海水淡化以反渗透法为主 反渗透膜经历三代技术革新

　　摘要：近年来随着水资源污染的日益严重，及淡水资源的不断短缺，拓展新的水资源供给模式成为当前社会发展的主要问题之一。随着技术不断进步，海水淡化逐渐成为解决这一问题的有效途径。本文将重点分析海水淡化技术中反渗透法的市场占比、技术发展趋势和膜的使用参数。

　　水资源问题在工业聚集的沿海地区尤为严峻，一方面工业生产需要大量的淡水资源，企业对淡水资源不断超采，使得水资源大量流失;另一方面人们对生态环境及淡水资源保护力度趋紧，多项政策限制工业淡水的使用，这也加剧了工业生产与水资源保护矛盾的不断加深。地球水资源储量中海水占到97%左右，尤其是在沿海地区，海水资源丰富，合理利用这一部分水资源，进行海水的淡化处理将有效缓解当前的矛盾。

　　反渗透法为主要海水淡化主流技术之一 应用占比达到65%

　　人们对于海水淡化的探索较早，早在16世纪，欧洲的航海者们就从海水中提取淡水，现代意义上的海水淡化技术则是在第二次世界大战以后才逐渐兴起，且随着淡水资源的问题的不断凸显，海水淡化技术也取得了突飞猛进的发展。目前，全球已经商业化或小规模使用的海水淡化技术有20多种，包括反渗透法、多级闪蒸法、电渗析法、真空冷冻法、热膜联产法及吸附法等，此外针对海水的预处理和后处理还有微滤、超滤、纳滤法等。这些海水淡化方法可以归为两类，蒸馏法和膜法，其中以多级闪蒸和反渗透膜法应用最多，在全球海水淡化技术中应用占有率分别在65%和21%，这两种技术也被认为是未来海水淡化技术发展的主要方向。

图1 全球海水淡化技术应用占比

(资料来源：前瞻产业研究院)

　　反渗透(RO)技术，主要利用半透膜两侧溶剂和溶质的透过率不同，以两侧液体的压力差作为推动力，使溶剂选择透过膜而实现溶剂溶质分离。以海水淡化为例，将海水与淡水分开，中间以反渗透膜隔离，淡水会通过渗透膜进入到海水中，这一过程称为渗透，然后再对海水一侧施加压力，海水中的淡水将会反渗透到淡水中，从而实现海水中淡水的分离，反渗透法淡化海水的的最大优点是节能，它的能耗仅为电渗析法的1/2，蒸馏法的1/40。因此考虑到综合成本，反渗透法逐渐成为淡化海水的主流方式，经过多年的研发，目前反渗透海水淡化(SWRO)技术已经十分成熟，反渗透膜的脱盐率达到99.8%，脱硼率达到95%，且膜的抗污染和抗氧化能力不断提高，生产成本逐渐降低。除了应用在海水淡化之外，反渗透技术在苦咸水淡化、垃圾渗滤、超纯水制备及废水浓缩等方面都有着重要作用。

　　反渗透膜经历三代技术革新 卷式反渗透膜效率最高

　　反渗透膜是反渗透海水淡化(SWRO)中的关键组件，海水淡化的转化效率与反渗透膜的性能有着密切的关系。反渗透膜的发展经历三个阶段，其主要产品为均质对称膜、不对称膜和复合膜。其中均质对称膜为初代产品，主要由6μm厚的均质醋酸纤维素制得，其水通过量较少，且脱盐率较低，目前均质醋酸纤维素膜已经被全面淘汰，但是它的诞生也开启了人们对于反渗透膜的探究。第二代反渗透膜为不对称醋酸纤维素膜，其主要结构与第一代膜不同，主要由致密皮层与疏松支撑层构成，这种结构仅使得膜表皮呈致密性，厚度仅为0.2μm，大大提高了水的通过量，与第一代反渗透膜相比，传质速度提高了3个数量级，目前第二代反渗透膜仍在小范围内有所使用，但是使用量逐年降低。第三代反渗透膜主要采用复合膜，其优化方向主要是膜的脱盐层和支撑层分别由优选的材料来制备，其脱盐层主要由芳香族聚酰胺制备，厚度仅为0.1~0.2μm，支撑层则主要由聚砜制备，这种结构使得反渗透膜的水通量大大提高，是均质对称膜的10倍。随着技术的不断进步，目前使用的“高脱盐型”复合膜，在5.52 MPa 操作压力下，对35000 mg/L NaCl溶液淡化处理，脱盐率达99.8%，水通量在40 L/m²·h 以上，淡化率十分优越。目前第三代反渗透复合膜已经应用在诸多领域，且市场规模不断扩大。

　　目前，已商业化应用的反渗透膜组件主要有四种类型包括：中空纤维式、卷式、框式及管式，其中前两类性能最佳且应用最广。中空纤维式反渗透膜可以在高温高压下正常工作，具有较高的膜面积堆砌密度，可以有效提高淡化效率，同时中空纤维式具有很强的密闭性，可以有效避免微生物的侵蚀，因此在西亚海湾地区及中东地区市场占有率较高。卷式反渗透膜，是目前世界上使用最广泛的反渗透膜应用形式，膜组件装填密度大，使用操作简便，行业标准较统一，成本相对较低。卷式反渗透膜中，界面聚合聚酰胺反渗透膜是目前的主流，卷式海水淡化膜脱盐率最高可达99.8%，脱硼率可达95%，耐压最高可达10MPa，功耗最低小于3kWh/m³，水通量最高可达38m³/d。

　　未来反渗透膜的研发方向除了提高现有膜的性能外，还需要开发新型制膜原材料或提高膜材料改性的方法;针对卷式反渗透膜，要研发出提高膜面积的组件，提高产水量，降低单位产水能耗;同时也要加强海水预处理技术的研发，两部分统一协作，提高淡化效率。

　　结语

　　近年来随着水资源问题的日益严峻，工业用水和水资源短缺矛盾不断加深，针对这一问题，急需寻求新的水资源供给模式。全球海水资源丰富，且工业区多集中在沿海地区，海水淡化处理就成为解决水资源问题的新途径。目前已经规模使用的海水淡化技术有20余种，其中多级闪蒸法和反渗透膜法为应用最广，反渗透膜法也是未来海水淡化技术的主流之一。反渗透技术中反渗透膜为关键部件，其决定了反渗透效果的优劣性，反渗透膜已经历了三代技术革新，目前第三代复合膜应用最多，反渗透膜组件主要有四种类型，卷式反渗透膜为当前的主流应用，其脱盐率最高可达99.8%，脱硼率可达95%，性能较为优异。未来随着淡水资源需求的不断提高及海水淡化技术的不断进步，反渗透技术及反渗透膜将拥有更加广阔的市场。