熱膜耦合海水淡化實(shí)驗(yàn)研究

唐智新，吳禮云，梁紅英，吳 剛，李 強(qiáng)，孫 雪

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北唐山 063200）

熱膜耦合海水淡化實(shí)驗(yàn)研究

唐智新，吳禮云，梁紅英，吳 剛，李 強(qiáng)，孫 雪

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北唐山 063200）

以熱法海水淡化濃鹽水及原海水作為原料水，采用中空纖維反滲透膜進(jìn)行了將近2個(gè)月的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，砂過(guò)濾器過(guò)濾速度及反沖洗、絮凝劑投加量對(duì)砂過(guò)濾器出水SDI值有較大影響。砂過(guò)濾器對(duì)濁度具有較好去除效果，但不能有效去除影響RO膜性能的熱法海水淡化消泡劑（聚丙二醇）等物質(zhì)。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間，RO膜產(chǎn)水電導(dǎo)率為100~250uS/cm，RO膜脫鹽率躍99.55%；濃鹽水實(shí)驗(yàn)階段RO膜進(jìn)水壓力明顯高于混合水實(shí)驗(yàn)階段，分別為5.8~6.1 MPa、5.0~5.3MPa。并對(duì)熱膜耦合海水淡化實(shí)際工程實(shí)施中應(yīng)注意的問(wèn)題提出建議。

熱膜耦合;海水淡化;實(shí)驗(yàn)研究;脫鹽率

引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及人口的增加，淡水資源匱乏日益嚴(yán)重，已成為全球性的環(huán)境問(wèn)題[1-2]。海水淡化作為一種淡水開(kāi)源增量技術(shù)，且不受時(shí)空及氣候的影響，可以有效解決淡水資源短缺問(wèn)題，逐漸受到沿海缺水國(guó)家及地區(qū)的高度重視。截止到2016年底，全球已建成海水淡化產(chǎn)能8856萬(wàn)t/d，解決了數(shù)億人的飲用水問(wèn)題[3]。目前海水淡化技術(shù)有數(shù)十種，其中大規(guī)模工業(yè)化的海水淡化技術(shù)主要有熱法中的多級(jí)閃蒸（MSF）、低溫多效蒸餾（LT-MED）及膜法中反滲透（RO）[4]。隨著單一海水淡化技術(shù)的日益成熟，由于其固有特點(diǎn)的限制，其降低能耗及成本的空間逐漸減小，而多種海水淡化的技術(shù)組合和集成已顯現(xiàn)出發(fā)展的生命力，可以大幅度降低能耗及成本，已經(jīng)在工程中開(kāi)始應(yīng)用，且有逐漸增加的趨勢(shì)。根據(jù)熱法和膜法海水淡化的各自特點(diǎn)[5]，將兩者耦合起來(lái)，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)點(diǎn)、彌補(bǔ)兩者缺點(diǎn)，進(jìn)一步降低海水淡化能耗及成本，成為海水淡化技術(shù)研究的一個(gè)熱點(diǎn)和重點(diǎn)。

目前，熱膜耦合海水淡化技術(shù)研究主要集中于MSF和RO的耦合，而對(duì)LT-MED和RO的耦合研究相對(duì)較少[6]。本文是利用LT-MED的濃鹽水作為RO的原料水，開(kāi)展熱膜耦合海水淡化技術(shù)研究，以期解決北方渤海地區(qū)冬季水溫過(guò)低對(duì)RO的影響，并尋求降低海水淡化能耗及成本的途徑。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)水樣

實(shí)驗(yàn)水樣為某鋼鐵廠LT-MED裝置排放的濃鹽水及原海水，實(shí)驗(yàn)分為2階段進(jìn)行：第一階段（1~26 d）采用50%原海水+50%濃鹽水的混合水作為原料水；第二階段（27~47 d）采用100%濃鹽水作為原料水。

實(shí)驗(yàn)期間原海水、濃鹽水及混合水水質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 原水海、濃鹽水及混合水水質(zhì)表

1.2 工藝流程

熱膜耦合海水淡化工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 熱膜耦合海水淡化工藝流程圖

由于LT-MED裝置排放的濃鹽水水溫較高，為了防止對(duì)反滲透膜造成損害，濃鹽水需先通過(guò)冷卻塔冷卻后再使用。冷卻后的原料水先進(jìn)入原水箱，添加絮凝劑（FeCl3）和殺菌劑（NaClO3）后通過(guò)砂過(guò)濾器進(jìn)行過(guò)濾，過(guò)濾后的水加入阻垢劑后進(jìn)入過(guò)濾水箱。過(guò)濾水箱的出水用稀硫酸調(diào)pH值至6.5后，再通過(guò)過(guò)濾精度為5um的安全濾網(wǎng)，然后用高壓泵送至RO膜組件，RO膜的產(chǎn)水進(jìn)入成品水箱。RO膜采用中空纖維反滲透膜，其性能參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 中空纖維反滲透膜性能參數(shù)

