高從堦，周　勇，劉立芬

（浙江工業(yè)大學(xué)，浙江　杭州　310014）

反滲透海水淡化技術(shù)現(xiàn)狀和展望

高從堦，周勇，劉立芬

（浙江工業(yè)大學(xué)，浙江杭州310014）

反滲透膜技術(shù)于20世紀(jì)60年代取得突破性進(jìn)展，促使反滲透海水淡化在近50年間高速發(fā)展，淡化產(chǎn)能自20世紀(jì)90年代起激增。海水反滲透（SWRO）淡化已成為目前投資最省、成本最低的利用海水制備飲用水的過程。文中主要對(duì)海水反滲透淡化的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了介紹，如膜和組件的改進(jìn)，關(guān)鍵設(shè)備高壓泵和能量回收裝置效率的提高，多種工藝過程的不斷發(fā)展，包括預(yù)處理和后處理的新工藝，以及對(duì)環(huán)境的影響和相應(yīng)對(duì)策等。反滲透技術(shù)的發(fā)展也推動(dòng)了其他膜分離技術(shù)的進(jìn)步，并擴(kuò)展其應(yīng)用領(lǐng)域。預(yù)計(jì)在不久的將來，膜技術(shù)在海水淡化和水再利用、擴(kuò)大和保護(hù)水資源、循環(huán)經(jīng)濟(jì)、清潔生產(chǎn)、改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、節(jié)能減排及提高人民生活水平等方面發(fā)揮的作用會(huì)越來越顯著。

海水淡化；反滲透膜；反滲透工藝；能量回收；環(huán)境影響

缺水已成為世界性的問題，成為制約社會(huì)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸。隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，本來緊張的水資源供需矛盾更加尖銳，故水資源問題的解決對(duì)實(shí)現(xiàn)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展是非常迫切的。

除了加強(qiáng)管理、嚴(yán)格立法控制污染和過度采用、提高水價(jià)、推行節(jié)水農(nóng)業(yè)、清潔生產(chǎn)和推廣節(jié)水工藝等措施外，脫鹽技術(shù)可將海水、咸水、污水和廢水等轉(zhuǎn)變成飲用水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水和生態(tài)用水等，在擴(kuò)大水資源中發(fā)揮了重要作用，其中膜分離技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)之一。

除技術(shù)可行性之外，隨著水資源的匱乏、用水量需求的增加、常規(guī)方法生產(chǎn)水的成本的提高以及脫鹽生產(chǎn)水成本的下降，使脫鹽水在經(jīng)濟(jì)上也增強(qiáng)了競(jìng)爭(zhēng)力?？梢韵嘈?，這一趨勢(shì)會(huì)越來越擴(kuò)大，膜分離技術(shù)的作用也會(huì)越來越顯著。

本文主要對(duì)海水反滲透（SWRO）淡化進(jìn)行介紹，包括膜和組件的改進(jìn)，高壓泵和能量回收裝置效率的提高，多種工藝過程的發(fā)展等。反滲透技術(shù)的發(fā)展也帶動(dòng)了其他膜分離技術(shù)的不斷進(jìn)步，擴(kuò)大了膜分離的領(lǐng)域。隨著膜分離技術(shù)的不斷進(jìn)步，它在海水淡化和水再利用中的作用會(huì)越來越大，在擴(kuò)大和保護(hù)水資源方面的作用會(huì)越來越突出，在循環(huán)經(jīng)濟(jì)、清潔生產(chǎn)、改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、節(jié)能減排、提高人民生活水平等方面發(fā)揮的作用會(huì)越來越重要。

1　反滲透海水淡化——顛覆性的創(chuàng)新工藝技術(shù)

海水淡化是自古以來人們的夢(mèng)想之一，但由于技術(shù)和價(jià)格的限制而難以實(shí)現(xiàn)。19世紀(jì)出現(xiàn)了浸沒式蒸發(fā)器，但僅限于遠(yuǎn)洋船只等應(yīng)急使用；第二次世界大戰(zhàn)促進(jìn)了脫鹽技術(shù)的發(fā)展，但仍限于多效和壓汽蒸餾；20世紀(jì)50年代，美國(guó)意識(shí)到水資源的重要戰(zhàn)略意義，石油危機(jī)之后便是水資源危機(jī)，專設(shè)鹽水局，30年內(nèi)撥?？?4億美元研發(fā)新的脫鹽技術(shù)。1954年電滲析（ED）實(shí)用化，1960年反滲透（RO）膜獲突破性進(jìn)展，并于1970年開始實(shí)用化，1990年后，隨著RO膜性能的提高，價(jià)格的下降，高壓泵和能量回收效率的提高，海水反滲透（SWRO）淡化成為投資最省、成本最低的利用海水制備飲用水的過程。在20世紀(jì)60年代末，淡化水產(chǎn)量?jī)H8 000 m3/d，到1990年達(dá)1.32×107m3/d，2006年在3.75×107m3/d以上，2010年在6.52×107m3/d以上，2015年在8.64×107m3/d以上，其迅猛增長(zhǎng)的趨勢(shì)是少見的；其中，反滲透技術(shù)約占淡化裝機(jī)容量的60%以上。

除SWRO之外，反滲透廣泛用于苦咸水淡化以及純水和超純水的制備，反滲透—電去離子（EDI）純水制備技術(shù)，已完全取代了傳統(tǒng)的陽(yáng)陰離子交換工藝，與傳統(tǒng)方法相比，該系統(tǒng)具有出水質(zhì)量高、連續(xù)生產(chǎn)、使用方便、無(wú)人值守、不用酸堿、不污染環(huán)境、占地面積小和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)等一系列優(yōu)點(diǎn)，被稱為“綠色”純水制備系統(tǒng)，在電子、電力、化工、石化、醫(yī)藥、飲料、食品、冶金等各行業(yè)廣泛采用；反滲透苦咸水淡化在中、西部大開發(fā)中已經(jīng)并將進(jìn)一步發(fā)揮作用；反滲透預(yù)濃縮技術(shù)是在膜下游獲得淡水的同時(shí)，上游料液被濃縮，這已在化工、醫(yī)藥、食品和中草藥等領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用；在環(huán)保方面，反滲透也用于石化、鋼鐵、電鍍、礦山、放射、生活、垃圾滲濾、微污染等廢水的濃縮處理，水回用、達(dá)標(biāo)排放或零（近零）排放等。

所有這些充分展示了這一顛覆性的創(chuàng)新工藝技術(shù)的強(qiáng)大威力。這是由于SWRO的系列創(chuàng)新——理念創(chuàng)新、材料創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新、設(shè)備創(chuàng)新、（集成）工藝技術(shù)和應(yīng)用創(chuàng)新的結(jié)果［1］。

2　反滲透膜和組器的創(chuàng)新進(jìn)展

2.1反滲透膜的進(jìn)步

在反滲透膜發(fā)展的歷史中，不對(duì)稱膜和復(fù)合膜的研發(fā)是創(chuàng)新的兩個(gè)范例［2］。

2.1.1不對(duì)稱膜Loeb和Sourirajan于1960年制得了世界上第一高脫鹽率、高通量、不對(duì)稱醋酸纖維素（CA）反滲透膜，其創(chuàng)新在于，以往的膜皆為均相致密膜（約0.1～0.2 mm厚），傳質(zhì)速度極低，無(wú)實(shí)用價(jià)值，而不對(duì)稱膜僅表皮層是致密的（約0.2 μm厚），就這一點(diǎn)，使傳質(zhì)速度提高了近3個(gè)數(shù)量級(jí)，這大大地促進(jìn)了膜科技的發(fā)展；20世紀(jì)70年代研制了優(yōu)異的CA-CTA膜，其中之一的性能為在10.2 MPa操作壓力下，對(duì)35 000 mg/L NaCl溶液，脫鹽率99.4%～99.7%，水通量20～30 L/m2·h［3］。

