膜分离在海水淡化中的应用

膜分离在海水淡化中的应用

摘要：20世纪以来，我国的淡水水资源危机日益凸显，为了提高水资源的利用率，海水淡化成为广大学者研究的重要课题。与此同时，在海水淡化中发挥着十分重要的作用的膜分离技术应运而生，具有低能耗的明显优势，并得到国际广泛认可和重视。本文就从我国海水淡化的现状出发，重点分析膜分离技术在海水淡化中的具体应用，进而展望其发展前景，为海水淡化事业提供指导借鉴

【关键词】膜分离技术；海水淡化；开发前景

1、海水淡化现状概述

1.1关键设备得以改善

海水淡化中，膜脱盐用的关键设备是必不可少的一部分，其中能量回收装置与高压泵等关键设备发挥着功不可没的作用。如今，这些海水淡化所用的关键设备得以不断改善，如能量回收装置更新换代的速度不断提高，海水淡化的效率不断提升，日益成为低能耗的关键设备，并且被广泛应用在大型海水淡化工程中。

1.2工艺过程日益成熟

随着海水淡化技术的不断进步，相关工艺过程已经比较成熟，成本能耗不断下降。其中反渗透膜分离技术经历了一级海水淡化工艺、高压一级海水淡化工艺、高效两段法、NF淡化工艺、集成过程以及其他工艺过程，这些过程在丰富的经验之下变得十分成熟，使得我

国海水淡化工程数量不断增加，技术经济指标已经达到世界先进水平。目前，我国海水淡化技术基本成熟，已建成具有自主知识产权的千吨级和万吨级示范工程，是完全独立掌握海水淡化技术的少数几个国家之一。

1.3膜分离技术的持续进步

海水淡化事业的不断发展，离不开日益进步成熟的膜分离技术，其中膜性能和组器技术进步十分大。自从20世纪80年代以来，膜性能价格不断降低，技术不断改进，从而使得反渗透海水淡化的成本日益下降，其强大的竞争力得到国际市场的青睐和认可

2、膜分离技术在海水淡化中的具体应用

2.1正渗透膜分离技术的应用

正渗透膜分离技术（Forward Osmosis，FO）实行的过程中，通过水渗透压的作用下，从低向高渗透压侧中扩散，也就是纯水一侧渗透到浓盐水一侧。其工作基本原理是，往纯水中加入某种溶质，从而制备成一种驱动液，从而利用其形成的高于盐水的渗透压，促使盐水中的水经过膜进入到驱动液之中，接着将水与驱动液分离，最终得到可以食用的净水。FO技术应用于海水淡化中，不需要借助外界的压力，只是单纯依靠水的渗透压，因此，具有低能耗、无二次污染的优势，可以作为反渗透膜分离技术的补充，共同为解决人类水资源危机做出一定的贡献。

2.1.1早期研究FO

用于海水淡化是其研究最为广泛的领域之一。早期的应用研究主要见于一些专利中，但这些技术大多不太成熟，因而可行性不高。Batchelder[4]将挥发性物质（SO2）溶于海水或淡水中制成“提取液”，利用FO 工艺从海水提取淡水。当提取液被产水稀释到一定程度时，停止FO 过程，提取液内的挥发性溶质可以通过加热或气提的方式从液相去除。该专利没有对膜产水通量和脱盐率进行定量。1965 年，Glew[5]首次提出了将提取液中的溶质进行分离和循环。1972 年，Frank[6]利用可沉盐（硫酸铝）作为洁净的产水，过量的钙可通过投加硫酸或CO2产生硫酸钙或碳酸钙沉淀来去除。1975 年，Kravath[7]发明了一种利用醋酸纤维素膜进行海水淡化的正向渗透工艺。最初的试验采用葡萄糖溶液作为提取液，进一步的试验采用葡萄糖的海水溶液作为提取液。该工艺可在海上救生船应用，水分从海水中渗透到葡萄糖提取液中，经稀释的葡萄糖提取液可作为短期的养分摄取之用。1989 年，Stache [8] 对Kravath 的方案进行了扩展，将浓缩的果糖溶液盛于一个膜袋中作为提取液，果糖的溶解度大，具有很高的“渗透势”，能产生很高的渗透压。将膜袋进入海水中，水不断扩散进入膜袋，直至果糖溶液被稀释至一定的程度。此法可进行小体积的海水脱盐，同时生产出富含养分的饮品。与Kravath 的发明一样，该工艺不对提取液进行处理，因为果糖液是用于直接摄入之用。

