反渗透海水淡化技术研究动态

sding · 发表于 2007-1-29 05:13:53

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国际脱盐协会(International Declination Association，IDA)的最新统计资料表明，到2002年初，全世界脱盐装置淡水总产量已达3 240万t／d．而且还将以10％～30％的年增长速度攀升，海水淡化技术在解决世界范围淡水短缺问题上发挥着越来越重要的作用．目前世界上采用的主要的海水淡化方法(包括多级闪蒸、多效蒸发、RO)中，反渗透(RO)技术有其投资少、操作方便、建设期短、发展速度最快等优点．RO技术最初用于苦咸水(brackish water，BW)淡化，之后随着RO膜技术的进步和发展，1960年首先由Loeb和Sourirajan用来处理海水．目前海水反渗透(SWRO)淡化技术在世界范围内的应用已相当广泛，技术上也比较成熟．但其产水成本与传统的市政供水价格相比仍较高，且其过程操作对环境的负面影响日益明显和突出，在21世纪能源和环境问题日益受到各国政府重视的今天，上述两个方面就成为今后SwRO淡化技术研究的重点．1 SWRO淡化用能量回收器的研究 SWRO淡化系统中，高压泵的电耗占系统运行费用约35％，是影响产品水成本的主要因素之一．通常SWRO的操作压力为5．5～8．0 MPa，而从膜器中排放出的浓盐水的余压也高达5．0～6．0 MPa，按照40％的回收率计算，浓盐水中约有60％的进料压力能量有着巨大的回收潜力和意义．目前市场上用于SwRO淡化系统的能量回收器从工作原理上主要分为两类：正位移原理和水力透平原理．采用正位移原理的Px、DWEER、PES和Aqua—lyng 4种能量回收器在回收浓盐水能量时只需通过“压力能一压力能”一步转换过程，能量回收效率高(91％--96％)，可用于不同规模的系统，当用于大系统时经济效益更明显；而水力透平式能量回收器在回收浓盐水能量的过程中则需要经过“压力能一机械能一压力能”两步转换过程，过程回收效率相对较低(50％～70％)，目前在小规模SwRO淡化系统中仍有应用．新型高效能量回收器的使用，使SWRO淡化水成本得到显著降低；使用Px和Aquatyng两种能量回收器，可使SWRO淡化过程电耗低于2．0 kW·h／m3．我国山东的青岛、长岛和浙江的嵊泗SWRO淡化厂就采用PX能量回收器．我国也已将“新型高效余压回收装置的研发”列为“十五”重点攻关项口，目前该项目相关方面的实验研究正在进行中． 2 新型SWRO淡化工艺的研究 SWRO淡化过程操作参数中，回收率对于系统投资和运行费用的影响最大14一．通常淡化系统的回收率为40％～45％，而日本Toray公司研发的BCS(brine conversion system)系统采用SWRO第一级浓缩水作进料，在极端操作条件下(操作压力8．0～10．0 mPa，进料含盐质量分数5．8％～8．7％)生产产品水，系统的回收率可以达到60％r50j．新型耐高压抗污染膜器SU一820BCM的成功研制和新型高效能量回收器的应用使B(§系统成为可能．1999年3月，BCS系统首先在西班牙MasPalomas 4 500 t／d的装置上实现商业化应用．现在世界范围内运行的BCS系统共有12套。 3 新型SWRO膜的研究目前世界上海水淡化组件主要是美国Du Pont公司的“Pem~sep B一10”芳香族聚酰胺中空纤维组件、日本东洋纺的“Hollosep HM一9255”CTA中空纤维组件以及Filmtec、Fluid System、Hydranautics、Toray和Desal等公司的海水淡化卷式元件等．海水反渗透膜及其组件是SWRO淡化技术的核心．SWRO膜的研究有两个发展趋势：低压SWRO膜的研究和高压SWRO膜的研究|9 J．由于能量回收器的效率不断在提高，耐高压膜在海水淡化过程中的应用相对较多，而低压膜则主要用于苦咸水淡化过程．在高压膜的研究方面，日本Toyobo公司研发的高性能中空纤维膜，采用高浓度聚合物中空纤维纺丝技术和微孔技术制造，并用高温作热处理，膜的水通量较大．