反滲透技術在水處理中的應用進展

倪國強，解 田，胡 宏，朱 靜，隋巖峰

（1.貴州大學化學與化工學院，貴州 貴陽 550003；2. 甕福（集團）有限責任公司， 貴州 福泉 550501）

水資源是一種寶貴的稀缺資源，由于水資源在日常生活和生產中發揮著不可代替的作用，21世紀水資源問題已經不僅僅是資源問題，更成為關系到各個國家經濟發展、社會進步和國家穩定的重要戰略問題[1]。我國水資源總儲量居世界第6位，約為2.81萬億m3。但是由于我國人口基數巨大，人均水資源占有量僅為世界人均水資源占有量的1/4，不足2150m3，位列世界110位，是聯合國認定的“水資源最為緊缺”的13個國家之一[2]。為了解決我國水資源短缺的現狀，開發新型水資源和污水處理回用技術越來越受到重視。近些年，反滲透 技術廣泛應用于水處理方面，并展現出其獨特的優勢。

1 原理、工藝及發展

1.1 原理

反滲透（Reverse Osmosis）是利用反滲透膜的選擇性，以膜兩側靜壓差為動力，克服溶劑（通常是水）的滲透壓，允許溶劑通過而截留離子物質，對液體混合物進行分離的膜過程。進行反滲透分離過程有2個必要條件[3]：一是外加壓力必須大于溶液的滲透壓力（操作壓力一般為1.5~10.5MPa）；二是必須有一種高透水性、高選擇性的半透膜。反滲透膜表面微孔孔徑一般小于1nm，對絕大部分無機鹽、溶解性有機物、溶解性固體、生物和膠體都有很高的去除率。

1.2 技術工藝

反滲透膜自身對進水的pH、溫度以及特定的化學物質比較敏感，進水的水質嚴格要求pH值范圍4~10，溫度＜40℃，淤泥密度指數SDI＜5，游離氯＜ 0.1mg·L-1，濁度＜ 1，含鐵量＜ 0.1mg·L-1等。為了滿足反滲透膜進水要求，原水在進入反滲透膜系統之前首先要進行預處理（沉降、混凝、微濾、超濾、活性炭吸收、pH調節等），然后經加壓泵加壓進入膜組件，在壓力的作用下原水透過反滲透膜成為產水，而無機鹽、有機物及微粒等被反滲透膜截留在膜的另一側形成濃液。根據具體工藝的需求，濃液可被回收利用或者再處理。反滲透可以與超濾、納濾等膜裝置連用，組成集成膜裝置。反滲透水處理簡易工藝流程見圖1。

圖1 反滲透水處理工藝流程簡圖

1.3 發展

反滲透膜的發展大致經歷了3個階段（表1）。目前，我國常用的反滲透膜材料主要有醋酸纖維素膜（CA膜）、芳香聚酰胺膜（PA膜）和殼聚糖膜（CS膜）這3類。CA膜是運用最早的膜材料，無臭、無味、無毒，對光穩定，吸濕性強，但是CA膜的化學穩定性、熱穩定性、壓密性較差，而且易降解。PA膜是工業上最常用的反滲透膜，具有物化穩定性，耐強堿、油酯、有機溶劑，機械強度好等優點，但是PA膜具有帶電性，水中顆粒易在膜表面沉積，形成膜污染，縮短使用壽命。CS膜是天然高分子膜材料，無毒、無副作用，能抗菌，堿土金屬離子的脫除能力強，是更優越的硬水軟化的反滲透膜，是一種極有潛力的膜材料，在國際受到極大的關注[9~11]。

表1 反滲透膜發展的3個階段

反滲透膜的最新發展包括無機膜、雜化膜和新型有機膜[12]。理論上，無機膜離子截留性能很高，但成本高，制備條件苛刻，不利于工業化應用；雜化膜融合了有機材料與無機材料的優點，在提高膜分離性能及抗污染方面有很好的應用前景，具有很大的發展潛力，有待進一步的理論研究；新型有機膜的制備還在初級階段，主要目的是改善膜通量及化學穩定性，目前仍未獲得突破性進展。

