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摘要：膜技术作为高新技术在化工领域的生产加工、清洁生产、综合利用、节能降耗和废液治理等方面发挥着独特的作用，随着膜技术的不断进步，其在化工领域中发挥的作用会越来越大。文中探讨了膜技术在海水淡化中的新进展，并对膜技术的综合利用进行了说明。
关键词：膜技术海水淡化 综合利用
中图分类号： TB43 文献标识码： A 文章编号：
前言
海水淡化作为解决水危机的有效途径之一,已经在许多国家和地区(尤其是海湾国家) 得到了广泛的应用。海水淡化的主要方法包括多级闪蒸(MSF) 、多效蒸发(MED) 和反渗透(RO) 等,前两种为蒸馏法,后一种为膜法。由于海水中的硬度、总固溶物和其他杂质的含量均较高,因此海水在进入蒸馏法和膜法淡化装置之前必须经过预处理。预处理可以降低清洗的次数(清洗费用一般占总运行费用的5 %～20 %) 、延长反渗透膜的使用寿命和提高蒸馏淡化装置的热效率、降低淡化过程的能耗及维护费用,同时可以减少化学药品的用量和污染物的排放量,保持环境的可持续发展。
一、海水淡化概述
海洋中却蕴藏着丰富的淡水,其总量约占海水的97%,相当于13.3亿立方公里之多,是一个最大而又稳定可靠的淡水储库。据预测,到2025年,全世界三分之二的人口将生活在缺水状态中随着淡水资源短缺的形势日趋严峻,人们寄希望于新的淡水资源的开发。海水淡化作为开发新的淡水资源的重要手段日益受到重视。海水淡化是将海水脱除盐分变为淡水的过程,是指将含盐浓度为35000mg／L的海水淡化至500mg／L以下的用水。淡化方法按照分离过程分类,可分为热过程和膜过程两类。热过程有多级闪蒸(MSF)、多效蒸馏(MED)、压汽蒸馏(VC)和冷冻法等;膜过程有反渗透法(RO)、纳滤(NF)、电渗析(ED)等。尽管淡化的方法多种多样,目前广泛应用的主要还是多级闪蒸法、低温多效蒸馏法和反渗透法。
二、膜技术在海水淡化中的新进展
1能量回收装置
膜法海水淡化发展迅速,国内外广泛采用,其根本原因在于反渗透淡化水的能耗大幅度下降。反渗透淡化水电耗下降如此之快,其主要贡献者就是浓盐水余压能量回收装置的发展和应用。因此,利用能量回收装置高效利用盐水的余压能,对大幅降低反渗透海水淡化系统能耗,进而降低产品成本至关重要。我国现有的反渗透海水淡化能量回收装置大都是进口产品，如挪威阿科凌的Recuperator及美国的产品等。为此,我国也非常重视能量回收装置技术的研究和开发,并且取得了可喜进展。例如在国家科技部“十五”、“十一五”以及天津市科委项目的资助下,天津大学成功开发了我国首台具有自主知识产权的日产百吨级和日产千吨级能量回收装置,装置能量回收效率分别为90％和93％,达到同期国际先进水平。大瞿岛一体化制水装置首次采用了具有我国自主知识产权的水压阀控式能量回收装置(vPX-50),与不带能量回收的同类装置相比节能效果明显,使得本体能耗下降到3.0kWh·m-3。
2膜技术进步
随着反渗透技术在海水淡化中的广泛应用,反渗透膜性能的优劣对淡化效果的作用更加突出,反渗透膜的作用也至关重要。目前反渗透膜主要由芳香聚酰胺制成,能够阻挡99.9％的盐分同时保持适当的渗透通量,其缺点是反渗透膜分离装置对进水指标有较高的要求,易产生膜污染,需定期对膜进行清洗,并且需在高压下运行,需配备高压泵和耐高压的管路。在发生生物污染时,有机物薄膜覆盖了反渗透膜的活性表面并阻止水分子的透过。目前国内外正在积极探索,研发新型反渗透膜。例如美国的UT-VT最近研发了耐氯反渗透膜,他们用磺化聚砜作为反渗透的膜材料,如此就不存在易受氯攻击的N-H键。UT-VT在聚合过程中引进两个荷电的磺酸基团,发现可以形成有重现性的稳定聚合物,其抗氯和脱盐性能测试表明,将聚合物暴露在活性氯浓溶液中35h没有显著的变化,同时其脱盐率可达到99％,满足苦咸水淡化的要求。尽管膜技术改进有关的工作还需完善,但提升膜性能、改进海水淡化效果的技术革新已展示了一定的产业化前景。
