反滲透技術是20世紀60年代初發展起來的以壓力為驅動力的膜分離技術.該技術是從海水、苦咸水淡化而發展起來的,通常稱為“淡化技術”.由于反滲透技術具有無相變、組件化、流程簡單、操作方便、占地面積小、投資省、耗電低等優點,發展十分迅速.據國際脫鹽協會統計,1999年底,全球單機日產量100 m³以上的裝置有13 600臺,每天生產淡水2 590×104m³.反滲透和多級閃蒸是主要的應用方法,各占大約43%的市場份額.各種淡化技術在長期的工程應用中都在不斷改善和提高,如改善工程和設備本身的用材、改進原水預處理和運行管理計算機化.然而,由于反滲透技術適用范圍廣,從事反滲透技術研究的單位和成套工程的公司多,近年來,其發展速度相對于其他技術快得多.我國反滲透技術開發始于20世紀60年代,1967~1969年全國海水淡化會戰為乙酸纖維素不對稱反滲透膜的開發打下了基礎,70年代進行中空纖維和卷式反滲透組件的研究開發,80年代進行反滲透復合膜的研究開發,開始步入產業化,在我國水處理行業得到了廣泛應用.尤其近些年來,在國家開放政策的引導下,世界發達國家高性能膜組器大量涌入國門,帶動了國內反滲透工程應用的高速發展.國內相關研發單位在高性能反滲透、納濾復合膜的研究方面也已取得突破,正在實施水膜的產業化計劃.經過30多年的發展,尤其“七五”以來,通過連續實施國家3個五年科技計劃,我國的反滲透技術有了快速的發展,產業初具規模.反滲透技術已廣泛應用于海水苦咸水淡化,純水、超純水制備,化工分離、濃縮、提純等領域.工程遍布電力、電子、化工、輕工、煤炭、環保、醫藥、食品等行業.

1　海水、苦咸水淡化

        我國海水淡化技術的研究起步較早,也是世界上少數幾個掌握海水淡化先進技術的國家之一.在反滲透海水淡化方面,1997年,浙江省重大科技攻關項目“500 t/d反滲透海水淡化示范工程”在浙江省嵊泗縣嵊山島建成投產.首次采用了透平式能量回收裝置,使海水淡化工程單位產水能耗降至5.5 kWh/t以下,填補了我國反滲透海水淡化工程的空白.2000年,在國家科技部重點科技攻關項目“日產千噸級反滲透海水淡化系統及工程技術開發”的支持下,先后在山東長島、浙江嵊泗建成了1 000t/d級的反滲透海水淡化示范工程，采用了壓力交換式能量回收裝置,每噸淡水能耗降至4.2 kWh以下,各項技術經濟指標達到國際先進水平.在示范工程的引導下,我國已建成百噸級以上反滲透海水淡化工程十余個,合計日產水近30 kt.目前,正在山東省榮成建設單機規模5 000 t/d的萬噸級反滲透海水淡化示范工程.目前,我國反滲透海水淡化尚未形成規模,工程投資基本上在5 000~6 000元/(t•d)范圍,小型海水淡化工程的工程投資更高,噸水能耗在4.0~5.5 kWh.不同規模的海水淡化制水成本,在5.0~6.0元/t.總體上講,我國反滲透海水淡化技術和產業與美國、日本等發達國家相比尚有一定差距.一是反滲透海水淡化關鍵設備,如海水膜組器、高壓泵、能量回收裝置等尚未完全實現國產化,需要從美、日等發達國家引進;二是海水淡化工程規模尚小,總制水能力只占全球總產量的千分之幾;三是掌握反滲透海水淡化技術的工程公司少.鑒于此,國家計委于2001年開始實施國家高技術產業化重大專項——萬噸級反滲透海水淡化及其組器技術產業化項目,國家科技部也已將反滲透海水淡化成套技術開發納入了國家“十五”攻關項目.

