反渗透技术在水处理中的应用进展

2012-04-01倪国强隋岩峰

化工技术与开发 2012年10期

倪国强，解田，胡宏，朱静，隋岩峰

（1.贵州大学化学与化工学院，贵州贵阳 550003；2. 瓮福（集团）有限责任公司，贵州福泉 550501）

水资源是一种宝贵的稀缺资源，由于水资源在日常生活和生产中发挥着不可代替的作用，21世纪水资源问题已经不仅仅是资源问题，更成为关系到各个国家经济发展、社会进步和国家稳定的重要战略问题[1]。我国水资源总储量居世界第6位，约为2.81万亿m3。但是由于我国人口基数巨大，人均水资源占有量仅为世界人均水资源占有量的1/4，不足2150m3，位列世界110位，是联合国认定的“水资源最为紧缺”的13个国家之一[2]。为了解决我国水资源短缺的现状，开发新型水资源和污水处理回用技术越来越受到重视。近些年，反渗透技术广泛应用于水处理方面，并展现出其独特的优势。

1 原理、工艺及发展

1.1 原理

反渗透（Reverse Osmosis）是利用反渗透膜的选择性，以膜两侧静压差为动力，克服溶剂（通常是水）的渗透压，允许溶剂通过而截留离子物质，对液体混合物进行分离的膜过程。进行反渗透分离过程有2个必要条件[3]：一是外加压力必须大于溶液的渗透压力（操作压力一般为1.5~10.5MPa）；二是必须有一种高透水性、高选择性的半透膜。反渗透膜表面微孔孔径一般小于1nm，对绝大部分无机盐、溶解性有机物、溶解性固体、生物和胶体都有很高的去除率。

1.2 技术工艺

反渗透膜自身对进水的pH、温度以及特定的化学物质比较敏感，进水的水质严格要求pH值范围4~10，温度＜40℃，淤泥密度指数SDI＜5，游离氯＜ 0.1mg·L-1，浊度＜ 1，含铁量＜ 0.1mg·L-1等。为了满足反渗透膜进水要求，原水在进入反渗透膜系统之前首先要进行预处理（沉降、混凝、微滤、超滤、活性炭吸收、pH调节等），然后经加压泵加压进入膜组件，在压力的作用下原水透过反渗透膜成为产水，而无机盐、有机物及微粒等被反渗透膜截留在膜的另一侧形成浓液。根据具体工艺的需求，浓液可被回收利用或者再处理。反渗透可以与超滤、纳滤等膜装置连用，组成集成膜装置。反渗透水处理简易工艺流程见图1。

图1 反渗透水处理工艺流程简图

1.3 发展

反渗透膜的发展大致经历了3个阶段（表1）。目前，我国常用的反渗透膜材料主要有醋酸纤维素膜（CA膜）、芳香聚酰胺膜（PA膜）和壳聚糖膜（CS膜）这3类。CA膜是运用最早的膜材料，无臭、无味、无毒，对光稳定，吸湿性强，但是CA膜的化学稳定性、热稳定性、压密性较差，而且易降解。PA膜是工业上最常用的反渗透膜，具有物化稳定性，耐强碱、油酯、有机溶剂，机械强度好等优点，但是PA膜具有带电性，水中颗粒易在膜表面沉积，形成膜污染，缩短使用寿命。CS膜是天然高分子膜材料，无毒、无副作用，能抗菌，碱土金属离子的脱除能力强，是更优越的硬水软化的反渗透膜，是一种极有潜力的膜材料，在国际受到极大的关注[9~11]。

表1 反渗透膜发展的3个阶段

反渗透膜的最新发展包括无机膜、杂化膜和新型有机膜[12]。理论上，无机膜离子截留性能很高，但成本高，制备条件苛刻，不利于工业化应用；杂化膜融合了有机材料与无机材料的优点，在提高膜分离性能及抗污染方面有很好的应用前景，具有很大的发展潜力，有待进一步的理论研究；新型有机膜的制备还在初级阶段，主要目的是改善膜通量及化学稳定性，目前仍未获得突破性进展。

