反滲透海水淡化系統(tǒng)混合膜設(shè)計(jì)

蘇慧超,李逢時(shí),徐國(guó)榮,趙劍超,趙河立,*

(1.自然資源部天津海水淡化與綜合利用研究所,天津 300192;2.山東電力建設(shè)第三工程有限公司,山東青島 266100)

經(jīng)過(guò)近幾十年的迅速發(fā)展,海水淡化已經(jīng)成為應(yīng)對(duì)全球淡水資源危機(jī)的重要手段。相較于熱法(如多效蒸餾和多級(jí)閃蒸),反滲透海水淡化因?yàn)槠涓咝А⒌秃摹惭b運(yùn)行靈活等特點(diǎn)逐漸成為海水淡化的主流,目前在全球海水淡化市場(chǎng)占比超過(guò)60%。雖然技術(shù)的發(fā)展使反滲透海水淡化能耗大大降低,但是其高壓驅(qū)動(dòng)這一先決條件使其能耗依然偏高。因此,進(jìn)一步降低能耗和制水成本仍舊是目前反滲透海水淡化的一個(gè)重點(diǎn)。一方面是通過(guò)不斷研發(fā)新的材料、設(shè)備提高其效率;另一方面是通過(guò)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提高材料設(shè)備使用率,尤其是對(duì)于大型系統(tǒng)來(lái)說(shuō),優(yōu)化設(shè)計(jì)顯得尤為重要。在反滲透海水淡化系統(tǒng)的膜堆中,一般一支壓力容器(膜殼)中串聯(lián)5～7支膜元件。從進(jìn)水側(cè)開始,膜元件的產(chǎn)水量逐漸減小,前端的膜元件承擔(dān)較大的產(chǎn)水量,而后端的膜元件進(jìn)水含鹽量逐漸升高,產(chǎn)水量逐漸減小。因此,前后端膜元件負(fù)荷呈現(xiàn)較大差異,整個(gè)膜殼內(nèi)的水力和壓力分布呈現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象,導(dǎo)致不同位置膜元件的老化、污染各不相同,不能充分發(fā)揮膜元件性能。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)解決此類問(wèn)題對(duì)于系統(tǒng)高效節(jié)能運(yùn)行至關(guān)重要。

反滲透混合膜設(shè)計(jì)(hybrid membrane inter-stage design, HID)是在同一壓力容器內(nèi)將不同脫鹽率和滲透流量的膜元件以不同數(shù)量進(jìn)行混合配置的設(shè)計(jì)方式[1]。通常在一支壓力容器內(nèi),首端膜元件的通量比末端膜元件高,為了保持前后端相對(duì)均衡的回收率,末端元件的滲透壓會(huì)相對(duì)較高。因此,在前端配置高脫鹽率膜元件,后端配置高通量膜元件,以解決流量平衡的問(wèn)題,有利于提高單支壓力容器的產(chǎn)水量,同時(shí)降低操作壓力,還能有效減輕前端膜元件的污染。HID最初由杜邦(DuPont)(原陶氏)公司于1986年提出,當(dāng)時(shí)稱為Internally Staged Design (ISD)[2]。試驗(yàn)驗(yàn)證這種設(shè)計(jì)方式可以將回收率提高到50%～60%,每支壓力容器內(nèi)的膜通量可達(dá)到18～27 L/(m2·h-1)[3]。此后,為了使不同品牌商用反滲透膜產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)通用互換,Peate等[1]將其概念延伸為HID,并在西班牙加那利群島的淡化廠中進(jìn)行了不同品牌膜產(chǎn)品的互換應(yīng)用與性能對(duì)比,研究了不同膜品牌混合膜設(shè)計(jì)在降低能耗和平衡配水方面的作用,認(rèn)為回收率可提高6%～8%,壓力可降低300～600 kPa,同時(shí)可有效降低首支膜污染。Han等[4]研究了混合膜設(shè)計(jì)對(duì)于脫硼和降低能耗的影響,對(duì)比了高鹽高溫、低鹽高溫、低鹽低溫3種進(jìn)水條件,認(rèn)為溫度比回收率對(duì)混合膜的影響更大,可節(jié)約能耗0.41 kW·h/m3。