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)期間始終維持RO膜透過(guò)水量（9 L/min）及濃水量（13.5 L/min）不變，其中RO膜透過(guò)水量根據(jù)流量計(jì)自動(dòng)調(diào)節(jié)RO膜進(jìn)口壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)，RO膜濃水量人工調(diào)節(jié)。砂過(guò)濾器及RO膜全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)反沖洗，其中砂過(guò)濾器16 h沖洗1次，RO膜24 h反沖洗1次。藥品全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投加，絮凝劑（FeCl3）投加量是以保障砂過(guò)濾器出水的濁度達(dá)到最小為目標(biāo)，殺菌劑（NaClO3）的投加量是以保障RO膜進(jìn)水中余氯濃度達(dá)到0.3耀0.4 mg/L來(lái)調(diào)整注入，硫酸的投加量是以保障RO膜進(jìn)水的pH值達(dá)到6.5為目標(biāo)，阻垢劑的投加濃度為定值1.2 mg/L。

2 結(jié)果與討論

2.1 砂過(guò)濾器過(guò)濾速度及反沖洗對(duì)出水SDI影響

砂過(guò)濾器過(guò)濾速度與出水SDI的關(guān)系如圖2所示。08:22前對(duì)砂過(guò)濾器進(jìn)行了反沖洗，隨著砂過(guò)濾反洗后的延續(xù)時(shí)間的增長(zhǎng)，砂過(guò)濾器出水的SDI值呈下降趨勢(shì)，由08:22時(shí)的4.8降至14:30時(shí)的4.0。在14:30—15:30之間將過(guò)濾速度由3.7 m/h提高至7.5 m/h，隨后砂過(guò)濾器出水的SDI值開(kāi)始上升，到15:30時(shí)SDI值升至5。在15:30—16:40之間又將過(guò)濾速度降至3.7 m/h，到16:40時(shí)SDI值又降至3.8。由此可知，砂過(guò)濾器出水的SDI值很大程度上取決于過(guò)濾速度，在延續(xù)時(shí)間足夠長(zhǎng)，過(guò)濾速度足夠?。?.7 m/h）的情況下，能夠?qū)⑸斑^(guò)濾器出水SDI值控制在4.0以下。

圖2 砂過(guò)濾器過(guò)濾速度與出水SDI的關(guān)系

砂過(guò)濾器反沖洗與出水SDI的關(guān)系如圖3所示。保持砂過(guò)濾器過(guò)濾速度（3.7 m/h）不變，08:50之前對(duì)砂過(guò)濾器進(jìn)行了反沖洗，隨著砂過(guò)濾反洗后的延續(xù)時(shí)間的增長(zhǎng)，砂過(guò)濾器出水的SDI值呈下降趨勢(shì)，由08:50時(shí)的5.4降至12:55時(shí)的3.8。在12:55—13:35之間又對(duì)砂過(guò)濾器進(jìn)行了反沖洗，隨后砂過(guò)濾器出水的SDI值開(kāi)始上升，到13:35時(shí)升至5.4。此后，隨著延續(xù)時(shí)間的增長(zhǎng)，砂過(guò)濾器出水的SDI值又開(kāi)始下降，到17:50時(shí)降至4.1。由此可知，反洗后砂過(guò)濾水的SDI值會(huì)有所上升，隨著延續(xù)時(shí)間的增長(zhǎng)，SDI值又會(huì)逐漸下降。

圖3 砂過(guò)濾器反沖洗與出水SDI的關(guān)系

2.2 砂過(guò)濾器預(yù)處理效果

砂過(guò)濾器進(jìn)出水濁度的變化如圖4所示。

圖4 砂過(guò)濾器進(jìn)出水濁度的變化

在實(shí)驗(yàn)期間，砂過(guò)濾器進(jìn)水濁度先上升后下降，最大為 13.4 NTU，最小為 1.3 NTU，平均為5.2NTU。而砂過(guò)濾器出水的濁度始終為0 NTU，說(shuō)明砂過(guò)濾器對(duì)濁度去除效果較好。