2 在水处理中的应用

与其他传统分离工程相比，反渗透分离过程有其独特的优势：（1）压力是反渗透分离过程的主动力，不经过能量密集交换的相变，能耗低；（2）反渗透不需要大量的沉淀剂和吸附剂，运行成本低；（3）反渗透分离工程设计和操作简单，建设周期短；（4）反渗透净化效率高，环境友好。因此，反渗透技术在生活和工业水处理中已有广泛应用，如海水和苦咸水淡化、医用和工业用水的生产、纯水和超纯水的制备、工业废水处理、食品加工浓缩、气体分离等。

2.1 海水和苦咸水淡化

20世纪60年代以来，反渗透脱盐已成为一种获取饮用水的重要途径，是解决淡水资源紧缺的一种有效方法[13]。目前，反渗透脱盐技术主要应用在两个方面：海水淡化和苦咸水脱盐。

全世界海水淡化装置中约有30%是利用反渗透技术实现的，通过反渗透膜可除去海水中99%以上的盐离子[14]，得到可饮用的淡水。以色列的反渗透海水淡化技术比较领先，2005年阿什克伦建造了当时世界上最大的反渗透海水淡化装置，产水量为3.3×105m3·d-1，占到以色列全部水需求量的15%，产水成本约为0.53美元·m-3[15]。我国最大的反渗透海水淡化站位于大连市长海县，日产淡水1000m3，淡水成本 6 元·m-3[16]。

苦咸水在我国北方地区分布较为广泛，含盐离子较多，可通过反渗透技术进行除盐淡化处理，达到饮用水标准。马莲河流域示范工程利用马莲河上游环江苦咸水资源，采用反渗透膜技术，建立1000 m3·d-1苦咸水淡化工程，出水水质达到国家生活饮用水卫生标准，有效解决了环县城区5万居民饮水问题[17]。杭州湾新区水厂[18]采用了超滤及反渗透组合设备处理当地水库的高盐水，投入运行1年多来出水水质稳定，符合国家饮水水质标准。何绪文[19]、姚永毅[20]、孙魏[21]等均对苦咸水进行过反渗透处理的实验研究，系统脱盐率＞95%，出水水质优于国家饮用水标准。

海水和苦咸水淡化是反渗透技术的传统应用领域，目前存在的问题仍然是操作压力偏高，能耗较大，另外海水中的Cl-对反渗透膜也有较大的污染，阻碍了反渗透技术在该领域的进一步推广。目前，低压、低能耗、抗污染、抗氧化的反渗透膜正在积极的研发之中，以便从根本上解决现在存在的问题。

2.2 纯水和超纯水的制备

清华紫光古汉集团衡阳制药厂[22]采用反渗透+混床水处理技术改进了原来的全离子交换制水工艺，运行期间，产水增加，水质改善，大幅度降低了制水成本。此外，许多科研人员[23~27]均对反渗透+电去离子法制取纯水进行了实验研究，达到了预期结果，证实了反渗透+电去离子法制取高纯水的可行性。

通过控制反渗透的级数可制取不同纯度脱盐水。随着反渗透级数的增加，脱盐水的纯度提高，但是出水量减少，水利用率降低，因此，反渗透装置连用一般不会超过二级，通常将反渗透与电去离子技术联用，不仅克服了反渗透出水不能彻底除盐的不足，还可以提高电去离子装置的进水水质，防止电去离子设备损坏，提高整体净水效果。

2.3 工业废水处理

工业废水处理是除脱盐和纯水的制备领域外，反渗透技术应用最多的一个领域。工业废水处理具有降低生产成本，保护环境，实现废水资源化等多重意义。由于反渗透膜对进水要求较高，运用反渗透技术对废水进行深度处理时，往往还要结合沉降、混凝、微滤、超滤、活性炭吸收、pH调节等预处理工艺。

2.3.1 重金属废水处理

反渗透技术在重金属废水处理中应用较早，国内外均对此进行了大量的研究。早在20世纪70年代，反渗透技术已经在电镀废水处理中有所应用，主要是大规模用于镀镍、铬、锌漂洗水和混合重金属废水的处理。

Mohsen Niaa[28]加入Na2EDTA对Cu2+和Ni2+离子进行螯合作用，然后通过反渗透过滤，对Cu2+和Ni2+的离子截留率可以提高至99.5%。Covarrubias[29]、Bodalo[30]等采用反渗透膜处理制革废水，结果表明，反渗透膜对皮革工业废水中的铬和有机物有很高的去除率。