在實(shí)際工程應(yīng)用中,國(guó)外一些淡化廠也已經(jīng)采用了這種設(shè)計(jì)。例如,2001年建成的塞浦路斯拉納卡淡化廠(Larnaca desalination plant)[5],規(guī)模為54 000 m3/d,采用8芯壓力容器,一級(jí)反滲透為6套,系統(tǒng)回收率為50%,壓力容器為120支,內(nèi)部采用“SWC3+SWC4”組合形式;二級(jí)反滲透為1套,壓力容器為60支(兩段設(shè)計(jì)40∶20),內(nèi)部采用“ESPA2/ESPAB”組合形式。西班牙拉斯帕爾馬斯第三淡化廠(Las Palmas Ⅲ SWRO plant)1989年開始建設(shè),在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中逐步采用不同類型膜元件進(jìn)行替換,到2009年,5組SWRO以“4SWC4+2SWC5”和“4SW30XHR-400i+2SW30HRLE-400i”兩種混合膜形式配置。西班牙馬薩龍淡化廠(Mazarron SWRO plant)規(guī)模為35 000 m3/d,2001年開始運(yùn)營(yíng),采用“2支高脫鹽膜+5支標(biāo)準(zhǔn)脫鹽膜”混合配置形式。智利El Coloso淡化廠(El Coloso SWRO plant)規(guī)模為45 360 m3/d,2006年開始運(yùn)營(yíng),回收率為50%,共4組,每組137個(gè)7芯壓力容器,采用“2支高脫鹽膜+5支高通量膜”混合配置形式[1]。

HID能夠有效降低反滲透海水淡化系統(tǒng)的運(yùn)行能耗。然而,近年來(lái)國(guó)外對(duì)其研究卻相對(duì)較少,國(guó)內(nèi)也沒(méi)有相關(guān)論文對(duì)混合膜設(shè)計(jì)進(jìn)行探討,相關(guān)工程應(yīng)用案例也鮮有報(bào)道。因此,開展混合膜設(shè)計(jì)研究對(duì)促進(jìn)該技術(shù)在國(guó)內(nèi)工程設(shè)計(jì)中的推廣應(yīng)用具有重要意義。本文選取DuPont、LG、東麗(Toray)、海德能(Hydranautics)四大主流反滲透膜品牌中有代表性的膜元件,運(yùn)用各品牌反滲透設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行定量分析,對(duì)比膜產(chǎn)品在混合膜設(shè)計(jì)中的性能表現(xiàn),評(píng)價(jià)其優(yōu)劣性。進(jìn)一步深入剖析了溫度和混合膜配置比例對(duì)水質(zhì)、水量、節(jié)能效率、流量匹配等方面的影響,為反滲透海水淡化系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 主流商用膜品牌混合膜設(shè)計(jì)對(duì)比

對(duì)于四大主流商用反滲透膜產(chǎn)品制造商DuPont、LG、Toray、Hydranautics,選取各品牌具有代表性的膜產(chǎn)品,同類型膜產(chǎn)品常在工程應(yīng)用中互為替換,有效膜面積均為440 ft2(約為41 m2),具體產(chǎn)品性能參數(shù)如表1所示。

表1 典型膜元件特性參數(shù)Tab.1 Characteristic Parameter for Typical Membrane Elements

如表1所示,DuPont和LG是基于相同的測(cè)試條件,Toray的測(cè)試條件僅在pH上有細(xì)微差別。結(jié)果表明,同一類型膜元件在產(chǎn)水量、脫鹽率等方面的性能基本相同,但脫硼率差異較大,Toray相對(duì)較高,DuPont相對(duì)較低,LG無(wú)差別。而Hydranautics由于測(cè)試條件中回收率采用10%,與其他品牌產(chǎn)品相比,產(chǎn)水量明顯偏大,且沒(méi)有提供脫硼率數(shù)據(jù)。為使對(duì)比分析在同一基準(zhǔn)下進(jìn)行,設(shè)定如下統(tǒng)一條件。