FeCl3投加量與砂過(guò)濾器出水SDI的關(guān)系如圖5所示?；旌纤畬?shí)驗(yàn)階段（1-26d），F(xiàn)eCl3的投加量為0.37~0.47 g/m3，此階段砂過(guò)濾器出水SDI值大致在4~5之間，平均值為4.49，F(xiàn)eCl3的投加量的變化對(duì)SDI值基本無(wú)影響。濃鹽水實(shí)驗(yàn)階段（27-47d），F(xiàn)eCl3的投加量為0.65 g/m3，此階段砂過(guò)濾器出水SDI值大部分 約4，平均值為3.90。由此可知，SDI值出現(xiàn)的差異可能與氯化鐵投加量有關(guān)，在濁度相差不大的情況下，F(xiàn)eCl3投加量超過(guò)一定范圍，投加量越大，砂過(guò)濾器出水SDI值越低。

圖5 FeCl3投加量與砂過(guò)濾器出水SDI的關(guān)系

2.3 RO膜性能隨時(shí)間變化情況

RO膜進(jìn)水電導(dǎo)率及壓力變化趨勢(shì)如圖6所示。在混合水和濃鹽水實(shí)驗(yàn)階段RO膜進(jìn)水壓力都呈上升趨勢(shì)，且濃鹽水實(shí)驗(yàn)階段RO膜進(jìn)水壓力明顯高于混合水實(shí)驗(yàn)階段?；旌纤畬?shí)驗(yàn)階段RO膜進(jìn)水壓力由5.0 MPa左右升至5.3 MPa左右，上升速率約0.012 MPa/d；濃鹽水實(shí)驗(yàn)階段RO膜進(jìn)水壓力由5.8 MPa左右升至6.1 MPa左右，上升速率約0.014 MPa/d。濃鹽水實(shí)驗(yàn)階段RO膜進(jìn)水壓力的上升速度較快的原因可能與進(jìn)料水含鹽量有關(guān)，含鹽量越高，在膜表面濃差極化現(xiàn)象越嚴(yán)重，導(dǎo)致RO膜進(jìn)水壓力的上升速率較快。

圖6 RO膜進(jìn)水電導(dǎo)率及壓力的變化

RO膜產(chǎn)水電導(dǎo)率及脫鹽率變化趨勢(shì)如圖7所示。在混合水實(shí)驗(yàn)階段，RO膜產(chǎn)水電導(dǎo)率上升較快，由實(shí)驗(yàn)初期的110uS/cm左右升至實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)的210 us/cm左右；在濃鹽水實(shí)驗(yàn)階段，RO膜產(chǎn)水電導(dǎo)率較為平穩(wěn)，在一定范圍內(nèi)（210~250 us/cm）波動(dòng)。在混合水實(shí)驗(yàn)階段，RO膜脫鹽率下降也較快，由實(shí)驗(yàn)初期的99.75%降至實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)的99.60%；在濃鹽水實(shí)驗(yàn)階段，RO膜脫鹽率也較為平穩(wěn)，在99.55%~99.60%之間變化，且實(shí)驗(yàn)后期有上升的趨勢(shì)。分析原因可能與砂過(guò)濾器出水SDI值有關(guān)，混合水實(shí)驗(yàn)期間砂過(guò)濾器出水SDI值大致在4~5之間，不能滿足RO膜的給水要求，導(dǎo)致RO膜的性能下降；而濃鹽水實(shí)驗(yàn)階段，增大了FeCl3投加量，砂過(guò)濾器出水SDI值大部分約4，尤其是實(shí)驗(yàn)后期SDI值全部約4，這與脫鹽率的變化趨勢(shì)相吻合。

圖7 RO膜產(chǎn)水電導(dǎo)率及脫鹽率變化

2.3 RO膜附著物的無(wú)機(jī)成分分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)使用過(guò)的RO膜進(jìn)行了拆解調(diào)查，發(fā)現(xiàn)部分RO膜表面存在微量的褐色附著物，為確定無(wú)機(jī)物的大致組成元素，實(shí)施了SEM-EDX檢測(cè)分析。由于無(wú)法單獨(dú)對(duì)膜附著物進(jìn)行分離，以含有附著物的RO膜為試樣進(jìn)行檢測(cè)分析，因此構(gòu)成RO膜的碳 (C)、氧 (O)等元素也包含在測(cè)量值中，從SEM-ED檢測(cè)分析結(jié)果中去除C、O后，求出其余各元素的組成比。SEM-EDX的半定量分析值見(jiàn)表3。

