综述反渗透法淡化海水和苦咸水

综述反渗透法淡化海水和苦咸水水对于人类的发展和生存具有重要意义，缺水问题在许多国家都十分严峻。

海洋水占全球水总储量的96.5％，但海水不能直接应用，必须将其淡化。

海水淡化至少有两方面的直接应用意义：一方面可以解决某些国家和地区，特别是中东、中非地区的缺水问题；另一方面可以大大增加远洋舰船的续航能力。

因此，海水淡化技术长期以来一直受到各国的重视。

苦咸水是内陆地区的一种水资源，其中的盐是由岩盐溶解而来，多为氯化钾，其含盐量比海水低，在1.5～5g/L，不能直接饮用。

对内陆国家和地区而言，若能将苦咸水淡化，可在很大程度上解决缺水问题。

实际上苦咸水的淡化是反渗透技术最早的成功应用之一。

目前，苦咸水和海水淡化的方法中用的最多的是蒸发法。

多用发电厂的低压蒸汽作为热源，压强为0.2～0.3MPa，进行多效蒸发，其冷凝水即为淡水，这一工艺的主要缺点是耗能高。

反渗透法被认为是可能取代蒸发法的淡化工艺，与蒸发法相比，该技术的特点是整个过程无水相变化，故无需热源，耗电量少，因此它是一种低能耗海水淡化方法。

1反渗透原理反渗透是一种膜分离技术，其工作原理如图1所示。

图1 反渗透工作原理在没有外力的情况下，半透膜纯水侧的水分子会透过膜进入到咸水侧，当咸水一侧施加大于该溶液渗透压的压力P时，在高于渗透压压力P的作用下，咸水中纯水的化学位升高并超过纯水的化学位，水分子就可以从纯水一侧反向的通过膜透过到纯水一侧，海水淡化就是基于此原理。

苦咸水因含盐量少用海水，其渗透压为0.1～0.3MPa，反渗透所用的压差为2～3MPa，常称为低压反渗透。

海水的渗透压约为2.5MPa，反渗透所用的压差在5MPa，称为高压反渗透。

反渗透海水淡化系统如图2所示，由四个主要部分构成：(1)预处理；(2)高压泵；(3)膜组件；(4)后处理。

其中，预处理是对进料海水进行处理，通常包括氯化杀菌、预过滤、调节pH等操作，目的都是为了保护膜。

高压泵用于对进料海水加压，使之达到适合于所用膜和进料海水所需要的压力。

膜组件的核心是半透膜，它截留溶解的盐类，而允许几乎所有不含盐的水通过。

后处理主要是进行稳定处理，包括pH调节和脱气处理等。

图2 反渗透系统流程图2 预处理2.1 预处理目的水源的预处理对反渗透设备的运行十分重要。

预处理是为了防止和减少给水中杂质对膜的污染，保证膜元件的长期稳定性能的重要工艺过程。

给水中的悬浮物、胶体物质和可溶性有机高分子聚集在膜的表面会使膜受到污染：微生物和细菌会使膜受到侵蚀；微生物和细菌的残体还会以固体形式析出，使膜性能变坏；水的温度、pH值、余氯含量、压力等参数的劣化会引起膜的水解、氧化；由溶质引起的膜结构变化还会导致膜的透水率下降。