1992 年，Yaeli[9]使用蔗糖溶液做提取液，采用FO 膜和低压RO 膜组合，发明了一套连续流的海水淡化工艺。海水经FO 处理后，水分进入蔗糖提取液；稀释后的蔗糖液进入RO 系统，采用疏松的低压反渗透膜分离并浓缩蔗糖液，并回流至FO 单元，使渗透过程持续进行。由于蔗糖溶液的渗透势较低，所以该工艺的产水率较低。

2.1.2 FO 海水淡化近期研究

FO 工艺的关键在于提取液的选择。同时，FO 工艺并不能单独地完成海水淡化过程，一般需要将其与另一项工艺进行耦合，用来分离浓缩提取液并得到产水。因而，研究者对提取液的选取及相应的浓缩工艺开展了广泛的研究。Mc Ginnis[10]发明了一套提取液循环利用的两阶段FO 工艺，并使用高渗透势的提取液以提高产水率。海水经加热后进入第1 级FO 膜系统，第1 级使用的KNO3提取液同样被加热至一定温度，KNO3溶液被渗透的水分稀释后进入一个冷凝槽内，与进水进行热交换，使KNO3溶溶液降温并析出大量的KNO3，同时进水被预热。冷凝过程中，KNO3溶液中析出大量盐分，降低了渗透压，溶液进入下一级FO系统；第2 级系统使用SO2饱和溶液作为提取液，将KNO3溶液中的水分提取出来，同时使KNO3溶液得到浓缩；产水中的SO2可用常规的方法去除，从而得到纯净的水。两级FO 系统中的提取液组分KNO3和SO2均进行循环利用。由于饱和SO2溶液的渗透压低于饱和KNO3溶

液，因而若单独采用饱和SO2溶液做提取液，系统产水率将低于此两阶段FO 工艺。

2.2 反渗透膜分离技术

反渗透膜分离技术（Reverse Osmosis，RO）是当今应用较广泛的商业化海水淡化技术，实行过程中，通过外界压力的作用，水会克服渗透压，经过半透膜从高向低渗透压侧溶液中进行扩散。因此，反渗透膜分离技术是通过排斥盐离子发挥作用的，在海水增压的环境下，通过反渗透膜排除海水中的盐分，从而得到净水。这种膜是由半渗透聚合材料制作的，分为中空纤维膜与平板膜这两种。在海水淡化中，RO技术已经实现商业化，应用也十分广泛。然而，RO技术发挥作用的过程中，需要实行高压操作，存在高能耗、高运行成本、较严格的预处理、存在二次污染等缺点，因此需要FO技术作为辅助，两种技术相结合，共同为解决水资源难题做出应有的贡献和力量。反渗透海水淡化装置中,通过反渗透(R.0.)元件的给水约有20%转换成淡水,此淡水一般含盐度0.0003,符合饮用水标准(盐度＜0.0005).增加一级反渗透膜组件可进一步降低盐度,但给水压

力也增高.这种装置产水的质量与给水的温度、压力、含盐有关.产水的含盐浓度随给水温度、含盐量的增加而增加,这是因为穿过膜的盐,其扩散性随温度增高而扩大的缘故;并随给水压力的增加而减少,反之亦然.

2.2.1反渗透法海水淡化的优点