        受海洋環境和海水特性的影響,海水淡化工程與其他水處理工程相比,在設計和施工上差異較大.設計海水取水設施時,應考慮潮位差、風浪、微生物和貝類生長等因素;設計海水預處理系統時,應考慮海水濁度的季節性變化、細菌繁殖和有機物等因素;設計反滲透系統時,應考慮高壓、腐蝕性、微溶無機鹽沉淀及濃差極化等因素.圖1為常用反滲透海水淡化工藝流程示意圖.當海水濁度較高時,如我國東海、渤海的沿海海域,宜采用加氯、混凝、澄清、過濾的海水預處理工藝.
　　
        能耗是反滲透海水淡化工程的主要技術經濟指標.因此,反滲透海水淡化工程通常采用能量回收裝置來回收高壓濃縮海水的剩余能量,以便降低海水淡化噸水能耗和造水成本.目前常用的能量回收裝置有水力透平式能量回收裝置和壓力交換式能量回收裝置,前者視規模大小,可回收高壓濃縮海水50%~70%的剩余能量,而后者采用了直接接觸正位移壓力交換機理,其對高壓濃縮海水能量回收率在90%以上.

        苦咸水通常指含鹽量低于5 000 mg/L的天然水、地表水和井水,也包括含鹽量高于5 000 mg/L或含鹽量接近海水的高濃度苦咸水.由于苦咸水一般含有較高的鈣、鎂、重碳酸根、硫酸根等微溶無機鹽離子,在反滲透苦咸水淡化工程中,抑制和控制微溶鹽的結垢沉淀是十分重要的.目前常用的方法有添加阻垢劑、離子交換軟化、加酸去除進水中的碳酸根和重碳酸根以及降低水回收率,避免超過溶度積.反滲透是苦咸水淡化工程最具競爭力的方法,技術相對成熟.目前,我國已有上千套規模不等的反滲透苦咸水淡化裝置應用在國民經濟各個領域,積累了成功的經驗.
 

2　純水、超純水制備

        純水、超純水是現代工業中一種十分重要的原材料,已被廣泛應用于半導體、微電子、電力、化工、醫藥等領域.我國從20世紀80年代起在純水、超純水制備系統中,采用以反滲透-離子交換為主導工藝,比單一離子交換工藝,其造水成本約下降30%,節省酸、堿耗量約90%,提高樹脂再生周期造水量約20倍.反滲透膜法分離技術的先進性,經濟效益和環保社會效益已被大量反滲透工程實際運行結果所證實.目前純水、超純水制備系統反滲透膜工藝的市場占有率高達95%以上.

        2.1　電廠中、高壓鍋爐補給水制備

        大型純水、超純水制備系統較集中應用于電廠中、高壓鍋爐補給水制備,其主要工藝由原水預處理、反滲透除鹽、離子交換深度除鹽或電去離子(EDI)3部分組成.根據原水水質和產水水質要求設計工程的工藝流程和設備配置.原水含鹽量小于500 mg/L時,可選用一級反滲透和混床的組合工藝;原水含鹽量大于500 mg/L,可選用二級反滲透和混床的組合工藝,達到產水電導率(25℃)≤0.2硬度≈0 mol/L,滿足電力行業《火力發電廠水汽化學監督守則》行業標準(DL/T561—95).如要求產水水質電導率>1μS/cm時,可選用反滲透和復床的組合工藝.當反滲透產水中重碳酸根離子(HCO₃^-)>50 mg/L時,可在陽床后設置脫氣裝置,如圖2.
 

　　
        由于反滲透膜元件具有大于97%除鹽率,而且還能去除水中大部分微粒、有機物、膠體等雜質,所以電廠中、高壓鍋爐補給水制備系統中,特別對高含鹽量的原水,應用反滲透膜法除鹽工藝,能獲得顯著的經濟效益和環境效益.據不完全統計,目前在國內電廠中運行的產水量大于100 t/h反滲透裝置已超過100套,最大規模的反滲透裝置產水量800 t/h..

        2.2　電子工業用純水、超純水制備

        電子元器件的制造需要大量高品質的純水、超純水,電子級超純水是目前世界上純凈品質要求最高的水.在電子級超純水制備系統中匯集了當前水處理技術最先進的工藝和設備,如超濾、微濾、反滲透、膜脫氣、電去離子(EDI)等,其中反滲透裝置是整個純水、超純水制備系統工程中一關鍵的設備.它能有效地去除原水中97%以上的溶解性無機物質、99%以上的相對分子質量大于300的有機物、99%以上的包括細菌在內的各種微粒和95%以上的二氯化硅.反滲透工藝在純水、超純水制備系統工程中的應用,不但能提高了產水品質,降低生產成本,而且防止環境污染,有力地推進了電子工業的進步,同時也促進了純水、超純水制造技術的發展.

