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過(guò)濾器之海水淡化三種主流工藝  過(guò)濾器|過(guò)濾器廠(chǎng)家|過(guò)濾器價(jià)格|過(guò)濾器選型|浙江杭州過(guò)濾器|過(guò)濾器用途

 海水淡化是解決淡水資源短缺的重要途徑。來(lái)自北京工業(yè)大學(xué)的副教授鄭曉英詳細(xì)介紹了目前商業(yè)用最為廣泛的海水淡化工藝：低溫多效蒸餾、多級(jí)閃蒸、反滲透，分析了其工藝原理、工藝特點(diǎn)、發(fā)展趨勢(shì)以及我國(guó)海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀。原文發(fā)表在《凈水技術(shù)》2016年第六期“經(jīng)驗(yàn)交流”欄目。本文略有刪減和修改。

01三效低溫多效蒸餾海水淡化工藝原理圖

低溫多效蒸餾工藝（LT-MED）在一系列壓力遞減的蒸發(fā)室中進(jìn)行，蒸發(fā)室的個(gè)數(shù)稱(chēng)為效數(shù)，典型的LT-MED淡化廠(chǎng)的效數(shù)一般有7效以上。如圖1所示，每個(gè)蒸發(fā)室內(nèi)安裝有一系列蒸發(fā)管束，蒸發(fā)管束具有優(yōu)良的傳熱性能和一定的機(jī)械強(qiáng)度。系統(tǒng)中,往第一效蒸發(fā)管中通入來(lái)自外部熱源的蒸汽；海水從蒸餾系統(tǒng)的右邊進(jìn)入，被最后一效中生成的蒸汽預(yù)熱后一部分作為蒸餾系統(tǒng)的補(bǔ)充水。進(jìn)入系統(tǒng)的海水從每一效的頂部噴灑到內(nèi)部的蒸發(fā)管束上，在重力的作用下沿蒸發(fā)管的表面從上而下流動(dòng)并不斷從蒸發(fā)管表面吸收熱量而部分蒸發(fā)生成蒸汽，同時(shí)蒸發(fā)管內(nèi)部的蒸汽放熱冷凝生成淡水被收集。在系統(tǒng)上一效中生成的二次蒸汽經(jīng)除霧器去除鹽類(lèi)物質(zhì)后進(jìn)入到下一效的蒸發(fā)管中，直接作為下一效蒸發(fā)管的加熱蒸汽。沿蒸汽傳輸方向，效室內(nèi)的壓力和溫度逐漸下降，這樣，蒸發(fā)、冷凝在各效就會(huì)重復(fù)進(jìn)行，只有在第一效蒸發(fā)管中冷凝的淡水回流至蒸汽發(fā)生器，其余各效即成為產(chǎn)品水。

技術(shù)特點(diǎn)  過(guò)濾器|過(guò)濾器廠(chǎng)家|過(guò)濾器價(jià)格|過(guò)濾器選型|浙江杭州過(guò)濾器|過(guò)濾器用途

LT-MED通過(guò)控制蒸發(fā)室內(nèi)的壓力，實(shí)現(xiàn)了海水在較低溫度（<70 ℃）條件下的蒸發(fā)和冷凝循環(huán), 大大減弱了設(shè)備的結(jié)垢和腐蝕問(wèn)題，運(yùn)行壽命長(zhǎng)、維護(hù)量少，而且使得應(yīng)用廉價(jià)傳熱材料的可能性大大增加。由于LT-MED的冷凝過(guò)程完全發(fā)生在蒸發(fā)管內(nèi)部，系統(tǒng)受海水水質(zhì)的影響非常小。在較低的溫度條件下，海水中的雜質(zhì)幾乎不發(fā)生相變，產(chǎn)品水的TDS可達(dá)5 mg/L以下。LT-MED主要利用低壓蒸汽或者是發(fā)電廠(chǎng)的余熱，這也使得其能夠利用多種低位熱能而具備節(jié)能的特色。根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模、蒸發(fā)室個(gè)數(shù)以及蒸發(fā)管的傳熱效率的不同，造水比（生產(chǎn)淡水和消耗蒸汽的質(zhì)量比）為8~15，其運(yùn)行負(fù)荷可以是設(shè)計(jì)負(fù)荷的40%~110%而保持造水比不變，這種操作彈性是一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)，如果因某種原因蒸汽量減少或者增大，對(duì)LT-MED的運(yùn)行影響并不大。但由于LT-MED的操作溫度超過(guò) 70 ℃，這也成為該工藝技術(shù)進(jìn)一步提高熱效率的制約因素。