2.1.2復(fù)合膜復(fù)合膜的概念是在1963年提出的，其創(chuàng)新點(diǎn)在于膜的脫鹽層和支撐層分別由優(yōu)選的材料來制備，如脫鹽層（約0.1～0.2 μm厚）是芳香族聚酰胺，支撐層是聚砜，這使膜的性能進(jìn)一步提高。歷年來，開發(fā)了許多不同用途的復(fù)合膜，如用于海水淡化的“高脫鹽型”、純水制備的“超低壓和極低壓型”、廢水處理的“耐污染型”等。最近海水淡化的“高脫鹽型”復(fù)合膜性能大大提高，在5.52 MPa操作壓力下，對(duì)35 000 mg/L NaCl溶液，脫鹽率99.8%，水通量40 L/m2·h以上［4］。

目前國(guó)際上最佳商品化的復(fù)合膜，其皮層為芳香聚酰胺，有水通量大、脫鹽率高、耐生物降解、pH范圍廣，且有一定的游離氯容許范圍等優(yōu)點(diǎn)。但在耐氯、耐熱、耐污染、耐化劑和高區(qū)分分離等方面，有待進(jìn)一步改進(jìn)；當(dāng)然，水通量和脫鹽率的提高，一直是膜改進(jìn)的首選［5-6］。

（1）無(wú)紡布和底膜的改進(jìn)。反滲透復(fù)合膜用多孔無(wú)紡布起增強(qiáng)和支持其上的聚砜底膜（支撐層）和脫鹽層，要求強(qiáng)度高、?。?00 μm）、均勻、孔隙率高等；聚砜底膜（支撐層）要求無(wú)缺陷、?。?0 μm）、孔均勻、孔隙率高、結(jié)構(gòu)呈密度梯度型、與其下的多孔無(wú)紡布和其上的脫鹽層結(jié)合牢固等。

有的研究認(rèn)為通過底膜和脫鹽層間界面的改性、增加底膜表面的極性有利于復(fù)合膜產(chǎn)水率和脫鹽率的提高；調(diào)節(jié)底膜鑄膜液中添加劑品種和用量，如加入含環(huán)氧基的化合物或含異氰酸基的化合物等，使底膜缺陷少、孔徑更均勻、孔隙率更高［7-8］。

（2）新的功能單體。 通過研究功能單體與膜性能的關(guān)系，希望為新型反滲透復(fù)合膜的研究提供依據(jù)。在功能單體中引入能與水分子形成氫鍵的功能團(tuán)、親水基團(tuán)、磺酸基等，提高膜的截留率、水通量、耐氯性和抗氧化性［9-10］。除最通用的間苯二胺（m-PDA）和均苯三甲酰氯（TMC）外，報(bào)道過的酰氯類功能單體有：間苯二甲酰氯（IPC）、對(duì)苯二甲酰氯（TPC）、5-氧甲酰氯-異酞酰氯（CFIC）和5-異氰酸酯-異酞酰氯（ICIC）、3，4，5聯(lián)苯三酰氯（BTRC）和3，3，5，5聯(lián)苯四酰氯（BTEC）等；報(bào)道過的多胺類功能單體還有對(duì)苯二胺（PPD）、2，4-二氨基甲苯（m-MPDA）、磺酸間苯二胺（SMPD）、3，3'-二氨基二苯砜、4-氯間苯二胺、4-硝基間苯二胺、p，p′2二氨基二苯甲烷（DDM）、聚乙烯亞胺、氨基葡萄糖等［11-13］；還有的報(bào)道，先讓少量多胺與多元酰氯反應(yīng)，生成一定分子量的酰氯中間體，而后界面聚合。

（3）界面聚合的參數(shù)控制。界面聚合制備復(fù)合膜是一非常復(fù)雜的過程，要獲得性能優(yōu)異的復(fù)合膜，有很多參數(shù)控制必須嚴(yán)格控制，如：支撐膜的處理、水和油相中的各組分的選擇和配比、pH、接觸時(shí)間、反應(yīng)時(shí)間、熱處理溫度和時(shí)間……以調(diào)控膜的親水性、荷電性和表面粗糙度等［14-15］。

①通常在水相中加入不同酸吸收劑，控制反應(yīng)的pH，同時(shí)調(diào)節(jié)胺的擴(kuò)散：如樟腦磺酸（CSA）/三乙胺（TEA）和1，1，3，3-四甲基胍（1，1，3，3-tetramethylguanidine）/甲基苯磺酸（Toluene sulfonic acid）等季銨鹽類相轉(zhuǎn)移催化劑，極性疏質(zhì)子溶劑六甲基磷酰三胺（HMPA），鄰氨基苯甲酸三乙胺鹽，間氨基苯甲酸三乙胺鹽，2-（2-羥乙基）吡啶，4-（2-羥乙基）嗎啉等親水性添加劑。有時(shí)在水相中加入不同調(diào)節(jié)劑，進(jìn)一步調(diào)節(jié)胺的擴(kuò)散，如少量的丙酮、2-丁氧基乙醇、丙三醇、二甲亞砜等，進(jìn)一步提高膜的通量。通過向MPD水相中加入對(duì)苯二酚，再與TMC反應(yīng)可制得耐氯性優(yōu)于聚酰胺膜的聚酯酰胺膜等［16-17］。

②通常在油相中加入不同添加劑，在油相/水相的界面處遇水而發(fā)生水解反應(yīng)，水解生成的分子可以調(diào)節(jié)聚酰胺分子和薄膜的微結(jié)構(gòu)，如鈦酸丁酯、磷酸三丁酯（TBP）、磷酸三苯酯（TPP）等［18］。

總之，添加劑對(duì)膜性能的影響非常大，可以提高膜的親水性和通量，改善抗生物污染和耐化學(xué)性等。

（4）表面改性

①物理改性。表面涂層是最簡(jiǎn)單常用的物理改性方法。聚乙烯醇（PVA）、聚乙二醇（PEG）、殼聚糖（CS）、聚乙撐胺等高度親水性材料常被用來直接涂覆到膜的表面增強(qiáng)膜的親水性和抗污染能力［19-24］。聚乙烯亞胺（PEI）則可通過分子間氫鍵被自組裝到常規(guī)聚酰胺膜表面改變膜的荷電性和親水性，進(jìn)而改善膜的耐污染性［25］。表面涂層的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，涂層物質(zhì)可選擇性高，改性初期效果較好，但存在易脫落、增大滲透阻力和降低膜通量的缺點(diǎn)。

