膜法海水淡化恒通量温度特性分析

孙蕾

(中国华电工程(集团)有限公司 水处理分公司，北京 100610)

0 引言

盐水和淡水之间存在渗透压，通常情况下淡水会自发地透过半透膜进入盐水侧(称之为渗透)。反渗透则是在盐水侧施加操作压力以克服自然渗透压，当操作压力高于自然渗透压时，盐水中的水分子反向透过半透膜，成为淡水侧的净化产水。反渗透膜只允许溶剂分子(即水分子)透过而不允许溶质分子透过，所以可以通过反渗透将海水淡化。

通过软件模拟和现场中试试验研究操作压力和脱盐率随温度变化的特性，从而进一步探索大型反渗透海水淡化系统的最佳运行参数和最佳工况点。

1 试验内容及试验设备

1.1 试验内容

试验原水为渤海湾海水，试验目的是得到该系统3种工况下温度变化(0～30 ℃)对操作压力和脱盐率的影响。

(1)工况1：进水流量7.00 m3/h，产水流量2.8 m3/h，系统回收率40%。

(2)工况2：进水流量6.67 m3/h，产水流量2.8 m3/h，系统回收率42%。

(3)工况3：进水流量6.22 m3/h，产水流量2.8 m3/h，系统回收率45%。

反渗透海水淡化典型工艺流程如图1所示，试验工艺流程如图2所示(图中：SWRO为反渗透海水淡化系统)。

图2 中试试验装置海水淡化系统工艺流程

1.2 试验分析方法及设备

水质分析方法依据GB 17378.4—1998《海洋监测规范第4部分：海水分析》。温度采用水银温度计测定，pH值采用电极法测定，浊度采用Hach 2100P浊度仪测定，电导率采用上海雷磁DDBJ-350电导率仪测定，污染指数(SDI)采用移动式SDI测定仪测定。

采用日本东丽公司TORAY膜计算软件对系统曲线进行模拟，系统水质参数设置如图3所示(图中：TDS为溶解性固体总量)，反渗透系统设置如图4所示。

图3 中试海水淡化系统水质参数设置

图4 中试海水淡化反渗透系统设置

2 进水温度对反渗透膜的影响

根据Lonsdale等人提出的溶解-扩散模型,反渗透过程中溶剂的传递方程[1]为

Jw=A(Δp-Δps) ，

式中:Jw为透过水通量，L/(m2·h)；A为纯水渗透系数；Δp为膜两侧压力差，MPa；Δps为膜两侧渗透压差，MPa。

渗透系数A与膜材料、膜结构、界面的物理化学性质及进水温度等因素有关,且在其他影响因素一定的条件下，A值与进水温度正相关。A值的改变主要体现在两个层面：一是膜体性能；二是水体物理化学性质。

反渗透膜产水电导率对进水水温的变化十分敏感，随着水温的增加，水通量也线性增加，进水水温每升高1 ℃，产水通量就增加2.5%～3.0%。进水水温的升高同样会导致透盐率的增加和脱盐率的下降，这主要是因为盐分透过膜的扩散速度会因温度的升高而加快[2]。

3 研究结果与分析

3.1 操作压力随温度变化规律

图5为3种不同工况下系统操作压力与进水温度的关系曲线。图中的软件数据是指通过东丽公司TORAY膜计算软件模拟实际情况所得到的数据，试验数据则是现场记录的数据筛选、计算后得到的数据(下同)。

图5a为工况1下温度和操作压力关系曲线，测得水温1.4～20.3 ℃区间的操作压力为4.05～5.09MPa。试验数据曲线与软件模拟数据曲线基本平行，与模拟计算结果相比，试验得到的操作压力平均低0.3 MPa左右。

图5b为工况2下温度和操作压力关系曲线，测得水温2.2～19.6 ℃区间的操作压力为4.18～5.12 MPa。试验数据曲线与软件模拟数据曲线基本平行，与模拟计算结果相比，试验得到的操作压力平均低0.2 MPa左右。

图5c为工况3下温度和操作压力关系曲线，测得水温1.9～19.9 ℃区间的操作压力为4.46～5.42 MPa。两条数据曲线很接近，与模拟计算结果相比，试验得到的操作压力平均低0.03 MPa左右。

图5 不同工况下系统操作压力与进水温度关系曲线

由图5可以看出：3种不同回收率条件下，操作压力随温度升高而逐渐降低，回收率40%时，试验数据比软件模拟数据曲线平均低0.3 MPa左右；回收率42%时，试验数据比软件模拟数据曲线平均低0.2 MPa左右；回收率45%时，试验数据比软件模拟数据曲线平均低0.03 MPa左右，试验数据曲线随着回收率增大而越来越靠近软件模拟数据曲线。

