CN111792743A - 一种正渗透反渗透（fo-ro）耦合的新型海水淡化工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种正渗透反渗透(FO‑RO)耦合的新型海水淡化工艺，其工艺步骤如下：步骤一：通过水泵使FO系统的原料液(海水)以2700L/h从水流通道1进入FO3系统,同时，FO系统的汲取液(2Mol/L氯化钠溶液)通过流道5进入FO1系统的汲取液侧；步骤二：FO3浓缩后的海水从流道2进入FO2原料液侧，FO1稀释后的氯化钠溶液从流道6进入FO2的汲取液侧；步骤三：FO2进一步浓缩的海水从流道3进入FO1系统的原料液侧，经FO2进一步稀释的氯化钠溶液进入FO3的汲取液侧，最终经FO1浓缩的海水从流道4流出经FO3稀释的氯化钠溶液从流道8流出汲取液侧，并进入缓冲池1，步骤四：RO系统通过高压泵抽取把缓冲池1中的稀释氯化钠溶液，正渗透的膜污染可以通过物理方法进行有效控制。

Description

一种正渗透反渗透(FO-RO)耦合的新型海水淡化工艺

技术领域

本发明涉及环境工程、海洋工程、界面化学等领域，具体是一种正渗透反渗透(FO-RO)耦合的新型海水淡化工艺。

背景技术

1.正渗透技术。

正渗透是一种自然现象，是指水从较高水化学势(或较低渗透压,即低盐度)侧区域通过选择透过性膜流向较低水化学势(或较高渗透压，即高盐度)—侧区域的过程。在具有选择透过性膜的两侧分别放置两种具有不同渗透压的溶液，一种为具有较低渗透压的原料液(Feed solution)，另一种为具有较高渗透压的驱动溶液(Draw solution)，正渗透则是应用膜两侧溶液的渗透压差作为驱动力，使得水能自发地(无需外部压力驱动)从原料液一侧透过选择透过性膜到达驱动液—侧。

2.反渗透技术。

反渗透是一种以压力差为推动力，从溶液中分离出溶剂的膜分离操作。对膜一侧的料液施加压力，当压力超过它的渗透压时，溶剂会逆着自然渗透的方向作反向渗透。从而在膜的低压侧得到透过的溶剂，即渗透液；高压侧得到浓缩的溶液，即浓缩液。若用反渗透处理海水，在膜的低压侧得到淡水，在高压侧得到卤水。

反渗透时，溶剂的渗透速率即液流能量N为：N＝Kh(Δp-Δπ)

式中Kh为水力渗透系数，它随温度升高稍有增大；Δp为膜两侧的静压差；Δπ为膜两侧溶液的渗透压差。

稀溶液的渗透压π为：π＝iCRT

式中i为溶质分子电离生成的离子数；C为溶质的摩尔浓度；R为摩尔气体常数；T为绝对温度。

反渗透通常使用非对称膜和复合膜。反渗透所用的设备，主要是中空纤维式或卷式的膜分离设备。

反渗透膜能截留水中的各种无机离子、胶体物质和大分子溶质，从而取得净制的水。

现有海水淡化技术：

现时常用的海水淡化工艺为：MED,MSF,RO。

1.多效蒸发(MED)

在蒸发生产中，二次蒸气的产量较大，且含大量的潜热，故应将其回收加以利用，若将二次蒸气通入另一蒸发器的加热室，只要后者的操作压强和溶液沸点低于原蒸发器中的操作压强和沸点，则通入的二次蒸气仍能起到加热作用，这种操作方式即为多效蒸发。

多效蒸发中的每一个蒸发器称为一效。凡通入加热蒸汽的蒸发器称为第一效，用第一效的二次蒸气作为加热剂的蒸发器称为第二效，依此类推。采用多效蒸发器的目的是为了节省加热蒸气的消耗量。理论上，1kg加热蒸气大约可蒸发1kg水。

但由于有热损失，而且分离室中水的汽化潜热要比加热室中的冷凝潜热大，因此，实际上蒸发1kg水所需要的加热蒸气超过1kg。根据经验，蒸气的经济性(U＝W/D)，单效为0.91；双效为1.76；三效为2.5：四效为3.33；五效为3.71等。可见随着效数的增加，W/D的增长率逐渐下降。例如，由单效改为双效时，加热蒸汽大约可节省50％；而四效改为五效时，加热蒸汽只节省10％。但是，随着效数的增加，传热的温度差损失增大，使得蒸发器的生产强度大大下降，设备费用成倍增加。当效数增加到一定程度后，由于增加效数而节省的蒸气费用与所增添的设备费相比较，可能会得不偿失。

多效蒸发结垢较严重，能耗高。

2.多级闪蒸(MSF)

多级闪蒸是海水淡化工业中技术最成熟，运行安全性最高，弹性大，适合于大型和超大型淡化装置，主要在海湾国家使用。

多级闪蒸的原理为将原料加热到一定温度后引入闪蒸室，由于闪蒸室中的压力低于原料在该温度下所对应的饱和蒸汽压，故原料进入闪蒸室后成为过热溶液而急速的部分气化，原料自身的温度降低，所产生的蒸汽冷凝。

多级闪蒸是一种在20世纪50年代发展起来的海水淡化法，它是针对多效蒸发结垢较严重的缺点而发展起来的，具有设备简单可靠、防垢性能好、易于大型化、操作弹性大以及可利用低位热能和废热等优点。因此一经问世就很快得到应用和发展。多级闪蒸法不仅用于海水淡化，而且已广泛用于火力发电厂、石油化工厂的锅炉供水、工业废水和矿井苦咸水的处理与回收，以及印染工业、造纸工业废碱液的回收。多级闪蒸应用广泛，但同时也具有能源动力消耗大、传热效率低等缺点。