②化學(xué)改性。復(fù)合膜的化學(xué)改性是用一些特定的化學(xué)試劑處理膜面，或者采用接枝聚合方法來調(diào)節(jié)復(fù)合膜表層分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)，以獲得性能提高的復(fù)合膜。例如，將聚酰胺層用過硫酸鉀、過硫酸銨或過硫酸鈉溶液浸泡，烘干后可使反滲透復(fù)合膜的耐氯性、耐氧化性和抗污染性進(jìn)一步提高［24］?；蛘?，用含有環(huán)氧基、異氰酸基或硅氧基的化合物溶液處理膜，可使膜面粗糙度明顯減小，荷電趨于中性，降低膜的表面能，減弱污染物在膜面的吸附，從而提高膜的抗污染能力［26-28］。在商業(yè)化的聚酰胺反滲透復(fù)合膜表面接枝上親水的氨基磺化聚醚砜（SPES-NH2）、PVA、PVAm、PAA、PEG、PEMAEMA、甜菜堿（PSVBP）、MTAC等，含-（CH2CH2O）N-的親水支鏈，分子刷結(jié)構(gòu)的支化聚環(huán)氧烷（PAO）聚合物，或海因衍生物等，可明顯改善膜的表面親水性和光滑度，增強(qiáng)膜的抗污染能力和/或耐氯性［29-36］。

③等離子體改性。由于等離子體法比傳統(tǒng)方法制備的聚合層具有更好的熱穩(wěn)定性和粘附性，因此有可能改善反滲透膜的滲透性、選擇性和抗污染性。如在界面聚合之前用等離子處理聚砜超濾膜，引入親水性單體丙烯酸、丙烯腈、丙烯胺、乙二胺等，使反滲透膜的水通量、截留率和耐氯性都有明顯的改進(jìn)［37-38］。

（5）有機(jī)-無(wú)機(jī)納米粒子雜化和仿生膜的研究

①有機(jī)/無(wú)機(jī)納米粒子雜化反滲透膜（TFN）。2007年，美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）的Hoek課題組與加州大學(xué)河濱分校（UCR）的Yan課題組合作將納米級(jí)分子篩填充至聚酰胺反滲透復(fù)合膜中，使膜的水通量提高近兩倍，而鹽截留率基本保持不變，并首次提出了超薄納米復(fù)合反滲透膜（TFN）的概念［39-40］。納米粒子分散在高分子膜中，可對(duì)膜的細(xì)微結(jié)構(gòu)和宏觀性能產(chǎn)生不同程度的影響，研究包括分子篩的種類、粒徑大小和均勻性、孔結(jié)構(gòu)和大小、膜中分散均勻性、有機(jī)/無(wú)機(jī)界面調(diào)控、交聯(lián)度、微小缺陷、分子篩的孔道效應(yīng)等，與膜結(jié)構(gòu)、親水性、荷電性、化學(xué)、熱力學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性等關(guān)系是十分必要的［41-45］。例如，將納米沸石分子篩分散到水相或油相中進(jìn)行界面聚合反應(yīng)時(shí)，得到的TFN復(fù)合膜性能會(huì)大不一樣。當(dāng)在聚酰胺膜中嵌入其它納米粒子如碳納米管、氧化石墨烯、石墨烯、納米銀或TiO2等時(shí)［46-48］，膜也將展示不一樣的細(xì)微結(jié)構(gòu)和宏觀性能。

②仿生膜的研究。由于水通道蛋白（AQPs）具有獨(dú)特的水通道（約3 nm）、水分子靶向點(diǎn)和優(yōu)異的選擇性，將它們嵌入到聚酰胺反滲透復(fù)合膜活性皮層中制得的仿生膜，理論上可使膜的水通量提高2個(gè)數(shù)量級(jí)［49-50］。例如Zhao等直接將由蛋白脂質(zhì)體固載的水通道蛋白添加到水相通過界面聚合制備了TFC水通道蛋白基仿生膜，對(duì)NaCl的截留率為97%，而水通量顯著提升，高達(dá)4 L/m2h bar（測(cè)試條件：10 mM NaCl，5 bar），比BW30膜和SW30HR膜的水通量分別高約40%和1個(gè)數(shù)量級(jí)［51］。雖然水通道蛋白的嵌入可顯著提高膜的水通量，但前提是能篩選到合適的載體，目前報(bào)道使用的有蛋白脂質(zhì)體、蛋白聚合物囊泡或者嵌段共聚物，以使固載的水通道蛋白能與基底膜更好地相容，并且被包覆，從而具有好的化學(xué)穩(wěn)定性，最終在水環(huán)境中發(fā)揮獨(dú)一無(wú)二的功能［52］。Saeki認(rèn)為水通道蛋白的三維結(jié)構(gòu)太復(fù)雜，并且對(duì)基底膜很敏感，于是選擇將結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單的短桿菌肽（GA）嵌入荷正電的雙層脂質(zhì)體中，然后在外加壓力下（0.15 MPa）通過靜電作用固載于荷負(fù)電的磺化聚醚砜納濾膜（NTR-7450）上制得具有反滲透性能的仿生膜，該膜對(duì)NaCl的截留率高于97%，水通量可達(dá)11.08 L/m2·MPa-1，但遠(yuǎn)低于理論值［53］。

2.2膜組器技術(shù)的不斷發(fā)展

20世紀(jì)60年代海水淡化研究初期，先用的是板式和管式小型試驗(yàn)設(shè)備。反滲透膜組器技術(shù)的創(chuàng)新，使膜的性能得以充分發(fā)揮，這里特別提出的是中空纖維反滲透器和卷式反滲透元件。

2.2.1中空纖維反滲透器經(jīng)多年的研究開發(fā)，1975年美國(guó)DuPont公司推出B-10型海水脫鹽用聚酰胺中空纖維反滲透器；1980年日本Toyobo公司推出Hollosep型海水脫鹽用CTA中空纖維反滲透器。其特點(diǎn)是：中空纖維束一端或兩端密封并開孔，中心是多孔的海水供水管，海水從此供入，徑向向外流過中空纖維束，淡化水透過中空纖維壁到中空纖維內(nèi)孔，流到開孔的一端或兩端，收集起來后，由產(chǎn)水管排出，濃的海水由濃水口排除。具有自支撐結(jié)構(gòu)，組件制備工藝簡(jiǎn)單，放大效應(yīng)小，安裝和操作簡(jiǎn)便，具有最高的膜面積堆砌密度［54］。

2.2.2卷式反滲透元件卷式元件概念是1964年提出的，經(jīng)過10多年的多次更新?lián)Q代，在20世紀(jì)70年代后期商品化，隨著性能不斷提高，價(jià)格越來越便宜，使反滲透海水淡化成本不斷下降，成為海水淡化的主要用膜組器。其構(gòu)思巧妙：用兩張膜的背面夾一產(chǎn)水流道材料，其開口為中心產(chǎn)水收集管，膜的正面襯上進(jìn)水流動(dòng)網(wǎng)格，數(shù)葉這樣的排列，三面涂粘合劑后，繞中心產(chǎn)水收集管卷起來呈筒狀；再兩端切齊，裝上抗應(yīng)力器并包以膠帶或纖維增強(qiáng)樹脂外殼而成；進(jìn)水經(jīng)流動(dòng)網(wǎng)格軸向流動(dòng)，產(chǎn)水螺旋狀由外向內(nèi)到中心收集管。其特點(diǎn)在于:可大規(guī)模、高產(chǎn)速制造，可低流速下運(yùn)行，安裝和操作簡(jiǎn)便，結(jié)構(gòu)緊湊，裝填密度大，可在壓力容器內(nèi)串接多個(gè)元件等。經(jīng)膜片對(duì)的數(shù)目和寬度、流道隔網(wǎng)的式樣和厚度、粘合和密封方式、多個(gè)元件產(chǎn)水的收集方式和端封等的不斷研究和改進(jìn)，目前，復(fù)合膜廣泛用于卷式元件的大規(guī)模生產(chǎn)，元件的直徑為4 inch，8 inch，16～18 inch等，以8 inch的居多。如φ 203 mm×1 016 mm的復(fù)合膜卷式元件，對(duì)35 000 mg/L海水，5.5 MPa下，25℃，8%～10%回收率，產(chǎn)水量達(dá)30 m3/d，脫鹽率99.8%左右［55-56］。