2 在水處理中的應用

與其他傳統分離工程相比，反滲透分離過程有其獨特的優勢：（1）壓力是反滲透分離過程的主動力，不經過能量密集交換的相變，能耗低；（2）反滲透不需要大量的沉淀劑和吸附劑，運行成本低；（3）反滲透分離工程設計和操作簡單，建設周期短；（4）反滲透凈化效率高，環境友好。因此，反滲透技術在生活和工業水處理中已有廣泛應用，如海水和苦咸水淡化、醫用和工業用水的生產、純水和超純水的制備、工業廢水處理、食品加工濃縮、氣體分離等。

2.1 海水和苦咸水淡化

20世紀60年代以來，反滲透脫鹽已成為一種獲取飲用水的重要途徑，是解決淡水資源緊缺的一種有效方法[13]。目前，反滲透脫鹽技術主要應用在兩個方面：海水淡化和苦咸水脫鹽。

全世界海水淡化裝置中約有30%是利用反滲透技術實現的，通過反滲透膜可除去海水中99%以上的鹽離子[14]，得到可飲用的淡水。以色列的反滲透海水淡化技術比較領先，2005年阿什克倫建造了當時世界上最大的反滲透海水淡化裝置，產水量為3.3×105m3·d-1，占到以色列全部水需求量的15%，產水成本約為0.53美元·m-3[15]。我國最大的反滲透海水淡化站位于大連市長海縣，日產淡水1000m3，淡水成本 6 元·m-3[16]。

苦咸水在我國北方地區分布較為廣泛，含鹽離子較多，可通過反滲透技術進行除鹽淡化處理，達到飲用水標準。馬蓮河流域示范工程利用馬蓮河上游環江苦咸水資源，采用反滲透膜技術，建立1000 m3·d-1苦咸水淡化工程，出水水質達到國家生活飲用水衛生標準，有效解決了環縣城區5萬居民飲水問題[17]。杭州灣新區水廠[18]采用了超濾及反滲透組合設備處理當地水庫的高鹽水，投入運行1年多來出水水質穩定，符合國家飲水水質標準。何緒文[19]、姚永毅[20]、孫魏[21]等均對苦咸水進行過反滲透處理的實驗研究，系統脫鹽率＞95%，出水水質優于國家飲用水標準。

海水和苦咸水淡化是反滲透技術的傳統應用領域，目前存在的問題仍然是操作壓力偏高，能耗較大，另外海水中的Cl-對反滲透膜也有較大的污染，阻礙了反滲透技術在該領域的進一步推廣。目前，低壓、低能耗、抗污染、抗氧化的反滲透膜正在積極的研發之中，以便從根本上解決現在存在的問題。

2.2 純水和超純水的制備

清華紫光古漢集團衡陽制藥廠[22]采用反滲透+混床水處理技術改進了原來的全離子交換制水工藝，運行期間，產水增加，水質改善，大幅度降低了制水成本。此外，許多科研人員[23~27]均對反滲透+電去離子法制取純水進行了實驗研究，達到了預期結果，證實了反滲透+電去離子法制取高純水的可行性。

通過控制反滲透的級數可制取不同純度脫鹽水。隨著反滲透級數的增加，脫鹽水的純度提高，但是出水量減少，水利用率降低，因此，反滲透裝置連用一般不會超過二級，通常將反滲透與電去離子技術聯用，不僅克服了反滲透出水不能徹底除鹽的不足，還可以提高電去離子裝置的進水水質，防止電去離子設備損壞，提高整體凈水效果。

2.3 工業廢水處理

工業廢水處理是除脫鹽和純水的制備領域外，反滲透技術應用最多的一個領域。工業廢水處理具有降低生產成本，保護環境，實現廢水資源化等多重意義。由于反滲透膜對進水要求較高，運用反滲透技術對廢水進行深度處理時，往往還要結合沉降、混凝、微濾、超濾、活性炭吸收、pH調節等預處理工藝。

