1、系统解决方案自动化应用反渗透海水淡化技术的现状与发展丁旭东（浙江石油化工有限公司，浙江舟山3 1 6 2 0 0）摘要：海水淡化作为一种水资源增量技术，已成为全球缓解水资源危机的重要途径。其中，反渗透海水淡化技术因其操作简单、易于规模化等优点，已成为海水淡化的主要手段。本文围绕如何降低海水淡化的造水成本，系统综述了反渗透膜材料、海水淡化工艺、新能源利用等方面的研究进展及发展趋势，以期为我国反渗透海水淡化技术的发展提供借鉴。关键词：海水淡化，反渗透，工艺集成，新能源DING Xudong中图分类号：P747Status and Development of Reverse Osmosis Sea
2、water Desalination TechnologyAbstract:As an incremental technology of water resources,seawater desalination has become an important way to alleviatethe global water crisis.Among them,reverse osmosis seawater desalination technology has become the main means of seawaterdesalination because of its sim
3、ple operation,easy scale and other advantages.Focusing on how to reduce the cost of seawaterdesalination,this paper systematically summarizes the research progress and development trend of reverse osmosis membranematerials,seawater desalination process,new energy utilization,etc.,in order to provide
4、 reference for the development ofreverse osmosis seawater desalination technology in China.Key words:seawater desalination,reverse osmosis,process integration,new energy文献标识码：A(Zhejiang Petrochemical Co.,Ltd.,Zhoushan,Zhejiang 316200,China)0引言随着世界人口的持续增长和经济的不断发展，水资源供需矛盾日益突出，水资源短缺已成为全球性问题。由于海水及苦咸水淡化技
5、术不受气候影响，可提供全天候稳定供水，已成为世界各国应对淡水短缺的重要途径。目前，海水淡化的主流技术为热法和膜法。热法海水淡化技术主要包括低温多效蒸馏、多级闪蒸、机械压汽蒸馏等工艺，虽然在操作工艺上差异较大，但其本质均为相变传热过程。该技术产水纯度高，可满足多用途的水质要求，但也存在海水利用效率低和蒸发温度过高等问题，可能导致设备结垢、余热被冷却水带走等缺点。反渗透膜法海水淡化技术从2 0 世纪7 0 年代开始研究，经过数十年的发展，已成为海水淡化及苦咸水脱盐的主要手段之一，约占全球海水淡化市场份额的6 5%2。反渗透淡化技术主要利用高于海水渗透压的外部压力，使水分子透过反渗透膜获得淡水，能耗
6、较高。据相关文献测算 3,利用含盐量3.5%（质量分数）的海水进行淡化，当回收率为50%时，其热力学理论最小能耗为1.0 6 kWh/m。但即使目前较为先进的海水淡化厂，其能耗约为3 4 kWh/m，与理论最小值之间仍具有较大的距离,存在进一步减小的空间 4。因此,如何提高反渗透海水淡化的效率、降低淡水制造成本是反渗透海水淡化技术的发展重点。本文主要从反渗透膜材料、海水淡化工艺和新能源利用等方面分析反渗透海水技术的现状与发展趋势，以期为进一步降低反渗透海水淡化能耗提供借鉴。1海水淡化反渗透膜反渗透海水淡化技术的核心为海水淡化反渗透膜，其分离性能对系统产水水质及能耗具有重要影响。性能优异的反渗透