膜元件仍在不斷改進(jìn)提高:如膜面積增加以多產(chǎn)水，增加膜葉數(shù)以減少產(chǎn)水流動(dòng)阻力，膜密封改進(jìn)以保證高脫鹽，大型化和自動(dòng)化以更高效可靠，提高耐壓性使之更耐用，元件端封改進(jìn)使之更可靠和簡(jiǎn)便等［57］。從而發(fā)展了海水淡化用高壓反滲透膜、系列中低壓反滲透膜、超低壓反滲透膜、極低壓反滲透膜和抗污染反滲透膜等元件，用于各種不同的應(yīng)用。

3　關(guān)鍵設(shè)備的不斷改進(jìn)

目前，反滲透海水淡化成為有競(jìng)爭(zhēng)力的工藝，高效率的高壓泵和能量回收裝置的作用都功不可沒，使SWRO本體能耗在3 kWh/m3以下，總能耗在4 kWh/m3左右。2005年在美國(guó)的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行表明，SWRO本體能耗僅1.58 kWh/m3。

3.1高壓泵的不斷改進(jìn)［58］

產(chǎn)業(yè)鏈中高壓泵作為膜法海水淡化用關(guān)鍵設(shè)備也得到快速的發(fā)展:除高壓泵的品種和型號(hào)不斷增多，容量不斷增大，以及效率不斷提高（達(dá)80%以上）。

目前反滲透海水淡化處理系統(tǒng)中使用的高壓泵主要有3種：往復(fù)式容積泵、多級(jí)離心高壓泵和高速離心泵。往復(fù)式容積泵主要用于額定流量較低的場(chǎng)合，通常流量＜80 m3·h-1，它的特點(diǎn)是：效率高，一般大于85%，且高效率范圍大，對(duì)應(yīng)一定流量，可達(dá)到不同的揚(yáng)程，基本上都可保證在高效率點(diǎn)工作。

多級(jí)離心高壓泵主要有以下幾類：水平中開式多級(jí)離心高壓泵、節(jié)段式多級(jí)離心高壓泵和不銹鋼沖壓泵。水平中開式多級(jí)離心高壓泵適用流量大于220 m3·h-1的場(chǎng)合，流量越大，泵的效率越高，效率可達(dá)75%～85%，特點(diǎn)是軸向推力小，維護(hù)保養(yǎng)方便，但制造成本高。節(jié)段式多級(jí)離心高壓泵用于中等流量，80～220 m3·h-1。效率在65%～80%，特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、價(jià)格相對(duì)便宜。不銹鋼沖壓泵也只用于中小流量場(chǎng)合，通常流量＜95 m3·h-1，它的特點(diǎn)是：效率不高，一般小于70%，但體積小，重量輕，操作維護(hù)方便。高速離心泵適用于小流量場(chǎng)合，10～70 m3·h-1，泵效率為50%～75%。特點(diǎn)是體積較小，但效率較低，噪音大。

3.2能量回收裝置的不斷改進(jìn)

通常，反滲透海水淡化系統(tǒng)的操作壓力一般為5.0～6.0 MPa，從膜組器中排放的濃海水壓力仍高達(dá)4.8～5.8 MPa。如果按照通常40%的水回收率計(jì)算，濃海水中約有60%的進(jìn)料壓力的能量，具有巨大的回收價(jià)值和意義。反滲透海水淡化能量回收裝置的作用就是把反滲透系統(tǒng)高壓濃海水的壓力能量回收再利用，從而大幅降低反滲透海水淡化的制水能耗和成本。

按照工作原理，能量回收裝置主要分為水力渦輪式和功交換式兩大類。在水力渦輪式能量回收裝置中，能量的轉(zhuǎn)換過程為“壓力能—機(jī)械能（軸功）—壓力能”，其能量回收效率約35%～70%。功交換式能量回收裝置，只需經(jīng)過“壓力能—壓力能”一步轉(zhuǎn)化過程，其能量回收效率高達(dá)90%以上，已成為國(guó)內(nèi)外研究和推廣的重點(diǎn)。

最早的能量回收裝置是水力透平式，瑞士Calder.AG公司的Pehon Wheel透平機(jī)和Pump Ginard公司的Francis透平機(jī)，效率一般為50%～70%。經(jīng)過改進(jìn)的設(shè)計(jì)，最具代表性的有丹麥Grundfos公司生產(chǎn)的BMET透平直驅(qū)泵和美國(guó)PEI公司生產(chǎn)的Hydraulic Turbo charger，能量的轉(zhuǎn)換效率可提高至65%～80%。

功交換式能量回收裝置有瑞士Calder.AG公司的DWEER能量回收裝置、德國(guó)KSB公司的SalTec DT壓力交換器、德國(guó)SiemagTransplan公司的PES壓力交換系統(tǒng)和美國(guó)ERI公司1997年推出的PX裝置等。其中PX裝置被絕大部分海水反滲透設(shè)備選用，其次是DWEER能量回收裝置［59-60］。

PX裝置有如下幾個(gè)特點(diǎn)：效率非常高，可達(dá)95%；核心部件使用陶瓷材質(zhì)，尺寸穩(wěn)定、永不腐蝕；無(wú)需電氣連接，占地面積小，操控簡(jiǎn)單；質(zhì)量可靠，壽命長(zhǎng)；全球應(yīng)用案例多，使用的經(jīng)驗(yàn)豐富。

國(guó)內(nèi)對(duì)能量回收裝置的研究起步較晚，進(jìn)行反滲透用能量回收裝置研究的主要有中科院廣州能源所、天津大學(xué)、杭州水處理中心和天津海水淡化與綜合利用研究所等4家單位，研發(fā)方向均為雙液壓缸功交換式能量回收裝置或閥控式壓力交換能量回收裝置，有望取得突破和產(chǎn)業(yè)化。

4　工藝過程的持續(xù)開發(fā)

對(duì)海水淡化，隨著反滲透膜和組器技術(shù)的進(jìn)步，SWRO工藝也不斷地發(fā)展，主要工藝過程如下：

4.1微濾和超濾用于海水預(yù)處理

鑒于傳統(tǒng)預(yù)處理技術(shù)的局限性，提出了利用膜分離技術(shù)作為海水反滲透預(yù)處理工藝流程。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，將微濾（MF）和超濾（UF）用于海水預(yù)處理不僅技術(shù)可行，而且也相當(dāng)經(jīng)濟(jì)，用MF或UF替代傳統(tǒng)的預(yù)處理的混凝/多介質(zhì)過濾工藝，由于供水水質(zhì)好，RO比常規(guī)法可多產(chǎn)水20%，這樣用膜面積少，壓力容器少，管路省，占地面積小，從而投資費(fèi)用低；同時(shí)RO膜清洗周期長(zhǎng)，用試劑少，省勞力、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，其運(yùn)行費(fèi)用也低［61-62］。

