膜分离技术在海水淡化中的应用

摘要：海水淡化膜分离技术作为一项高新技术，已成为新世纪解决水资源、能源和环境等领域重大问题的共性技术之一。文章介绍了膜分离技术及其特点，分析了膜分离技术在海水淡化中的具体应用，探讨了膜分离技术在海水淡化中应用的开发前景。

关键词：膜分离；海水淡化；开发前景

引言

作为人类生产与生活最重要的资源，近年来，水资源却面临着日益加重的危机，部分地区已经出现严重干旱的状况。由于人类活动造成的生态环境危机，进而加剧了水污染现象的日益扩大，水资源日益成为稀缺珍贵的资源。为了提高水资源的利用率，很多学者将目光转移到海水淡化方面，随着膜分离技术的应用，海水淡化技术得到进一步的提高和进步，这也成为目前海水淡化事业的重要课题。

1.膜分离技术及其特点

1.1微滤

也称为微孔过滤，主要是以筛孔机理对物质进行分离净化。采用微孔滤膜作为过滤介质，以静压差为推动力进行分离。微孔滤膜的孔径固定，气、液相中的悬浮粒子、细菌、病毒等微生物以及胶体等物质由于粒径大于滤膜孔径而被截留。而无机物和大分子有机物等物质在压力差的作用下可以迁移到微孔滤膜的另一侧，从而达到分离、净化的目的。

微滤的特点：膜孔分布均匀，过滤精度高。微滤可以通过采用制定固定孔径的微孔滤膜来进行精密过滤。滤膜的孔径分布均匀，可将大于孔径的悬浮粒子、微生物、胶体等污染物质全部拦截在滤膜表面，过滤精度很高。孔隙大，流速快。微孔滤膜的孔径大，通常孔密度为107孔/cm2，且微孔体积占膜总体积的70%～80%左右。因此，微粒和微生物等在通过微孔膜时受到的阻力较小，其过滤速度较常规介质快几十倍。厚度小，吸附少。微孔膜的厚度较小，一般在90-150m之间。其对于粒子的吸附量非常少，可忽略不计。滤膜材料稳定，不易脱落，滤液质量高。制备微滤膜的材料需具备热稳定性、化学稳定性和机械强度等特点，通常采用纤维素、聚氯乙烯 （PVC）等高分子材料制作滤膜。过滤时不易发生纤维或碎屑脱落，使用寿命长，获得的滤液质量较高。

但是，微孔滤膜对于颗粒的容量较小，分离过程中易发生堵塞现象。因此，在对物质进行分离前，需进行前道过滤，以避免因发生堵塞而影响微滤膜的正常使用。

1.2超滤

超滤也是以压力差作为推动力，以超滤膜丝作为过滤介质。超滤膜的粒径介于微滤和反渗透之间。主要是利用不同孔径的超滤膜对液体中各类可溶性大分子和胶体等进行分离、净化。

超滤的过滤粒径较微滤膜小，约为5-10nm。可用于对溶液中的溶质进行分离、增浓等操作。超滤膜可允许小分子和溶解性无机物通过，对于蛋白质、核算聚合物、淀粉等大分子物质则会进行截留。通常超滤膜对于分子量在500-500000的微粒溶液中的多糖、蛋白质、酶等可溶性大分子或胶体物质均具有较好的分离、提纯效果。

超滤技术的应用范围广泛。常被应用于工业生产中的纯水制备、药品、色素提纯以及水污染治理等诸多领域，对于各类大分子和胶体的分离、净化、提纯具有良好效率。

1.3反渗透

反渗透技术作为当前最先进、节能、高效的膜分离技术，其反渗透膜的孔径非常小，小于1nm。可分离物质的分子量通常小于500，可用于去除单价盐和非游离酸等无机物质。在高于溶液渗透压的作用下，将某些不能透过半透膜的物质与水进行分离。对其分离机理至今仍多有争论。当前主要有氢键理论、选择吸附-毛细管流动理论、溶解扩散理论等。