        通過國家“七五”、“八五”科技攻關項目的實施,我國超純水制備系統工程設計和成套能力有了很大的提高,掌握了整套工程的系統工藝設計、設備制造和成套、安裝調試、技術培訓等關鍵技術,工程應用技術已達到了國際水平,常用流程如圖3.
 

         2.3　飲用純凈水的制備

        我國飲用純凈水的制備始于20世紀90年代,主要工藝流程為:自來水→機械過濾器→活性炭過濾→保安過濾→反滲透除鹽→殺菌消毒→飲用純凈水.1997~1998年為瓶裝、桶裝飲用純凈水和小區樓層管道飲用純凈水生產發展的高峰期.1999年《瓶裝飲用純凈水》GB17323、《瓶裝純凈水衛生標準》GB17324和《飲用純凈水質標準》CJ94標準的頒布,使飲用純凈水水質和衛生指標得到了有效的控制,有力地促進了飲用純凈水產業的健康發展.目前,飲用純凈水制備中的反滲透裝置單機產水容量雖然不大,多數處于數10 t/h產量以下的中、小規模,但總數量不小,據不完全統計,全國大大小小的飲用純凈水廠商達數千家,飲用純凈水年生產總量達500萬t以上,年總產值約30億元,現供銷市場已基本趨于穩定.

3　分離、提純、濃縮

        反滲透組合工藝廣泛用于食品工業和醫藥工業的分離、提純、濃縮,反滲透主要用于料液的脫水.食品工業中糖類、果汁、蔬菜加工的脫水濃縮已達到先進的工業化程度.從滲透壓考慮,反滲透特別適于質量分數在10%以下的食品料液的濃縮.與傳統的蒸發法相比,反滲透的主要優點是降低能量消耗.每脫去1 L水所需要的能量,包括鍋爐和電動機的能量損失,反滲透能耗近似為110 kJ/L,最先進的蒸汽.

        壓縮蒸發器則為700 kJ/L.國外蕃茄汁濃縮,每脫鹽1 t水,反滲透費用為0.9英鎊,蒸發法為7.6英鎊.我國已開發了超濾-納濾-反滲透提取甜葉菊糖苷的工藝.納濾對甜葉菊苷預濃縮后,再用反滲透濃縮,提高了濃縮倍數,可直接噴霧干燥制成成品.國內有幾家單位,開發了利用低檔茶葉提取速溶茶的工藝,利用反滲透組合技術提取的速溶茶粉較好地保留了茶葉的有價值成份和天然香味,市場已有產品出售.反滲透與超濾等組合工藝用于干酪乳清的濃縮,得到乳清蛋白濃縮液和乳糖,固含量質量分數可達20%~25%,并發現其更適于后續的電滲析脫鹽.牛奶脫水在歐洲已廣泛采用反滲透工藝.在醫藥工業方面,膜組合技術成功地用于抗生素的提煉.抗生素相對分子質量一般在200~1 000之間,發酵液經超濾去除大分子后,用反滲透濃縮.目前我國在中成藥制造過程中,采用反滲透脫水濃縮也有不少實例.在醫藥輔料甘露醇生產工藝中,將超濾凈化的料液進入反滲透預濃縮,可將甘露醇含量質量分數1.3%~1.5%濃縮到4.2%左右,再經電滲析脫鹽、蒸發結晶制成成品木糖醇是玉米芯的提取物,用二級反滲透工藝濃縮,可將木糖醇溶液的折光度由4提到15,比傳統多效蒸發法節能80%.反滲透用于酒類脫醇已在北京啤酒集團投入應用,生產的無醇啤酒已投放市場.啤酒中乙醇含量由通常的2%~7.5%降到0.5%以下.

        節能、產品純度高、便于開發高附加值的新產品是反滲透技術在分離、提純、濃縮工藝中迅速擴展應用的主要原因.過程在常溫、無相變環境下進行,特別適于熱敏物質和pH敏感物質的分離,能保持原料的固有香氣和天然氣味,反滲透透過水可以回用,節約水源,整個生產過程無環境污染.生體料液可能含有細菌、固體顆粒、多肽、蛋白或者糖膠、鞣質等復雜成份,需優化前處理步驟.在反滲透組合工藝的設計中,應合理分配各段的載留負擔,保證系統的平衡運轉.膜通量下降是常見的運行障礙,使用耐污染的膜、選取或開發無毒高效清洗劑和清洗方式是保證穩定運行的關鍵.因納濾過程比反滲透操作壓力低,且膜面荷電,在分子量適于納濾分離的某些過程,目前有納濾取代反滲透的趨勢.