4.2海水淡化新工藝的不斷進(jìn)步

4.2.1一級(jí)海水淡化工藝20世紀(jì)80年代中期以后，RO膜的脫鹽率達(dá)99.2%以上，這為一級(jí)SWRO創(chuàng)造了條件。海水經(jīng)一級(jí)RO后，產(chǎn)水即為飲用水，水回收率30%～35%［63］。

4.2.2高壓一級(jí)海水淡化工藝這是近年來，為了進(jìn)一步提高回收率而提出的新工藝之一。通常一級(jí)SWRO的操作壓力在5.5 MPa，壓力提高到8.0 MPa，使回收率從35%提高到50%以上是經(jīng)濟(jì)的。這樣，取海水量減少，預(yù)處理的設(shè)施和各種藥劑用量相應(yīng)減少，泵和高壓泵所用電力也省，操作和維修勞力也省。當(dāng)然，要求的操作壓力要相應(yīng)提高，這就需要耐高壓的膜元件，另外相應(yīng)的工藝也應(yīng)進(jìn)一步改進(jìn)［63］。

4.2.3高效兩段法這是提高回收率的新工藝，是一級(jí)兩段工藝的改進(jìn)，在兩段間設(shè)增壓部分，第一段的濃海水經(jīng)增壓和最終的能量回收部分相結(jié)合進(jìn)入第二段，這也可使回收率達(dá)60%。該工藝不僅適合于新建的SWRO廠，且可將以前的一級(jí)SWRO廠增設(shè)第二段，使其產(chǎn)量增加一半［64］。

4.2.4二級(jí)海水淡化工藝目前該工藝用來從海水中制取含鹽量在20～40 mg/L的軟化水［47］。

4.2.5高通量的膜元件兩段設(shè)計(jì)或部分兩段設(shè)計(jì)這既使操作費(fèi)用降低，又達(dá)到脫硼的要求，完全可補(bǔ)償高一點(diǎn)的投資［64］。

4.2.6集成工藝和過程優(yōu)化（1）SWRO與納濾（NF）集成。20世紀(jì)90年代，提出RO與NF結(jié)合的海水淡化新工藝，但集成的工藝有不同，一是納濾在RO之前，納濾的產(chǎn)水為RO的進(jìn)水，這對(duì)RO很有利；另一種是將納濾放在RO之后，RO的濃水為納濾的進(jìn)水，納濾的產(chǎn)水返到RO之前，作為RO的進(jìn)水，這可大大提高回收率。

（2）SWRO與多級(jí)閃蒸（MSF）或多效蒸餾（MED）集成。SWRO與MSF集成已商品化，如阿聯(lián)酋的富查伊拉（Fujeirah）水電聯(lián)產(chǎn)廠就采用這一集成技術(shù)，其中，MSF產(chǎn)淡水28.4×104m3/d，SWRO產(chǎn)淡水17.0×104m3/d，這一集成技術(shù)使工廠的生產(chǎn)更靈活，產(chǎn)水的成本更低。

（3）NF與SWRO和MSF/低溫多效蒸餾（LT-MED）集成。以納濾作為預(yù)處理，實(shí)際為部分脫鹽（主要是去硬度），通常可除去海水中Ca2+、Mg2+和HCO3-在70%以上，除SO42-在90%以上，再與SWRO和MSF（LT-MED）結(jié)合，NF產(chǎn)水的60%經(jīng)RO轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品水，RO濃水的80%由MSF轉(zhuǎn)化為淡水，同時(shí)MSF的余熱可加熱NF和RO的進(jìn)水［65］。

（4）SWRO與電滲析（ED）集成。電滲析技術(shù)的最早應(yīng)用是在20世紀(jì)的50年代用于苦咸水淡化，60年代應(yīng)用于濃縮海水制鹽，80年代初，我國(guó)在西沙建立了當(dāng)時(shí)世界上最大的200 m3/d的ED海水淡化站。隨著電滲析技術(shù)不斷發(fā)展，其制水能耗不斷降低，重新受到人們青睞，在小型海水淡化裝備上，電滲析法有望有一席之地；SWRO與倒極電滲析（EDR）集成，SWRO淡化后，EDR對(duì)淡化的濃海水進(jìn)行濃縮，進(jìn)而與海水濃縮制鹽結(jié)合，對(duì)海水與電能進(jìn)行有效利用，可進(jìn)一步達(dá)到節(jié)能降耗的要求。也有人提出電滲析與反滲透的集成，先用電滲析淡化海水到3 000 mg/L左右，再用反滲透制取飲用水［66］。

（5）其他集成工藝。如水電聯(lián)產(chǎn)和熱膜耦合，再進(jìn)一步與供熱（汽）、化工、綜合利用等過程集成，將發(fā)電、海水淡化與鹽、堿聯(lián)產(chǎn)等綜合開發(fā)，是值得提倡和推廣的生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈新概念，海水淡化聯(lián)產(chǎn)、海水淡化濃鹽水零排放、濃鹽水化學(xué)資源提取的系統(tǒng)整合，實(shí)現(xiàn)了海水淡化產(chǎn)業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展。海水淡化與水電、核電聯(lián)產(chǎn)，可以充分利用產(chǎn)業(yè)互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)，解決電廠廢熱排放問題，同時(shí)降低海水淡化成本，提高海水淡化產(chǎn)品水的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，有助于海水淡化產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大；海水淡化濃鹽水零排放技術(shù)與海水淡化主體工藝相結(jié)合，可以有效解決海水淡化濃鹽水的環(huán)境影響問題，促使海水淡化產(chǎn)業(yè)向綠色產(chǎn)業(yè)靠攏，有利于可持續(xù)發(fā)展；此外，零排放的實(shí)現(xiàn)與濃鹽水化學(xué)資源的提取可以同時(shí)進(jìn)行，可從濃鹽水中生產(chǎn)多種工業(yè)原料，創(chuàng)造額外的市場(chǎng)價(jià)值。既具有經(jīng)濟(jì)效益，又具有環(huán)境效益［67］。

（6）過程優(yōu)化。使產(chǎn)水成本最低的反滲透海水淡化系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)是確定系統(tǒng)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)、最優(yōu)操作條件、同時(shí)給出系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)，以獲得系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)的主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如投資成本、運(yùn)行成本、運(yùn)行能耗等。多數(shù)反滲透廠的優(yōu)化和設(shè)計(jì)方法多應(yīng)用反滲透網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)不同條件下的反滲透廠進(jìn)行研究，提出更接近實(shí)際、且經(jīng)濟(jì)可行的新模型，采用費(fèi)用最小為優(yōu)化目標(biāo)，獲得最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和操作條件。如Young M.Kim，et.al.從海水取水、預(yù)處理系統(tǒng)、反滲透網(wǎng)絡(luò)建模、能量回收系統(tǒng)、后處理系統(tǒng)、濃鹽水排放和環(huán)境影響等各方面總結(jié)了大規(guī)模反滲透海水淡化的優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究進(jìn)展、存在的問題和未來的研究方向［68-69］。

4.3膜清洗、除污和消毒［70］

在長(zhǎng)期運(yùn)行中，膜的表面上會(huì)逐漸有進(jìn)水中存在的各種污染物的沉積而引起膜的污染，這造成系統(tǒng)性能的下降，所以防止膜污染是反滲透應(yīng)用中最重要的方面之一。膜的定期清洗和消毒是防治膜污染的主要措施之一。