另外，不同膜材料具有不同的化学稳定性，对给水预处理的要求也不同。

一般来讲，膜组件生产厂商均会提出给水水质指标。

这些指标包括：淤泥密度指数（SDI）：该指数能较好地反映给水中胶体、浊度、和悬浮物的含量，给水处理后，SDI越低，膜组件的使用年限越长，一般要求SDI≤4。

降低给水中的SDI，主要靠絮凝、沉淀、过滤。

pH：复合膜耐pH范围较宽（2～11），而三醋酸纤维膜耐pH范围较窄（3～8），超过规定范围膜易水解。

调节pH另一目的是降低给水中的碱度。

碱度：碱度是度量水样中和酸的能力，能与酸中和的物质有氢氧根离子、碳酸盐、碳酸氢盐、硅酸盐和磷酸盐等，碱度与氢氧化物和碳酸盐结垢有密切关系。

碱度过高就必须用酸中和加以破坏。

温度：不同膜材料的耐温能力有所不同。

如复合膜耐温可高达45℃，而三醋酸纤维膜则不能超过35℃。

水温过高还会增加膜的压密性，膜组件产水量会大大下降。

此外，较高的水温（超过25℃）会加速细菌的繁殖，这时更要注意灭菌措施。

铁锰的含量：铁、锰易造成膜表面上污垢的沉积。

硫酸盐：硫酸盐（如CaSO4）不易清除，当硫酸盐和钙、镁含量较高时，必须注意加防垢剂是否正常，严格控制水的回收率。

硬度：硬度主要指钙和镁离子的含量，它是碳酸盐垢和硫酸盐垢的主要成分。

通过计算水中Langelier饱和指数、Stiff和Davis稳定指数可判断结垢的趋势。

余氯：加氯灭菌也是反渗透淡化过程中不可少的过程，但不同膜材料的耐氯性有很大差别。

三醋酸纤维耐氯性能较好，可耐1.0mg/L的余氯，而复合膜则只能在低于0.1mg/L下运行。

通过加入亚硫酸氢钠可降低余氯。

总有机碳（TOC）：TOC过多可能引起微生物的污染，特别是经过杀菌消毒过程，如水温较高，消毒分解的有机物，正是细菌的饵料，以致残存的细菌繁殖更快，醋酸纤维素膜对此非常敏感。

降低给水中的TOC，主要靠活性碳吸附。

在许多情况下，预处理费用是很高的。

此外，原水中的含盐量也是决定反渗透操作经济性的一项重要因素。

含盐量越高，淡化成本就越高。

而苦咸水的含盐量低于海水，因此苦咸水淡化的经济性一般优于海水淡化。

结合国内外海水淡化发展状况，预处理方法大致分为传统的预处理方法和新型的预处理方法。

前者主要以混凝(絮凝)、沉淀、过滤为主，而后者则以膜法为主。

2.2 传统的预处理技术传统的海水预处理一般包括：灭菌、沉降、过滤、软化、脱气等，需要多道工序，且成本高，效果不好。

目前，国外大型反渗透海水淡化工程主要在中东及海湾地区、欧洲、北美等地。

海水为几乎无污染的优质海水，通常浊度≤5NTU，SS≤10mg／L，预处理主要以传统方法为主，如：澄清、砂滤、多介质过滤等，传统处理方法完全能满足反渗透进水要求。

目前主要采用如图3所示的预处理流程。

图3 传统的海水淡化预处理工艺流程常规预处理方法的工艺冗长，先是对给水间歇式加氯进行消毒，再加絮凝剂和凝聚剂，然后经二级压力多介质过滤器去除已絮凝的液体物质，接着添加阻垢剂和NaHSO3，再经过保安过滤器进入反渗透单元，这样就造成处理工艺冗长和处理成本增加。

从上面可以看出：一是操作烦琐；二是费用高(估计占设备总投资的30％～40％，占运行费用的20％～30％)；三是需经相当长的一段时间才能生产出合格的滤水。

2.3 新型的预处理技术由于传统预处理方法有工艺繁杂、费用高、且所得过滤水产质量不稳定等许多不足之处，已不能满足反渗透法低能耗和高产水量的要求。

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。

反渗透海水淡化过程膜法预处理主要包括微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）以及集成技术等。

MF在去除悬浮固体、降低SDI上效果明显，费用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。

2.3.1 微滤（MF）技术新型MF技术以连续微滤(Continuous Micro-filtration，CMF)为代表，采用0.2μm孔径的中空纤维膜，材质为聚丙烯、磺化聚醚砜或醋酸纤维，由内向外死端过滤。

该膜可使胶体颗粒和细菌数量减少几个数量级，提高净化水的水质。

并可在很低的横流速度下运行。

经CMF过滤后SDI<3，浊度<0.2NTU，TSS<1㎎/L,颗粒粒径<0.2μm(传统多介质过滤器为5～10μm),能够达到反渗透系统对进水水质的要求，有利于延长反渗透膜的使用寿命。