反渗透膜通常是不对称膜，对于溶质分子具有良好的截留效果。所需操作压力较大，在2-100MPa。反渗透技术具有很高的除盐效率，一般可达98-99%。

因此，常用于电子工业、超高压锅炉补水等对纯水要求高的领域。制备反渗透膜的材料主要有醋酸纤维素、芳香族聚酰胺、以及各类聚合物。

2.膜分离技术在海水淡化中的具体应用

膜分离技术在海水淡化事业中占据着不可或缺的地位，近年来，膜分离技术的不断成熟，竞争力得以广泛的提高。其中正渗透膜分离技术、反渗透膜分离技术和薄膜蒸馏淡化技术是当今膜分离技术的几大分支，它们在海水淡化中发挥着十分重要的作用。

2.1正渗透膜分离技术

正渗透膜分离技术（Forward Osmosis，FO）实行的过程中，通过水渗透压的作用下，从低向高渗透压侧中扩散，也就是纯水一侧渗透到浓盐水一侧。其工作基本原理是，往纯水中加入某种溶质，从而制备成一种驱动液，从而利用其形成的高于盐水的渗透压，促使盐水中的水经过膜进入到驱动液之中，接着将水与驱动液分离，最终得到可以食用的净水。

FO技术应用于海水淡化中，不需要借助外界的压力，只是单纯依靠水的渗透压，因此，具有低能耗、无二次污染的优势，可以作为反渗透膜分离技术的补充，共同为解决人类水资源危机做出一定的贡献。

2.2反渗透膜分离技术

反渗透膜分离技术（Reverse Osmosis，RO）是当今应用较广泛的商业化海水淡化技术，实行过程中，通过外界压力的作用，水会克服渗透压，经过半透膜从高向低渗透压侧溶液中进行扩散。因此，反渗透膜分离技术是通过排斥盐离子发挥作用的，在海水增压的环境下，通过反渗透膜排除海水中的盐分，从而得到净水。这种膜是由半渗透聚合材料制作的，分为中空纤维膜与平板膜这两种。

在海水淡化中，RO技术已经实现商业化，应用也十分广泛。然而，RO技术发挥作用的过程中，需要实行高压操作，存在高能耗、高运行成本、较严格的预处理、存在二次污染等缺点，因此需要FO技术作为辅助，两种技术相结合，共同为解决水资源难题做出应有的贡献和力量。

2.3薄膜蒸馏淡化技术

薄膜蒸馏淡化技术，主要通过多孔性疏水膜将加热的海水蒸发，而散发的蒸汽将会在膜的另外一侧得到冷凝，从而实现海水淡化。这种方法不同于常规的蒸馏方法，将蒸汽空间缩小甚至取消，其中的蒸馏膜难以代替换热面，而目前的薄膜蒸馏装置可以分为直接接触式、扫气式与空气隙式这三种。其中扫气式薄膜蒸馏装置配有专门的气体处理系统，具有高供水除气要求的特点；直接接触式薄膜蒸馏装置结构是最简单的，而且运行可以实行自动化，通常会用于实船的应用研究；空气隙式薄膜蒸馏装置分为冷液、热液、蒸馏水三种系统，得名于薄膜与壁面的1毫米空气间隙。

3.膜分离技术在海水淡化中应用的开发前景

随着水资源危机的不断加重，海水淡化和水再用已经成为世界范围内研究的重要课题。因此，膜分离技术也面临着前所未有的压力和挑战。作为目前相对先进的海水淡化技术，RO的能耗问题却成为制约其发展的主要障碍。而理论上来说，FO技术可以将海水淡化的能耗降低9倍，技术进步的空间相对较大。作为后起之秀的薄膜蒸馏淡化装置也在不断进步，尤其是在研制高效复合膜得到全新的突破。相信在不久的将来，低能耗、绿色环保的海水淡化工厂的数量越来越多，到那时水资源将会得到最大限度地利用，从而解决全世界范围内的普遍缺水难题。

结论

随着经济的发展和科技的进步，人们对于膜分离技术和膜材料的研究日益深入。所以，在面对全球性淡水资源危机上，还应该做好海水淡化技术的研发工作，以便获得可持续性的淡水取用。

原标题：膜分离技术在海水淡化中的应用