海水淡化以反渗透法为主 反渗透膜经历三代技术革新

张红阳

生物医药、新材料、现代农业

  • 2019-01-29
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水资源问题在工业聚集的沿海地区尤为严峻,一方面工业生产需要大量的淡水资源,企业对淡水资源不断超采,使得水资源大量流失;另一方面人们对生态环境及淡水资源保护力度趋紧,多项政策限制工业淡水的使用,这也加剧了工业生产与水资源保护矛盾的不断加深。地球水资源储量中海水占到97%左右,尤其是在沿海地区,海水资源丰富,合理利用这一部分水资源,进行海水的淡化处理将有效缓解当前的矛盾。

  摘要:近年来随着水资源污染的日益严重,及淡水资源的不断短缺,拓展新的水资源供给模式成为当前社会发展的主要问题之一。随着技术不断进步,海水淡化逐渐成为解决这一问题的有效途径。本文将重点分析海水淡化技术中反渗透法的市场占比、技术发展趋势和膜的使用参数。

  水资源问题在工业聚集的沿海地区尤为严峻,一方面工业生产需要大量的淡水资源,企业对淡水资源不断超采,使得水资源大量流失;另一方面人们对生态环境及淡水资源保护力度趋紧,多项政策限制工业淡水的使用,这也加剧了工业生产与水资源保护矛盾的不断加深。地球水资源储量中海水占到97%左右,尤其是在沿海地区,海水资源丰富,合理利用这一部分水资源,进行海水的淡化处理将有效缓解当前的矛盾。

  反渗透法为主要海水淡化主流技术之一 应用占比达到65%

  人们对于海水淡化的探索较早,早在16世纪,欧洲的航海者们就从海水中提取淡水,现代意义上的海水淡化技术则是在第二次世界大战以后才逐渐兴起,且随着淡水资源的问题的不断凸显,海水淡化技术也取得了突飞猛进的发展。目前,全球已经商业化或小规模使用的海水淡化技术有20多种,包括反渗透法、多级闪蒸法、电渗析法、真空冷冻法、热膜联产法及吸附法等,此外针对海水的预处理和后处理还有微滤、超滤、纳滤法等。这些海水淡化方法可以归为两类,蒸馏法和膜法,其中以多级闪蒸和反渗透膜法应用最多,在全球海水淡化技术中应用占有率分别在65%和21%,这两种技术也被认为是未来海水淡化技术发展的主要方向。

 

图1 全球海水淡化技术应用占比

(资料来源:前瞻产业研究院)

  反渗透(RO)技术,主要利用半透膜两侧溶剂和溶质的透过率不同,以两侧液体的压力差作为推动力,使溶剂选择透过膜而实现溶剂溶质分离。以海水淡化为例,将海水与淡水分开,中间以反渗透膜隔离,淡水会通过渗透膜进入到海水中,这一过程称为渗透,然后再对海水一侧施加压力,海水中的淡水将会反渗透到淡水中,从而实现海水中淡水的分离,反渗透法淡化海水的的最大优点是节能,它的能耗仅为电渗析法的1/2,蒸馏法的1/40。因此考虑到综合成本,反渗透法逐渐成为淡化海水的主流方式,经过多年的研发,目前反渗透海水淡化(SWRO)技术已经十分成熟,反渗透膜的脱盐率达到99.8%,脱硼率达到95%,且膜的抗污染和抗氧化能力不断提高,生产成本逐渐降低。除了应用在海水淡化之外,反渗透技术在苦咸水淡化、垃圾渗滤、超纯水制备及废水浓缩等方面都有着重要作用。

  反渗透膜经历三代技术革新 卷式反渗透膜效率最高

  反渗透膜是反渗透海水淡化(SWRO)中的关键组件,海水淡化的转化效率与反渗透膜的性能有着密切的关系。反渗透膜的发展经历三个阶段,其主要产品为均质对称膜、不对称膜和复合膜。其中均质对称膜为初代产品,主要由6μm厚的均质醋酸纤维素制得,其水通过量较少,且脱盐率较低,目前均质醋酸纤维素膜已经被全面淘汰,但是它的诞生也开启了人们对于反渗透膜的探究。第二代反渗透膜为不对称醋酸纤维素膜,其主要结构与第一代膜不同,主要由致密皮层与疏松支撑层构成,这种结构仅使得膜表皮呈致密性,厚度仅为0.2μm,大大提高了水的通过量,与第一代反渗透膜相比,传质速度提高了3个数量级,目前第二代反渗透膜仍在小范围内有所使用,但是使用量逐年降低。第三代反渗透膜主要采用复合膜,其优化方向主要是膜的脱盐层和支撑层分别由优选的材料来制备,其脱盐层主要由芳香族聚酰胺制备,厚度仅为0.1~0.2μm,支撑层则主要由聚砜制备,这种结构使得反渗透膜的水通量大大提高,是均质对称膜的10倍。随着技术的不断进步,目前使用的“高脱盐型”复合膜,在5.52 MPa 操作压力下,对35000 mg/L NaCl溶液淡化处理,脱盐率达99.8%,水通量在40 L/m2·h 以上,淡化率十分优越。目前第三代反渗透复合膜已经应用在诸多领域,且市场规模不断扩大。

  目前,已商业化应用的反渗透膜组件主要有四种类型包括:中空纤维式、卷式、框式及管式,其中前两类性能最佳且应用最广。中空纤维式反渗透膜可以在高温高压下正常工作,具有较高的膜面积堆砌密度,可以有效提高淡化效率,同时中空纤维式具有很强的密闭性,可以有效避免微生物的侵蚀,因此在西亚海湾地区及中东地区市场占有率较高。卷式反渗透膜,是目前世界上使用最广泛的反渗透膜应用形式,膜组件装填密度大,使用操作简便,行业标准较统一,成本相对较低。卷式反渗透膜中,界面聚合聚酰胺反渗透膜是目前的主流,卷式海水淡化膜脱盐率最高可达99.8%,脱硼率可达95%,耐压最高可达10MPa,功耗最低小于3kWh/m³,水通量最高可达38m³/d。

  未来反渗透膜的研发方向除了提高现有膜的性能外,还需要开发新型制膜原材料或提高膜材料改性的方法;针对卷式反渗透膜,要研发出提高膜面积的组件,提高产水量,降低单位产水能耗;同时也要加强海水预处理技术的研发,两部分统一协作,提高淡化效率。

  结语

  近年来随着水资源问题的日益严峻,工业用水和水资源短缺矛盾不断加深,针对这一问题,急需寻求新的水资源供给模式。全球海水资源丰富,且工业区多集中在沿海地区,海水淡化处理就成为解决水资源问题的新途径。目前已经规模使用的海水淡化技术有20余种,其中多级闪蒸法和反渗透膜法为应用最广,反渗透膜法也是未来海水淡化技术的主流之一。反渗透技术中反渗透膜为关键部件,其决定了反渗透效果的优劣性,反渗透膜已经历了三代技术革新,目前第三代复合膜应用最多,反渗透膜组件主要有四种类型,卷式反渗透膜为当前的主流应用,其脱盐率最高可达99.8%,脱硼率可达95%,性能较为优异。未来随着淡水资源需求的不断提高及海水淡化技术的不断进步,反渗透技术及反渗透膜将拥有更加广阔的市场。

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