膜集成技術(shù)在海水淡化中的應(yīng)用研究進(jìn)展

武玉堃，楊會朝，侯 冰，孫亞偉，張蓬亮

（國家能源蓬萊發(fā)電有限公司，山東 蓬萊 265601）

1 概述

1.1 海水淡化的需求和挑戰(zhàn)

海水淡化是將海水轉(zhuǎn)化為淡水，以滿足淡水資源短缺的需求。但海水淡化是一個能源密集型過程，最常用的方法是通過蒸餾或反滲透來去除鹽分和雜質(zhì)，這些過程需要大量的熱能或電能。同時，傳統(tǒng)海水淡化技術(shù)會產(chǎn)生大量的高鹽濃度的廢水（濃水）和濃縮的鹽固體（鹽渣），這些副產(chǎn)物的處理和排放可能對周圍環(huán)境造成負(fù)面影響。

為了克服這些挑戰(zhàn)，科學(xué)家和工程師們正在不斷努力改進(jìn)海水淡化技術(shù)和流程，以降低能源消耗，減少對環(huán)境影響，并提高經(jīng)濟(jì)可行性。一些創(chuàng)新的方法包括利用可再生能源、開發(fā)更高效的膜技術(shù)、改進(jìn)鹽水處理和廢物管理等。此外，水資源管理的綜合方法，包括水的節(jié)約使用和多樣化的水資源供應(yīng)，也是解決水資源挑戰(zhàn)的關(guān)鍵。

1.2 膜集成技術(shù)概述

膜集成技術(shù)將多個膜組件或膜過濾單元集成在一起，形成高效的海水淡化系統(tǒng)。研究人員不斷改進(jìn)膜材料，以提高其鹽分阻隔性能和耐久性。新型膜材料包括反滲透膜、納米復(fù)合膜和離子交換膜等，其具有更高的通量和更低的能耗。研究人員通過改進(jìn)膜模塊的流體動力學(xué)特性和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，優(yōu)化水流分布和減少膜污染，提高系統(tǒng)效率和穩(wěn)定性。

通常，多級系統(tǒng)包括預(yù)處理膜單元、反滲透膜單元和后處理膜單元，以提高鹽分去除效率和系統(tǒng)的整體性能。例如，壓力交換設(shè)備可以利用高壓濃水流與低壓淡水流之間的壓力差，以回收部分泵送所需的能量。此外，膜集成技術(shù)還涉及智能化控制系統(tǒng)的研究和開發(fā)。通過傳感器和自動化控制算法，可以實(shí)現(xiàn)對膜過濾過程的實(shí)時監(jiān)測和優(yōu)化控制，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。

膜集成技術(shù)在海水淡化領(lǐng)域的研究進(jìn)展主要集中在膜材料改進(jìn)、膜模塊設(shè)計(jì)、膜阻垢和清洗技術(shù)、能源回收及智能化控制系統(tǒng)等方面。它們有助于降低能源消耗，增加淡水產(chǎn)量，并減少維護(hù)和運(yùn)營成本。

2 膜集成技術(shù)在海水淡化中的應(yīng)用現(xiàn)及發(fā)展?fàn)?/h2>

膜集成技術(shù)已成為一種高效的海水淡化方法，通過膜過濾過程將海水中的鹽分和雜質(zhì)去除，從而產(chǎn)生淡水，旨在提高膜過濾系統(tǒng)的效率、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。本部分重點(diǎn)介紹膜法預(yù)處理-RO 膜集成技術(shù)、后處理-RO 膜除鹽與濃縮技術(shù)及中間處理膜吸附技術(shù)，如圖1所示。

圖1 滲透海水淡化處理主要工藝組成[4]

2.1 膜預(yù)處理技術(shù)

在膜預(yù)處理技術(shù)中，微濾膜（Microfiltration，MF） 和超濾膜（Ultrafiltration，UF） 及納濾膜（Nanofiltration，NF）被廣泛應(yīng)用。它們在膜過濾過程中根據(jù)孔隙大小的不同實(shí)現(xiàn)懸浮物、顆粒物和溶質(zhì)的分離。

微濾膜（MF）是一種具有較大孔隙尺寸的膜，通常在0.1～10 μm。它可以有效去除懸浮物、大顆粒、膠體物質(zhì)、細(xì)菌和微生物等物質(zhì)。微濾膜廣泛應(yīng)用于預(yù)處理階段，以減輕后續(xù)膜的負(fù)擔(dān)，防止膜堵塞。

