海水淡化反滲透膜最新進展及其應(yīng)用

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1、海水淡化反滲透膜最新進展及其應(yīng)用田華1，尹華1,　朱列平1，（1．藍星東麗膜科技（北京）有限公司）摘要：膜法海水淡化已成為重要的主流技術(shù)應(yīng)用在脫鹽領(lǐng)域，其突出優(yōu)點是成本低。本文介紹了影響反滲透海水淡化成本的兩個重要因素、反滲透海水淡化膜的最新進展，并展望了未來海水淡化反滲透膜的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：反滲透膜，海水淡化，低能耗，高通量，高脫鹽，高脫硼反滲透海水淡化技術(shù)至上世紀70年代商業(yè)化以來，其高效、低能耗、清潔、少污染、操作管理方便等特點使其成為當今先進的脫鹽技術(shù)。經(jīng)過50多年的研究開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化，反滲透海水淡化膜及膜組件性能得到大幅度的提高，其脫鹽率已高達99.8%，而產(chǎn)水量提高了

2、2-3倍多。隨著能量回收系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率的提高、配套設(shè)備性能提高以及工藝優(yōu)化，反滲透海水淡化本體最低噸水能耗已降到3Kwh/m3以下，制水噸水成本降到0.5-0.7美元/m3[1]。能耗及制水噸水成本的降低促進了反滲透海水淡化的快速發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計，2005年全球反滲透海水淡化總產(chǎn)能為5,000,000m3/d，而2009年則達到了15,000,000m3/d。在亞洲地區(qū)，2000年總產(chǎn)能為412,000m3/d，2009年則達到了2,100,000m3/d，其中中國的總產(chǎn)能比例由2000年的3%提高到了目前的23%，也就是說我國反滲透海水淡化產(chǎn)能已經(jīng)超過480,000m3/d（包括在建

3、），相比2000年的12,400m3/d的產(chǎn)能來說提高了38倍多[2]。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，水資源的日趨短缺和污染，在近島和沿海地區(qū)，優(yōu)先采用反滲透脫鹽技術(shù)開辟新水源已在全球達成共識。最近二十年，雖然能耗和成本已經(jīng)取得了欣慰的降低，但其較高的制水成本仍然是制約該技術(shù)大規(guī)模地普及應(yīng)用在市政行業(yè)、鋼鐵行業(yè)等工業(yè)領(lǐng)域，因此，面臨日趨緊張的能源及環(huán)境危機，進一步開發(fā)及應(yīng)用低能耗高通量、高脫鹽及高脫硼反滲透膜元件已成為目前海水淡化領(lǐng)域最重要的研究課題和發(fā)展方向。1.影響反滲透海水淡化制水成本的兩個重要因素1.1.能耗海水淡化反滲透系統(tǒng)制水成本主要由預(yù)處理、RO系統(tǒng)投資及折舊、系統(tǒng)能耗、

4、取水及濃水排放、能量回收系統(tǒng)組成，表1說明了SWRO（膜法海水淡化系統(tǒng)）各種成本的大致比例，其中系統(tǒng)能耗就占據(jù)了30%的比例，而RO系統(tǒng)的主要驅(qū)動力來源于高壓泵，其能耗比例就達到了60%以上。表1SWRO成本比例[3]項目成本百分比（*1）SWRO系統(tǒng)投資及折舊40%系統(tǒng)能耗30%取水、濃水排放、預(yù)處理15%其它15%合計100%（*1）說明：成本百分比受工程規(guī)模影響圖1表明了SWRO系統(tǒng)運行成本中最大的影響因素為系統(tǒng)電耗，其次為設(shè)備固定投資及折舊。7圖1SWRO運行成本分析[4]綜合表1和圖1，系統(tǒng)能耗確實是海水淡化工廠制水成本的最主要的構(gòu)成要素，眾所周知，海水由于含鹽量高，其

5、滲透壓高，所需要的操作壓力高，故高壓泵電耗大。因此，降低系統(tǒng)能耗是削減制水成本的重要途徑。1.1.產(chǎn)水水質(zhì)產(chǎn)水水質(zhì)不僅影響其用途，而且與投資及運行成本息息相關(guān)。比如，在電廠鍋爐補給水中，如果SWRO產(chǎn)水水質(zhì)較好，可以大大降低后處理（如二級RO、離子交換、EDI等）的運行負荷。又如，在市政飲用水行業(yè)，硼的脫除應(yīng)該是海水淡化工藝中需要克服的最重要課題之一。硼在自然界中以硼酸的形式存在，經(jīng)實驗室動物口服試驗證明硼酸主要表現(xiàn)在雄性生殖系統(tǒng)的痕跡上。然而，在反滲透海水淡化領(lǐng)域中，硼的去除較難，這是因為海水中含有相當高的硼濃度(4~7mg/L)。雖然通常的海水淡化膜元件擁有高于90%的脫硼率

6、，這仍然是不夠的，因此，在脫硼要求的傳統(tǒng)海水淡化中，為了使產(chǎn)水中硼濃度滿足要求，必須通過SWRO+BWRO工藝，如圖2顯示。圖2傳統(tǒng)脫硼SWRO+BWRO工藝流程在如圖2所示工藝中雖然在高pH值下脫硼率較高，但是以下幾個問題不容忽視：堿化學(xué)品的消耗、高pH值下膜壽命縮短、難溶鹽結(jié)垢潛在風險等。在某些海域，如果海水中硼濃度不是很高，采用高脫硼率的膜元件通過一級SWRO即可以保證產(chǎn)水中的硼濃度達到限制要求，從而可以大幅度降低投資成本。由表2可見，高脫硼膜元件的應(yīng)用可以最大幅度降低產(chǎn)水中硼的濃度，原水含硼5mg/L時，采用95%的脫硼率的膜元件即可以保證產(chǎn)水中硼濃度小于1mg/L，否則

7、必須采用雙級RO或其它后處理工藝。因此，產(chǎn)水水質(zhì)的要求也是影響反滲透系統(tǒng)成本的重要因素。中國沿海水質(zhì)與日本相似，如果產(chǎn)水對硼有1mg/L以下的限制要求，采用高脫硼一級海水淡化系統(tǒng)即可以生產(chǎn)出高品質(zhì)的產(chǎn)水，從而降低系統(tǒng)投資成本。7表2單級SWRO脫硼計算SWRO產(chǎn)水中硼濃度區(qū)域（溫度、TDS、硼濃度）膜元件脫硼率90%95%97%99%日本（25℃、3.5%、5mg/L）1.50.80.40.2東南亞（32℃、3.5%TDS、5mg/L硼）1.71.00.50.2中東（38℃、3.