典型的膜清洗工藝包括物理清洗與化學(xué)清洗兩種類型，膜的清洗先要查找污染原因，針對(duì)不同的污染物，選擇不同的清洗技術(shù)，如，機(jī)械清洗、化學(xué)清洗（酸、堿、螯合劑、表面活性劑和酶等）和組合清洗等，下面僅介紹兩個(gè)新技術(shù)。

4.3.1兩相混合流體清洗目前正在歐洲研發(fā)的清洗技術(shù)是用溶解的二氧化碳來清洗卷式膜。這些二氧化碳水溶液在沒進(jìn)入系統(tǒng)之前先讓其達(dá)到飽和，進(jìn)入系統(tǒng)后由于壓頭損失壓力降低，然后二氧化碳就會(huì)從溶液中釋放出來，形成二氧化碳泡沫，這些二氧化碳泡沫會(huì)清理到那些積累的生物雜質(zhì)。

4.3.2正滲透（FO）的反沖洗［71］這是液壓反沖洗的一種方法，高濃度鹽溶液在很短的時(shí)間內(nèi)注入進(jìn)水管路系統(tǒng)，淡化水側(cè)的水透過膜，可從膜的表面剝離并清除污染物，這種操作的好處是能夠持續(xù)使用，并且能夠減少或完全不用化學(xué)試劑。

4.4淡化水后處理系統(tǒng)

反滲透法淡化產(chǎn)品水總?cè)芙庑怨腆w含量范圍為200～300 mg/L，硬度和pH較低，硼含量較高。該產(chǎn)品水要作為飲用水或工業(yè)用純水，還要對(duì)該產(chǎn)品水進(jìn)行調(diào)硬度、pH和脫硼，以及深度脫鹽，才能滿足使用要求［72］。

4.4.1淡化水的硬度調(diào)節(jié)及脫硼 （1）調(diào)硬度。海水淡化水中礦物質(zhì)含量很低，因此為了讓水可口、無(wú)腐蝕性，且滿足人體的健康需要，有必要對(duì)其進(jìn)行一定程度的再礦化處理。再礦化過程的選擇，是由管理的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)決定的。如在淡化水中引入鈣離子、碳酸鹽堿度和鎂離子等，所用方法有：用源水摻混，投加化學(xué)藥劑，石灰石、白云石和氧化鎂溶解，離子交換等［72］。

①摻混。一般來說，用低鹽度的苦咸水、地下水或者其他來源的可飲用水與淡化水摻混，來提高供水的可靠性和靈活性是常用的。

②投加化學(xué)藥劑。在海水淡化水中加入一些必要藥劑，從而獲得想要的均衡的礦物含量。所用的化學(xué)藥品包括：二氧化碳（CO2），石灰（Ca（OH）2），碳酸氫鈉（NaHCO3），碳酸鈉（Na2CO3）和氯化鈣（CaCl2）等組合的試劑。目前，世界范圍內(nèi)最常用的加入化學(xué)試劑的方法是二氧化碳和氫氧化鈣，這種再礦化的方法的優(yōu)勢(shì)在于鈣和重碳酸鹽有著相同的比例［72］。

（2）脫硼。反滲透海水淡化的水中硼的濃度難滿足國(guó)家飲用水標(biāo)準(zhǔn)0.5 mg/L這一要求。目前國(guó)際上大型反滲透海水淡化工程應(yīng)用中，最常見的脫硼方法是采用部分或全部二級(jí)反滲透工藝，也有的選用高脫硼的膜組件進(jìn)行海水淡化，使淡化水中硼的濃度達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)要求；用脫硼樹脂使淡化水中硼的濃度滿足飲用水標(biāo)準(zhǔn)要求，也是淡化水中除硼可選的主要工藝之一［73-74］。

4.4.2淡化水的深度脫鹽反滲透海水淡化裝置生產(chǎn)的淡化水的總?cè)芙庑怨腆w含量相對(duì)較高，一級(jí)反滲透海水淡化產(chǎn)水的總?cè)芙庑怨腆w含量范圍為200～500 mg/L。一般工業(yè)用水，根據(jù)要求可直接用或混用；為進(jìn)一步提高水質(zhì)，除去溶解在水中的微量元素，制造出純水和超純水，還必須進(jìn)行二級(jí)反滲透，再將產(chǎn)品水進(jìn)行深度脫鹽，以滿足飛速發(fā)展的電子、電力、制藥、食品、化工、輕工、航空航天和冶金等行業(yè)的嚴(yán)格的要求［75］。

離子交換技術(shù)是傳統(tǒng)的深度脫鹽技術(shù)，可除去反滲透淡化水中剩余的鹽分，使之達(dá)到特定工藝用水要求。最新發(fā)展是用電除離子技術(shù)（EDI），它是將電滲析和離子交換技術(shù)相結(jié)合，使水中陰陽(yáng)離子透過陰陽(yáng)離子交換膜，達(dá)到水的純化，同時(shí)，水分子在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生氫離子和氫氧根離子，使離子交換樹脂可連續(xù)再生而無(wú)需酸和堿，控制不同工藝條件，可制備不同等級(jí)的純水和超純水（1～18 MΩ·cm）。

5　對(duì)環(huán)境的影響及對(duì)策

雖然SWRO能為缺水地區(qū)提供所需的淡水，但用SWRO大規(guī)模生產(chǎn)淡水也有其負(fù)面的影響。一是SWRO本體能耗在3 kWh/m3淡水，這意味著產(chǎn)1 t淡水，要消耗1 kg的油，會(huì)產(chǎn)生2 kg多的CO2。二是SWRO的回收率一般為40%，那么60%的原海水成為濃海水并排放到海中，這將對(duì)所排放的海區(qū)的環(huán)境和生態(tài)產(chǎn)生一定的影響。另外有藥劑、噪音、占地和景觀等的影響。這些影響可通過進(jìn)一步提高過程的效率來降低能耗、使用清潔的和可再生能源、濃海水的合理排海和綜合利用、不用或使用綠色藥劑、以及其他相應(yīng)措施來解決或減緩［76-80］。

5.1清潔、可再生能源的應(yīng)用

清潔、可再生能源主要有核能、太陽(yáng)能、風(fēng)能和地?zé)崮艿?。它們都具有?chǔ)量大、可持續(xù)利用、環(huán)境友好等特點(diǎn)，在合適的地方、需求和選擇合適的工藝下，它們是可優(yōu)先選擇。如澳大利亞的珀斯反滲透海水淡化廠是大規(guī)模利用可再生能源（風(fēng)能）的海水淡化系統(tǒng)；核能可直接驅(qū)動(dòng)反滲透海水淡化廠或通過熱-膜集成工藝?yán)盟臒岷碗妬磉M(jìn)行海水淡化；太陽(yáng)能和風(fēng)能是很多島嶼和邊遠(yuǎn)地區(qū)中小型海水淡化裝置的優(yōu)選能源［82-83］。

5.2濃海水處置

5.2.1濃海水排放目前國(guó)際上濃海水排放基本采用直接排海的方法。為了降低濃海水對(duì)海洋環(huán)境的影響，多將濃海水通過管道在離海岸一定距離之處噴射分散，與海水混合，降低濃海水的鹽度，再由海流攜帶至別處；有條件的地方，也可采用濃海水與電廠冷卻水或污水處理場(chǎng)的達(dá)標(biāo)排放污水混合稀釋排海的方法［84-86］。