超濾膜（UF）的孔隙尺寸較小，一般在0.001～0.1 μm。超濾膜可以有效去除微生物、蛋白質(zhì)、膠體顆粒和高分子物質(zhì)等，使較小的離子和溶質(zhì)可以通過，可將水中的微生物和懸浮物分離，并保留所需的溶解性物質(zhì)。

納濾膜（NF）的孔隙尺寸介于超濾膜和反滲透膜之間，一般在0.001～0.01 μm。它可以有效去除溶解性鹽類、有機(jī)物和一部分高分子物質(zhì)，同時允許水分子和較小的離子通過。納濾膜廣泛應(yīng)用于海水淡化預(yù)處理，去除大部分的鹽分和有機(jī)物，減輕反滲透膜的負(fù)擔(dān)。

RO（Reverse Osmosis，反滲透）是一種常用的膜分離技術(shù)，廣泛應(yīng)用于水處理、海水淡化和廢水處理等領(lǐng)域。RO 通過施加高壓將溶質(zhì)逆向遷移，將水從溶液中分離出來。RO 基于水分子在施加的靜水壓力下穿過半透膜的滲透是一種自然現(xiàn)象，從科學(xué)的角度來看，它是由法國牧師兼物理學(xué)家讓-安托萬·諾萊特（Jean-Antoine Nollet）在1748年發(fā)現(xiàn)的。受到肯尼迪政府從海洋中獲取淡水的愿景啟發(fā)之后，對該過程的研究在20世紀(jì)40年代得到復(fù)興。然而，當(dāng)今RO 技術(shù)的發(fā)展始于Sidney Loeb 和Srinivasa Sourirajan 用醋酸纖維素聚合物生產(chǎn)出功能性合成RO膜。

在RO 過程中，前處理是非常重要的步驟，它旨在去除溶液中的懸浮物、膠體、有機(jī)物和其他雜質(zhì)，以減少對RO 膜的污染和阻塞，延長RO 膜的使用壽命，降低維護(hù)和清潔頻率。常見的前處理方法包括沉淀、過濾、活性炭吸附和超濾等。

膜組合工藝的結(jié)合可以提高膜分離過程的效率和性能。前處理與RO 膜集成在海水淡化中能夠有效地去除海水中的雜質(zhì)，這種集成策略被認(rèn)為是現(xiàn)代海水淡化技術(shù)的關(guān)鍵組成部分。

2.2 RO膜與ED膜的集成

RO 膜和ED 膜的集成用于海水淡化后的廢水處理和溶劑回收。RO 膜用于淡化海水，而ED 膜則作為一種后處理技術(shù)，在溶液濃縮和離子分離方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，可進(jìn)一步去除水中的離子和溶解物。通過將RO 膜和ED 膜結(jié)合使用，可使RO 膜的濃縮效果與ED 膜的選擇性分離相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高效的海水淡化中的濃縮和廢棄物處理等過程。

ED 膜相比傳統(tǒng)的電滲析（Electrodialysis）具有較低的電阻和能耗。在多級系統(tǒng)中，RO 膜和ED 膜的串聯(lián)使用可以實(shí)現(xiàn)更高效的水處理和離子去除，可以減少能源消耗，提高整體能源效率。

2.3 RO膜與蒸發(fā)膜的集成

RO 膜可以將海水中的鹽分濃縮在濃縮液中，而蒸發(fā)膜可以通過蒸發(fā)去除濃縮液中的水分，使鹽分進(jìn)一步濃縮。蒸發(fā)膜利用熱能來驅(qū)動蒸發(fā)過程，而RO膜則需要高壓來推動水逆滲透。這種集成可以用于處理海水淡化過程中產(chǎn)生的濃縮液或廢棄物，實(shí)現(xiàn)高效的廢棄物處理和資源回收。同時利用RO 膜產(chǎn)生的高壓濃縮液為蒸發(fā)膜提供所需的熱能，從而實(shí)現(xiàn)能源的優(yōu)化利用，降低整體能耗。

RO 膜和蒸發(fā)膜的集成在海水淡化中具有潛力，可以提高淡化水的質(zhì)量、降低能耗和實(shí)現(xiàn)廢棄物處理與資源回收，被認(rèn)為是提高海水淡化效率和可持續(xù)性的一種有前景的技術(shù)發(fā)展方向。