三、膜技术的综合利用
海洋是巨大的液体矿, 其中蕴藏着丰富的化学资源。我国矿产资源相对于众多人口而言较为贫瘠, 因此, 海水化学资源的综合利用势在必行。膜技术在该领域中的应用主要有以下几个方面:
1海水制盐
盐是人体新陈代谢必不可少的食品, 也是化学工业的基本原料。目前, 我国的原盐主要以海盐为主。海水制盐主要有三种方法即盐田法(太阳能蒸发法)、冷冻法和电渗析法。冷冻法如今已很少使用。电渗析法是用离子交换膜浓缩海水制卤, 然后蒸发结晶制盐。电渗析离子交换膜法制盐的基本工艺如图1 所示。电渗析法制盐具有以下优点:
(1) 不受自然条件限制, 一年四季均可生产。
(2) 基建投资少, 占地面积小。
(3) 节省人力, 常备人员较盐田法减少约90% 以上。
(4) 卤水纯度和浓度比盐田法有所提高。
离子交换膜在日本的最大用途, 是采用电渗析的海水浓缩、膜法制盐。这种用途的应用比例占离子交换膜的80%～90%。为此, 现在也正在进行制盐用的离子交换膜的改进。电渗析法海水浓缩制盐, 关键是单价离子高选择性低电阻的均相膜、大型制盐电渗析膜堆和制盐工艺参数控制等。海水中有各种溶解离子, 电渗析浓缩海水制盐于20 世纪70 年代初在日本实现工业化, 80 年代中期各盐业公司全部实行这项技术。国内还未见该项技术工业化应用的报道, 电渗析制盐工艺达到工业应用规模的国家, 只有科威特和日本。
2溴素的提取
溴是重要的化工原料, 在生产、科研、生活的各个领域均具有广泛的用途, 海水是我国溴素的主要来源之一。国内膜法提溴的研究始于上世纪80 年代初, 主要是液膜法和气态膜法。
液膜技术用于海水溴的分离、浓缩, 具有高效、快速、选择性好、节能等特点。利用液膜法从海水中提取溴的实验表明,液膜技术对溴的分离、富集、速度快, 工艺简便。可与卤水提溴的水蒸汽蒸馏法结合, 是提取溴的—种新工艺。制备油包水(W/O ) 型乳状液膜, 使其形成W /O 再O/W 的分離体系, B r2 在膜面有巨大的传质面积, 有较大的溶解度, 能有选择地分离和富集海水中的溴, 在内相中发生不可逆的化学反应, 生成了难以逆向扩散的产物。并使溴从低浓度向高浓度产生促进迁移。有关从海水中提取溴的分离条件研究和分离工艺已有报道, 大多停留在实验室阶段, 需要对液膜的破损、内膜外泄, 溴在体系中的分布等因素进一步进行研究。气态膜法提溴技术是利用疏水性膜吸收器, 以两侧溴素浓度差为传质推动力, 从膜的一侧扩散至另一侧, 进行高效非强制性解吸。这一过程需要克服膜所带来的额外阻力, 以单位接触面积计, 传质系数低于填料塔, 但其单位体积填充密度大, 特别是中空纤维膜吸收器填充密度可达1 000 m2/m3, 据研究推测, 气态膜法提溴工艺较空气吹出法可节能50% 。该法具有传质效率高, 无液泛沟流现象, 无尾气排放, 占地面积小等优点。
结束语
随着淡水资源的日趋珍贵和短缺,海水淡化技术的应用和发展将有广阔的空间。但同时我们也应注意到以下几个问题,首先海水淡化过程中成本控制问题;其次海水淡化过程中产生废弃膜污染问题;再次大规模海水淡化所产生废水排放到海洋对海洋生物和环境的影响等问题,解决好这些问题将更有利于海水淡化技术的推广以及水资源的保护和利用。
参考文献
[1] 方建慧,姜华,刘继全,沈霞,施利毅.纳滤膜在海水淡化中的应用研究[J]. 膜科学与技术. 2006(01)
[2] 张维润,樊雄.集成膜工艺海水淡化与浓海水综合利用[J]. 水处理技术. 2007(02)