长沙力元新材料股份有限公司[31]采用膜分离技术浓缩电镀镍漂洗水，镍离子的截留率大于99%，经一级纳滤和两级反渗透浓缩后，浓缩液中镍离子浓度达到50g·L-1，透过液可经处理后再次回用。张连凯[32]对印制电路板加工酸洗车间产生的重金属废水调节pH至中性后采用超滤+反渗透工艺进行中试，反渗透系统对Cu2+和溶解性总固体的去除率分别为99.9%和98.9%。

2.3.2 印染废水处理

印染纺织废水不仅色度高、水量大，而且成分十分复杂，废水中含有染料、浆料、油剂、助剂、酸碱、纤维杂质以及无机盐等，染料结构中还含有很多较大生物毒性的物质，如硝基和胺类化合物以及铜、铬、锌、砷等重金属元素[33]，如不经处理直接排放，必将对环境造成严重污染。

曾杭城[34]应用超滤+反渗透双膜技术处理印染废水，超滤能够有效地去除废水中大分子有机物，降低浊度，使进水水质达到反渗透膜的要求，经反渗透处理后，有机物和盐的去除率可分别达99%和93%以上，产水化学需氧量小于10mg·L-1，电导率小于80μS·cm-1，产水满足大部分印染工艺用水标准。钟璟[35]采用中空纤维超滤膜和反渗透技术处理羊毛印染废水，操作压力为0.1MPa，流速为1500L·h-1的条件下，色度、含盐量等指标均有显著的降低，COD值、色度达标排放。

2.3.3 电厂循环废水处理

电厂循环冷却水系统对水的消耗量很大，占到纯火力发电厂用水的80%，热电厂用水的50%以上[36]，对循环排放水进行回收处理，产水作为循环补充水或锅炉补给水系统的水源，不仅防止了对环境造成污染，还可以有效节约水资源，降低生产成本。

北京京丰天然气燃机联合循环电厂[37]采用超滤+反渗透技术联合操作对电厂循环排污水进行处理，投运以来，反渗透系统运行良好，产水量68 m3·h-1，电导率小于 35μS·cm-1，脱盐率高于97%。邯郸钢铁集团有限责任公司电厂[38]脱盐水站同样采用双膜法水处理工艺，经过超滤+二级反渗透+混床处理后的精脱盐水可供电厂锅炉及干熄焦使用，日产精脱盐水15000t。此外，郭青[39]在临沂发电有限公司，对超滤-反渗透组合工艺处理循环冷却排污水做了现场试验，反渗透系统各段运行压力平稳，产水满足回用的要求。陈颖敏[40]采用连续微滤+反渗透技术对循环排污水进行预除盐，反渗透系统脱盐率达98%以上。

2.3.4 化工废水处理

采用离子交换法生产K2CO3的生产过程中，会产生大量的NH4Cl废水，为了节约用水和彻底解决NH4Cl废水排放问题，张继臻[41]采用选择离子交换、反渗透膜分离和低温多效闪蒸相结合的方法，将低浓度NH4Cl废水进一步浓缩回收，使废水由达标排放转变为全部回收利用，达到零排放。

石油化工废水成分复杂，除含有油、硫、苯、酚、氰、环烷酸等有机物以外，还含有金属盐、反应残渣等，污染物浓度高且难降解，水量及酸碱度波动较大，传统的水处理工艺很难达到资源回收再利用的目的。兰州石化公司[42]于2006年新建的500t·h-1脱盐水装置，5年间运行稳定，脱盐率高，效果良好。李宇航[43]采用超滤+反渗透双膜法进行了石化废水再生利用的中试，超滤系统产水SDI＜3，反渗透系统的脱盐率＞99%，终端产水达到循环冷却补水水质要求。

反渗透一般作为工业废水终端处理，对水中的无机盐、有机物、重金属离子等都有很高的截留率，出水水质优良，可回用作冷却水或工艺用水循环利用，不仅节约了新鲜水的使用量，节约生产成本，还减少了污水的排放量，对环境保护和可持续发展都有着重要意义，对缺水地区具有巨大的经济效益。

3 存在的问题及解决方案

3.1 操作压力问题

反渗透技术较之传统分离工艺在能耗方面有着独特的优势，但是在反渗透的传统脱盐领域和废水处理领域，降低能耗仍然是人们关注的重点，尤其是海水淡化中，反渗透所需能耗远大于反渗透膜的成本。为了减小操作压力，提高通量，反渗透材料正在向皮层超薄型和低压型反渗透膜方向发展；对出水要求不是很高的工业废水处理，可选择采用纳滤膜代替反渗透膜，在产水水质满足用水要求的前提下，降低能耗。