2.4 RO膜與氣體分離膜的集成

RO 膜（Reverse Osmosis）和氣體分離膜的集成在海水淡化中具有應(yīng)用潛力，尤其是在處理溶解氣體和揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）等方面。海水中常含有溶解的氣體與揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs），如二氧化碳、硫化氫及石油類物質(zhì)和溶劑。這些溶解氣體和VOCs 可能對RO 膜造成腐蝕和尺寸變化等問題，降低膜的性能和壽命。通過將氣體分離膜（如氣體吸附膜或膜蓄積器）與RO 膜結(jié)合使用，可以在進(jìn)料水中去除溶解氣體，提高淡化水的質(zhì)量和產(chǎn)出。

在海水淡化過程中，通過將氣體分離膜應(yīng)用于RO 膜后處理階段，可以實(shí)現(xiàn)溶解氣體和揮發(fā)性有機(jī)物的回收和利用。如通過氣體分離膜將從淡化水中去除的二氧化碳捕獲和收集起來，可以進(jìn)行后續(xù)的利用，如工業(yè)用途或碳捕集與封存等。

2.5 逆滲透膜與膜吸附技術(shù)

逆滲透膜是海水淡化過程中最關(guān)鍵的部分，它能將海水中的鹽分和其他溶解性固體去除，從而產(chǎn)生淡水。中間處理技術(shù)可以包括改進(jìn)的逆滲透膜材料，以提高鹽分去除率，降低能耗和增強(qiáng)膜的耐用性。

膜吸附技術(shù)旨在利用吸附劑表面對特定物質(zhì)（如鹽分、有機(jī)物等）的選擇性吸附，從而實(shí)現(xiàn)海水中鹽分的去除和水的淡化。海水中的鹽分主要為氯化鈉和其他溶解性鹽類，因此需要選擇適合去除這些鹽分的吸附劑。常見的吸附劑包括離子交換樹脂、活性炭和金屬有機(jī)骨架材料（MOFs）等。吸附劑在吸附一定量的鹽分后，會飽和失去吸附能力。因此，吸附劑的再生是膜吸附技術(shù)的重要環(huán)節(jié)。再生過程通常通過調(diào)整溫度、壓力、pH 等條件，將吸附在吸附劑上的鹽分和有機(jī)物釋放出來，并恢復(fù)吸附劑的活性。與傳統(tǒng)的逆滲透海水淡化技術(shù)相比，膜吸附技術(shù)通常能夠降低一部分能量消耗。

3 結(jié)語與展望

相比傳統(tǒng)的蒸發(fā)和蒸餾等方法，膜集成技術(shù)在能耗方面表現(xiàn)更為優(yōu)越。尤其是與逆滲透膜技術(shù)結(jié)合使用時，能耗較低，有助于降低海水淡化的運(yùn)營成本。相較于傳統(tǒng)的化學(xué)處理方法，膜集成技術(shù)在海水淡化過程中使用的化學(xué)品較少，有助于減少化學(xué)物質(zhì)對環(huán)境的影響。膜集成技術(shù)可以進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，使得系統(tǒng)更加靈活，適應(yīng)不同規(guī)模和需求的海水淡化項(xiàng)目。其通常占用較小的空間，這對于空間有限的地區(qū)尤其重要，減少了對土地資源的需求。

膜集成技術(shù)在海水淡化中具有許多優(yōu)勢的同時也面臨一些挑戰(zhàn)。膜集成技術(shù)需要具備較好的耐久性，以確保長期的穩(wěn)定運(yùn)行。膜的壽命和穩(wěn)定性直接影響系統(tǒng)的運(yùn)行成本和效率。此外，海水淡化過程中，逆滲透等膜技術(shù)需要面對高鹽濃差，這可能導(dǎo)致膜表面結(jié)垢和鹽析問題，影響系統(tǒng)的效率和壽命。

總體而言，膜集成技術(shù)在海水淡化中具有很大的潛力，但要克服挑戰(zhàn)，還需要進(jìn)一步地研究和技術(shù)發(fā)展。隨著科技的進(jìn)步和經(jīng)驗(yàn)的積累，膜集成技術(shù)有望成為未來海水淡化領(lǐng)域的重要解決方案。