(1)含鹽量為35 000 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)海水,其組成如表2所示。

表2 標(biāo)準(zhǔn)海水組成Tab.2 Standard Seawater Composition

(2)統(tǒng)一采用120支7芯壓力容器,混合膜設(shè)計(jì)方式為:2支高脫鹽型膜+3支標(biāo)準(zhǔn)型膜+2支高通量型膜,具體配置如表3所示。

表3 不同品牌混合膜設(shè)計(jì)方式Tab.3 HID Methods for Different Brands

(3)采用各品牌公開的反滲透設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬分析,具體如下:DuPont采用WAVE v1.82n1,LG采用Q+Projection v3.1.0.9,Toray采用TorayDS2 v217166,Hydranautics采用IMSDesign。

(4)產(chǎn)水量為500 m3/h,回收率為45%,溫度為25 ℃。

(5)各品牌模擬軟件在流量因子(也稱污堵因子,由通量衰減率決定)和透鹽率增加值的默認(rèn)取值上有一定差異。例如,LG的通量衰減率取7%/年(5年膜污堵因子為0.7),透鹽率增加值取7%/年;Toray的通量衰減率取3.5%/年(5年膜污堵因子為0.84),透鹽率增加值取7%/年;Hydranautics的通量衰減率取5%/年(5年膜污堵因子為0.77),透鹽率增加值取7%/年;而DuPont的通量衰減率需由設(shè)計(jì)者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值,并且軟件中無(wú)法設(shè)定透鹽率增加值,通常3年膜污堵因子取0.8(相當(dāng)于通量衰減率為7%/年),而最大透鹽率規(guī)定不超過(guò)產(chǎn)品規(guī)范中最大透鹽率的1.35倍(質(zhì)保期3年內(nèi))。因此,本文模擬對(duì)比以下兩種情況。

(1)初始運(yùn)營(yíng)新膜:污堵因子取1,透鹽率年增加值取0。

(2)運(yùn)營(yíng)5年老膜:膜通量衰減率取7%/年,即污堵因子取0.7;透鹽率增加值取7%/年,即透鹽率為初始透鹽率的1.40倍。

1.1 新膜(初始)對(duì)比

圖1顯示了同一壓力容器內(nèi)不同位置的膜元件滲透流量的變化趨勢(shì),對(duì)比4個(gè)品牌可知,在相同的設(shè)計(jì)條件下,Toray的流量變化曲線最為平緩順滑,LG和DuPont的流量變化曲線除第一點(diǎn)稍有差別外幾乎重合,曲線變化程度居中,而Hydranautics的流量變化曲線最為陡峭,斜率最大。

圖1 不同位置膜元件滲透流量變化(初始)Fig.1 Permeating Flux Variation for Membrane Elements in Different Positions (Initial)

圖2顯示了同一壓力容器內(nèi)不同位置的膜元件回收率的變化趨勢(shì)。Hydranautics的模擬軟件不能顯示每支膜元件的回收率,因此,僅對(duì)其他3個(gè)品牌進(jìn)行對(duì)比。如圖所示,回收率的變化趨勢(shì)與圖1滲透流量的變化趨勢(shì)表現(xiàn)一致,Toray的回收率變化曲線最為平緩,LG和DuPont的流量變化曲線幾乎相同。同一壓力容器內(nèi)不同位置膜元件的回收率和滲透流量變化趨勢(shì)或可在一定程度上反映出各品牌膜產(chǎn)品的性能差異,比如Toray的變化趨勢(shì)最為平緩,說(shuō)明3款膜的通量差異最小,而Hydranautics 3款膜的通量差異最大。

圖2 不同位置膜元件回收率變化(初始)Fig.2 Recovery Variation for Membrane Elements in Different Positions (Initial)

