用“膜”法向海要水 - 副本

向“海”要水大海無量，是地球水資源最豐富的儲(chǔ)存地。但是海水中有大量的鹽，怎樣從浩瀚的海洋中去除鹽份、提取出淡水呢？實(shí)際上，海水淡化是人類追求了幾百年的夢(mèng)想。早在大航海的時(shí)代，英國王室就曾懸賞征求經(jīng)濟(jì)合算的海水淡化方法。今日，海水淡化的方法有數(shù)百種之多，最具代表性的是各種類型的蒸餾脫鹽技術(shù)，但這些方法不僅會(huì)消耗大量的能源，而且得到的淡水味道和質(zhì)量不佳，難以飲用和使用，經(jīng)濟(jì)也不合算。膜技術(shù)的問世19世紀(jì)60年代，發(fā)現(xiàn)了在不明顯降低選擇性的條件下，大幅提高聚合物膜滲透通量的有效方法，這引起了工業(yè)界對(duì)制備非對(duì)稱反滲透（RO）膜的興趣。從此，膜技術(shù)在苦咸水/海水脫鹽和不同工業(yè)分子分離中應(yīng)用開來。如今，反滲透技術(shù)已成為公認(rèn)的基礎(chǔ)操作單元。與其他傳統(tǒng)技術(shù)相比，反滲透法具有較高的回收率、較低的投資和較低的綜合產(chǎn)水成本，并且隨著技術(shù)的進(jìn)步，RO脫鹽技術(shù)能夠處理的原水鹽濃度越來越高。據(jù)報(bào)道，全球80%的海水淡化廠采用反滲透技術(shù)。膜法脫鹽技術(shù)主要包括RO、電滲析（ED）和反向電滲析（EDR）?；谀しǖ牡湍芎拿擕}技術(shù)主要包括膜過程中的膜蒸餾(MD)和正滲透(FO)。膜蒸餾（MD）是一種熱膜分離過程，基于氣液平衡原理，蒸汽透過疏水性微孔膜，實(shí)現(xiàn)分子的分離。此過程的推動(dòng)力是由利用氣液界面處的溫度差引起的膜兩側(cè)的蒸汽分壓差提供的。與傳統(tǒng)蒸餾過程(如多級(jí)閃蒸和多效蒸發(fā))相比，MD的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是操作溫度較低，能夠?qū)崿F(xiàn)低級(jí)熱蒸汽或廢熱蒸汽及其他能源(太陽能、風(fēng)能或地?zé)崮?的有效利用。MD的另一個(gè)關(guān)鍵特點(diǎn)是與壓力驅(qū)動(dòng)膜過程相比，其具有更低的膜污染，需要較小的占地面積。目前，生產(chǎn)MD專用膜引起了人們的注意。實(shí)際上，MD用膜需要的性能與通常的分離膜有很大不同，它應(yīng)該具有高疏水、窄孔徑分布、高孔隙率和高液體擊穿壓的特點(diǎn)。正滲透（FO）是另一種已知的膜過程，它采用一種半透膜分離水和溶質(zhì)(如鹽、蛋白質(zhì)、病毒和細(xì)菌)，利用膜兩側(cè)的滲透壓梯度推動(dòng)水透過膜進(jìn)入汲取液。汲取液是一種高濃度溶液，用于使水透過膜，從而有效實(shí)現(xiàn)水與溶質(zhì)的分離。最大的挑戰(zhàn)是需找到一種能夠被有效地、完全地分離的濃溶液。與水分離后，汲取液能夠重復(fù)利用。由于利用滲透壓梯度作為推動(dòng)力，正滲透不需要太多能耗，只是溶液的攪拌和輸送需要一些能耗。工廠里的膜系統(tǒng)海水中含有元素周期表中從氫到鈾的全部元素。工廠不僅會(huì)從海水中提取生活飲用水，還會(huì)提取氯化鈉(NaCl)、七水硫酸鎂(MgSO4·7H2O)和氯化鋰(LiCl)等礦物質(zhì)，這樣更為經(jīng)濟(jì)。我們分享一個(gè)典型的大型SWRO廠的海水處理系統(tǒng)：?SWRO脫鹽系統(tǒng)流程圖海水經(jīng)過預(yù)處理(多介質(zhì)過濾池)后進(jìn)入淡化廠，預(yù)處理去除了藻類、有機(jī)物和其他顆粒。然后，通過二級(jí)預(yù)處理[微濾(MF)]去除更小的雜質(zhì)后進(jìn)入反滲透過濾器進(jìn)行脫鹽。在接下來的RO過程中，將溶解鹽和其他礦物質(zhì)從水中分離出來，獲得淡水；另外，反滲透濃鹽水中的鹽濃度大約變成了海水的兩倍。通過MCr進(jìn)一步將濃鹽水濃縮，生產(chǎn)高濃度鹽水和鹽。在進(jìn)入MCr步驟之前，對(duì)RO濃鹽水進(jìn)行化學(xué)處理，加入Na2CO3，以便將98%的Ca2+沉淀成CaCO3。這個(gè)沉淀/沉降步驟能夠避免CaSO4形成(CaSO4會(huì)引起結(jié)垢，降低MgSO4的回收率)。并非完美的膜法脫鹽相對(duì)于傳統(tǒng)工藝，反滲透法海水淡化(SWRO)技術(shù)具有較好的能量利用效率[如較低的能耗(kWh·m–3)]。從技術(shù)上來看，基本趨勢(shì)是采用膜法代替熱法，特別是從2000年到2016年。膜法和熱法占比演變情況說明：Global指全球狀況；MENA指中東和北非國家狀況；GCC指海灣合作委員會(huì)國家狀況。然而，沒有能耗就不可能實(shí)現(xiàn)脫鹽，SWRO生產(chǎn)1