4　廢水資源化

        廢水資源化具有開發淡水資源與保護環境雙重目的.無機系廢水處理與海水淡化采用同類裝置并具有較多共性工藝技術.反滲透可使廢液中的銅、鉛、汞、鎳、銻、鈹、砷、鉻、銀、硒、鉈、鋅等離子脫除90%~99%.用反滲透處理膠片加工廢水,銀的回收率可達99%.美國芝加哥API工藝公司采用B-9芳香族聚酰胺中空纖維膜組件處理Watt Ni漂洗水,廢水含Nⁱ²⁺650 mg/L,經RO濃縮到20倍達到13 000 mg/L,Nⁱ²⁺的分離率為92%.北京廣播器材廠用乙酸纖維素膜處理亮鎳和黑鎳的漂洗廢水(Nⁱ²⁺含量為1 510~2 400 mg/L),Nⁱ²⁺的回收率>99%.我國西部石油天然氣開發中,從深井涌出的含鹽量10-30 g/L的鹵水,用反滲透-電滲析-三效蒸發(浸沒燃燒)的處理工藝正計劃開發.反滲透將鹵水脫鹽至400 mg/L以下,成為優質飲用水,濃灌井中,或再用電滲析濃縮到120 g/L,蒸發-噴霧干燥,制成固體鹽.目前,反滲透在城市污水深度處理方面的應用受到了高度重視,包括中水回用和污水處理廠二級出水的深度處理制取優質淡水.中東不少缺水國家,在大量采用反滲透海水淡化技術的同時,引入反滲透技術處理二級污水,一級反滲透出水水質含鹽80mg/L,二級反滲透出水達到10 mg/L,以擴大淡水水源.一個典型例子是1999年在新加坡裕廊工業區建成的反滲透污水處理廠,以三級生化處理的城市廢水為原水,用反滲透系統制取高級工業用水.工程在預處理方面做了大量實驗,進行了雙介質過濾與微孔膜過濾的比較,最后選用二級雙介質過濾-反滲透系統.處理廠共同FLMTETM生產的抗污染膜元件BW30-365FR 2184支,一級三段排列,日產水量30 kt,水回收率高達85%,產水電導率66~133μS/cm.悉尼奧運會體育場館的日產水2 200 t污水處理系統可供我們借監,如圖3.生活污水經SBR工藝處理、雨水經沉降和水生植物氧化塘處理后混合,進入0.2μm的微孔過濾系統,得到可沖廁所用的中水,中水再經過反滲透處理用于場館綠化.這樣即節約了自來水,又減少了市政污水處理量,實現了綠色奧運.
 

 5　發展趨勢

        反滲透膜技術及其工程應用的發展方向主要集中于研究開發具有低能耗、抗污染、耐高溫、高壓和特種分離等性能的反滲透膜組器.超低壓反滲透膜能在保持原脫鹽率的情況下,操作壓力下降25%~40%,從而降低了系統的能耗和設備材料的要求.抗污染反滲透膜的開發,減少了膜清洗的藥耗,延長了膜的使用壽命,廣泛地應用于污水回用和化工原材料的濃縮提純.帶正電荷反滲透膜可直接應用于二級、三級反滲透系統制備1~4 MΩ、10~15 MΩ電阻率的純水、超純水,實現無酸堿廢水污染的潔凈工藝.耐高溫反滲透膜具有90℃耐溫性能,可用于食品、醫藥等行業需采用高溫殺菌消毒的反滲透裝置.耐高壓反滲透膜具有9.0 MPa以上的耐壓性能,用于二級海水淡化反滲透裝置、可使水回收率達到60%.近20年來,多種高性能和特殊用途的新型反滲透膜組器的研制成功,有力地推進了反滲透應用工程的發展.

        反滲透工程應用的另一個發展方向是反滲透膜組器與超濾、微濾、納濾、EDI等組器的有機地組合應用,充分發揮各種膜分離技術的特性,形成一個完整的系統工程,達到濃縮、分離、提純的目的.
 

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