[3] 郑伟,石艳玲,迟名迎.我国反渗透海水淡化技术应用现状[J]. 消费导刊. 2007(06)
[4] 潘献辉,赵亮.反渗透海水淡化膜法预处理技术研究进展[J]. 工业水处理. 2007(06)
关键词：膜技术海水淡化 综合利用
中图分类号： TB43 文献标识码： A 文章编号：
前言
海水淡化作为解决水危机的有效途径之一,已经在许多国家和地区(尤其是海湾国家) 得到了广泛的应用。海水淡化的主要方法包括多级闪蒸(MSF) 、多效蒸发(MED) 和反渗透(RO) 等,前两种为蒸馏法,后一种为膜法。由于海水中的硬度、总固溶物和其他杂质的含量均较高,因此海水在进入蒸馏法和膜法淡化装置之前必须经过预处理。预处理可以降低清洗的次数(清洗费用一般占总运行费用的5 %～20 %) 、延长反渗透膜的使用寿命和提高蒸馏淡化装置的热效率、降低淡化过程的能耗及维护费用,同时可以减少化学药品的用量和污染物的排放量,保持环境的可持续发展。
一、海水淡化概述
海洋中却蕴藏着丰富的淡水,其总量约占海水的97%,相当于13.3亿立方公里之多,是一个最大而又稳定可靠的淡水储库。据预测,到2025年,全世界三分之二的人口将生活在缺水状态中随着淡水资源短缺的形势日趋严峻,人们寄希望于新的淡水资源的开发。海水淡化作为开发新的淡水资源的重要手段日益受到重视。海水淡化是将海水脱除盐分变为淡水的过程,是指将含盐浓度为35000mg／L的海水淡化至500mg／L以下的用水。淡化方法按照分离过程分类,可分为热过程和膜过程两类。热过程有多级闪蒸(MSF)、多效蒸馏(MED)、压汽蒸馏(VC)和冷冻法等;膜过程有反渗透法(RO)、纳滤(NF)、电渗析(ED)等。尽管淡化的方法多种多样,目前广泛应用的主要还是多级闪蒸法、低温多效蒸馏法和反渗透法。
二、膜技术在海水淡化中的新进展
1能量回收装置
膜法海水淡化发展迅速,国内外广泛采用,其根本原因在于反渗透淡化水的能耗大幅度下降。反渗透淡化水电耗下降如此之快,其主要贡献者就是浓盐水余压能量回收装置的发展和应用。因此,利用能量回收装置高效利用盐水的余压能,对大幅降低反渗透海水淡化系统能耗,进而降低产品成本至关重要。我国现有的反渗透海水淡化能量回收装置大都是进口产品，如挪威阿科凌的Recuperator及美国的产品等。为此,我国也非常重视能量回收装置技术的研究和开发,并且取得了可喜进展。例如在国家科技部“十五”、“十一五”以及天津市科委项目的资助下,天津大学成功开发了我国首台具有自主知识产权的日产百吨级和日产千吨级能量回收装置,装置能量回收效率分别为90％和93％,达到同期国际先进水平。大瞿岛一体化制水装置首次采用了具有我国自主知识产权的水压阀控式能量回收装置(vPX-50),与不带能量回收的同类装置相比节能效果明显,使得本体能耗下降到3.0kWh·m-3。
2膜技术进步
随着反渗透技术在海水淡化中的广泛应用,反渗透膜性能的优劣对淡化效果的作用更加突出,反渗透膜的作用也至关重要。目前反渗透膜主要由芳香聚酰胺制成,能够阻挡99.9％的盐分同时保持适当的渗透通量,其缺点是反渗透膜分离装置对进水指标有较高的要求,易产生膜污染,需定期对膜进行清洗,并且需在高压下运行,需配备高压泵和耐高压的管路。在发生生物污染时,有机物薄膜覆盖了反渗透膜的活性表面并阻止水分子的透过。目前国内外正在积极探索,研发新型反渗透膜。例如美国的UT-VT最近研发了耐氯反渗透膜,他们用磺化聚砜作为反渗透的膜材料,如此就不存在易受氯攻击的N-H键。UT-VT在聚合过程中引进两个荷电的磺酸基团,发现可以形成有重现性的稳定聚合物,其抗氯和脱盐性能测试表明,将聚合物暴露在活性氯浓溶液中35h没有显著的变化,同时其脱盐率可达到99％,满足苦咸水淡化的要求。尽管膜技术改进有关的工作还需完善,但提升膜性能、改进海水淡化效果的技术革新已展示了一定的产业化前景。
