反渗透技术在海水淡化中应用资料

作者：Mouseby

浅析反渗透在海水淡化中的应用

摘要：海水淡化自古以来就是人们梦寐以求的，现在已经变为现实，尤其是近几年来，反渗透技术由于其投资少、能耗低、成本便宜、建设周期短等优点。已多次在国际海水淡化会化招标中胜出。本文主要介绍反渗透技术的发展，介绍了膜、组器、设备以及应用工艺的创新性开拓，其中包括不对称膜、复合膜。

关键词：海水淡化，渗透，反渗透，膜分离

引言

海水的组成很复杂，已知海水中含有80 多种化学元素，主要以离子形式存在。在海水浓缩、结晶过程中，则以盐的形式析出。其中Cl -，Na +，Mg 2+等11 种含量超过1 ×10 - 6的元素是海水的主要成份，占海水总含盐量的99.58% 。此外，海水中还存在某些同位素，重要的有氢的同位素氘等。海水中也溶解有多种气体，含量最多的为二氧化碳、氮和氧。空气中的稀有气体氩、氦和氖，在海水中也有微量存在。溶解在海水中的二氧化碳，与淡水中的情况不同，淡水中的二氧化碳主要是以游离状态存在，可用煮沸或减压等方法驱除。海水中的二氧化碳除少量是游离状态外，主要是以碳酸根及碳酸氢根形式存在，需加入强酸方可逐出，用一般的方法难以驱逐。海水中还含有各种数量不等的无机和有机悬浮物，因此要从海水中提取淡水并不是一件很容易的事。

世界上淡水资源不足，已成为人们日益关切的问题。作为水资源的开源增量技术，海水淡化已经成为解决全球水资源危机的重要途径。反渗透法于20世纪70年代起用于海水净化，经过几十年的发展，随着反渗透膜性能提高、预处理技术进步、能量回收率的提高等，已成为投资最省、成本最低、应用范围广泛的海水淡化技术，也是目前最清洁的方法。

一、反渗透简介

反渗透又称逆渗透，一种以压力差为推动力，从溶液中分离出溶剂的膜分离操作。对膜一侧的料液施加压力，当压力超过它的渗透压时，溶剂会逆着自然渗透的方向作反向渗透。从而在膜的低压侧得到透过的溶剂，即渗透液；高压侧得到浓缩的溶液，即浓缩液。若用反渗透处理海水，在膜的低压侧得到淡水，在高压侧得到卤水。

反渗透时，溶剂的渗透速率即液流能量N为：

N＝Kh(Δp－Δπ)

式中Kh为水力渗透系数，它随温度升高稍有增大；Δp为膜两侧的静压差；Δπ为膜两侧溶液的渗透压差。稀溶液的渗透压π为：

π＝iCRT

式中i为溶质分子电离生成的离子数；C为溶质的摩尔浓度；R为摩尔气体常数；T为绝对温度。

反渗透通常使用非对称膜和复合膜。反渗透所用的设备，主要是中空纤维式或卷式的膜分离设备。

反渗透膜能截留水中的各种无机离子、胶体物质和大分子溶质，从而取得净制的水。也可用于大分子有机物溶液的预浓缩。由于反渗透过程简单，能耗低，近20年来得到迅速发展。现已大规模应用于海水和苦咸水（见卤水）淡化、锅炉用水软化和废水处理，并与离子交换结合制取高纯水，目前其应用范围正在扩大，已开始用于乳品、果汁的浓缩以及生化和生物制剂的分离和浓缩方面。

（一）反渗透的基本原理

渗透现象早在1748 年就由一位名叫阿倍•诺伦特的科学家发现：如果两种不同含盐量的液体用半透膜把它们隔开，那么低盐度腔处的水分子会穿过半透膜向高盐度腔运动，这个过程被称为“渗透”。

如图1 所示，如果用一个只有水分子才能透过的薄膜（即半透膜）将一个容器隔成两部分，在半透膜两边分别注入纯水和盐水到同一高度（见图la ）。过一段时间就可以发现纯水液面降低了，而盐水的液面升高了（见图1b , ) ，这种现象就叫做渗透现象。但是盐水液面的升高并不是无止境的，而是到了一定高度后，产生的压力抑制了淡水进一步向盐水的渗透，从而渗透的自然趋势被此压力所抵消而达到渗透平衡状态，这时半透膜两端液面差所代表的平衡压力被称为“渗透压”（见图lb ）。渗透压的大小与盐水的浓度直接相关。如果在盐水腔一侧施加一个大于“渗透压”的压力，那么盐水中的水分子会透过半透膜向淡水腔一侧移动（见图1c , ）。这种现象与“渗透”现象正好相反，故称之为“反渗透”。从理论上讲，只要外加压力高于渗透压即可产生反渗透，但是在实际应用中工作压力通常要比渗透压大得多。

