导语
众所周知，膜技术是普遍认可的处理废水的方式，如何让这一方法实施的更加完美呢?下面，将介绍通过仿自然之法提高膜通量以及化学法提高膜产品性能来进一步改善膜技术，还有利用反向电渗析技术及驱动反向电渗析技术来从海水淡化中回收水资源。
1仿自然之法提高膜通量
大自然总能为人们寻求技术创新提供最好的启发，近期，由新加坡膜技术研发中心、南洋理工大学与PUB联手展开的一项膜技术研发更是很好的印证了这一点。
水通道蛋白，是一种位于细胞膜上的蛋白质(内在膜蛋白)，在细胞膜上组成“孔道”，可控制水在细胞的进出，广泛存在于哺乳动物、植物和细菌体内。水通道蛋白通过静电作用，吸引水分子翻过通道，且只允许水分子跨膜运输，通常每个水通道蛋白每秒钟能够运输多达十亿个水分子。同时作为细胞膜内的内含蛋白，水通道蛋白运输水的驱动力来自静压及渗透压，能量消耗很小，具有输水量大、能耗低、选择性强等优秀品质。
水通道蛋白膜(ABM)将水通道蛋白与膜技术相结合，开发了一种比传统反渗透膜的透水性高出很多倍的新技术。由于水通道蛋白膜的透水性极高，在满足同样水通量的前提下，其所需的压力将大大降低，对应的能耗和总成本投资也将减少。
在工程前期，研发团队采用界面聚合的方法来合成水通道蛋白膜，这种方法是将水通道蛋白嵌入到膜的选择层内，从而水分子的透过率，并且可以保护水通道蛋白不受外界环境的影响。2012年，研发团队成功的研制出水通道蛋白膜，这种膜的输水量比市面上有售的反渗透膜高出大约40%，而且其制造过程简单，非常易于工程性量化生产。
在最初的成功基础上，研发团队进一步研究如何优化膜的性能，并且将其应用在回用水处理中，并进行长期性能检测。该试验水源采用NEWater工艺中反渗透浓水与普通水体混合而成，系统压力为10bars，连续监测两周。
试验结果表明，当混合水体作为水源时，水通道蛋白膜的水通量基本稳定，水通量基本可达对比膜产品(未嵌入水通道蛋白的膜产品)的两倍左右，而在离子截留方面与对比膜产品没有显著区别。当试验水源全部采用反渗透膜浓水后，水通道蛋白膜和对比膜产品都发生了污堵现象，然而，除了污堵现象之外，水通道蛋白膜的输水量依然比对比膜产品高出很多，基本在满足同样输水量的前提下，水通道蛋白膜的系统压力只有对比膜产品的一半左右。
未来，研发团队将不断优化设计、改进水通道蛋白膜的性能，并将逐步开展中空纤维形式的膜产品研发，为水通道蛋白膜可以在实际工程当中的广泛应用做好铺垫。
2化学法提高膜产品性能
在海水淡化中，一般将超滤作为反渗透的预处理环节。来自德国的BASF研发团队和新加坡的科研人员一起合作，采用高分子化学方法研发了一种具有超强抗污堵特性的新型膜材料。这种膜材料可以承受更大的水通量，从而降低污水处理过程中的投资成本和运行费用。
这种新型膜材料称为The Multibore® UF，由七个独立的中空纤维管组成，污水进入管内，经管壁上的细孔进行过滤，细孔的孔径大约为20纳米，这个规格允许水分子通过，但污染物颗粒、细菌、甚至病毒都会由于体积过大而被截留。
在这种新型超滤膜材料的研发过程当中，研发人员进行了小试规模的平行试验，该实验主要针对聚合物和抗粘连剂改性。同时，在膜合成的过程中加入合成添加剂，以实现对超滤纤维膜的化学改性。
在长期的中试试验之前，研发人员开展了大量的小试试验，并对膜的有机污堵进行测试。研发人员发现这种新型膜材料可以大大降低污堵率，为了进一步验证小试的试验结果，德国的研发人员和PUB一起在PUB’s R&D水厂进行了中试试验，中试试验完全在实际工况下模拟进行。
对于常规的膜产品，通量大约在运行6个月之后就会下降，需要进行化学清洗，而这种新型的膜材料完全改变了6个月周期的定论，它的水通量甚至可以高达130LMH，而用于化学清洗的次氯酸钠溶液的浓度只需要传统清洗时浓度的一半。这种新型膜产品将在未来的化学清洗中不再使用次氯酸钠，以测试膜的承受极限。
中试的试验结果成功表明，化学改性在聚合超滤膜的性能方面起到关键影响作用，BASF的研发人员还将进一步研究将膜产品应用到其他领域的实际情况，比如饮用水生产、废水回用等，目的是在不久的将来可以将这项技术推广到实际的工程应用当中。
3海水淡化中回收水资源
从海水淡化中回收水资源不再是一个遥不可及的梦想，来自GE的水工艺研究组在这项技术中已经取得了成功。GE的研发人员与PUB合作，对反向电渗析技术及驱动反向电渗析技术进行了研究。他们将污水循环工艺中含盐量较低的出水作为盐槽，以研究如何在现有的脱盐工艺中提高淡水的回收率。
反向电渗析工艺构成主要包括由交替平行放置的阴离子交换膜(AEM)和阳离子交换膜(CEM)、膜间隔板以及阴极板和阳极板组成，其配套设施包括泵、管路及各料液储槽等。相邻的两膜之间交替通入浓水与淡水，形成依次排布的浓水室和淡水室。
在浓度差的作用下，浓水中的阴阳离子分别透过相邻的阴阳离子交换膜移动到淡水侧，产生电位差，形成电池。在反电渗析过程中，离子因浓度梯度由浓室向淡室迁移，而水则由淡室自发地向浓室渗透。隔室中浓水中的氯离子和钠离子分别透过阴、阳离子交换膜向两侧的淡室移动。而如果要强化离子的迁移速度，就必须采用外加电源的方法，这种方法称为驱动反向电渗析技术。驱动反向电渗析技术相对于传统反向电渗析技术可以实现两倍的脱盐能力，而不需要设置额外预处理等环节，因而大大节省了投资费用。
在小试环节，研发人员搭建了一个由20组膜堆构成的反应器，对不同种类的阴阳离子交换膜以及不同的膜间距都进行了测试。经过测试，发现对这个反应起决定性作用的因素包括开路电压、膜堆电阻等，通过这些参数也可以计算出整个膜堆的最大功率密度。
研发人员说，“应用GE的离子交换膜可以达到较大的膜堆功率密度。同时，在驱动反向电渗析技术中，以实现同样的离子交换率为前提，所需的能耗会大大降低。”
在未来，研发人员将在2015年搭建一个中试试验厂，所有的实验条件都会模拟实际的进水和污堵工况。通过中试数据与小试试验结果的结合，可以为反向电渗析技术及驱动反向电渗析技术的最终工程应用提供有利的数据支持。
文章节选自《新加坡的水处理在创新中前行》第五章，由新加坡公用事业局(PUB)、新加坡国家水机构编制，江苏省(宜兴)环保产业技术研究院翻译整理完成。
原标题：新加坡水创新|膜技术的改进和创新