當(dāng)前發(fā)展趨勢(shì)

由于在較低的溫度下，海水的結(jié)垢和腐蝕現(xiàn)象會(huì)很大程度減輕，根據(jù)這個(gè)原理，20世紀(jì)70年代末以色列IDE公司開(kāi)發(fā)出了LT-MED。從熱能利用和轉(zhuǎn)化的角度來(lái)講，LT-MED的效率要比MSF高，這使得LT-MED的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)明顯，在新建的熱法工藝中被廣泛采用。就全球市場(chǎng)而言，盡管LT-MED淡化廠(chǎng)的數(shù)量相對(duì)MSF來(lái)說(shuō)還較少，但由于LT-MED的開(kāi)發(fā)使多效蒸餾具有了諸多的優(yōu)越性，并且其在利用低溫余熱的蒸汽后，制水成本較反滲透工藝亦具有相當(dāng)高的競(jìng)爭(zhēng)力，建成數(shù)量正在不斷增加。未來(lái)低溫多效蒸餾工藝研究的重點(diǎn)是新型廉價(jià)材料的應(yīng)用、裝置規(guī)模的擴(kuò)大等技術(shù), 旨在進(jìn)一步降低設(shè)備造價(jià)和運(yùn)行成本, 提高競(jìng)爭(zhēng)力。

02多級(jí)閃蒸海水淡化工藝原理圖

多級(jí)閃蒸工藝（MSF）的原理是將海水在一系列壓力逐漸減低的閃蒸室內(nèi)進(jìn)行閃蒸，閃蒸室的個(gè)數(shù)稱(chēng)為級(jí)數(shù)，超大型的MSF淡化廠(chǎng)可達(dá)50級(jí)。如圖2所示，海水首先通過(guò)閃蒸室頂部的冷凝管束，在冷凝管束中被各級(jí)閃蒸室內(nèi)生成的逐漸升溫的蒸汽預(yù)熱，最后到達(dá)鹽水加熱器。鹽水加熱器的加熱蒸汽來(lái)自火力發(fā)電廠(chǎng)，海水在加熱器內(nèi)被加熱到最高溫度（90~115 ℃）后送入第一級(jí)閃蒸室。閃蒸室內(nèi)的壓力低于海水所對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓，即海水被送入閃蒸室的溫度高于在閃蒸室內(nèi)壓力條件下的沸點(diǎn)溫度，因此海水迅速沸騰，一直到溫度降到沸點(diǎn)，一部分海水汽化，生成的蒸汽通過(guò)除霧器去除溶解的鹽類(lèi)物質(zhì)，最后在頂部的進(jìn)水冷凝管束表面冷凝后生成淡水被收集。沒(méi)有汽化的海水溫度降低，流入到下一個(gè)壓力較低的閃蒸室繼續(xù)閃蒸的過(guò)程，這樣重復(fù)蒸發(fā)和冷凝的過(guò)程持續(xù)生成淡化水。

技術(shù)特點(diǎn)

MSF更傳統(tǒng)一些，技術(shù)成熟、可靠，運(yùn)行安全、穩(wěn)定，其裝置具有大型化和超大型化的特點(diǎn)。由于多級(jí)閃蒸工藝將海水的加熱和蒸發(fā)分開(kāi)進(jìn)行，相對(duì)于早期的多效蒸餾工藝，MSF設(shè)備的結(jié)垢現(xiàn)象較輕且容易去除。大型的MSF通常設(shè)計(jì)成濃水循環(huán)式系統(tǒng)，回收部分濃水作為系統(tǒng)補(bǔ)充進(jìn)水，循環(huán)一定比例的濃水可以減少蒸汽和海水的需求量，同時(shí)還可以減少阻垢劑和消泡劑的使用量。MSF的級(jí)數(shù)和造水比受到多種因素的影響，通常，在其他因素均相同的情況下，垂直的冷凝管束MSF系統(tǒng)，造水比大約是級(jí)數(shù)的1/2到1/3，而平行的冷凝管束MSF系統(tǒng)，造水比大約是級(jí)數(shù)的1/4。脫氣處理是循環(huán)式MSF系統(tǒng)中是重要的預(yù)處理環(huán)節(jié)，脫氣處理可以去除進(jìn)水中的氧氣、氮?dú)夂投趸嫉热芙庑詺怏w。如果對(duì)進(jìn)水不進(jìn)行脫氣處理，這些溶解性氣體將會(huì)在閃蒸的過(guò)程中被釋放出來(lái)，這些氣體的導(dǎo)熱性比較差，會(huì)降低冷凝管束的傳熱速率，同時(shí)二氧化碳和氧氣還會(huì)加速設(shè)備的腐蝕。MSF的動(dòng)力消耗大；設(shè)備的操作彈性小，不適用于造水量變化大的場(chǎng)合。