表3 SEM-EDX的半定量分析值

由表3中可知，RO膜附著物中含量較多的元素是鐵（Fe），約占 42.95%，其次為硅（Si）、鋁（Al），分別占30.23%、13.25%，其余元素含量都在5%以下。分析硅和鋁可能來(lái)自土壤（礦物質(zhì)），鐵則可能來(lái)自絮凝劑（FeCl3），尤其濃鹽水實(shí)驗(yàn)階段，F(xiàn)eCl3投加量較大。

2.4 RO膜附著物的有機(jī)成分分析

為了查明熱法海水淡化中投加的阻垢劑（聚羧酸鈉）和消泡劑（聚丙二醇）是否對(duì)RO膜性能造成影響，采用FT-IR顯微穿透法對(duì)RO膜附著物進(jìn)行了分析，附著物的紅外吸收光譜如圖8所示。從附著物中檢測(cè)到硅酸鹽、羧酸鹽和肽，硅酸鹽應(yīng)該來(lái)自土壤（礦物質(zhì)），肽應(yīng)該來(lái)自生物，羧酸鹽則應(yīng)該來(lái)自熱法海水淡化添加的阻垢劑，但該檢測(cè)方法不能判斷是否存在消泡劑。為了進(jìn)一步查明RO膜附著物中是否存在消泡劑，使用甲醇對(duì)干燥的RO膜附著物進(jìn)行萃取，并對(duì)萃取物進(jìn)行了NMR分析，檢測(cè)到聚丙二醇的甲基、次甲基以及亞甲基譜峰，說(shuō)明消泡劑附著在RO膜上。由于在紅外光譜過(guò)程中未檢測(cè)到聚丙二醇的譜峰，由此可見(jiàn)在RO膜上附著極其微量的消泡劑。

圖8 RO膜附著物的紅外光譜

3 結(jié)論及建議

3.1 結(jié)論

（1）砂過(guò)濾器過(guò)濾速度越大，砂過(guò)濾器出水SDI值越大，反之亦然。砂過(guò)濾器反沖洗初期會(huì)造成砂過(guò)濾器出水SDI值增大。砂過(guò)濾器反沖洗后，在延續(xù)時(shí)間足夠長(zhǎng)，過(guò)濾速度足夠?。?.7 m/h）的情況下，砂過(guò)濾器出水SDI值能夠控制在4以下。

（2）混合水實(shí)驗(yàn)階段，F(xiàn)eCl3的投加量為0.37~0.47 g/m3，過(guò)濾器出水SDI值大部分在4~5之間；濃鹽水實(shí)驗(yàn)階段，F(xiàn)eCl3的投加量為0.65 g/m3，砂過(guò)濾器出水SDI值大部分約4。在濁度相差不大的情況下，F(xiàn)eCl3投加量超過(guò)一定范圍，投加量越大，砂過(guò)濾器出水SDI值越低。

（3）在整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間，砂過(guò)濾器進(jìn)水濁度在1.3~13.4 NTU之間變化，而砂過(guò)濾器出水的濁度始終為0 NTU，說(shuō)明砂過(guò)濾器對(duì)濁度具有較好去除效果。

（4）濃鹽水實(shí)驗(yàn)階段RO膜進(jìn)水壓力明顯高于混合水實(shí)驗(yàn)階段，與混合水實(shí)驗(yàn)階段相比，濃鹽水實(shí)驗(yàn)階段RO膜進(jìn)水壓力上升速率較快，兩者分別為0.012 MPa/d、0.014 MPa/d，原因可能是濃鹽水含鹽量較高造成膜表面濃差極化現(xiàn)象較嚴(yán)重導(dǎo)致的。

（5）在混合水實(shí)驗(yàn)階段，RO膜產(chǎn)水電導(dǎo)率由110 us/cm左右升至210 us/cm左右；在濃鹽水實(shí)驗(yàn)階段，RO膜產(chǎn)水電導(dǎo)率在210~250 us/cm范圍內(nèi)波動(dòng)。在混合水實(shí)驗(yàn)階段，RO膜脫鹽率由99.75%降至99.60%；在濃鹽水實(shí)驗(yàn)階段，RO膜脫鹽率在99.55%-99.60%之間變化，且實(shí)驗(yàn)后期有上升的趨勢(shì)。分析原因可能與砂過(guò)濾器出水SDI值有關(guān)，混合水實(shí)驗(yàn)階段SDI值大部分躍4，超出RO膜進(jìn)水要求，導(dǎo)致RO膜性能下降；濃鹽水實(shí)驗(yàn)階段SDI值大部分約4，符合RO膜進(jìn)水要求。