该法能耗低，约为0.15～0.3(kW·h)／m3处理水，减少操作费用。

2003年底建成的天津市1 000t/d海水淡化示范工程中的海水深度预处理部分采用天津工业大学的CMF技术，运行两年多来，CMF出水SDI<2，且运行比较稳定。

2.3.2 超滤（UF）技术超滤技术是一种以机械筛分原理为基础，以膜两侧压差为驱动力的膜分离技术。

它的筛分孔径小，可截留水中的细菌、病毒、胶体、大有机分子、油脂、蛋白质、悬浮物等。

超滤技术有中空、卷式、平板、管式等几种组件类型，其中中空纤维膜是超滤技术中最为成熟与先进的一种形式，这种新型的毛细管型UF膜(中空纤维膜)可以处理高度污染的表层海水。

该型UF膜器的特点是具有频繁、短时、自动清洗毛细管膜的功能，且具有在较低的错流流速下运行的能力。

该UF 膜截留分子质量为(150～200)×103u，可确保RO在高通量和高截留率下操作，低压过滤和反洗，反洗水更容易处理，水回收率为65％，产水量提高10％，过滤水质显著提高，减少运行费用，减少了化学药剂投加量，该预处理能耗低。

2.3.3 纳滤（NF）技术NF技术是一种新型分子级膜分离技术，其膜材料可采用多种材料，如醋酸纤维素、醋酸-三醋酸纤维素、磺化聚砜、磺化聚醚砜、芳香聚酰胺复合材料和无机材料等。

NF膜孔径在lnm以上，一般在lnm～2nm．截留相对分子量200～1 000，对NaCl的截留率小于90％。

截留二价的Ca2+、Mg2+和S042-离子，大幅度降低了进料水的浊度、硬度和TDS的含量,解决了传统海水淡化过程中存在结垢污染等许多问题，保证膜组件的安全稳定运行，并大幅度提高水的回收率。

NF膜的最大特点是膜本体带有电荷。

因而对有机物具有良好的去除效果。

其对有机物的去除可用优先吸附-毛细管流原理解释。

膜本体带有电荷，这也使它在很低操作压力下(仅0.5mPa)仍具有较高的脱盐率。

另外。

NF膜还对无机离子进行选择性分离，使得它特别适合于海水的脱盐处理。

有研究表明，NF膜对细菌和病毒等也具有好的去除性能，且不需添加剂，对色度的去除也非常有效。

2.3.4 纳滤集成技术近年来，国外成功开发了将NF作为RO及MSF的预处理，组成了NF-RO，NF-MSF 及NF-SWRO-MSF集成淡化技术。

海水淡化的NF-SWRO-MSF集成技术的流程图见图4所示。

图4 淡化海水的NF-SWRO-MSF集成技术流程图海水经NF技术处理后，去除了80％以上的硬度，TDS下降了40％左右，且去除了所有的有机污染物，从而提高了SWRO的操作压力和整个系统的回收率(回收率可达60％左右)，且能保证SWRO膜组件的安全，长期稳定运行，大大提高淡化效益。

SWRO过程的浓缩海水硬度低、不易结垢，可再经由MSF处理，获得淡水使全过程的回收率可进一步提高到90％左右。

沙特盐水转化公司(SWCC)将NF-SWRO的排放浓盐水作为MSF的补充水进料，构成NF-SWRO-MSF集成系统，循环盐水中Ca2+和SO42-离子的浓度远远低于传统MFS装置循环盐水中的浓度，甚至远低于其在天然海水中的浓度，故结垢的可能性很小，所需的加酸量也很少，仅为使用天然水的18％或更低。

另外，利用MSF排热段预热的海水经过NF预处理并作为RO淡化过程的进料，可以减少季节水温变化对过程的影响，产水成本可进一步降低。

3 反渗透膜组件作为膜组件的核心，半透膜的材料不断更新以更好地适应工业应用。