淺析反滲透海水淡化工藝的優(yōu)化

汪濱

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

關(guān)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(lèi)生產(chǎn)生活密切相關(guān)。全球水體內(nèi)淡水資源分布極不均衡，淡水占總儲(chǔ)水量不到3%，海水由于含鹽量過(guò)高早就超過(guò)97%?？晒┤祟?lèi)利用的淡水僅占全球總儲(chǔ)水量的0.26%。淡水資源缺乏是一個(gè)全球性問(wèn)題，21世紀(jì)將是海水淡化大發(fā)展的時(shí)代。

海水淡化，又稱(chēng)海水脫鹽，是從海水中獲取淡水的技術(shù)和過(guò)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(shí)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(jìn)入海水淡化市場(chǎng)的反滲透海水淡化技術(shù)，發(fā)展勢(shì)頭迅猛，世界上流行采用反滲透膜技術(shù)。

1 反滲透海水淡化技術(shù)介紹

目前反滲透膜與組件的生產(chǎn)已經(jīng)相當(dāng)成熟，工程造價(jià)和運(yùn)行成本持續(xù)降低，主要發(fā)展趨勢(shì)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(yù)處理技術(shù)的成本，增強(qiáng)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(cè)通過(guò)半透膜向濃溶液一側(cè)自發(fā)流動(dòng)的過(guò)程。半透膜只允許水通過(guò)，而阻止溶解固態(tài)物（鹽）的通過(guò)。水流入后濃溶液就會(huì)產(chǎn)生變化，最終被稀釋。當(dāng)水向濃溶液流動(dòng)，產(chǎn)生的壓力足以用來(lái)阻止水繼續(xù)凈流入，這樣滲透便相對(duì)平衡。

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

1.2 海水反滲透技術(shù)的工藝流程

反滲透海水淡化技術(shù)的常見(jiàn)工藝流程如下：

海水升壓泵→多介質(zhì)過(guò)濾器→細(xì)砂過(guò)濾器→保安過(guò)濾器→高壓給水裝置→反滲透裝置→潔凈淡水

海水經(jīng)過(guò)預(yù)處理之后，在高壓泵壓力的驅(qū)動(dòng)下，我們可以讓水進(jìn)入膜的低壓側(cè)，這樣水中鹽分及污染物就會(huì)被阻擋在膜高壓側(cè)，隨著濃水排除。這就是分離原理。海水淡化時(shí)，實(shí)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(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

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

2.1 給水預(yù)處理工藝的改進(jìn)

2.1.1 傳統(tǒng)技術(shù)海水預(yù)處理

因?yàn)楹Ｋ奶厥庑裕汉Ｋ写嬖诟鞣N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(jìn)行消毒殺菌，去除大部分微生物?？紤]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(yù)處理之后海水進(jìn)入反滲透裝置之前，還將投加還原劑來(lái)進(jìn)行除氯處理，更好的保障膜組件的安全運(yùn)行。

2.2 能量回收裝置

反滲透海水淡化技術(shù)中，膜脫鹽用的關(guān)鍵設(shè)備對(duì)工藝路線的改進(jìn)、能耗的降低等也至關(guān)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(hào)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?，F(xiàn)在工業(yè)中應(yīng)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(yīng)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(jìn)水壓力高達(dá)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(huì)造成很大的能量損失。所以設(shè)置了PX能量回收裝置。這套裝置的能量回收率高達(dá)94%以上，可以回收大部分的濃水壓力，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的作用。可以說(shuō)反滲透海水淡化之所以能成為有競(jìng)爭(zhēng)力的海水淡化技術(shù)，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(shù)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(wèn)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(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)，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(shè)備參數(shù)。主要指標(biāo)是系統(tǒng)中的回收率、脫鹽率、濃差極化度等主要技術(shù)參數(shù)。最終計(jì)算出能耗、投資成本、運(yùn)行成本等主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，從而得到最終優(yōu)化。

3 結(jié)束語(yǔ)

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(chǎn)水的產(chǎn)量和質(zhì)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(jié)垢和能耗，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期安全、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。如何把海水的鹽分、pH值、溫度、操作壓力、回收率、產(chǎn)水量、進(jìn)料流量、膜的特性、能源價(jià)格等變量組合在一起，在達(dá)到海水淡化工程設(shè)計(jì)基本要求下進(jìn)行工藝的優(yōu)化，使工程的投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用降到最低，這是工程設(shè)計(jì)人員的一項(xiàng)任重道遠(yuǎn)的使命。

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