阮国岭 国家海洋局 天津海水淡化与综合利用研究所 膜技术进步及其对海水淡化的影响 阮国岭 国家海洋局 天津海水淡化与综合利用研究所

目 录 前 言 海水淡化技术概述 淡化技术的新进展 需要进一步解决的问题 结 语

1. 前 言 我们的地球是水球，可用淡水却只有0.77%。 1. 前 言 我们的地球是水球，可用淡水却只有0.77%。 全球范围有12亿人得不到充足的清洁用水，水污染每年造成数百万人死于非命，数亿人致病或致残。 约有23亿人（41%）生活在缺水地区，2025年这个数据可能会攀升到35亿人。 全球平均每年增长人口8000万，这些新增长的人口都需要水。 现有的淡水资源正在日益受到地下水层污染的威胁。

世界水的分布

气候变化的影响

全球快速扩展的水危机

人口和天气的影响加重水危机

全球滨海大城市缺水情况加剧 轻度缺水 中度缺水 重度缺水 The introduction into developing countries of new strains of wheat and rice was a major aspect of what became known as the Green Revolution. Given adequate water and ample amounts of the required chemical fertilizers and pesticides, these varieties have resulted in significantly higher yields. Poorer farmers, however, often have not been able to provide the required growing conditions and therefore have obtained even lower yields with “improved” grains than they had gotten with the older strains that were better adapted to local conditions and that had some resistance to pests and diseases. Where chemicals are used, concern has been voiced about their cost—since they generally must be imported—and about their potentially harmful effects on the environment (26).

中东和北非的需水情况

1. 前 言 地球上冰川逐步消失，目前一年四季有水的河流可能会变成季节河，迫使人类寻找新水源。 1. 前 言 地球上冰川逐步消失，目前一年四季有水的河流可能会变成季节河，迫使人类寻找新水源。 海水和苦咸水资源是可用淡水的160多倍，人们自然想到海水淡化。 它行吗？

2. 海水淡化技术概述 海水淡化的定义 海水淡化是从海水中获取淡水的技术和过程——包括取出淡水和除去盐分两种方法。 2. 海水淡化技术概述 海水淡化的定义 海水淡化是从海水中获取淡水的技术和过程——包括取出淡水和除去盐分两种方法。 从海水中分离出淡水：蒸馏法、冷冻法、反渗透法、水合物法和溶剂萃取法； 除去海水中的盐分：电渗析法和离子交换法。

海水淡化技术的分类 多级闪蒸 分离出淡水 多效蒸馏 压汽蒸馏 海水淡化 分离出盐 水合物法 冷冻法 蒸馏法 溶剂萃取法 反渗透法 电渗析法 离子交换法 冷冻法 水合物法 溶剂萃取法 反渗透法 蒸馏法 多级闪蒸 多效蒸馏 压汽蒸馏 分离出盐 分离出淡水 海水淡化

2. 海水淡化技术概述 蒸馏法是基于相变分离的方法，盐水变成蒸汽、冷凝后即为淡水——封闭环境的人工降雨 水的汽化潜热为560kcal/kg，蒸馏能耗大于反渗透。 由于运行温度高，同样回收率下蒸馏淡化的腐蚀和结垢趋势也比反渗透高。 反渗透的不足:产水纯度稍低、预处理要求严格以及温度降低使产水量下降。 反渗透在新世纪有了快速的发展，装机容量已超过50%的市场份额

海水淡化装机容量随年份变化 Total Capacity 47 Mm³/day

全球的热法和膜法装置

2. 海水淡化技术概述 淡化虽有发展，总量却仅仅是人类淡水使用量的千分之二。 2. 海水淡化技术概述 淡化虽有发展，总量却仅仅是人类淡水使用量的千分之二。 少数情况下，淡化水的总成本比传统的水资源要低。二者的接近才能使淡化有大的发展。 淡化水的总成本 = 资金成本+能源成本+运行成本 SWRO:资金成本占40%，能源成本占40%，预处理、后处理以及清洗的运行成本占20%。 蒸馏淡化：前两项的比例更高些。 提高淡化水的竞争性：从资金成本、能源成本和运行成本三个方面共同下手。

投资与能耗的折衷

3. 淡化技术的新进展 ——1 能耗降低 SWRO的能耗下降情况

能量回收系统的进步 能量回收系统 回收效率（%） 弗朗西斯透平 76 佩尔顿透平 87 涡轮增压器（turbo-charger） 85 功交换器 96 压力交换器

四种能量回收装置

多级闪蒸成本年度下降情况

3. 淡化技术的新进展 ——2 规模扩大 各种淡化工艺的单机规模扩大情况

Ashkelon 淡化厂（33万吨/日）

Ashkelon 淡化厂反渗透膜堆（16）

Ashkelon 淡化厂的高压泵和能量回收 一个厂内两组能量回收，10台增压泵。

澳大利亚Perth 淡化厂（14.4万吨/日） 26

大直径反渗透膜和压力容器

世界首例大直径膜反渗透淡化厂 节电效果：30%

MSF 的规模效益

3. 淡化技术的新进展 ——3 膜性能提高 反渗透膜脱盐率和水通量的提高

复合膜表层形态的发展（透射电镜观测）

3. 淡化技术的新进展 ——3 膜性能提高 UT-VT的耐氯反渗透膜 聚合过程中引进两个荷电的磺酸基团，形成有重现性的稳定聚合物； 脱盐率可达到99%、满足苦咸水淡化的要求，用于海水淡化还需提高性能 ； 聚合物暴露在浓氯溶液中35小时没有显著变化，芳香聚酰胺膜早就溶化了。