3.2 膜污染问题

反渗透膜污染是制约反渗透技术广泛应用的另一重要因素，膜污染不仅影响了膜的稳定运行和出水水质，还缩短了膜的使用寿命。针对膜污染，主要的方法有[44]：（1）完善预处理系统，保证反渗透系统进水水质；（2）对反渗透膜进行清洗，对膜污染物进行化学分析，选择最佳的清洗剂和清洗方法；（3）定期对反渗透膜装置进行停车保养。

3.3 浓水处理问题

反渗透水处理工艺对进水进行分离后，不可避免地会产生浓水，浓水的主要特点是含盐量比较大，由于反渗透进水严格，因此浓水的色度，浊度，以及有机物的含量都比较低。根据反渗透浓水的特点，可加入阻垢剂后回用反渗透系统，调节浓水和进水比例，达到循环利用；如浓水中某贵重离子含量较高，可对该离子进一步浓缩提纯。詹金坤[45]还验证了反渗透浓水作为超滤反洗水的可行性，也是一种反渗透浓水利用的新方法。

4 总结及展望

在人口众多，水资源不断匮乏的今天，如何提高水资源利用率和降低水处理成本，对企业而言是关系到企业发展，环境保护以及社会利益的重大问题。为了解决这些问题，水处理方法也在不断地发展和成熟。20世纪60年代迅速崛起的膜分离技术，无论是在产品结构调整、降低能耗及污染防治等方面都有明显的优势。反渗透技术的净化效率高，设计和操作简单，切实解决了目前水处理面临的许多难题。

但反渗透水处理技术的发展仍将面临两个难题：一是反渗透膜材料的发展，研究开发低压超薄、抗污染、抗氧化、易清洗、高截留和高水通量的新型反渗透膜材料，从根本上解决反渗透水处理应用中存在的问题；二是反渗透水处理工艺的改进，开发反渗透膜组件与其他分离技术的联用，提高进水质量，降低膜污染，增加反渗透膜的使用寿命，优化浓水处理，提高水利用率，在现有的基础上进一步降低水处理成本，所有这些都为科研工作者在反渗透技术领域的研究提供了广阔天地。

[1] 程国栋.水资源与水安全研究的创新领域[J].科学新闻，2003（15）：13.

[2] 沈琳.我国水资源污染的现状、原因及对策[J].生态经济，2009（4）：182-185.

[3] 吴昊，张盼月，蒋剑虹，等.反渗透技术在重金属废水处理与回用中的应用[J].工业水处理，2007（6）：6-9.

[4] 李国东，王薇，李凤娟，等.反渗透膜的研究进展[J].高分子通报，2010（7）：37-41.

[5] LOEB S，SOURIRAJAN S. Cellulose acetate membrane preparations [P]. US 3133132， 1964-05-15.

[6] CADOTTE J E，LLOYD D R. Materials Science of Synthetic Membrane，American Chemical Society[M].Washington：American Chemical Society，1984.273-294.

[7] PETERSEN R J. Composite reverse osmosis and nanofiltration membranes [J].J Membr Sci.，1993，（83）：81-150.

[8] MYSELS K J，WRASIDLO W. Strength of interfacial of interfacial polymerization films[J].Langmuir，1991（7）：3052-3053.

[9] 陈家岭.我国反渗透膜材料研究现状[J].净水技术，2011，30（3）：34-37.

[10] 王晓晖，刘淑萍.高分子反渗透膜材料改性研究进展[J].化工生产与技术，2007，14（3）：40-42.

[11] 郎雪梅，侯有军，赵建青.壳聚糖作为分离膜材料的研究进展[J].化工进展，2005，24（7）：737-742.

[12] 陈欢林，瞿新营，张林，等.新型反渗透膜的研究进展[J].膜科学与技术，2011，31（3）：101-107.

[13] GLEICK P H.The world’ s water 2006-2007[R].USA，Chicago：The Biennial Report on Freshwater Re-sources，2006.

[14] 王树勖，王立蓉.反渗透技术研究现状[J].甘肃科技，2005，21（12）：166.

[15] SAUVET-GOICHON B.Ashkelon desalination plant：A successful challenge[J]. Desalination，2007，（203）：75-81.