三、膜技术的综合利用
海洋是巨大的液体矿, 其中蕴藏着丰富的化学资源。我国矿产资源相对于众多人口而言较为贫瘠, 因此, 海水化学资源的综合利用势在必行。膜技术在该领域中的应用主要有以下几个方面:
1海水制盐
盐是人体新陈代谢必不可少的食品, 也是化学工业的基本原料。目前, 我国的原盐主要以海盐为主。海水制盐主要有三种方法即盐田法(太阳能蒸发法)、冷冻法和电渗析法。冷冻法如今已很少使用。电渗析法是用离子交换膜浓缩海水制卤, 然后蒸发结晶制盐。电渗析离子交换膜法制盐的基本工艺如图1 所示。电渗析法制盐具有以下优点:
(1) 不受自然条件限制, 一年四季均可生产。
(2) 基建投资少, 占地面积小。
(3) 节省人力, 常备人员较盐田法减少约90% 以上。
(4) 卤水纯度和浓度比盐田法有所提高。
离子交换膜在日本的最大用途, 是采用电渗析的海水浓缩、膜法制盐。这种用途的应用比例占离子交换膜的80%～90%。为此, 现在也正在进行制盐用的离子交换膜的改进。电渗析法海水浓缩制盐, 关键是单价离子高选择性低电阻的均相膜、大型制盐电渗析膜堆和制盐工艺参数控制等。海水中有各种溶解离子, 电渗析浓缩海水制盐于20 世纪70 年代初在日本实现工业化, 80 年代中期各盐业公司全部实行这项技术。国内还未见该项技术工业化应用的报道, 电渗析制盐工艺达到工业应用规模的国家, 只有科威特和日本。
2溴素的提取
溴是重要的化工原料, 在生产、科研、生活的各个领域均具有广泛的用途, 海水是我国溴素的主要来源之一。国内膜法提溴的研究始于上世纪80 年代初, 主要是液膜法和气态膜法。
液膜技术用于海水溴的分离、浓缩, 具有高效、快速、选择性好、节能等特点。利用液膜法从海水中提取溴的实验表明,液膜技术对溴的分离、富集、速度快, 工艺简便。可与卤水提溴的水蒸汽蒸馏法结合, 是提取溴的—种新工艺。制备油包水(W/O ) 型乳状液膜, 使其形成W /O 再O/W 的分離体系, B r2 在膜面有巨大的传质面积, 有较大的溶解度, 能有选择地分离和富集海水中的溴, 在内相中发生不可逆的化学反应, 生成了难以逆向扩散的产物。并使溴从低浓度向高浓度产生促进迁移。有关从海水中提取溴的分离条件研究和分离工艺已有报道, 大多停留在实验室阶段, 需要对液膜的破损、内膜外泄, 溴在体系中的分布等因素进一步进行研究。气态膜法提溴技术是利用疏水性膜吸收器, 以两侧溴素浓度差为传质推动力, 从膜的一侧扩散至另一侧, 进行高效非强制性解吸。这一过程需要克服膜所带来的额外阻力, 以单位接触面积计, 传质系数低于填料塔, 但其单位体积填充密度大, 特别是中空纤维膜吸收器填充密度可达1 000 m2/m3, 据研究推测, 气态膜法提溴工艺较空气吹出法可节能50% 。该法具有传质效率高, 无液泛沟流现象, 无尾气排放, 占地面积小等优点。
结束语
随着淡水资源的日趋珍贵和短缺,海水淡化技术的应用和发展将有广阔的空间。但同时我们也应注意到以下几个问题,首先海水淡化过程中成本控制问题;其次海水淡化过程中产生废弃膜污染问题;再次大规模海水淡化所产生废水排放到海洋对海洋生物和环境的影响等问题,解决好这些问题将更有利于海水淡化技术的推广以及水资源的保护和利用。
参考文献
[1] 方建慧,姜华,刘继全,沈霞,施利毅.纳滤膜在海水淡化中的应用研究[J]. 膜科学与技术. 2006(01)
[2] 张维润,樊雄.集成膜工艺海水淡化与浓海水综合利用[J]. 水处理技术. 2007(02)
[3] 郑伟,石艳玲,迟名迎.我国反渗透海水淡化技术应用现状[J]. 消费导刊. 2007(06)
[4] 潘献辉,赵亮.反渗透海水淡化膜法预处理技术研究进展[J]. 工业水处理. 2007(06)