淺析反滲透海水淡化工藝的優(yōu)化

汪濱

摘 要：文章簡要介紹了海水淡化技術的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了反滲透海水淡化技術的原理和工藝流程，重點探討了反滲透海水淡化技術在預處理、能量回收和技術參數(shù)三方面的優(yōu)化設計。

關鍵詞：反滲透；海水淡化；優(yōu)化；能量回收裝置；回收率

引言

眾所周知，淡水資源與人類生產生活密切相關。全球水體內淡水資源分布極不均衡，淡水占總儲水量不到3%，海水由于含鹽量過高早就超過97%。可供人類利用的淡水僅占全球總儲水量的0.26%。淡水資源缺乏是一個全球性問題，21世紀將是海水淡化大發(fā)展的時代。

海水淡化，又稱海水脫鹽，是從海水中獲取淡水的技術和過程。我們一般采取兩種方法，一是從海水中取出水，我們采用蒸餾法、反滲透法、冰凍法、水合物法和溶劑萃取法等，另外一種則是從海水中取出鹽。普遍采取離子交換法、電滲析法、電容吸附法和壓滲法。迄今為止，實際中我們采用的主要是蒸餾法、反滲透法和電滲析法。

1970年以后，逐步進入海水淡化市場的反滲透海水淡化技術，發(fā)展勢頭迅猛，世界上流行采用反滲透膜技術。

1 反滲透海水淡化技術介紹

目前反滲透膜與組件的生產已經相當成熟，工程造價和運行成本持續(xù)降低，主要發(fā)展趨勢為降低反滲透膜的操作壓力，提高反滲透系統(tǒng)回收率，降低高效預處理技術的成本，增強系統(tǒng)抗污染能力等。

1.1 反滲透的原理

滲透是水從稀溶液一側通過半透膜向濃溶液一側自發(fā)流動的過程。半透膜只允許水通過，而阻止溶解固態(tài)物（鹽）的通過。水流入后濃溶液就會產生變化，最終被稀釋。當水向濃溶液流動，產生的壓力足以用來阻止水繼續(xù)凈流入，這樣滲透便相對平衡。

當在濃溶液上不斷加壓，壓力達到一定程度時，濃溶液中的水就流向稀溶液使其濃度變大，這一過程就是滲透相反過程我們叫反滲透。

1.2 海水反滲透技術的工藝流程

反滲透海水淡化技術的常見工藝流程如下：

海水升壓泵→多介質過濾器→細砂過濾器→保安過濾器→高壓給水裝置→反滲透裝置→潔凈淡水

海水經過預處理之后，在高壓泵壓力的驅動下，我們可以讓水進入膜的低壓側，這樣水中鹽分及污染物就會被阻擋在膜高壓側，隨著濃水排除。這就是分離原理。海水淡化時，實際操作壓力一般大于5.5MPa，這也是考慮到淡化效率。

2 反滲透海水淡化技術優(yōu)化設計

反滲透海水淡化工藝優(yōu)化主要表現(xiàn)在：給水預處理技術改進，能量回收裝置，以及反滲透淡化系統(tǒng)優(yōu)化設計等方面。

2.1 給水預處理工藝的改進

2.1.1 傳統(tǒng)技術海水預處理

因為海水的特殊性：海水中存在各種繁殖速度快的微生物。為了控制它們的繁殖，在海水升壓泵入口的管道中用氯化的方法進行消毒殺菌，去除大部分微生物。考慮大多數(shù)反滲透膜的耐氯性能差，容易被損壞或降解，因此在預處理之后海水進入反滲透裝置之前，還將投加還原劑來進行除氯處理，更好的保障膜組件的安全運行。

2.2 能量回收裝置

反滲透海水淡化技術中，膜脫鹽用的關鍵設備對工藝路線的改進、能耗的降低等也至關重要，如高壓泵和能量回收裝置的快速發(fā)展：除高壓泵的品種和型號不斷增多，容量不斷增大和效率不斷提高之外，特別要提到是能量回收裝置。現(xiàn)在工業(yè)中應用的余壓能量回收裝置主要包括流體非直接接觸式和流體直接接觸式，前者最具代表性的是PEI公司的Turbo Charge，后者最具代表性的是ERI公司的PX（Pressure Exchange-PX，壓力交換器）。

例如在印尼Sulawesi工程海水反滲透系統(tǒng)中就應用了流體直接接觸式能量回收裝置。在這套海水反滲透系統(tǒng)中，進水壓力高達5.0～6.0Mpa，處理之后的濃水壓力仍有4.8～5.8Mpa，如果直接排放，將會造成很大的能量損失。所以設置了PX能量回收裝置。這套裝置的能量回收率高達94%以上，可以回收大部分的濃水壓力，達到節(jié)能環(huán)保的作用。可以說反滲透海水淡化之所以能成為有競爭力的海水淡化技術，能量回收裝置起著舉足輕重的作用。

2.3 反滲透海水淡化技術參數(shù)的優(yōu)化

能耗方面是反滲透海水淡化系統(tǒng)考慮的重要問題之一。它受到很多因素的影響，如海水含鹽量、溫度、操作壓、回收率、能量回收等方面較為突出。優(yōu)化設計反滲透海水淡化系統(tǒng)目的就是要確定最優(yōu)的反滲透系統(tǒng)結構，最優(yōu)的操作條件，確定系統(tǒng)中的膜元件、壓力容器、高壓泵等設備參數(shù)。主要指標是系統(tǒng)中的回收率、脫鹽率、濃差極化度等主要技術參數(shù)。最終計算出能耗、投資成本、運行成本等主要經濟指標，從而得到最終優(yōu)化。

3 結束語

綜上所述，反滲透海水淡化工藝優(yōu)化的基本要求是：既要保證產水的產量和質量，又要保證濃水的流速和濃度范圍，以及能量的回收利用，以減少污染、結垢和能耗，實現(xiàn)長期安全、經濟地運行。如何把海水的鹽分、pH值、溫度、操作壓力、回收率、產水量、進料流量、膜的特性、能源價格等變量組合在一起，在達到海水淡化工程設計基本要求下進行工藝的優(yōu)化，使工程的投資費用和運行費用降到最低，這是工程設計人員的一項任重道遠的使命。

參考文獻

[1]彭珂珊.21世紀中國水資源危機[J].水利水電科技進展，2000，20（5）：13-16.

[2]邵剛.膜法水處理技術[M].冶金工業(yè)出版社，2001.

[3]譚鑫.熱力蒸餾法海水淡化技術評述給水[J].2007，33：14-17.

[4]周一卉，陳彥澤，丁信偉.反滲透海水淡化系統(tǒng)中的能量回收[J].水處理技術，2003，29（4）：194-196.endprint