圖3顯示了相同設(shè)計(jì)條件下,4個(gè)膜品牌在脫鹽率、脫硼率、噸水能耗性能指標(biāo)上的差異。從脫鹽率來(lái)講,LG最高(99.61%),DuPont(99.52%)和Toray(99.53%)次之,Hydranautics(99.38%)最差,但總體水平相差不大。然而,脫硼率的差異較為明顯,分別為Toray(85.20%)＞;LG(84.80%)＞;DuPont(81.25%)＞;Hydranautics(75.40%),前三者的模擬數(shù)據(jù)與官方公布的性能參數(shù)有一定差距,但趨勢(shì)基本一致,然而Hydranautics的脫硼率明顯偏低確實(shí)讓人意外。從噸水能耗來(lái)看,Toray最高,DuPont和LG次之,Hydranautics最低,與離子脫除率的表現(xiàn)趨勢(shì)基本吻合。從理論上來(lái)講,離子脫除率越高,反滲透膜分離層致密程度越高,所需滲透壓大,噸水能耗越高,與上述模擬結(jié)果基本吻合。

圖3 不同品牌性能指標(biāo)對(duì)比(初始)Fig.3 Performance Comparison for Different Brands (Initial)

從節(jié)約能耗的角度來(lái)講,混合膜設(shè)計(jì)通過(guò)在后端使用一部分高通量膜替代低通量膜,體現(xiàn)節(jié)能優(yōu)勢(shì)。因此,其對(duì)比維度為:(1)“高脫鹽型膜+標(biāo)準(zhǔn)型膜+高通量型膜”與“全部高脫鹽膜”或“高脫鹽型膜+標(biāo)準(zhǔn)型膜”;(2)“高脫鹽型膜+標(biāo)準(zhǔn)型膜”與“全部高脫鹽型膜”;(3)“標(biāo)準(zhǔn)型膜+高通量型膜”與“全部標(biāo)準(zhǔn)型膜”;(4)“高脫鹽型膜+高通量型膜”與“全部高脫鹽型膜”。結(jié)合本文,進(jìn)一步對(duì)比“2支高脫鹽型膜+3支標(biāo)準(zhǔn)型膜+2支高通量型膜”與“7支高脫鹽型膜”在能耗上的表現(xiàn),具體情況如表4所示。

表4 不同品牌節(jié)能效率對(duì)比(初始)Tab.4 Comparison of Energy Saving Efficiency for Different Brands (Initial)

因此,從節(jié)能效率來(lái)看,Hydranautics＞;Toray＞;DuPont＞;LG,在初始運(yùn)營(yíng)階段,Hydranautics的節(jié)能效率明顯好于其他品牌,Toray次之,DuPont和LG的節(jié)能效率相當(dāng)。

綜合上述對(duì)比分析,從初始運(yùn)營(yíng)模擬情況來(lái)看,Toray膜流量曲線最為平緩,脫鹽率和脫硼率也較好,節(jié)能效率相對(duì)也較高,最適宜進(jìn)行混合膜設(shè)計(jì)。

1.2 老膜(5年)對(duì)比

圖4顯示了運(yùn)營(yíng)5年時(shí),同一壓力容器內(nèi)不同位置的膜元件滲透流量變化趨勢(shì),對(duì)比4個(gè)品牌模擬數(shù)據(jù)可知,Toray的流量變化曲線仍然最為平緩,LG和DuPont的流量變化曲線幾乎重合,曲線變化程度居中,而Hydranautics的流量變化曲線仍然是斜率最大的。與圖1相比,曲線變化趨勢(shì)基本一致,但曲線變化斜率更加平緩。這是由于隨著前端膜污染的增加,反而使壓力容器內(nèi)前端膜元件產(chǎn)水量降低,后端膜元件產(chǎn)水量增加,整體流量分布更加均勻。

圖4 不同位置膜元件滲透流量變化(5年)Fig.4 Permeating Flux Variation for Membrane Elements in Different Positions(5 Years)

圖5顯示了運(yùn)營(yíng)5年時(shí),同一壓力容器內(nèi)不同位置的膜元件回收率的變化趨勢(shì),對(duì)3個(gè)品牌(除Hydranautics)進(jìn)行對(duì)比,回收率的變化趨勢(shì)與圖4滲透流量的變化趨勢(shì)表現(xiàn)一致。而與圖2相比,由于整體配水均勻度提高,單支膜元件的回收率差異也在變小。

