海水淡化反滲透膜技術(shù)的最新進展及其應用

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1、海水淡化反滲透膜技術(shù)的最新進展及其應用朱列平1，沈彬蔚1，趙杰1，邊見昌弘2，楊瑜芳3（1.藍星東麗膜科技(北京)有限公司；2.東麗株式會社地球環(huán)境研究所；3.東麗先端材料研究開發(fā)（中國）有限公司水處理研究所）摘要：反滲透膜（RO）技術(shù)是解決世界水危機問題的最有力的工具之一。反滲透膜法海水淡化過程中節(jié)能和高脫鹽是需要滿足的二個主題，然而產(chǎn)水特性與去除溶質(zhì)之間存在背離平衡，同時滿足會較為困難。東麗采用正電子湮滅時間光譜法（PALS）進行膜孔孔徑分析，由此得出膜孔大小和RO膜對硼的去除特性顯示出相關(guān)性。采用透視電子顯微鏡（TEM）進行

2、RO膜表面構(gòu)造和形態(tài)學分析，獲得影響膜的透水性的參數(shù)。在上述研究成果的基礎(chǔ)上，把分子設(shè)計技術(shù)應用于海水淡化的高性能RO膜的開發(fā)上，在RO膜溶質(zhì)去除性和透水性相關(guān)方面都取得了很大的進展。同時使用這些研發(fā)成果開發(fā)了創(chuàng)新性海水反滲透膜，已經(jīng)在全球最大的海水淡化項目（阿爾及利亞Magtaa，500,000m3/d）和中國最大海水淡化項目（青島，100,000m3/d）中得到應用。關(guān)鍵詞：反滲透膜，海水淡化，低能耗，高通量，高脫鹽，高脫硼1、節(jié)約能源和改善水質(zhì)的需求中國是一個貧水國家，沿海地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展給水資源帶來很大的負荷。開源節(jié)流，向取

3、之不盡的海洋獲取淡水已不是一個夢想。我國的海水淡化技術(shù)研究始于上世紀70年代，經(jīng)過40多年的發(fā)展，海水淡化技術(shù)已有相當?shù)幕A(chǔ)，海水淡化已逐步成為解決沿海地區(qū)工業(yè)用水和島嶼缺水問題的重要手段。但還存在著發(fā)展慢、規(guī)模小、工業(yè)基礎(chǔ)薄弱、成本相對高的問題（楊，2012；朱，2011）。人口激增和人類工業(yè)活動引起了水資源的大量消耗。由于膜技術(shù)在低能耗條件下能夠提供高品質(zhì)水，因此被認為是解決這些問題的最有力工具之一。由于海水的可用性，已成為最重要的水資源之一，世界各地有許多大型反滲透海水淡化廠。然而，高運行壓力帶來的高能耗一直是造成海水淡化成

4、本居高不下的原因，也是困擾反滲透膜法普及應用的瓶頸。節(jié)約能量和改善水質(zhì)是反滲透法海水淡化的兩大主題。這40年來，反滲透法海水淡化廠的平均能耗已被減至五分之一（MacHarg,2007），主要原因是由于膜、泵、能量回收裝置的卓越技術(shù)革新。然而，節(jié)能是全世界永無落伍的課題，為了進一步降低能耗，仍然需要更先進的技術(shù)發(fā)展。由于實驗室動物實驗顯示硼具有再生性毒性（WHO,2004），所以水質(zhì)中其濃度的標準已受到重視（Taniguchi,etal.,2001,2004;Fukunaga,etal.,1997）。在海水中硼以硼酸的形式存在，它的

5、濃度為4-7mg/L，含量是地表水的二十倍甚至更高。而且對RO膜來說去除硼有一定難度：首先，硼以硼酸的形式存在，硼酸分子的尺寸很小，很難通過膜孔徑截留得以去除；第二，由于硼酸的酸離解常數(shù)是9.14-9.25，在pH7-8的天然海水中不發(fā)生電離化，當pH達到9或更高后，發(fā)生離解（Rodriguez,etal.,2001;Hyung,etal.,2006），在中性條件下由于硼酸和膜間的電子排斥力致使硼去除率不高。所以8/8，理想的海水RO膜應該具有高透水性和高的溶質(zhì)去除性能。通常透水性增加和溶質(zhì)脫除率降低有一個逆向權(quán)衡，如圖1所示。聚

6、合物之間的空間形成了RO膜上的孔，膜孔的尺寸和數(shù)量決定著RO膜的性能。也就是說，水中溶質(zhì)的去除決定于膜孔尺寸，透水性決定于膜孔的數(shù)量。為了獲得更優(yōu)的性能，RO膜的分子結(jié)構(gòu)和溶質(zhì)傳輸機理的科學研究是必需的。圖1RO膜性能改善的概念注：Trade-offbetweenenergy-savingandwaterquality:節(jié)能與水質(zhì)的相關(guān)關(guān)系Waterquality:水質(zhì);SoluteRejectionRate:溶質(zhì)去除率；Waterpermeability:透水性；Energysaving:節(jié)能；Spacewithinpolyme

7、rs=”Pore”:高分子聚合物的空隙=孔徑；Na+（Hydrated）：含水鈉離子；Boron(Boricacid):硼酸；H2O:水分子PolymerchainsofRO:反滲透膜的高分子聚合物鏈；Essentialsforpermeation:滲透的決定因素；Sizeofpore:膜孔徑的尺寸；Quantityofpore(Activemembranearea)：膜孔徑的數(shù)量（有效膜面積）2、RO膜的結(jié)構(gòu)分析和表面形態(tài)學分析2.1RO膜的結(jié)構(gòu)分析復合RO膜通常由三部分構(gòu)成，即分離功能層、聚砜多孔支持層和聚酯無紡布基層，見圖2

8、所示。由于交聯(lián)芳香族聚酰胺在物質(zhì)去除性和操作耐久性方面顯示了優(yōu)異的性能（Petersen,1993），因此成為復合RO膜的分離功能層中最常見的材質(zhì)。其它兩層的作用是要求在操作壓力下，支撐分離功能層的結(jié)構(gòu)，且無半透膜特性。因此可以說，RO膜的功能取決