2.3.1 重金屬廢水處理

反滲透技術在重金屬廢水處理中應用較早，國內外均對此進行了大量的研究。早在20世紀70年代，反滲透技術已經在電鍍廢水處理中有所應用，主要是大規模用于鍍鎳、鉻、鋅漂洗水和混合重金屬廢水的處理。

Mohsen Niaa[28]加入Na2EDTA對Cu2+和Ni2+離子進行螯合作用，然后通過反滲透過濾，對Cu2+和Ni2+的離子截留率可以提高至99.5%。Covarrubias[29]、Bodalo[30]等采用反滲透膜處理制革廢水，結果表明，反滲透膜對皮革工業廢水中的鉻和有機物有很高的去除率。

長沙力元新材料股份有限公司[31]采用膜分離技術濃縮電鍍鎳漂洗水，鎳離子的截留率大于99%，經一級納濾和兩級反滲透濃縮后，濃縮液中鎳離子濃度達到50g·L-1，透過液可經處理后再次回用。張連凱[32]對印制電路板加工酸洗車間產生的重金屬廢水調節pH至中性后采用超濾+反滲透工藝進行中試，反滲透系統對Cu2+和溶解性總固體的去除率分別為99.9%和98.9%。

2.3.2 印染廢水處理

印染紡織廢水不僅色度高、水量大，而且成分十分復雜，廢水中含有染料、漿料、油劑、助劑、酸堿、纖維雜質以及無機鹽等，染料結構中還含有很多較大生物毒性的物質，如硝基和胺類化合物以及銅、鉻、鋅、砷等重金屬元素[33]，如不經處理直接排放，必將對環境造成嚴重污染。

曾杭城[34]應用超濾+反滲透雙膜技術處理印染廢水，超濾能夠有效地去除廢水中大分子有機物，降低濁度，使進水水質達到反滲透膜的要求，經反滲透處理后，有機物和鹽的去除率可分別達99%和93%以上，產水化學需氧量小于10mg·L-1，電導率小于80μS·cm-1，產水滿足大部分印染工藝用水標準。鐘璟[35]采用中空纖維超濾膜和反滲透技術處理羊毛印染廢水，操作壓力為0.1MPa，流速為1500L·h-1的條件下，色度、含鹽量等指標均有顯著的降低，COD值、色度達標排放。

2.3.3 電廠循環廢水處理

電廠循環冷卻水系統對水的消耗量很大，占到純火力發電廠用水的80%，熱電廠用水的50%以上[36]，對循環排放水進行回收處理，產水作為循環補充水或鍋爐補給水系統的水源，不僅防止了對環境造成污染，還可以有效節約水資源，降低生產成本。

北京京豐天然氣燃機聯合循環電廠[37]采用超濾+反滲透技術聯合操作對電廠循環排污水進行處理，投運以來，反滲透系統運行良好，產水量68 m3·h-1，電導率小于 35μS·cm-1，脫鹽率高于97%。邯鄲鋼鐵集團有限責任公司電廠[38]脫鹽水站同樣采用雙膜法水處理工藝，經過超濾+二級反滲透+混床處理后的精脫鹽水可供電廠鍋爐及干熄焦使用，日產精脫鹽水15000t。此外，郭青[39]在臨沂發電有限公司，對超濾-反滲透組合工藝處理循環冷卻排污水做了現場試驗，反滲透系統各段運行壓力平穩，產水滿足回用的要求。陳穎敏[40]采用連續微濾+反滲透技術對循環排污水進行預除鹽，反滲透系統脫鹽率達98%以上。

2.3.4 化工廢水處理

采用離子交換法生產K2CO3的生產過程中，會產生大量的NH4Cl廢水，為了節約用水和徹底解決NH4Cl廢水排放問題，張繼臻[41]采用選擇離子交換、反滲透膜分離和低溫多效閃蒸相結合的方法，將低濃度NH4Cl廢水進一步濃縮回收，使廢水由達標排放轉變為全部回收利用，達到零排放。