由该中空纤维组成的膜器，中空纤维经过交错分层排布，耐高压(8．4 MPa)、抗污染．实际应用中采用该膜器单段运行即_uI实现大的回收率(60％)，且化学品的消耗低，使用该膜器l口I使过程产水总成本降低约20％．另外，日本Toray公础开发了耐高压、可大浓度操作的U’FC一80BCM膜，并成功用于BCS系统，Dow Filmtec公司开发的Filmtec SW一30HR一320海水淡化RO膜元件，采用特殊的结构设计，在不增加膜器外部尺寸的同时能够增加膜的有效面积和进料水的湍动性能，因mi特别适合高污染海水水源(如进水为表面海水的情况)，而且可使过程能耗节约25％，膜器的化学清洗费用降低4％．在低压SWRO膜研究方面，日本"Foray公司生产的TM710、TM720—400、’FM720 430就属于低压膜系列；另外该公司生产的’FMC-10、‘I"MG20—400和TMG20—430节能型超低压反渗透膜系列，最低操作压力为0．75 MPa． 4 环境友好过程的开发 SWRO淡化对环境的影响往往被人们忽略，随着21世纪可持续发展战略的提出和实施，环境友好型海水淡化过程的开发日益受到青睐和重视． SWRO淡化操作中，由于海水本身的特性：高的硬度和TDS(总溶解固体)值，浊度和细菌含量不稳定，常常给过程操作带来结垢、膜污染及能耗高等问题，因而良好的预处理对于SWRO淡化过程成败至关重要．传统的海水预处理方法，即采用添加化学品的方法，不但工序复杂，而且预处理成本也较高，尤其是过程中添加的多种化学品随浓盐水一起排放时对排放地环境的负面影响较大．另外，膜器清洗的废液中含有的强酸或强碱，其排放也成为SWRO淡化过程环境问题的一部分．在这种情况下，采用全膜法预处理代替传统的化学品预处理就成为一种必然的发展趋势． SWRO淡化过程膜法预处理主要包括做滤(MF)、超滤(UF)和纳滤(NF)_二种．MF在去除悬浮固体、降低SDI(淤塞密度指数)t效果明显，费用较海滩井(beachwell)少，是传统方法费用的一半．而UF不但可截留悬浮固体和大的细菌，还可截留大分子、胶体和小细菌．NF是介于UF和RO之间的膜过程，其对于一价和二价离子的选择透过性在防止结构和减少进料TDS方面有特殊的作用．近年来，MF、UF和NF技术都得到r长足的发展，但相比之下UF和NF的发展及应用更突出．新的UF预处理基于大直径毛细管膜，直径为0．7～0．9 mm．这种组件有两大优点：能够频繁短周期自动冲洗毛细管膜，渗透水通量稳定；可低流速错流或死端操作．与传统预处理方法相比，不用连续加入化学品，需人力较少．毛细管膜技术作为SWRO的预处理可使过程有高的产水率，并使系统水成本降低10％． NF作为预处理则与MF、UF有所区别，NF预处理不但与预处理产品水质有关，而且与SWRO淡化过程本身有联系．最初将NF用于预处理并进行这方面研究的是SWCC(Saline Water ConversionCorlx)ration)．其研究结果表明，采用NF作为SWRO预处理，(1)可去除结垢；(2)去除S042-达98％，总硬度去除达93％，防止SWRO结垢；(3)降低进料水的TDS(30％～60％)，使过程操作压力降低．NF作为SWRO预处理由于具有以上三方面的优势，从而可使系统回收率由35％提高到50％～70％，增加SWRO产量达50％～100％，同时使SWRO造水成本降低约30％。．目前较受欢迎的全膜法预处理较好地结合了MF、UF和NF三种预处理方法的优点，在有效减少化学品添加量的同时，也可减少SWRO淡化过程用膜组件的清洗次数，使操作过程更加环境友好，过程操作成本也得到显著降低． 5 NF—SWRO—MSF集成过程 NF技术的应用和发展，为NF—SWRO—MSF(多级闪蒸)过程集成创造了有利的条件．经过NF处理过的进料海水，不但硬度大幅度降低，而且TI)S也有一定程度的减少_l引．这样就可以采用SWRO排放的浓盐水作为MSF过程的进料，可提高整个系统的回收率，同时将SWRO的产品水与MSF生产的蒸馏水混合来生产饮用水，节省地表水和地下水，在改善水质的同时，也可降低后处理费用。另外，利用MSF排热段预热的海水经过NF预处理并作为SWRO淡化过程的进料，可以减少季节水温变化对过程的影响。