3. 淡化技术的新进展 ——3 膜性能提高 MIT的耐污染膜 聚氟乙烯骨架、聚氧乙烯为齿的梳状膜，形成直径2纳米的微孔矩阵。 膜具有非常高的水通量，同时具有抗污堵能力。 聚氧乙烯与水结合得十分紧密没有机会粘接生物分子。 孔大、不脱盐：用作反渗透的预处理拦截进水中的悬浮颗粒 通过对骨架部分引入荷电基团以排斥离子或缩短聚氧乙烯侧链的长度将孔做得更小来改善对盐组分的拦截效果。

3. 淡化技术的新进展 ——3 膜性能提高 支撑在多孔氮化硅上的碳纳米管膜 在一个大气压下水分子通量是预期值的1000倍。 机理还不很清楚 如果碳纳米管膜能够放大并用于脱盐，将会显著的降低海水淡化的动力消耗。

3. 淡化技术的新进展 ——3 膜性能提高 正渗透 耶鲁大学和美国多家机构在进行研究 耶鲁大学利用商品化的CTA正渗透膜以及NH3-CO2组成的汲取液进行淡化研究，柱蒸馏对汲取液进行浓缩。 盐的截留率高于95%，水通量可达25L/m2h。 得到美国政府的资助，目前正在进行中试研究。

渗透 / 正渗透 membrane Osmosis Equilibrium Forward Osmosis (FO) Brine Water membrane Osmosis Brine Water Equilibrium osmotic pressure Water/ Feed Forward Osmosis (FO) Brine Brine ≡ Draw Solution (DS)

汲取液浓度与渗透压的关系

流程图-从废水中回收饮用水 FO MD RO Hygiene Hum. WW Cond. + Urine Catalytic Oxidation Final Waste

实验装置

正渗透性能

正渗透性能测试-处理厌氧消化液

正渗透性能测试结果 Raw Centrate Pretreated Centrate 1 9 3 5 7 2 4 6 8

正渗透性能测试 平均去除率 (%) 氨 总氮 正磷酸盐 >87 >89 >99.5

正渗透与反渗透的对比 Membrane Cleaning

膜的结垢 RO膜 FO膜

耶鲁大学正渗透研究

耶鲁大学正渗透研究 需要解决的问题 正渗透膜的水通量和对盐的截留率需要进一步提高 产品水含氨量的限制。 汲取液浓缩能耗问题。 尽管汲取液有极高的渗透压且在58℃就分解成了二氧化碳和氨气，但如果浓缩过程耗用了过多的能量，会影响其可行性。

3. 淡化技术的新进展 ——3 膜性能提高 新加坡南洋理工大学的二氧化钛纳米纤维膜 水中的腐殖酸浓度为15mg/L ，脱除实验： 在没有紫外线照射：对腐殖酸的脱除率为57%，对于TOC的脱除率在同等水平； 膜上照射紫外线，对于腐殖酸的脱除率达100%，对于TOC的脱除率达93.6%。 巧妙的利用了膜分理和纳米二氧化钛的光催化作用，为废污水的回用指明了方向。 获得2008年国际水协的创新奖。

二氧化钛纳米纤维膜

二氧化钛膜对腐殖酸的脱除效果

3. 淡化技术的新进展——4 膜法预处理的应用 美国马丁县中试证明膜法预处理的优点 过滤水质明显改善 透过水质更加稳定 反渗透膜的污堵明显减轻 化学药剂用量减少 减少占地面积 投资成本降低 运行费用降低

预处理技术的进步

黄岛电厂超滤系统计算机画面

黄岛电厂反渗透系统计算机画面

黄岛电厂日产3000m3/d SWRO装置 超滤膜：海德能公司

黄岛电厂日产10000m3/d SWRO装置 超滤膜：凯发公司

3. 淡化技术的新进展 ——5 与热淡化的结合 将现行的热法淡化技术与反渗透淡化技术结合形成混合流程，减少海水的取用量，提高供水的灵活性并降低淡化成本。 应用新近开发的热淡化技术：如露点蒸发和膜蒸馏。 目前还难以预测露点蒸发和膜蒸馏能否与工业规模的反渗透或热法淡化技术相竞争。 不同的水源有不同的特点以及不同的群体对水有不同的需求，各种淡化技术都应有其生存和发展空间。

4. 需要进一步解决的问题 关注淡化水的安全 以效益优先为原则，开发苦咸水资源 以改善环境为先导，提高污水回用的等级 关注废弃膜产生的污染

5. 结 语 社会和经济的发展需要可持续的水资源支撑，从长远的观点来看，海水淡化是解决问题的重要途径。 5. 结 语 社会和经济的发展需要可持续的水资源支撑，从长远的观点来看，海水淡化是解决问题的重要途径。 淡化技术，尤其是反渗透海水淡化技术在过去的半个世纪已经取得长足进步，但还有较大的发展空间。膜技术的最新进展为进一步降低海水淡化成本指明了方向。 我国的海水淡化已经起步，目前需要关注和解决的问题包括：淡化水进入城市管网的后处理技术储备、淡化技术用于苦咸水淡化以及城市污水的再生利用，同时还要及早应对废弃膜的污染问题。 解决好这些问题，将会有力地促进我国水资源的可持续利用。

感谢您的光临! 如有问题，请联系: 阮国岭 博士 国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所 总工程师 国家海水利用产品质量监督检验中心 副主任 感谢您的光临! 如有问题，请联系: 阮国岭 博士 国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所 总工程师 国家海水利用产品质量监督检验中心 副主任 Tel: 86-22-87898199(O), 86-1380-209-2197(M) E-mail: glruan@263.net