技术提高了分离 层的致密度，把反渗透膜孔径控 制在最优的范围，从而提高了硼 去除率及脱盐率，同时进行分子 结构改性提高了膜表面微孔数量 及进行亲水性改性，确保了膜元 件具有经济合理的通量。
3、高膜面积及大直径膜元
件 为了降低反渗透膜系统的能
耗，除了上述膜材料改性外，即 在提高脱盐率的同时，还提高了 通量；还可以通过增加膜元件有 效膜面积，以及采用较厚的给水 隔网达到节能的效果。如在原有 400ft2和430ft2膜面积的基础上， 东丽公司新开发了440ft2的膜元 件。如表5所示，这种膜元件采 用高脱盐率的反渗透膜片，加上 特殊的超薄纯水隔网，形成拥 有膜工业界最高的有效膜面积且 具有高产水量的新型膜元件。这 些膜元件在保持高脱盐率的前提 下，实现了高产水量与低能耗的 有机结合，降低操作费用，减少 膜元件数量，节省初期投资。目 前全世界最大规模的海水淡化项
随着社会经济的快速发展， 水资源的日趋短缺和污染，在近 岛和沿海地区，优先采用反渗透 脱盐技术开辟新水源已在全球达 成共识。最近二十年，虽然能耗 和成本已经降低，但其较高的制 水成本仍然是制约该技术大规模 地普及应用在市政行业、钢铁行 业等工业领域的因素，因此，面 对日趋紧张的能源及环境危机， 进一步开发及应用低能耗、高通 量、高脱盐及高脱硼反渗透膜元 件已成为目前海水淡化领域最重 要的研究课题和发展方向。
膜元件技术参数
脱盐率 %
产水量 GPD (m3/d)
99.75
6500(24.6)
99.80
9000(34.1)
99.75
9000(34.1)
99.75
9000(34.1)
99.70
9000(34.1)
脱硼率 % 93 92 91 90 91
操作压力 MPa 5.83 5.27 5.26 5.55 5.25
海水淡化反渗透膜最新进展 及其应用
文 / 田华 尹华 朱列平（蓝星东丽膜科技[北京]有限公司）
摘要：膜法海水淡化已作为重要的主流技术应用在脱盐领域，其突出优点是成本低。本 文介绍了影响反渗透海水淡化成本的两个重要因素、反渗透海水淡化膜的最新进展，并展望 了未来海水淡化反渗透膜的发展趋势。 关键词：反渗透膜 海水淡化 低能耗 高通量 高脱盐 高脱硼
图1表明了SWRO系统运行 成本中最大的影响因素为系统电 耗，其次为设备固定投资及折 旧。
综合表1和图1，系统能耗确 实是海水淡化工厂制水成本中最 主要的构成要素。众所周知，海 水由于含盐量高，其渗透压高， 所需要的操作压力高，故高压泵 电耗大。因此，降低系统能耗是 削减制水成本的重要途径。
2、产水水质 产水水质不仅影响其用途， 而且与投资及运行成本息息相 关。比如，在电厂锅炉补给水 中，如果SWRO产水水质较好， 可以大大降低后处理（如二级 RO、离子交换、EDI等）的运行 负荷。 又如，在市政饮用水行业， 硼的脱除应该是海水淡化工艺 中需要克服的最重要的课题之
5715.69 5166.67 5156.86 5441.18 5147.06
说明：
1) 膜元件技术参数测试条件：32000ppm NaCl，25℃，800psi，pH8.0，5mg/L硼，8%回收率； 2) 系统产水量100m3/h，26支7芯装压力容器，通量14.79lmh，45%回收率，7％年透盐率，FI3年=0.85；以上数据采用东丽RO设计软 件TorayDS计算获得； 3) 进水概况：TDS：32000mg/L；硼：5mg/L；pH8.0；进水温度：20℃； 4) 系统能耗=( Fp×Ff) / (K×Ep.Em)，（kwh） Pf：操作压力（bar)； Ff：进水流量（m3/h) K ：单位换算因子 (这里K=35.9) Ep ：泵效率 Em ：马达效率（假设Ep.Em=80%） 5) 系统能耗按90%开工率计算，考虑能量回收系统，当SWRO回收率为45%时，高压泵处理总给水流量为45%进行能耗计算，以上 仅计算高压泵能耗。电费假设0.65元/Kwh。
图1 SWRO运行成本分析[4]
一、影响反渗透海水淡化制 水成本的两个重要因素
1、能耗
水工业市场 2011年第1期 69
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海水淡化反渗透系统制水成 本主要由预处理、RO系统投资 及折旧、系统能耗、取水及浓水 排放、能量回收系统组成，表1 说明了SWRO（膜法海水淡化系 统）各种成本的大致比例，其中 系统能耗就占据了30%的比例， 而RO系统的主要驱动力来源于 高压泵，其能耗比例就达到了 60%以上。
2009年，TM820M及TM820R系 列的海水淡化膜应运而生，其突 出特点就是拥有95%的脱硼率和 99.8%的氯化钠脱除率，且具有 较高的通量。正因为这些突出的 特点，TM820R系列产品成功地 应用在了全球大型的对除硼有一 定要求的海水淡化项目中。
新型高脱硼高脱盐海水淡化 膜元件及系统操作性能预测见表 4。
3.2
2.4
1.1
0.4
计算条件：7支膜元件/芯、14.5lmh、40%回收率、10%年盐透率、3年FI=0.85，采用东丽RO设计软件TorayDS模拟。
表3 100m3/h海水淡化系统采用不同膜元件高压泵能耗对比
型 号
TM820C-400 TM820V-400 TM820S-400 TM820E-400 TM820F-400
70 水工业市场 2011年第1期
表2 单级SWRO脱硼计算
SWRO产水中硼浓度
区域（温度、TDS、硼浓度）
膜元件脱硼率
90%
95%
97%
9ຫໍສະໝຸດ Baidu%
日本（25℃、3.5%、5mg/L）
1.5
0.8
0.4
0.2
东南亚（32℃、3.5%TDS、5mg/L硼）
1.7
1.0
0.5
0.2
中东（38℃、3.5%TDS、7mg/L硼）