5.2.2濃海水綜合利用濃海水綜合利用包括利用濃海水制鹽、制堿、提溴、鎂、鉀、鋰、鈾和碘等。

濃海水可經(jīng)電滲析濃縮—蒸發(fā)結(jié)晶制鹽，電滲析濃縮鹵水濃度可達(dá)200 g/L，噸鹽耗電可降到150 kW·h，由于該工藝占地面積少，不受氣候條件的影響，且產(chǎn)品純度高，30多年來經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)取得了很大進(jìn)展，在日本、韓國(guó)和我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)均有應(yīng)用［87-88］。

海水提鉀有希望的工藝是離子交換富集法，其中離子篩法是近期開發(fā)的一種新分離技術(shù)，它是根據(jù)沸石離子篩對(duì)鉀離子的選擇性吸附的原理，通過吸附和洗脫兩個(gè)過程，從洗脫液中再分離和轉(zhuǎn)化鉀鹽產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)已有日產(chǎn)萬(wàn)噸級(jí)的示范項(xiàng)目［89］。

目前，從海水提取溴素的工藝技術(shù)有空氣吹出法或水蒸氣蒸餾法，但濃海水中溴的濃度仍較低，采用空氣吹出法有設(shè)備龐大、電耗高等問題；近年來國(guó)內(nèi)外相繼試驗(yàn)離子交換吸附法、液膜法、氣態(tài)膜法等新工藝，但有待技術(shù)的突破［89］。

海水中鎂的含量?jī)H次于鈉，只有鎂鹽合理開發(fā)利用才可實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的海水綜合利用。國(guó)外利用濃海水制取氫氧化鎂和高純氧化鎂技術(shù)已形成數(shù)百萬(wàn)噸的產(chǎn)業(yè)化規(guī)模。在我國(guó)，海水中鎂資源的開發(fā)利用僅限于利用苦鹵生產(chǎn)氯化鎂和硫酸鎂。鎂及鎂化物是重要的工業(yè)原料，在合金、耐火、建筑和環(huán)保等材料行業(yè)及化工行業(yè)具廣泛應(yīng)用，應(yīng)加強(qiáng)開發(fā)力度［89］。

海水提鋰的研究在日本、美國(guó)和韓國(guó)等國(guó)已開展多年，均采用吸附劑法，并有中試現(xiàn)場(chǎng)。

目前，尖晶石型鋰錳氧化物離子篩的效果最好。國(guó)內(nèi)的海水提鋰研究剛起步，也開展了鋰離子篩的研制和吸附研究，接近國(guó)際先進(jìn)水平。今后應(yīng)注重離子篩在海水提鋰中的應(yīng)用研究，以盡快形成海水提鋰技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)海水提鋰工業(yè)化奠定基礎(chǔ)。鋰是一種自然界中最輕的金屬，被公認(rèn)為推動(dòng)世界進(jìn)步的能源金屬。鋰是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)中具有重要意義的戰(zhàn)略物資，在新型綠色能源材料、新合金材料、核聚變材料等高技術(shù)領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。海水鋰的資源量則非常巨大，因此，應(yīng)加強(qiáng)研究和開發(fā)力度［90］。

鈾是核工業(yè)原料，陸地儲(chǔ)藏總量約500萬(wàn)t U308，為滿足核工業(yè)發(fā)展的需求，從20世紀(jì)60年代開始，英、美、日等國(guó)開始海水提鈾的研究。目前從海水中提取鈾的方法主要有吸附法、共沉淀法、離子交換法和液膜萃取法等。其中，吸附法是目前研究最多、最有希望的方法。吸附法海水提鈾是由吸附、脫附、濃縮、分離等工序組成，其最重要的是要研制高性能的吸附劑，其中主要有以肟胺基化合物螯合吸附劑為代表的有機(jī)類和以水合氧化鈦絡(luò)合吸附劑為代表的無(wú)機(jī)類等。日本利用肟胺基樹脂進(jìn)行了海水吸附鈾放大試驗(yàn)，我國(guó)也開展過吸附法海水提鈾的研究工作，但至未取得突破性進(jìn)展［89］。

5.3新型環(huán)境友好的和高效的防垢劑、防污染劑和膜清洗劑的應(yīng)用

海水的預(yù)處理和清洗能不用或少用化學(xué)試劑是發(fā)展的新動(dòng)向，如電磁法和電化學(xué)法防垢與滲透法清洗等；若用化學(xué)試劑，應(yīng)選擇新型環(huán)境友好的和高效的品種，如可生化降解的聚琥珀酸和聚天冬氨酸緩蝕阻垢劑，生物基的羧甲基菊粉阻垢劑，及檸檬酸和谷氨酸等［91-93］。

6　重大項(xiàng)目和工程簡(jiǎn)介

6.1我國(guó)反滲透（膜）法海水淡化技術(shù)發(fā)展

政府對(duì)海水淡化技術(shù)（含反滲透）的研究和開發(fā)工作十分重視，包括1967-1969年的全國(guó)海水淡化會(huì)戰(zhàn)。自“七五”以來，已連續(xù)5個(gè)五年計(jì)劃對(duì)膜分離技術(shù)（含反滲透）作為重點(diǎn)項(xiàng)目進(jìn)行支持，包括國(guó)家支撐計(jì)劃、“863”計(jì)劃、“973”計(jì)劃和自然科學(xué)基金等各類項(xiàng)目，還先后資助成立了國(guó)家液體分離膜工程技術(shù)研究中心、海水淡化技術(shù)聯(lián)盟、海水淡化產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟等。圍繞海水淡化、苦咸水淡化等技術(shù)的需求，重點(diǎn)研究反滲透膜用原料，突破海水淡化膜的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化技術(shù)關(guān)鍵，日產(chǎn)萬(wàn)噸級(jí)反滲透系統(tǒng)配套的海水高壓泵和千噸級(jí)配套的能量回收裝置開發(fā)取得重大突破，反滲透膜壓力容器已完全實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，單機(jī)設(shè)計(jì)產(chǎn)水量為10 000 t/d和12 500 t/d的反滲透海水淡化裝置已運(yùn)行多年……使海水淡化形成核心競(jìng)爭(zhēng)力，打破國(guó)際壟斷。此外，曹妃甸百萬(wàn)噸海水淡化進(jìn)京工程項(xiàng)目已經(jīng)通過可行性方案論證，正在啟動(dòng)實(shí)施下一步工作［94］。

6.2韓國(guó)的高效反滲透的海水工程和構(gòu)筑（SEAHERO）計(jì)劃簡(jiǎn)介

韓國(guó)的該計(jì)劃從2006年12月開始運(yùn)作，正式從2007年9月開始實(shí)施，2012年底完成。

該項(xiàng)目的主要目標(biāo)是力爭(zhēng)在5年內(nèi)把韓國(guó)打造成膜法海水淡化的世界性技術(shù)強(qiáng)國(guó)，研究開發(fā)擁有自主產(chǎn)權(quán)的主要設(shè)備及工程能力。主要在以下3方面有所突破（3L）：Large Scale（大規(guī)模）:建成單機(jī)27 000 m3/d的能力，并建成樣板工程；Low Energy（低能耗）：海水淡化工廠的總耗電低于4 kWh/m3；Low Fouling（低污染）：通過預(yù)處理技術(shù)開發(fā)，將現(xiàn)有的淤塞密度指數(shù)（SDI）水平降低一半，并且研究出比SDI更具有代表性的指標(biāo)。