7、膜在生产更高质量和更安全淡水的同时，可简化预处理或后处理步骤，提高能源和成本效率。1.1高选择渗透性反渗透膜1960年,Loeb及Sourirajan利用相转化法制备得到醋酸纤维素不对称膜，并首次应用于海水淡化或苦咸水淡化领域。但其水通量相对较少,在55bar下,水渗透系数仅为0.21/mhbar5。2 0 世纪8 0 年代，Filmtec公司提出以间苯二胺为水相单体、均苯三甲酰氯为有机相单体,利用界面作者简介：丁旭东，男，1 9 9 0 年生，助理工程师，从事大型炼化企业水系统生产运行管理工作。2023/12A期I29自动化应用系统解决方案聚合方法在聚砜超滤膜表面构建聚酰胺分离层，其具体示意
8、图如图1 所示,并取名为FT-30膜，水渗透系数大幅提升至1.2 1/mhbar，截留率也达到9 9.4%,开启了反渗透海水淡化技术的新阶段 6。聚砜基膜淡化膜，则使用一级反渗透即可获得符合要求的淡水，不仅可以简化系统，还能降低能耗。目前，主要通过3 种途径提升反渗透膜的脱硼性能：(1)鉴于反渗透膜的分离层中存在少量介孔，造成硼截留率偏低，可通过表面功能化改性技术，在介孔处定向引人小分子,有效提升硼截留率；(2)在界面聚合制膜过程中，含MPD聚砜基膜初生态PA膜热处理2漂洗T将相容性较好的高分子功能材料（如聚异丁烯PIB)引人聚酰胺分离层，与原有的聚酰胺分子构成互穿网络结构，利用其尺寸排斥效应
9、抑制硼的透过，可使硼截留率从成品SWCO膜图1 界面聚合法制备海水淡化膜示意图为进一步提高反渗透海水淡化的产水效率、降低运行能耗，科研人员通过调控界面聚合制备工艺改善反渗透海水淡化膜的分离性能，具体包括基膜微观结构的调节、单体及添加剂的选择、反应过程的优化、膜表面的功能化改性等 7。经过数十年的研究，目前商品化反渗透海水淡化膜的分离性能达到了更高水平。如DupontFilmtec公司的Seamaxx系列海水淡化膜,其水渗透系数突破2.0/mhbar,NaCl截留率也达到9 9.7%8 1,有效促进了反渗透海水淡化技术的发展，反渗透海水淡化膜的发展如图2 所示。100.099.8F99.6F%/
10、幸群明99.499.299.0醋酸纤维素膜98.80.0图2 反渗透海水淡化膜的发展近年来，随着纳米材料的快速发展，纳米杂化反渗透膜已成为研究热点，如LG公司的NanoH,O海水淡化膜。纳米杂化反渗透膜的核心是在界面聚合过程中引人具有纳米孔道结构的功能材料，如分子筛、碳纳米线等,利用纳米颗粒内部的流道及其与聚酰胺结合处新形成的水力通道,强化膜的渗透性能。Chae等在界面聚合制膜时,将氧化石墨烯分散到水相溶液中，所得反渗透膜维持脱盐率99.3%不变的前提下，使渗透通量提升8 0%，并赋予其额外的抗生物污染及耐氯性能，表现出纳米杂化反渗透复合膜良好的发展前景。由于引人纳米颗粒会干扰界面聚合且有机-
11、无机界面附着力低，容易产生无选择性缺陷，减弱截留能力,因此还未得到大规模的工业化应用。1.2高脱硼率反渗透膜虽然目前的商品化海水淡化膜具有优异的NaCl截留性能,但其对酯、醇、酮和硼酸等尺寸较小、荷电较低的溶质截留率仍偏低。因此，为获得安全可靠的饮用水，通常需要使用二级反渗透技术。若能制备得到高脱硼反渗透海水30I|自动化应用81.36%上升至9 3.1 2%；(3)在反渗透膜分离层中引入具有硼吸附性能的无机材料，如多孔纳米颗粒UiO-66,同样可改善硼的脱除率。1.3抗污染反渗透膜反渗透海水淡化膜除了优异的渗透效率及分离性能，其运行稳定性也同样重要。一旦发生膜污染，为了保证系统产水量，需要提
12、升驱动力并进行周期性的化学清洗，一方面,增加海水淡化的运行成本；另一方面,频繁的化学清洗会缩短海水淡化膜的使用寿命。因此，针对反渗透海水淡化膜的微观结构及化学性质，改善其抗污染性能，延长其使用寿命具有非常重要的现实意义。反渗透海水淡化膜抗污染的提升主要通过提高膜表第二代面亲水性实现，作为亲水性好、化学性能稳定的聚乙烯醇，TFC膜是最早应用于聚酰胺复合膜表面抗污染改性的高分子材第一代TFC膜不对称0.5x10s1.0 x10%水渗透系数/mhPa)料之一，也是目前商品化聚酰胺复合膜表面抗污染改性的主要材料。聚乙烯醇涂层虽然可有效改善聚酰胺复合膜的陶氏海德能东丽GE时代沃顿杭州水中心1.5x105
