海水淡化反渗透膜技术最新进展和其应用

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1、海水淡化反渗透膜技术的最新进展及其应用朱列平1，沈彬蔚1，赵杰1，边见昌弘2，杨瑜芳3（1.蓝星东丽膜科技(北京)有限公司；2.东丽株式会社地球环境研究所；3.东丽先端材料研究开发（中国）有限公司水处理研究所）摘要：反渗透膜（RO）技术是解决世界水危机问题的最有力的工具之一。反渗透膜法海水淡化过程中节能和高脱盐是需要满足的二个主题，然而产水特性与去除溶质之间存在背离平衡，同时满足会较为困难。东丽采用正电子湮灭时间光谱法（PALS）进行膜孔孔径分析，由此得出膜孔大小和RO膜对硼的去除特性显示出相关性。采用透视电子显微镜（TEM）进行RO膜表面构造和形态学分析，获得影响膜的透水性的参数。在上述研

2、究成果的基础上，把分子设计技术应用于海水淡化的高性能RO膜的开发上，在RO膜溶质去除性和透水性相关方面都取得了很大的进展。同时使用这些研发成果开发了创新性海水反渗透膜，已经在全球最大的海水淡化项目（阿尔及利亚Magtaa，500,000m3/d）和中国最大海水淡化项目（青岛，100,000m3/d）中得到应用。关键词：反渗透膜，海水淡化，低能耗，高通量，高脱盐，高脱硼1、节约能源和改善水质的需求中国是一个贫水国家，沿海地区的经济发展给水资源带来很大的负荷。开源节流，向取之不尽的海洋获取淡水已不是一个梦想。我国的海水淡化技术研究始于上世纪70年代，经过40多年的发展，海水淡化技术已有相当的基础

3、，海水淡化已逐步成为解决沿海地区工业用水和岛屿缺水问题的重要手段。但还存在着发展慢、规模小、工业基础薄弱、成本相对高的问题（杨，2012；朱，2011）。人口激增和人类工业活动引起了水资源的大量消耗。由于膜技术在低能耗条件下能够提供高品质水，因此被认为是解决这些问题的最有力工具之一。由于海水的可用性，已成为最重要的水资源之一，世界各地有许多大型反渗透海水淡化厂。然而，高运行压力带来的高能耗一直是造成海水淡化成本居高不下的原因，也是困扰反渗透膜法普及应用的瓶颈。节约能量和改善水质是反渗透法海水淡化的两大主题。这40年来，反渗透法海水淡化厂的平均能耗已被减至五分之一（MacHarg,2007），

4、主要原因是由于膜、泵、能量回收装置的卓越技术革新。然而，节能是全世界永无落伍的课题，为了进一步降低能耗，仍然需要更先进的技术发展。由于实验室动物实验显示硼具有再生性毒性（WHO,2004），所以水质中其浓度的标准已受到重视（Taniguchi,etal.,2001,2004;Fukunaga,etal.,1997）。在海水中硼以硼酸的形式存在，它的浓度为4-7mg/L，含量是地表水的二十倍甚至更高。而且对RO膜来说去除硼有一定难度：首先，硼以硼酸的形式存在，硼酸分子的尺寸很小，很难通过膜孔径截留得以去除；第二，由于硼酸的酸离解常数是9.14-9.25，在pH7-8的天然海水中不发生电离化，当

5、pH达到9或更高后，发生离解（Rodriguez,etal.,2001;Hyung,etal.,2006），在中性条件下由于硼酸和膜间的电子排斥力致使硼去除率不高。所以8/8，理想的海水RO膜应该具有高透水性和高的溶质去除性能。通常透水性增加和溶质脱除率降低有一个逆向权衡，如图1所示。聚合物之间的空间形成了RO膜上的孔，膜孔的尺寸和数量决定着RO膜的性能。也就是说，水中溶质的去除决定于膜孔尺寸，透水性决定于膜孔的数量。为了获得更优的性能，RO膜的分子结构和溶质传输机理的科学研究是必需的。图1RO膜性能改善的概念注：Trade-offbetweenenergy-savingandwaterqu

6、ality:节能与水质的相关关系Waterquality:水质;SoluteRejectionRate:溶质去除率；Waterpermeability:透水性；Energysaving:节能；Spacewithinpolymers=”Pore”:高分子聚合物的空隙=孔径；Na+（Hydrated）：含水钠离子；Boron(Boricacid):硼酸；H2O:水分子PolymerchainsofRO:反渗透膜的高分子聚合物链；Essentialsforpermeation:渗透的决定因素；Sizeofpore:膜孔径的尺寸；Quantityofpore(Activemembranearea)：

7、膜孔径的数量（有效膜面积）2、RO膜的结构分析和表面形态学分析2.1RO膜的结构分析复合RO膜通常由三部分构成，即分离功能层、聚砜多孔支持层和聚酯无纺布基层，见图2所示。由于交联芳香族聚酰胺在物质去除性和操作耐久性方面显示了优异的性能（Petersen,1993），因此成为复合RO膜的分离功能层中最常见的材质。其它两层的作用是要求在操作压力下，支撑分离功能层的结构，且无半透膜特性。因此可以说，RO膜的功能取决