當(dāng)前發(fā)展趨勢(shì)  過(guò)濾器|過(guò)濾器廠(chǎng)家|過(guò)濾器價(jià)格|過(guò)濾器選型|浙江杭州過(guò)濾器|過(guò)濾器用途

MSF自20世紀(jì)60年代開(kāi)始迅速占領(lǐng)中東地區(qū)市場(chǎng)，這也是海水淡化技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的開(kāi)始。目前仍是全球市場(chǎng)總產(chǎn)能第二的海水淡化工藝，其發(fā)展和應(yīng)用主要以中東海灣地區(qū)為主。該技術(shù)與LT-MED相比，能耗偏高，在我國(guó)等新興海水淡化市場(chǎng)的應(yīng)用較少，近些年來(lái)，幾乎沒(méi)有大型的MSF新建項(xiàng)目，取而代之的熱法工藝是LT-MED。隨著全球海水淡化產(chǎn)業(yè)的興起和新技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，MSF未來(lái)的市場(chǎng)份額預(yù)計(jì)會(huì)進(jìn)一步縮減。

03滲透和反滲透原理圖

反滲透即是滲透的逆過(guò)程。滲透是一種自然現(xiàn)象，稀溶液中的水分子會(huì)以較快的速度透過(guò)半透膜向濃溶液一側(cè)擴(kuò)散，如圖3所示，淡水側(cè)的液面會(huì)不斷下降，從而產(chǎn)生一個(gè)靜水壓力差，當(dāng)這一靜水壓力差的存在使兩側(cè)的水分子擴(kuò)散速度相等時(shí)，滲透達(dá)到平衡，此時(shí)的靜水壓力差值稱(chēng)為滲透壓（海水和淡水界面之間的滲透壓大約為2.4MPa）。反滲透過(guò)程則剛好相反，在SWRO中，在海水一側(cè)施加一個(gè)大于海水滲透壓的壓力將導(dǎo)致海水中的水分子透過(guò)膜而鹽分被截留下來(lái)，理論上，這種外加壓力越大，海水中的水分子反滲透的速度越快。

實(shí)現(xiàn)反滲透過(guò)程最核心的部件是人工合成的反滲透半透膜，它幾乎只能讓水分子透過(guò)。反滲透膜的平膜膜片需要制成一定的構(gòu)型才能用于水處理工程，如今，在海水淡化中，最主要采用的是芳香聚酰胺類(lèi)卷式膜元件。在兩兩平膜膜片之間夾入產(chǎn)水隔網(wǎng)，并分別沿膜層的三條邊將膜層膠結(jié)在一起，然后和進(jìn)水隔網(wǎng)組合成一起后卷繞在多孔中心管上，最后在兩端裝上穿孔端蓋并封裝后即制成卷式膜元件。商業(yè)化的反滲透膜元件有多種規(guī)格，海水淡化中使用最多的膜元件直徑為200 mm，標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度為1 000 mm。在SWRO系統(tǒng)中，將1個(gè)或幾個(gè)卷式膜元件連接起來(lái)，裝入圓柱形的壓力容器中，多個(gè)壓力容器連接組合后構(gòu)成反滲透單元。通常，一個(gè)壓力容器中可以包含6~8個(gè)膜元件，一個(gè)中型的SWRO系統(tǒng)要由上千個(gè)壓力容器組成。