13、2.0 x10抗污染性能，但同时其致密的交联结构也带来了额外的传质阻力，造成膜初始渗透性能的恶化。王炎锋等通过向聚乙烯涂层中添加羟丙基甲基纤维素的方式,破坏聚乙烯醇分子之间的氢键作用，以改善涂层渗透性差的缺陷，有效得到兼具优良抗污染性能及高渗透性能的聚酰胺复合膜。为了进一步提高膜表面的亲水性,两性离子化是一种更为有效的方法,如图3 所示。Liu等先利用1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐(EDC)活化聚酰胺膜表面的羧基，随后通过1,4-丁基磺酸内酯的开环反应实现两性离子化，在膜表面形成更厚的水合层，成功改善聚酰胺膜抗污染性能的同时，将产水量提升4 5.8%。图3 聚酰胺反渗透膜表面两
14、性离子化提升反渗透膜抗污染性能2反渗透海水淡化工艺近年来，为提升反渗透海水淡化系统效率，降低反渗透海水淡化能耗，在传统预处理+反渗透的海水淡化工艺基础上，相继研发了一些高效集成工艺，具体包括热-膜耦引入两性离子系统解决方案自动化应用合工艺、纳滤-反渗透耦合工艺、正渗透-反渗透耦合工艺通过正渗透膜由待处理液体侧进入汲取液中，而待处理液等。体中的盐离子或其他污染物则被截留。2.1热-膜耦合工艺在反渗透海水淡化过程中，利用正渗透技术可将市政热法和膜法工艺联合建设，利用热法淡化的高纯度产污水等作为供给液，稀释海水或后期产生的浓盐水，回收水和膜法淡化的较低纯度产水进行掺混，在保证产水水质污水中淡水资源的
15、同时，降低海水淡化能耗。据相关文献的前提下，有效降低海水淡化成本,其典型工艺流程如图数据表明，使用废水正渗透处理海水及系统产生的浓盐4所示。热法海水淡化工艺可生产高纯度淡水，含盐量一水，可降低海水淡化能耗约2 5%，如图6 所示。此外，利用般低于1 0 mg/L,膜法淡化工艺一级反渗透产水TDS一般正渗透过程还能反洗反渗透膜，以恢复其分离性能，延长小于50 0 mg/L,对于一些用水水质需求介于二者之间的海使用寿命，降低造水成本。这表明正渗透-反渗透耦合技水淡化厂，无论是选择热法淡化产水还是利用二级反渗透术在解决海水淡化能耗及系统产生的浓盐水方面有双重产水，都会对资源造成浪费。若利用一级反渗透
16、产水与热功效，具有良好的发展及应用前景。法淡化工艺产水进行掺混，部分膜法淡化工程中可去掉二正渗透系统污水、级反渗透工艺,以降低造水成本。Hamed等的研究结果表明,与只利用反渗透淡化产水相比，将多级闪蒸(MSF)产水和反渗透产水混合，可节省1 3%的成本。这主要是因为当选择MSF/RO耦合工艺生产混合淡水时，一方面，使用高通量、低脱盐率的反渗透膜可有效节约投资成本；另一方面，引人多级闪蒸技术可减少取水量并去掉二级反渗透工艺，同时延长反渗透膜使用寿命，有助于降低运行成本。蒸汽供给浓盐水发电厂多级闪蒸系统公用取水装置反渗透系统图4 RO-MSF耦合分质产水工艺示意图2.2纳滤一反渗透耦合工艺反渗透
17、海水淡化技术对进水要求比较高，为了保证反渗透膜的使用寿命,需要预处理海水,以去除海水中的潜在污染物，延长使用寿命。但传统预处理无法实现预脱盐海水,而采用纳滤工艺则能有效去除海水中的Ca、Mg*t、SO2-等二价离子,降低海水对反渗透膜的污染,减少或避免阻垢剂的使用,延长反渗透膜的使用寿命。如图5所示，经纳滤处理还能有效降低系统的进水渗透压，减小反渗透海水淡化的操作压力，节约海水淡化成本，并有利于后期浓盐水的综合处理和利用。陈侠等选用NF270等3 种纳滤膜截留实验渤海海水中的各离子。结果表明,纳滤膜对海水中的二价离子截留率均在9 2%以上，且对总溶解固体(TDS)的去除率约为3 0%,有效保证
18、反渗透进水水质。海水预处理系统图5纳滤-反渗透耦合工艺进行海水淡化示意图2.3正渗透-反渗透耦合工艺正渗透技术以较高渗透压的溶液作为取液，较低渗透压的待处理液体作为供给液，在渗透压的驱动下水分子正渗透系统被浓缩的污水被稀释的海水浓盐水反渗透系统淡化水海水图6 正渗透-反渗透耦合工艺进行海水淡化示意图3新能源利用膜法海水淡化的高能耗一直是限制其进一步应用的重要原因，如在系统中引人新能源则可有效改善该缺陷，淡化水拓展其应用范围。公用浓盐水处理装置太阳能海水淡化是一项在经济和技术两方面均具有竞争力的技术，适合于日产水量1 0 m%d的小型海水淡化厂。其大规模应用的最大难题在于效率低、设备产量规模小，
19、在实际使用过程中会受到地理位置、气象等因素的影响，因此，还需要优化热量收集和光电转化效率等。除太阳能外，还可以利用核反应堆释放的能量驱动海水淡化系统，许多国家也已将该技术商业化应用。但如何兼顾核能的安全使用、提高核能的可靠性和环保要求仍是人们需要重点解决的难题。此外,还可以利用海洋能、地热能、风能等其他新能源驱动海水淡化装置的运行，以降低海水淡化系统的能耗。4结语在全球性淡水资源匮乏、水体污染加重等多重环境问题的挑战下，海水淡化技术作为最具潜力的一种淡水资源获取手段，已受到了各国科研及政府人员的高度关注，是浓水经济与环境“双赢”的重要选择。鉴于气候变化对水资源时空分布、水源污染、战略安全等的影