韓國(guó)政府投資1.6億美元，由韓國(guó)科技研究院的In S Kim教授主持，分成4個(gè)子課題，共有600名科研人員參加，除了大學(xué)、研究所以外，還有11家企業(yè)參加，其中包括負(fù)責(zé)海水淡化反滲透膜開發(fā)的世韓（現(xiàn)改名熊津）、負(fù)責(zé)系統(tǒng)工程的斗山重工、負(fù)責(zé)高壓水泵的HYUSUNG任原等。

該項(xiàng)目分4個(gè)課題，課題1研究費(fèi)約4千萬(wàn)美元，約200人參加，主要來自大學(xué)，負(fù)責(zé)預(yù)處理，后處理技術(shù)開發(fā)及膜評(píng)價(jià)技術(shù)的研發(fā)；課題2研究費(fèi)約4千萬(wàn)美元，約200人參與，主要來自韓國(guó)科技研究院，另有部分企業(yè)負(fù)責(zé)操作系統(tǒng)的優(yōu)化和膜、高壓泵和壓力容器的開發(fā)；課題3研究費(fèi)約7千萬(wàn)美元，主要由企業(yè)實(shí)施，約150人參與，負(fù)責(zé)海水淡化系統(tǒng)集成及樣板工程的建設(shè)；課題4研究費(fèi)約1千萬(wàn)美元，主要由企業(yè)實(shí)施，約有50人參與，負(fù)責(zé)海水淡化系統(tǒng)的運(yùn)行、維護(hù)和管理的研究開發(fā)［95］。

6.3日本百萬(wàn)噸/天膜法水處理系統(tǒng)簡(jiǎn)介

該項(xiàng)目是為增強(qiáng)日本未來對(duì)大規(guī)模海水淡化的競(jìng)爭(zhēng)力提出的。項(xiàng)目的執(zhí)行期為2009-2014年，總資助0.34億美元，有11個(gè)大學(xué)、18個(gè)公司等31個(gè)單位共140人參加。其目標(biāo)是發(fā)展可持續(xù)的先進(jìn)水處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)低能耗、低成本和低環(huán)境影響的要求，解決21世紀(jì)面臨的全球水資源問題。該系統(tǒng)分兩部分，一是研究百萬(wàn)噸級(jí)的最尖端和智能的海水淡化系統(tǒng)，以保障水的穩(wěn)定和安全的供應(yīng)；二是研究百萬(wàn)噸級(jí)的創(chuàng)新的廢水處理系統(tǒng)，變通常的只消耗水為還可以生產(chǎn)水（再生水）和能源。該系統(tǒng)有8個(gè)主題，其中5個(gè)是核心技術(shù)：高性能膜和大尺寸元件、取水技術(shù)、壓力阻尼滲透（PRO）、高效能量回收和極耐用的低成本管材，另3個(gè)是系統(tǒng)工藝技術(shù)：百萬(wàn)噸級(jí)海水淡化系統(tǒng)的優(yōu)化、水資源再生的污水集成膜系統(tǒng)和環(huán)境友好的SWRO系統(tǒng)。既重視目前急需的技術(shù)，也考慮未來的重要技術(shù)［96］。

7　海水淡化的未來——結(jié)語(yǔ)

海水淡化的發(fā)展是一個(gè)不斷創(chuàng)新的過程，60多年來，開發(fā)的蒸餾法 （MSF、MED、VC）和反滲透法（RO）已大規(guī)模應(yīng)用，使海水淡化成本大幅度下降。盡管海水淡化的方法多種多樣，但主要的仍是膜法和熱法兩種，目前中東地區(qū)以熱法為主，美、歐、澳、日等以SWRO為主。SWRO由于投資能耗、淡化水成本等都最低，建設(shè)周期也短，在國(guó)際競(jìng)標(biāo)中屢屢中標(biāo)，很有競(jìng)爭(zhēng)力。近幾年來，大型反滲透膜元件規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)化，標(biāo)準(zhǔn)尺寸16 inch或18 inch的膜元件已應(yīng)用于大規(guī)模反滲透裝置中。在水熱電聯(lián)產(chǎn)場(chǎng)合（含核能），RO、MED、集成膜法、熱膜耦合等海水淡化系統(tǒng)都可考慮［1］。

海水淡化產(chǎn)量從50多年前的日產(chǎn)不足1萬(wàn)m3發(fā)展到目前的日產(chǎn)量約8 640萬(wàn)m3，其中，反滲透占了60%以上，解決近3億人口的供水和發(fā)展問題，為緩解“水的危機(jī)”發(fā)揮了重要作用［97］。

除SWRO之外，RO仍將繼續(xù)廣泛用于苦咸水淡化以及純水和超純水的制備和飲用水凈化，RO預(yù)濃縮技術(shù)仍將在化工、醫(yī)藥、食品和中草藥等領(lǐng)域進(jìn)一步推廣應(yīng)用；RO在環(huán)保方面，仍將用于石化、鋼鐵、電鍍、礦山、放射、生活、垃圾滲濾、微污染等廢水的濃縮處理，水回用、達(dá)標(biāo)排放或零（近零）排放等［98］。

其他的方法也在不斷地技術(shù)創(chuàng)新、進(jìn)步和發(fā)展，如研究中的新淡化技術(shù)：新電滲析、膜蒸餾、正滲透、噴霧淡化、膜電容吸附和新冷凍法等也部分應(yīng)用或展現(xiàn)應(yīng)用潛力。在反滲透帶動(dòng)下發(fā)展的各種膜分離技術(shù)（液體和氣體分離膜等）在促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)、清潔生產(chǎn)、改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、節(jié)能減排、技術(shù)進(jìn)步、環(huán)境保護(hù)和人民生活水平提高等方面應(yīng)用越來越廣，發(fā)揮的作用越來越顯著［99-106］。

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Recent Development and Prospect of Seawater Reverse Osmosis Desalination Technology

GAO Cong-jie，ZHOU Yong，LIU Li-fen
Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，Zhejiang Province，China

The reverse osmosis（RO）membrane technology achieved breakthrough progress in the 1960s，resulting in fast development of seawater reverse osmosis desalination over the past half century.The world's desalination capacity has been rapidly increasing since 1990.Seawater reverse osmosis（SWRO）desalination has become a novel process for producing drinking water from seawater with the lowest investments and costs.This paper systematically reviews the development status of SWRO technology，such as improvement in membrane performance and related element structure，efficiency enhancement of high pressure pumps and energy recovery devices（ERD），unceasing development of technical processes including pretreatment and post-treatment，as well as impacts on the environment and related countermeasures.The development of RO technology has also promoted the progress of other membrane separation processes and extended their application fields.In the near future，it can be predicted that the membrane-based technologies will play an increasingly prominent role in seawater desalination and water reuse，augmentation and protection of water resources，cicular economy，clean production，traditional industry updating，energy conservation and emission reduction as well as enhancement of people's living standards.

seawater desalination；reverse osmosis membrane，reverse osmosis technology；energy recovery；environmental impacts

P747；TQ028.8

A

1003-2029（2016）01-0001-14

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.01.001

2016-01-06

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）資助項(xiàng)目：面向應(yīng)用的高性能水處理膜設(shè)計(jì)與制備（2015CB655300）

高從堦（1942-），男，中國(guó)工程院院士，主要從事功能膜分離、海水淡化、水處理、膜與（水）資源、環(huán)境、清潔生產(chǎn)和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造等方面研究。E-mail:gaocj@zjut.edu.cn