Carsten Schellenberg博士

朗盛德國股份有限公司液體凈化技術(shù)業(yè)務(wù)部

可持續(xù)發(fā)展

創(chuàng)新進(jìn)水隔網(wǎng)技術(shù)提升反滲透膜元件性能

Carsten Schellenberg博士

朗盛德國股份有限公司液體凈化技術(shù)業(yè)務(wù)部

圖1　膜結(jié)構(gòu)工作原理

圖2　朗盛反滲透卷式膜元件外形

當(dāng)前，全球水資源正在日益枯竭。到2025年，近10億人口將無法獲得新鮮的飲用水。反滲透（RO）水處理技術(shù)將在緩解水短缺方面發(fā)揮重要作用，但是該技術(shù)也會產(chǎn)生能源成本。反滲透膜或元件技術(shù)的任何改進(jìn)都有助于提升該工藝的效率。在一個(gè)聯(lián)合研究項(xiàng)目中，Conwed Plastics公司和德國朗盛集團(tuán)液體凈化技術(shù)業(yè)務(wù)部已經(jīng)證明，進(jìn)水隔網(wǎng)技術(shù)的創(chuàng)新可以提升反滲透膜元件的性能。

反滲透工藝

反滲透是一種利用半透膜，主要去除單價(jià)離子（如氯化鈉）的水凈化技術(shù)。該工藝通過施加壓力來克服天然滲透壓。反滲透膜以卷式膜元件的形式提供，用于各式各樣的脫鹽應(yīng)用。通常進(jìn)水隔網(wǎng)被稱為布、網(wǎng)絲、網(wǎng)或網(wǎng)布等，是卷式反滲透膜元件多層中的一層，在膜之間提供重要的分隔功能，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的過濾性能。卷式膜元件是指由卷在滲透水收集管上的“平板膜-滲透水通道隔網(wǎng)-平板膜-進(jìn)水通道隔網(wǎng)”組成的膜結(jié)構(gòu)。圖1所示膜元件結(jié)構(gòu)中的進(jìn)水隔網(wǎng)可以隔開相鄰膜的表面。網(wǎng)狀的進(jìn)水隔網(wǎng)使進(jìn)水通道保持打開狀態(tài)，允許水沿膜元件在進(jìn)水通道內(nèi)流動。圖2所示的便是一個(gè)實(shí)際的反滲透卷式膜元件。

反滲透面臨的挑戰(zhàn)

目前已經(jīng)確認(rèn)，反滲透水處理工藝面臨三大主要挑戰(zhàn)，即壓降、膜損壞、生物污染和結(jié)垢。經(jīng)過研究和分析，反滲透膜片制造商、卷膜操作工和裝置操作工都認(rèn)為這些挑戰(zhàn)是他們十分關(guān)注的問題。這些挑戰(zhàn)推動著Conwed Plastics和朗盛攜手開展技術(shù)研究，期待開發(fā)出更有效的反滲透產(chǎn)品。

進(jìn)水隔網(wǎng)對壓降的影響

進(jìn)水隔網(wǎng)是卷式膜元件的一個(gè)基本組成部分。進(jìn)水隔網(wǎng)由聚合物材料制造，經(jīng)優(yōu)化改進(jìn)，可以在范圍寬泛的進(jìn)水組成和工藝參數(shù)下保持膜元件的穩(wěn)定性能。進(jìn)水通道和進(jìn)水隔網(wǎng)的構(gòu)造見圖3。進(jìn)水通道形成了一個(gè)高度約為0.7～0.9 mm的矩形開口，其以展開結(jié)構(gòu)展示。由于進(jìn)水通道中存在隔網(wǎng)或網(wǎng)線，因此面向進(jìn)水水流的實(shí)際橫截面面積要小于幾何橫截面的面積。

進(jìn)水通道的長度約為1 m。填滿進(jìn)水通道的進(jìn)水隔網(wǎng)具有雙平面擺放的絲或線。雙平面特性使進(jìn)水水流在流經(jīng)后續(xù)的絲上方和下方時(shí)改變流向。除了使進(jìn)水通道保持開放狀態(tài)外，進(jìn)水隔網(wǎng)還被用來促進(jìn)水流的湍流。水流之所以需要湍流，與反滲透脫鹽工藝的性質(zhì)密不可分。進(jìn)水和溶解鹽沿著平行于膜表面的方向流動，一部分進(jìn)水通過膜，成為滲透水，而溶解離子則被留在濃水的部分中。該過程會在膜表面產(chǎn)生高濃度的溶解離子，這一現(xiàn)象被稱為“濃差極化”。進(jìn)水隔網(wǎng)誘發(fā)的湍流可以抑制濃差極化的擴(kuò)大，從而提升反滲透膜的性能。然而，進(jìn)水隔網(wǎng)誘發(fā)的湍流會增加進(jìn)水通道中的阻力，使進(jìn)水在膜元件進(jìn)口和出口之間形成壓降。

卷式反滲透膜元件的進(jìn)水隔網(wǎng)的現(xiàn)有構(gòu)造是根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)和基礎(chǔ)研究進(jìn)行開發(fā)的，其目標(biāo)是形成“混合流”，即使在卷式反滲透膜元件內(nèi)進(jìn)水通道中的水的流速較低。后續(xù)研發(fā)工作證明了進(jìn)水隔網(wǎng)線的幾何構(gòu)造、角度構(gòu)造以及使進(jìn)水隔網(wǎng)與進(jìn)水水流方向保持一致的重要性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和流體模擬，用于反滲透進(jìn)水隔網(wǎng)的構(gòu)造演變成了一個(gè)具有方形或長斜方形開口的雙平面網(wǎng)。長斜方形網(wǎng)構(gòu)造通常被稱為“菱形網(wǎng)”。隔網(wǎng)被置于進(jìn)水通道中，網(wǎng)絲與進(jìn)水流向之間的角度約為45°（見圖3）。這種構(gòu)造可以在進(jìn)水水流足夠的湍流和混合之間形成可接受的折衷，而不會造成過高的壓降。