20、响，海水淡化是解决严纳滤系统反渗透系统淡化水重缺水城市淡水资源的可靠途径。反渗透膜法海水淡化作为目前海水淡化的主流技术，能源消耗与膜材料性能是决定其进一步发展的关键要素，(下转第4 7 页）2023|12A期|3 1机电智能设备自动化应用堵频繁、按每月消耗高封堵头8 0 0 件、低压1 50 0 件计算，仓储及消耗金额为8 0 0 件50 0 元/件+1 50 0 件1 0 0 元/件=55万元，一年消耗的费用是6 6 0 万元。若8 0%采用经济型快速安装电缆封堵帽（价格约为4 5元/件），每年的消耗金额为8.2 8 万元（使用寿命计为1 年，每年更换一批），20%原有的耐高压封堵头采购金额
21、为1 1 万元，每年消耗金1 4 0.2 8 万元，即节省6 6 0 万元-1 4 0.2 8 万元=51 9.7 2 万元，经济效益显著。3.3节能环保突出通过产品改造，突出解决了产品的主要矛盾，提高产品重复使用率，节省了大量的制作原材料，降低了生产能耗。同时节约了大量资金，提质增效显著。4结语经济型快速安装电缆头封堵帽研制是紧贴实际的工图6 电力施工单位使用场景图作问题，通过技术创新改良的产品具有“小改良大收益效3.2降本增效效果突出果。其不仅在降本增效上取得显著成效，同时对电网稳定目前使用的电缆封堵帽高压电缆封堵帽的价格为提供了良好保障，具有良好的社会效益。绿色环保可持续500元/件、低
22、压电缆封堵帽1 0 0 元/件，电缆封堵头使用频发展是国家的主旋律，本产品践行了环保理念，节约资源，繁、使用数量多，是巨大的消耗品，电缆封堵头的消耗数量降低企业成本，值得在整个电力行业内全面推广和运用。是企业一笔不小的开支。对于仓储电缆末端及施工场地临时短时间的密封的需求量约占总量的8 0%，对于这些临时性及仓储的电缆封堵头的性能可降低对材料的耐压要求及简化封堵头生产工艺要求，并通过提高封堵头的使用次数大大降低其成本实际。经过实际统计测算按电缆临时封参考文献1赵陈超,章基凯.硅橡胶及其应用 M.北京：化学工业出版社，2015.（责任编辑：李顺）(上接第3 1 页）今后其研究重点将集中在以下3
23、个方面：（1）开发新的反渗透复合膜材料及制备工艺，获得分离性能优异且运行稳定的海水淡化膜；(2)优势互补各种相关工艺,形成更为高效的海水淡化集成技术,降低能耗与运行成本；(3)研发新型能量回收装置,同时探索核能、太阳能、风能等其他新能源作为海水淡化工艺的驱动力。参考文献1郝晓地,王邦彦，曹达改，等.海水淡化工程全球大规模应用发展趋势 J.中国给水排水,2 0 2 2,3 8（1 0)：1 8-2 4.2宋瀚文,宋达，张辉,等.国内外海水淡化发展现状 J.膜科学与技术,2 0 2 1,4 1(4):1 7 0-1 7 6.3JNassrullah H,Anis S F,Hashaikeh R,e
24、t al.Energy for desali-nation:A state-of-the-artreview J.Desalination,2020,491(11):1-44.4JSkuse C,Gallego-Schmid A,Azapagic A,et al.Can emergingmembrane-based desalination technologies replace reverse os-mosisJ.Desalination,2021(500):114844-114844.5邓璐遥,李少路,秦一文，等.抗污染薄层复合聚酰胺膜的结构设计及改性策略 J.化学进展,2 0 2 0,3 2(1 2)：1 8 9 5-1 9 0 7.6王炎锋，吕振华,姜鹏，等.聚酰胺复合膜表面高渗透性抗污染涂层的构建 J.膜科学与技术,2 0 2 0,4 0(1)：3 1-3 6+52.7齐春华，冯厚军，孙靖.热法海水淡化前沿技术及其应用进展J.中国给水排水,2 0 1 5,3 1(2 4)：3 4-3 8.8陈林.试谈反渗透海水淡化处理工艺分析与研究 J.中国设备工程,2 0 2 2(5):1 0 3-1 0 4.（作者简介：黄霞）2023|12A期|4 7