（6）采用SEM-EDX法對(duì)RO膜附著物進(jìn)行無(wú)機(jī)物分析，RO膜附著物中含量較多的元素是鐵（Fe），約占 42.95%，其次為硅（Si）、鋁（Al），分別占30.23%、13.25%，其余元素含量都在5%以下，硅和鋁可能來(lái)自土壤（礦物質(zhì)），鐵則可能來(lái)自絮凝劑（FeCl3）

（7）采用FT-IR顯微穿透法對(duì)RO膜附著物進(jìn)行了有機(jī)物分析，檢測(cè)到硅酸鹽、羧酸鹽和肽，其中硅酸鹽應(yīng)該來(lái)自土壤（礦物質(zhì)），肽應(yīng)該來(lái)自生物，羧酸鹽則應(yīng)該來(lái)自熱法海水淡化添加的阻垢劑。采用NMR法對(duì)RO膜附著物進(jìn)行了分析，檢測(cè)到極其微量的熱法海水淡化消泡劑成分聚丙二醇。

3.2 建議

（1）由于濃鹽水溫度較高，需冷卻后才能滿足RO膜的進(jìn)水要求，利用換熱設(shè)備冷卻濃鹽水，建設(shè)及運(yùn)行費(fèi)用較高，且濃鹽水含鹽量較高，RO膜進(jìn)水壓力較大，電能消耗較多，因此建議實(shí)際工程中采用原海水與濃鹽水的混合水作為RO膜法海水淡化原料水，并根據(jù)原海水與濃鹽水的溫度調(diào)整兩者的進(jìn)水比例，保持RO膜原料水水溫最佳。

（2）由于在RO膜附著物中檢測(cè)到了熱法海水淡化消泡劑成分聚丙二醇，說(shuō)明砂過(guò)濾器不能有效將之去除，會(huì)造成RO膜膜孔堵塞，導(dǎo)致RO膜性能下降，因此建議在實(shí)際工程中采用超濾膜替代砂過(guò)濾器對(duì)原料水進(jìn)行預(yù)處理。

[1]李長(zhǎng)松，徐暢達(dá)，王棟.熱法海水淡化新興技術(shù)研究綜述[J].上海節(jié)能，2016（4）:175—179.

[2]伍聯(lián)營(yíng)，肖勝楠，王慧敏.熱膜耦合水電聯(lián)產(chǎn)集成系統(tǒng)的模擬與優(yōu)化.計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，2011,28（12）:1531—1533.

[3]張夏卿，王琪.2015 2016全球海水淡化概況（譯文）[J].水處理技術(shù)，2017，43（1）:12—16.

[4]鄭曉英，王翔.三種主流的海水淡化工藝[J].凈水技術(shù)，2016,35（6）:111—115.

[5]樊智鋒，李焱，王曉鵬.熱膜耦合海水淡化技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].電站輔機(jī)，2013，34（3）：9—12.

[6]王世明，李晴，周婷.海水淡化集成技術(shù)的相關(guān)研究[J].環(huán)境工程，2017，35（1）:2—5.

Experimental Study on Thermal-Membrane Coup ling Seawater Desalination

Tang Zhixin，Wu Liyun，Liang Hongying，Wu Gang，Li Qiang，Sun Xue，XueLamei
(Shougang Jingtang United Iron and Steel Co.,Ltd.,Tangshan,Hebei 063200,China)

A pilot-scale experiment of hollow fiber reverse osmosis membrane had been carried out for nearly 2 months,using MED brine and raw seawater as raw water.The re-sults showed that the filtration line speed,backwashing of the sand filter and the dosage of flocculant had great effect on the effluent SDI value of the sand filter.Sand filter had a good removal effect on turbidity,but could not effectively remove the defoaming agents(poly propylene glycol)and other substances affecting the performance of RO film.RO permeate conductivity in the experiment was between 100-250uS/cm and desalination rate was more than 99.55%;the inlet pressure of RO membrane was 5.8-6.1 MPa at the brine experimental stage,apparently higher than 5-5.3MPa at the mixed water experimental stage.Suggestions were provided on attention points in application of thermal-membrane coupling seawater de-salination.

thermal-membrane coupling;seawater desalination;experimental study;de-salination rate

TQ085

B

1006-6764(2018)01-0052-05

國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題（2015BAB10B01）

2017-10-13

唐智新（1979-），男，碩士，高級(jí)工程師，現(xiàn)主要從事水處理及海水淡化技術(shù)工作。