石油化工廢水成分復雜，除含有油、硫、苯、酚、氰、環烷酸等有機物以外，還含有金屬鹽、反應殘渣等，污染物濃度高且難降解，水量及酸堿度波動較大，傳統的水處理工藝很難達到資源回收再利用的目的。蘭州石化公司[42]于2006年新建的500t·h-1脫鹽水裝置，5年間運行穩定，脫鹽率高，效果良好。李宇航[43]采用超濾+反滲透雙膜法進行了石化廢水再生利用的中試，超濾系統產水SDI＜3，反滲透系統的脫鹽率＞99%，終端產水達到循環冷卻補水水質要求。

反滲透一般作為工業廢水終端處理，對水中的無機鹽、有機物、重金屬離子等都有很高的截留率，出水水質優良，可回用作冷卻水或工藝用水循環利用，不僅節約了新鮮水的使用量，節約生產成本，還減少了污水的排放量，對環境保護和可持續發展都有著重要意義，對缺水地區具有巨大的經濟效益。

3 存在的問題及解決方案

3.1 操作壓力問題

反滲透技術較之傳統分離工藝在能耗方面有著獨特的優勢，但是在反滲透的傳統脫鹽領域和廢水處理領域，降低能耗仍然是人們關注的重點，尤其是海水淡化中，反滲透所需能耗遠大于反滲透膜的成本。為了減小操作壓力，提高通量，反滲透材料正在向皮層超薄型和低壓型反滲透膜方向發展；對出水要求不是很高的工業廢水處理，可選擇采用納濾膜代替反滲透膜，在產水水質滿足用水要求的前提下，降低能耗。

3.2 膜污染問題

反滲透膜污染是制約反滲透技術廣泛應用的另一重要因素，膜污染不僅影響了膜的穩定運行和出水水質，還縮短了膜的使用壽命。針對膜污染，主要的方法有[44]：（1）完善預處理系統，保證反滲透系統進水水質；（2）對反滲透膜進行清洗，對膜污染物進行化學分析，選擇最佳的清洗劑和清洗方法；（3）定期對反滲透膜裝置進行停車保養。

3.3 濃水處理問題

反滲透水處理工藝對進水進行分離后，不可避免地會產生濃水，濃水的主要特點是含鹽量比較大，由于反滲透進水嚴格，因此濃水的色度，濁度，以及有機物的含量都比較低。根據反滲透濃水的特點，可加入阻垢劑后回用反滲透系統，調節濃水和進水比例，達到循環利用；如濃水中某貴重離子含量較高，可對該離子進一步濃縮提純。詹金坤[45]還驗證了反滲透濃水作為超濾反洗水的可行性，也是一種反滲透濃水利用的新方法。

4 總結及展望

在人口眾多，水資源不斷匱乏的今天，如何提高水資源利用率和降低水處理成本，對企業而言是關系到企業發展，環境保護以及社會利益的重大問題。為了解決這些問題，水處理方法也在不斷地發展和成熟。20世紀60年代迅速崛起的膜分離技術，無論是在產品結構調整、降低能耗及污染防治等方面都有明顯的優勢。反滲透技術的凈化效率高，設計和操作簡單，切實解決了目前水處理面臨的許多難題。

但反滲透水處理技術的發展仍將面臨兩個難題：一是反滲透膜材料的發展，研究開發低壓超薄、抗污染、抗氧化、易清洗、高截留和高水通量的新型反滲透膜材料，從根本上解決反滲透水處理應用中存在的問題；二是反滲透水處理工藝的改進，開發反滲透膜組件與其他分離技術的聯用，提高進水質量，降低膜污染，增加反滲透膜的使用壽命，優化濃水處理，提高水利用率，在現有的基礎上進一步降低水處理成本，所有這些都為科研工作者在反滲透技術領域的研究提供了廣闊天地。

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