3.2 脱盐率随温度变化规律

图6所示为3种工况下系统脱盐率与进水温度的关系曲线，其中，软件模拟的脱盐率变化曲线由进、出水电导率计算得到。

图6 不同工况下温度和脱盐率关系曲线

图6a为工况1下温度和脱盐率关系曲线，测得水温1.4～21.3℃区间的脱盐率为98.922 6%～99.696 6%。温度较低时，试验脱盐率与模拟计算值重合，温度越高，二者差值越大，当温度为20.0 ℃时，试验数据比软件模拟计算值低0.527 2%。

图6b为工况2下温度和脱盐率关系曲线，测得水温2.1～19.6 ℃区间的脱盐率为98.968 5%～99.680 6%。温度较低时，试验脱盐率与模拟计算值重合，温度越高，二者差值越大，当温度为19.6 ℃时，试验数据比软件模拟计算值低0.526 4%。

图6c为工况3下温度和脱盐率关系曲线，测得水温1.9～20.0 ℃区间的脱盐率为98.890 0%～99.690 0%。温度较低时，试验脱盐率与模拟计算值重合，温度越高，二者差值越大，当温度为20.0 ℃时，试验数据比软件模拟计算值低0.484 68%。

由图6可以看出：3种不同工况下，脱盐率随温度升高而逐渐降低，回收率为40%、温度为20.0 ℃时，试验数据比软件模拟计算值低0.527 2%；回收率为42%、温度为19.6 ℃时，试验数据比软件模拟计算值低0.526 4%；回收率为45%、温度为20.0 ℃时，试验数据比软件模拟计算值低0.484 68%；试验数据曲线比软件模拟曲线陡，脱盐率下降较快；试验数据曲线与软件模拟曲线的差值随回收率的增大而变小。

3.3 进水盐分对系统操作压力和脱盐率的影响

以工况2为例，分析进水盐分变化对系统操作压力和脱盐率的影响，试验结果如图7、图8所示。

图7 海水盐分变化对操作压力的影响

图8 海水盐分变化对脱盐率的影响

图7为工况2下温度和操作压力的关系曲线，其中试验数据1为2012年上半年夏季海水中盐的质量浓度约为32 000 mg/L期间测得的数据，对应的软件模拟曲线为图中软件数据1；试验数据2为2012年下半年冬季海水中盐的质量浓度约为29 000 mg/L期间测得的数据，对应的软件模拟曲线为图中软件数据2(下同)，2条数据曲线走向一致。由图7可以看出：试验数据1位于试验数据2之上，说明夏季海水中盐的质量浓度为32 000 mg/L时设备的操作压力明显要比冬季海水中盐的质量浓度为29 000 mg/L时高。温度为2 ℃时，试验数据1，2较接近，温度为18 ℃时，试验数据1要比试验数据2高0.5 MPa，说明随着温度的升高，二者差值逐渐加大。同时说明，海水中盐的质量浓度越高，系统操作压力越高。

图8为工况2下温度和脱盐率的关系曲线，试验数据1，2曲线走向一致。由图8可以看出：试验数据1位于试验数据2之上，说明夏季系统脱盐率明显要比冬季高。温度为2 ℃时，试验数据1要比试验数据2高0.119 5%，温度为18 ℃时，试验数据1要比试验数据2高0.193 6%，说明随着温度升高，二者差值逐渐加大。同时说明，海水中盐的质量浓度越高，系统脱盐率也越高。

4 结论

(1)3种不同回收率条件下，恒定通量时，操作压力随温度升高而逐渐降低，试验数据曲线比软件模拟数据曲线下降慢，曲线较平缓，且试验数据曲线随回收率的增大而越来越靠近软件模拟数据曲线。

(2)3种不同回收率条件下，恒定通量时，脱盐率随温度升高逐渐降低，试验数据曲线比软件模拟数据曲线下降快，说明试验回收率比软件模拟回收率更低，曲线更陡。试验数据曲线与软件模拟曲线差值随回收率的增大而变小。

(3)海水中盐的质量浓度变化对系统操作压力和脱盐率影响：相同工况下，海水中盐的质量浓度越高，系统操作压力越高，随着温度的升高，系统操作压力差值逐渐加大；海水中盐的质量浓度高，系统脱盐率也高，随着温度的升高，脱盐率差值逐渐加大。

以上试验研究了反渗透海水淡化操作运行各影响因素之间的关系，试验结果可为大型海水淡化项目运行提供参考，从而进一步探索反渗透海水淡化系统的最佳运行参数和最佳工况点。

参考文献：

[1]朱长乐. 膜科学技术[M]. 2版.北京:高等教育出版社,2004.

[2]靖大为,贾丽媛.反渗透系统膜通量均衡工艺[J].水处理技术,2005(1):23-44.