如圖4所示，SWRO由高壓泵、壓力容器和能量回收裝置組成。海水經(jīng)預(yù)處理后，由高壓泵加壓送入反滲透單元的壓力容器后，海水首先通過(guò)第一個(gè)膜元件并在該膜元件螺旋卷繞的進(jìn)水隔網(wǎng)通道內(nèi)流動(dòng)，在較高的壓力下，一部分水分子不斷滲透過(guò)膜，經(jīng)產(chǎn)水隔網(wǎng)流道進(jìn)入到卷式膜元件的中心管，生成產(chǎn)品水，其余進(jìn)水沿著水流方向繼續(xù)流動(dòng)至下一個(gè)膜元件。這一過(guò)程依次進(jìn)行，當(dāng)進(jìn)水每通過(guò)下一個(gè)膜元件時(shí)，進(jìn)水濃度增大，流過(guò)最后一個(gè)膜元件時(shí)，進(jìn)水成為濃水，濃水流出壓力容器后經(jīng)能量回收裝置回收剩余壓能后排除。

技術(shù)特點(diǎn)

與熱法不同的是SWRO并沒(méi)有蒸發(fā)和冷凝的相變過(guò)程，其最主要的能耗是實(shí)現(xiàn)反滲透過(guò)程的高壓泵送電能，這使得反滲透的制水成本相對(duì)熱法而言要低。另外，相對(duì)熱法其設(shè)備還具有模塊化的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，工藝靈活性較高，其局部設(shè)施的暫停維護(hù)可以不影響整個(gè)系統(tǒng)其余部分的運(yùn)行。但是，SWRO需要復(fù)雜而精細(xì)的預(yù)處理過(guò)程，不同商業(yè)膜廠(chǎng)商對(duì)其聚酰胺類(lèi)反滲透膜的進(jìn)水SDI、pH、溫度、余氯等指標(biāo)均具有嚴(yán)格限制要求。在預(yù)處理不達(dá)標(biāo)時(shí)，膜表面的污染、結(jié)垢會(huì)加速，運(yùn)行中，膜組件的使用壽命、能耗和產(chǎn)品水水質(zhì)均會(huì)受到影響，進(jìn)而提高制水成本。SWRO的預(yù)處理工序根據(jù)取水方式和海水水質(zhì)而不盡相同，對(duì)于開(kāi)放式的取水方式而言，現(xiàn)在比較流行的是在反滲透前上溶氣氣浮+超濾+5 μm保安過(guò)濾器來(lái)保證反滲透的進(jìn)水水質(zhì)要求。對(duì)平均進(jìn)水TDS=35 000 mg/L的SWRO系統(tǒng)，進(jìn)水壓力在5.0 MPa以上，運(yùn)行回收率（產(chǎn)水和進(jìn)水的體積比）在40%~60%。 能量回收裝置是另一關(guān)鍵設(shè)備，SWRO的快速發(fā)展，除了膜材料和膜組件的不斷優(yōu)化，效率不斷提升的能量回收裝置在反滲透系統(tǒng)中的使用功不可沒(méi)。如今，高效率的PX型壓力回收裝置能夠回收濃水中95%以上的能量用以加壓進(jìn)料海水，這使反滲透過(guò)程的能耗下降了近乎一半。一級(jí)反滲透出水TDS大約為300~500 mg/L，這已經(jīng)滿(mǎn)足世界衛(wèi)生組織對(duì)飲用水TDS指標(biāo)的限定要求（500 mg/L），SWRO在缺水區(qū)域已經(jīng)大規(guī)模用以飲用水供給。

當(dāng)前發(fā)展趨勢(shì)

20世紀(jì)80年代SWRO開(kāi)始成為與傳統(tǒng)熱法工藝相競(jìng)爭(zhēng)的工藝[12]，由于設(shè)備投資省、建造周期短、能耗較低等諸多優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展速度很快，當(dāng)前已成為全球海水淡化市場(chǎng)最主要的工藝。目前，一級(jí)SWRO基本上都是用于市政行業(yè)，這也是反滲透工藝的產(chǎn)能迅速增長(zhǎng)的原因。未來(lái)反滲透工藝的研究將會(huì)集中在開(kāi)發(fā)更加節(jié)能和耐用的新型反滲透膜和膜組件，減少運(yùn)行能耗和維護(hù)費(fèi)用，降低制水成本。

更多資料可參考

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[2]鄭曉英,王 翔. 三種主流的海水淡化工藝[J]. 凈水技術(shù),2016,06:111-115.

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[8]劉錫文,趙河立,王生輝. 海島地區(qū)海水淡化的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用[J]. 凈水技術(shù),2014,04:25-29.過(guò)濾器|過(guò)濾器廠(chǎng)家|過(guò)濾器價(jià)格|過(guò)濾器選型|浙江杭州過(guò)濾器|過(guò)濾器用途

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