海水淡化反渗透膜最新进展及其应用

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。
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
COMMUNION 经验交流
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。
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。
Байду номын сангаас
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
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。
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
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。
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
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。
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]。
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
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
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
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
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
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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。
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
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
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。
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%
99%
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）
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