圖3　進(jìn)水通道圖

絕大多數(shù)的卷式反滲透膜和納濾膜元件都采用這種進(jìn)水隔網(wǎng)方向。上述進(jìn)水隔網(wǎng)方向（相對于進(jìn)水的方向）以及高密度膜支撐點(diǎn)的存在會使進(jìn)水通道中的流道顯著堵塞。因此，需要使用懸浮物濃度較低的極潔凈進(jìn)水來確保膜系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。如果進(jìn)水通道處于潔凈狀態(tài)，沒有造成流道阻塞的顆粒，那么單個(gè)元件的壓降約為0.01～0.02 MPa。在反滲透系統(tǒng)中，膜元件被封在壓力容器中運(yùn)行，單個(gè)的壓力容器通常包含6～8個(gè)串聯(lián)運(yùn)行的膜元件。因此，一個(gè)壓力容器的組合壓降范圍為0.06～0.15 MPa。海水反滲透系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為單段單元。用于苦咸水應(yīng)用的反滲透系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)為二段甚至三段單元。因此，苦咸水反滲透系統(tǒng)中的組合壓降更高，通常為0.15～0.30 MPa。

隔網(wǎng)濃水壓降造成的反滲透系統(tǒng)進(jìn)水壓力所要求的增加量，大約等于壓降值的一半。因此，進(jìn)水隔網(wǎng)的構(gòu)造必須確保在膜表面附近區(qū)域提供足夠的湍流和混合，同時(shí)不顯著增加進(jìn)水通道的壓降。

膜元件進(jìn)水通道中的摩擦損失是反滲透單元總能耗的成因。根據(jù)進(jìn)水泵和電動機(jī)的共同效率，1 MPa壓降就相當(dāng)于產(chǎn)出了0.25 kW·h/m3產(chǎn)物水時(shí)消耗的額外能量。在系統(tǒng)運(yùn)行期間，一些進(jìn)水顆粒將沉積在膜元件的進(jìn)水通道中，造成壓降的增加，而在極高的壓降下運(yùn)行會損壞膜元件。盡管如此，一些系統(tǒng)仍在壓降比系統(tǒng)啟動時(shí)的初始壓降高50%～100%的情況下運(yùn)行較長的時(shí)間（在兩次膜元件清洗之間）。壓降增加速率主要取決于進(jìn)水的水質(zhì)。然而，初始進(jìn)水壓力較低時(shí)，進(jìn)水隔網(wǎng)的壓降增加速率也較低，這有助于降低反滲透設(shè)備在運(yùn)行期間的功耗。

聯(lián)合研究項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的進(jìn)水隔網(wǎng)幾何構(gòu)造——交替線設(shè)計(jì)

基于上述知識，朗盛啟動了一個(gè)聯(lián)合研究項(xiàng)目，并開發(fā)出了一種應(yīng)對上述挑戰(zhàn)的進(jìn)水隔網(wǎng)新技術(shù)。首先，用3D打印樣品評估基本進(jìn)水隔網(wǎng)的幾何構(gòu)造。隨后，對減小的壓降和最小化的低流量區(qū)進(jìn)行詳細(xì)的CFD（計(jì)算流體動力學(xué)）計(jì)算。利用相等線、交替線和瓶頸式線構(gòu)造的進(jìn)水隔網(wǎng)計(jì)算被視為生物污染起點(diǎn)的低速區(qū)（見圖4）。這些計(jì)算的基本結(jié)果總結(jié)于圖5中。系統(tǒng)交替線型進(jìn)水隔網(wǎng)在壓降方面實(shí)現(xiàn)了良好平衡，同時(shí)最大限度地減少了進(jìn)水低速區(qū)。

為了證明采用交替線設(shè)計(jì)（ASD）的進(jìn)水隔網(wǎng)的性能，我們通過流動池測量程序測試了用大規(guī)模網(wǎng)生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的大量不同類型的進(jìn)水隔網(wǎng)，并對壓降性能進(jìn)行了評估。該測試將進(jìn)水隔網(wǎng)樣品安裝在一個(gè)特殊的流動池內(nèi)，使用不同條件測試進(jìn)水流量、時(shí)間、污染等狀況。選擇的試驗(yàn)進(jìn)水隔網(wǎng)材料見圖6，相應(yīng)的壓降結(jié)果見圖7（給定的流速為20 L/h）。與CFD計(jì)算結(jié)果相似，這項(xiàng)研究證實(shí)了新的ASD技術(shù)可提高進(jìn)水隔網(wǎng)材料的性能。展示出的結(jié)果確實(shí)表明可以實(shí)現(xiàn)ASD進(jìn)水隔網(wǎng)的目標(biāo)。采用這種創(chuàng)新隔網(wǎng)幾何構(gòu)造的反滲透膜元件可以實(shí)現(xiàn)低壓降，從而減少能耗。此外，全新的ASD型隔網(wǎng)顯示出了微調(diào)的流動模式，可以降低生物污染傾向，這改進(jìn)了該種反滲透膜元件的耐久性。

圖5　不同進(jìn)水隔網(wǎng)的流速與壓降的關(guān)系

圖6　三種隔網(wǎng)照片

圖4　各種進(jìn)水隔網(wǎng)結(jié)構(gòu)

圖7　不同進(jìn)水隔網(wǎng)的阻力對比-v2