圖5 不同位置膜元件回收率變化(5年)Fig.5 Recovery Variation for Membrane Elements in Different Positions (5 Years)

圖6顯示了運(yùn)營(yíng)5年時(shí),4個(gè)膜品牌在脫鹽率、脫硼率、噸水能耗上的差異,其中DuPont膜的產(chǎn)水水質(zhì)按初始透鹽率的1.40倍計(jì)算。與圖3相比,隨著運(yùn)營(yíng)年限的增加,噸水電耗都有增加,而脫鹽率和脫硼率都有降低。脫鹽率總體水平依然相差不大,均＞;99%,噸水能耗排序?yàn)門oray＞;LG＞;DuPont＞;Hydranautics,上述兩項(xiàng)性能指標(biāo)與圖3的模擬結(jié)果相同。但脫硼率順序變?yōu)長(zhǎng)G(80.20%)＞;Toray(79.80%)＞;DuPont(73.47%)＞;Hydranautics(68.04%),說(shuō)明Toray膜脫硼率的衰減程度要高于LG膜,這或與膜材料本身性能有關(guān)。

圖6 不同品牌性能指標(biāo)對(duì)比(5年)Fig.6 Performance Comparison for Different Brands (5 Years)

進(jìn)一步對(duì)比運(yùn)營(yíng)5年時(shí),“2支高脫鹽型膜+3支標(biāo)準(zhǔn)型膜+2支高通量型膜”與“7支高脫鹽型膜”在能耗上的表現(xiàn),具體情況如表5所示。

表5 不同品牌節(jié)能效率對(duì)比(5年)Tab.5 Comparison of Energy Saving Efficiency for Different Brands (5 Years)

因此,從節(jié)能效率來(lái)看,Toray＞;Hydranautics＞;DuPont＞;LG,隨著運(yùn)營(yíng)年限的增加,Toray膜在節(jié)能效率上反而更有優(yōu)勢(shì)。

綜合上述分析,從5年運(yùn)營(yíng)模擬情況來(lái)看,與初始運(yùn)營(yíng)模擬情況性能表現(xiàn)基本一致,Toray膜在平衡配水流量和節(jié)能效率方面優(yōu)勢(shì)更加明顯。

2 溫度和混合膜配置比例的影響分析

基于前述對(duì)不同品牌膜產(chǎn)品的對(duì)比分析,結(jié)果表明,Toray膜最適合采用混合膜設(shè)計(jì)。本節(jié)以Toray膜為例,進(jìn)一步研究溫度和混合膜配置比例對(duì)壓力容器內(nèi)不同位置膜元件的性能影響,以及對(duì)整個(gè)系統(tǒng)脫鹽率、脫硼率、噸水能耗的影響。由于3種膜混合配置方式與2種膜混合配置方式的原理基本相同,本節(jié)簡(jiǎn)化為2種膜混合配置方式進(jìn)行分析。

2.1 保持產(chǎn)水量和回收率不變

設(shè)定統(tǒng)一分析條件:含鹽量為35 000 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)海水,成分如表1所示;產(chǎn)水量為500 m3/h,回收率為45%,溫度為25 ℃;按初始運(yùn)營(yíng)新膜考慮,流量因子取1,透鹽率年增加值取0;統(tǒng)一采用120支7芯壓力容器;以全部采用標(biāo)準(zhǔn)型膜TM820M-440作為基準(zhǔn),從末端用高通量膜TM820V-440逐一替換,共形成7種組合方式:7TM820M-440+0TM820V-440(方式1)、6TM820M-440+1TM820V-440(方式2)、5TM820M-440+2TM820V-440(方式3)、4TM820M-440+3TM820V-440(方式4)、3TM820M-440+4TM820V-440(方式5)、2TM820M-440+5TM820V-440(方式6)、1TM820M-440+6TM820V-440(方式7)。不同位置膜元件的回收率和滲透流量變化情況如圖7～圖8所示。

圖7 不同位置膜元件回收率變化(7種HID方式)Fig.7 Recovery Variation for Membrane Elements in Different Positions (7 HID Methods)