[16] 阮国岭，解利昕，吕庆春，等.长海县反渗透海水淡化工程[J].海洋技术，2002，21（4）：13-16.

[17] 焦光联，王庚平，王应平，等.马莲河流域水资源综合利用技术研究与示范[J].水处理技术，2011，37（10）：134-136.

[18] 谢鹏.超滤及反渗透组合工艺处理高盐水[J].中国资源综合利用，2005（9）：27-29.

[19] 何绪文，宋志伟，王殿芳，等.反渗透技术在煤矿苦咸水处理中的应用研究[J].中国矿业大学报，2001，31（6）：618-621.

[20] 姚永毅，朱谱新，吴大诚，等.集成化膜法水处理工艺及装置[J].工业水处理，2004，24（2）：74-76.

[21] 孙魏，张兴文，罗华霖，等.超滤膜和反渗透膜联用处理苦咸水[J].辽宁化工，2007，36（3）：187-190.

[22] 聂艳秋，曹海峰.药厂制水工艺技术改造实例[J].膜科学与技术，2001，22（2）：48-50.

[23] 闫博，卢会霞，付林，等.“RO-EDI”集成膜技术制备实验室纯水的研究[J].上海化工，2007，32（6）：17-21.

[24] 邹锦元，关天丽，于科若.一级反渗透+二级EDI超纯水系统在广州市药品检验所的应用[J].水处理技术，2008，34（8）：85-87.

[25] 王优魁，文一波，李莎.二级RO+EDI组合工艺在药用纯化水制备工艺过程中的应用[J].水处理技术，2011，37（1）：133-135.

[26] 张志坤，高学理，高从堦.超纯水制备[J].现代化工，2011，31（4）：79-82.

[27] 武立辉，姚亮.RO+EDI集成膜技术在实验室超纯水制备中的应用[J].给水排水动态，2009（12）：12-13.

[28] MOHSEN NIAA M，MONTAZERIB P，MODARRESSC H.Removal of Cu2+and Ni2+from wastewater with a chelating agent and reverse osmosis processes[J].Desalination，2007，217（5）：276-281.

[29] COVARRUBIAS Cristian，GARCIA Rafael，ARRIAGADA Reńan，et al. Removal of trivalent chromium contaminant from aqueous media using FAU-type zeolite membranes[J].J Membr Sci.，2008，（312）：163-173.

[30] BODALO A. Viability study of different reverse osmosis membranes for application in the tertiary treatment of wastes fromthe tanning industry [J]. Desalination，2005，（180）：277-284.

[31] 楼永通，陈益棠，王寿根，等.膜分离技术在电镀镍漂洗水回收中的应用[J].膜科学与技术，2002，22（2）：43-47.

[32] 张连凯，张尊举，张一婷，等.膜分离技术处理印制电路板重金属废水应用研究[J].水处理技术，2011，37（7）：127-129.

[33] 王佳丽，余建华，吴潇，等.印染行业的节能与减排[J].染整技术，2009（1）：25-28.

[34] 曾杭成，张国亮，孟琴，等.超滤/反渗透双膜技术深度处理印染废水[J].环境工程学报，2008（8）：1021-1025.

[35] 钟璟，尤晓栋.膜分离技术处理印染废水的研究[J].染料与染色，2003，40（1）：49-50.

[36] 李长东.市政废水回用于热电厂工艺探讨与实践[D].大连：大连理工大学，2008.

[37] 梁建瑞.超滤-反渗透膜组合工艺处理电厂循环排污水[J].水处理技术，2006，32（6）：79-81.

[38] 李宏秀，李庆柱.双膜法在邯钢新区电厂脱盐水站的应用[J].华电技术，2010，32（1）：1-3.

[39] 郭青，赵旭涛，朱风芹.F-RO组合工艺处理循环冷却排污水的研究[J].给水排水，2007，33（2）：66-69.

[40] 陈颖敏，莫莉萍，苏金坡，等.技术应用于循环冷却排污水的再生回用[J].华东电力，2005，33（1）：50-53.

[41] 张继臻，张敬风，许慎勇，等.反渗透膜分离技术在含NH4C1废水回收中的应用[J].中氮肥，2005（2）：19-21.

[42] 赵小峰.反渗透技术在兰州石化的应用实践[J].甘肃科技，2011，27（17）：38-40.