m3淡水的能耗已經(jīng)由過去的5—10kWh·m–3降到了當(dāng)前的3—4kWh·m–3，這是成就，但另一方面也說明著SWRO仍然是一種耗能的技術(shù)，會(huì)引起溫室氣體排放和其他環(huán)境問題。面對(duì)SWRO技術(shù)日漸擴(kuò)大的應(yīng)用范圍，SWRO技術(shù)的綠色化及新型海水淡化技術(shù)的研究具有重要的意義。據(jù)研究者估算，對(duì)鹽濃度為35000ppm的海水進(jìn)行脫鹽，回收率通常為50%左右，每淡化1

m–3這樣的海水理論上最低能耗為1.06kWh·m–3。如果脫鹽系統(tǒng)受尺寸限制且不是在熱力學(xué)可逆過程下操作，此能耗將上升至1.56kWh·m–3，即使相關(guān)設(shè)備處于理想狀態(tài)(如泵效率和能量回收效率都為100%)，無濃差極化或摩擦損失。由于需要前處理和后處理步驟，新建的反滲透法海水淡化廠總能耗為最小理論能耗的3—4倍。因此，未來對(duì)脫鹽能耗效率的研究應(yīng)該關(guān)注SWRO廠的前處理和后處理階段。高效預(yù)處理能夠降低反滲透階段的膜污染，進(jìn)而影響能量利用效率。反滲透法海水淡化過程預(yù)處理的改進(jìn)可以通過開發(fā)以下技術(shù)實(shí)現(xiàn)：具有特定表面性質(zhì)，能夠阻止大部分污染物吸附的抗污染膜；抗氧化膜(能降低預(yù)處理程度)；經(jīng)水力學(xué)優(yōu)化的膜組件。每項(xiàng)技術(shù)都有不同的挑戰(zhàn)?？偟膩碚f，需要開發(fā)和使用改進(jìn)的膜組件。另外一種可能性是通過可再生能源與脫鹽過程的結(jié)合來降低能耗及對(duì)化石燃料的依賴。三種主要的可再生能源包括太陽能(光伏和熱)、風(fēng)能和地?zé)崮堋Ｆ渌稍偕茉窗ㄋ?、生物質(zhì)能源和海洋能源。這些能源幾乎不產(chǎn)生溫室氣體或污水，并且與傳統(tǒng)能源相比，它們對(duì)環(huán)境有很多好處。雖然降低能耗對(duì)可再生能源來說不是必要的，但它能夠降低溫室氣體排放?？稍偕茉吹倪@種優(yōu)勢(shì)正在向系統(tǒng)集成化方向發(fā)展，而不僅僅是太陽能電池板或風(fēng)能渦輪機(jī)發(fā)電。使?jié)恹}水影響最小化海水淡化廠應(yīng)用RO部分滿足了淡水需求的增長，但同時(shí)也產(chǎn)生了大量包含截留物的濃縮液，這些濃縮液夾雜著大量預(yù)處理所需的化學(xué)藥劑。濃縮液與化學(xué)藥劑一起排放到海水中，會(huì)對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境造成潛在的嚴(yán)重威脅。人們開發(fā)了很多技術(shù)用于濃鹽水的回收和再利用，根據(jù)最終目的的不同，這些濃縮方法可以分為以下四類：降低和消除濃鹽水排放的技術(shù)(暴曬蒸發(fā)、植物脫鹽、蒸發(fā)和結(jié)晶過程、膜蒸餾、二級(jí)RO、閉路脫鹽、種子懸浮沉淀和循環(huán)、正滲透)；濃鹽水工業(yè)再利用(濃鹽水用于氯堿工業(yè)、雙極膜電滲析生產(chǎn)HCl和NaOH)；商業(yè)鹽回收技術(shù)(SAL-PROC過程、零排放脫鹽、組合海水淡化過程，包含傳統(tǒng)結(jié)晶和膜輔助結(jié)晶系統(tǒng))；金屬回收。以回收商品鹽或金屬為目的的技術(shù)顯示出比單純?yōu)榱讼廴镜募夹g(shù)更高的應(yīng)用潛力?；谀し蛛x的水蒸氣捕捉不僅脫鹽和廢水處理能夠提供淡水，用膜技術(shù)從工業(yè)廢氣中捕捉水蒸氣也是提供水源的一個(gè)途徑。其回收不僅有利于緩解溫室效應(yīng)等環(huán)境問題，而且能夠成為新的水源。一定溫度下的工廠廢氣進(jìn)入處于低溫狀態(tài)的膜冷凝系統(tǒng)，降溫至過飽和狀態(tài)，水蒸氣在膜面冷凝成水。膜面的疏水性阻止了液態(tài)水進(jìn)入膜孔，將其截留下來，而允許除濕后的氣體通過膜。膜冷凝不受干燥劑損失、腐蝕現(xiàn)象的影響，這是傳統(tǒng)技術(shù)所做不到的。膜工程為實(shí)現(xiàn)工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的綠色過程工程提供了