圖8 不同位置膜元件滲透流量變化(7種HID方式)Fig.8 Permeating Flux Variation for Membrane Elements in Different Positions (7 HID Methods)

圖7顯示了7種混合膜配置方式中,不同位置膜元件回收率的變化情況。與方式1的基準(zhǔn)設(shè)計(jì)相比,采用混合膜設(shè)計(jì)的方式2～方式7,在膜元件類型變化處,回收率會(huì)突然提高將近20%,緊隨其后的2支膜元件也會(huì)有不同程度回收率的提高。而向前位置的膜元件回收率反而略低于基準(zhǔn)水平,這就在一定程度上起到了平衡流量的作用。但從方式6～方式7呈現(xiàn)的結(jié)果來(lái)看,到第5、6、7支膜的回收率又降低至略低于基準(zhǔn)水平,反而導(dǎo)致了流量分配更不均勻。

圖8所示的混合膜配置方式中,不同位置膜元件滲透通量的變化情況與圖7一致。這說(shuō)明混合膜設(shè)計(jì)中,回收率和滲透流量有明顯變化的是膜元件類型變化后的3支膜。因此,以7芯壓力容器為例,高脫鹽型膜、標(biāo)準(zhǔn)型膜、高通量型膜3種膜元件混合最適宜的配置比例為2∶3∶2(圖1),標(biāo)準(zhǔn)型膜、高通量型膜兩種膜元件混合最適宜的配置比例為3∶4或4∶3。適宜的配置比例的確能在一定程度上起到平衡流量的作用。這種方式由于降低了首支膜元件的通量,能在一定程度上減輕其膜污染的程度,但中間膜元件流量突然增大,是否會(huì)加速其污染程度尚不可知。

如圖9所示,從方式1到方式7,隨著TM820V-440型膜元件的混合比例不斷增加,脫鹽率和脫硼率均有所下降,脫鹽率由99.52%下降到99.40%,脫硼率由87.34%下降到78.38%,產(chǎn)水水質(zhì)不斷惡化,而能耗也由4.248 kW·h/m3降低至4.073 kW·h/m3。這充分說(shuō)明追求更好的水質(zhì)和更低的能耗二者不能兼得,只能在其中尋找適合的平衡點(diǎn)。

圖9 不同HID方式性能指標(biāo)對(duì)比Fig.9 Performance Comparison for Different HID Methods

此外,能耗和水質(zhì)的變化與海水溫度有極大關(guān)系。在保持上述分析條件不變的情況下,對(duì)比溫度取值為5、15、25、35 ℃ 4種情況下,方式1和方式7的脫鹽率、脫硼率、噸水能耗指標(biāo),模擬結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同溫度性能指標(biāo)對(duì)比Fig.10 Performance Comparison under Different Temperature

隨著海水溫度從5 ℃升高到35 ℃,脫鹽率、脫硼率、噸水能耗均有下降,水質(zhì)指標(biāo)在高溫時(shí)變化更明顯,而能耗指標(biāo)在低溫時(shí)變化更顯著。在5 ℃條件下,方式1和方式7相比,能耗由5.478 kW·h/m3降低至4.971 kW·h/m3,節(jié)能效率高達(dá)9.26%。在15、25、35 ℃條件下,節(jié)能效率分別為6.27%、4.12%、3.33%。

因此,在保持產(chǎn)水量和回收率不變的條件下,采用混合膜設(shè)計(jì)方式有助于降低系統(tǒng)能耗,但更適合北方海域春、秋、冬三季水溫較低的情況。而對(duì)于南方常年水溫較高、溫差較小的海域,不但對(duì)節(jié)能降耗效果不明顯,還會(huì)使水質(zhì)急速惡化。因此,針對(duì)北方海域項(xiàng)目,設(shè)計(jì)者在保障產(chǎn)水水質(zhì)的前提下,可結(jié)合實(shí)際溫度情況,適當(dāng)加入一定數(shù)量的高通量膜,來(lái)降低系統(tǒng)能耗。