综上所述，产生反渗透现象必须具备二个基本条件，第一，必须有一种

高选择性和高渗透性（透水性）的半透膜。第二，必须有外界推动力，即以压力作为推动力，此操作压力必须远高于溶液的渗透压。

图1 渗透、渗透压、反渗透示意图

（二）反渗透膜分离原理

当溶液与纯溶剂被半透膜隔开，半透膜两侧压力相等时，纯溶剂通过半透膜进入溶液侧使溶液浓度变低的现象称为渗透。此时，单位时间内从纯溶剂侧通过半透膜进入溶液侧的溶剂分子数目多于从溶液侧通过半透膜进入溶剂侧的溶剂分子数目，使得溶液浓度降低。当单位时间内，从两个方向通过半透膜的溶剂分子数目相等时，渗透达到平衡。如果在溶液侧加上一定的外压，恰好能阻止纯溶剂侧的溶剂分子通过半透膜进入溶液侧，此外压称为渗透压。渗透压取决于溶液的系统及其浓度，且与温度有关，如果加在溶液侧的压力超过了渗透压，则使溶液中的溶剂分子进入纯溶剂内，此过程称为反渗透。

反渗透膜分离过程是利用反渗透膜选择性地透过溶剂（通常是水）而截留离子物质的性质，以膜两侧的静压差为推动力，克服溶剂的渗透压，使溶剂通过反渗透膜而实现对液体混合物进行分离的膜过程。因此，反渗透膜分离过程必须具备两个条件：一是具有高选择性和高渗透性的半透膜；二是操作压力必须高于溶液的渗透压。

（三）反渗透膜分离过程特点

反渗透膜分离过程在常温下进行、无相变、能耗低，可用于热敏感性物

质的分离、浓缩；可有效地去除无机盐和有机小分子杂质；具有较高的脱盐率和较高的水回用率；膜分离装置简单，操作简便，便于实现自动化；分离过程要在高压下进行，因此需配备高压泵和耐高压管路；反渗透膜分离装置对进水指标有较高的要求，需对源水进行一定的预处理；分离过程中，易产生膜污染，为延长膜使用寿命和提高分离效果，要定期对膜进行清洗。

（四）反渗透过程传质机理

20世纪50年代末以来，许多学者先后提出了各种不同的反渗透膜分离过程的传质机理和传质模型，现将几种机理简介如下。

1、溶解扩散理论

溶解扩散理论是朗斯代尔（Lonsdale）和赖利（Riley）等人提出的应用比较广泛的理论。该理论将反渗透膜的活性表面皮层看成是无缺陷的致密无孔膜，溶剂与溶质都能溶解于均质的非多孔膜表面皮层内，溶解量的大小服从亨利定律，在浓度或压力造成的化学位差推动下，从膜的一侧向另一侧扩散，再在膜的另一侧解吸。溶质和溶剂在膜中的溶解扩散过程服从菲克（Fick）定律。该机理认为溶质和溶剂都能溶于均质或非多孔型膜表面，以化学位差为推动力，通过分子扩散而实现渗透过程。因此，物质的渗透能力不仅取决于扩散系数，而且取决于其在膜中的溶解度。溶质和溶剂溶解度的差异及在膜相中扩散性的差异强烈地影响其透过膜的能力的差异。溶质的扩散系数与水分子的扩散系数相差越大，在压力作用下，水与溶质在膜中的移动速度相差就越大，因而两者透过膜的分子数相差越多，渗透分离效果越明显。

溶解扩散理论的具体渗透过程为：

（1）．溶质和溶剂在膜的料液侧表面吸附溶解。

（2）．溶质和溶剂之间没有相互作用，他们在化学位差的作用下以分子扩散的形式渗透过反渗透膜的活性层。

（3）．溶质和溶剂在膜的另一侧表面解吸。

在以上渗透过程中，一般假设溶解和解吸过程进行得较快，而渗透过程相对较慢，渗透速率取决于溶质和溶剂在膜内的扩散过程。该理论最适用于