2.2 保持進(jìn)水量和操作壓力不變

設(shè)定統(tǒng)一分析條件:含鹽量為 35 000 mg/L 的標(biāo)準(zhǔn)海水;進(jìn)水量為1 000 m3/h;按初始運(yùn)營(yíng)新膜考慮,流量因子取1,透鹽率年增加值取0;統(tǒng)一采用120支7芯壓力容器;溫度對(duì)比5、25、35 ℃ 3種情況,組合方式對(duì)比方式1和方式7兩種情況,模擬結(jié)果如圖11所示。

圖11 不同組合方式性能指標(biāo)對(duì)比Fig.11 Performance Comparison under Different Combination Methods

根據(jù)模擬結(jié)果,在相同操作壓力條件下,采用混合膜設(shè)計(jì),5 ℃時(shí)產(chǎn)水量可提高10.5%,25 ℃時(shí)產(chǎn)水量可提高6%,而35 ℃時(shí)產(chǎn)水量?jī)H能提高4.75%。同時(shí),由于產(chǎn)水量提高,噸水能耗也隨之下降,3個(gè)溫度下的節(jié)能效率分別為9.4%、5.6%、4.5%。因此,可得出與前述分析一致的結(jié)論,無(wú)論是對(duì)能耗的降低還是對(duì)回收率的提升,混合膜設(shè)計(jì)在低溫條件下優(yōu)勢(shì)更加明顯。

圖12顯示了不同位置膜元件回收率的變化情況。隨著溫度的升高,回收率整體斜率變大,壓力容器內(nèi)首末端膜元件的配水均勻性變差,進(jìn)一步表明混合膜設(shè)計(jì)在低溫條件下的優(yōu)勢(shì)。但在溫度相同時(shí),保持進(jìn)水量和操作壓力不變的條件下,回收率變化趨勢(shì)與圖7所示結(jié)果相同。

圖12 不同位置膜元件回收率變化(6種組合方式)Fig.12 Recovery Variation for Membrane Elements under Different Positions (6 Combination Methods)

3 結(jié)論

混合膜設(shè)計(jì)是一種能夠有效降低反滲透海水淡化系統(tǒng)能耗,降低運(yùn)維和制水成本的新穎系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本文采用模擬的手段,以四大主流反滲透膜產(chǎn)品為研究對(duì)象,對(duì)HID進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,主要結(jié)論如下。

(1)從初始新膜和5年老膜兩個(gè)維度,對(duì)比分析四大主流品牌混合膜設(shè)計(jì)方式對(duì)膜組件滲透流量、回收率、脫鹽率、脫硼率、節(jié)能效率等性能指標(biāo)的影響。研究表明,Toray膜在平衡流量和節(jié)能效率上有明顯優(yōu)勢(shì),最適宜進(jìn)行混合膜設(shè)計(jì)。

(2)以Toray膜產(chǎn)品為研究對(duì)象,從保持產(chǎn)水量和回收率不變以及保持進(jìn)水量和操作壓力不變兩個(gè)維度,深入分析溫度和混合膜配置比例對(duì)壓力容器內(nèi)配水均勻性、能耗、產(chǎn)水量等系統(tǒng)性能參數(shù)的影響。研究表明,混合膜設(shè)計(jì)受溫度影響較大,低溫條件下,壓力容器內(nèi)配水均勻性更好,節(jié)能效率可達(dá)9.26%,產(chǎn)水量可提高10.5%。因此,HID更適合于水溫較低、水質(zhì)波動(dòng)較小的北方海域。

(3)在混合膜設(shè)計(jì)中,不同位置回收率和滲透流量有明顯變化的是膜元件類型變化后的3支膜,因此,同一類型膜元件裝填數(shù)量以3支為宜。以7芯壓力容器為例,3種膜元件混合最適宜的配置比例是2∶3∶2,2種膜元件混合最適宜的配置比例是3∶4或4∶3。

(4)混合膜設(shè)計(jì)方式對(duì)反滲透系統(tǒng)節(jié)能降耗有一定優(yōu)勢(shì),本文的研究成果對(duì)推廣混合膜設(shè)計(jì)在國(guó)內(nèi)工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用具有重要意義。