3.反渗透膜法(RO)

反渗透过程简单，能耗低，近20年来得到迅速发展。现已大规模应用于海水和苦咸水(见卤水)淡化、锅炉用水软化和废水处理，并与离子交换结合制取高纯水，其应用范围正在扩大，已开始用于乳品、果汁的浓缩以及生化和生物制剂的分离和浓缩方面。

反渗透技术通常用于海水、苦咸水的淡水；水的软化处理；废水处理以及食品、医药工业、化学工业的提纯、浓缩、分离等方面。此外，反渗透技术应用于预除盐处理也取得较好的效果，能够使离子交换树脂的负荷减轻松90％以上，树脂的再生剂用量也可减少90％。因此，不仅节约费用，而且还有利于环境保护。反渗透技术还可用于除于水中的微粒、有机物质、胶体物，对减轻离子交换树脂的污染，延长使用寿命都有着良好的作用。

相比热法海水淡化及数多效蒸发(MED)和多级闪蒸(MSF)，反渗透膜技术具有能耗低的巨大优势。然而，膜污染问题一直是困扰反渗透膜水处理系统应用的难点。

现有技术的缺点：

1.热法海水淡化工艺能耗高。

热法海水淡化及数多效蒸发(MED)和多级闪蒸(MSF)都存在能耗高的问题，使得海水淡化成本居高不下，目前也主要应用于海湾地区等石油资源丰富、淡水资源贫瘠的地区。

除此以外，MED结垢较严重，容易造成设备的加热不均匀而导致设备损毁。而MSF则存在传热效率低的缺点，从而降低产水效率，增加淡化成本。

2.反渗透膜法海水淡化受膜污染(尤其是生物污染)困扰。

沙特阿拉伯由于极度缺乏淡水资源，境内所有生活用水都来源于海水淡化，因此在过去50年积累了大量反渗透膜法海水淡化的经验，其膜材料及膜分离技术处于国际领先地位。然而，反渗透膜生物污染(特别是海藻爆发期)至今仍是沙特阿拉伯海水淡化面临的一个重大挑战。膜生物污染是由海水中微生物和高粘稠性有机物在反渗透膜表面附着、生长繁殖造成的，使得反渗透膜表面形成一层生物质层，导致反渗透膜产水通量(每小时每平方米膜的产水量)下降，产水动力上升(能源消耗升高)，膜使用寿命缩短，从而造成产水成本上涨。研究发现海水微生物分泌的透明胞外聚合物(TEP)是造成反渗透膜生物污染的重要因素，通过分析TEP的性质、结构、颗粒大小分布，专利发明人发现菌生TEP与藻生TEP的区别，并发现菌生TEP的组分与反渗透膜生物污染层的组分极为相似(如图4)，通过对TEP的性质研究，专利发明人成功找出影响TEP生成及聚集堵塞反渗透膜的条件因素。

因此如何开发出一种低污染的膜过滤技术是反渗透海水淡化技术进一步发展的关键。

发明内容

本发明的目的在于提供一种正渗透反渗透(FO-RO)耦合的新型海水淡化工艺，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种正渗透反渗透(FO-RO)耦合的新型海水淡化工艺，其工艺步骤如下：

步骤一：通过水泵使FO系统的原料液(海水)以2700L/h从水流通道1进入FO3系统，在0.2-0.6个大气压的压力下进入FO3的原料液侧，同时，FO系统的汲取液(2Mol/L氯化钠溶液)以500L/h的流速从缓冲池2通过流道5进入FO1系统的汲取液侧；

步骤二：浓缩后的海水从流道2流出FO3，然后，FO3浓缩的海水从流道2以2470L/h的流速进入FO2系统的原料液侧，FO1稀释后的氯化钠溶液从流道6流出FO1，以756L/h的流速进入FO2的汲取液侧，FO2系统压力同样维持在0.6个大气压，经FO2进一步浓缩的海水从流道3流出FO2；

步骤三：FO2浓缩的海水从流道3以2292L/h的流速进入FO1系统的原料液侧，FO1系统压力同样维持在0.2-0.6个大气压，经FO1进一步浓缩的海水从流道4流出，经FO3进一步稀释的氯化钠溶液以986L/h的流速流出FO3的汲取液侧，并进入缓冲池1；

步骤四：RO系统通过高压泵抽取把缓冲池1中的稀释氯化钠溶液，通过流道9以1000L/h的流速打入RO系统，并维持RO系统在106个大气压的压力，实现水分子从稀释氯化钠溶液中的分离。

作为本发明进一步的方案：所述反渗透膜不添加阻垢剂、不需要进行化学清洗，正渗透的膜污染可以通过物理方法进行有效控制，所述步骤四中RO系统的出水(流道10)维持在500L/h。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.海水淡化时，反渗透膜污染可以消除；

2.正渗透的膜污染可以通过物理方法进行有效控制。

附图说明

图1为正渗透原理图。

图2为反渗透原理图。

图3为多级闪蒸装置流程图。

图4为菌生TEP成分与膜污染物质成分核磁共振图谱对比。

图5为FO-RO耦合海水淡化系统示意图。

图6为三FO单元串联模式的FO-RO耦合海水淡化系统示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1～6，本发明实施例中一种正渗透反渗透(FO-RO)耦合的新型海水淡化工艺，其工艺步骤如下：

步骤一：通过水泵使FO系统的原料液(海水)以2700L/h从水流通道1进入FO3系统，在0.2-0.6个大气压的压力下进入FO3的原料液侧，同时，FO系统的汲取液(2Mol/L氯化钠溶液)以500L/h的流速从缓冲池2通过流道5进入FO1系统的汲取液侧；

步骤二：浓缩后的海水从流道2流出FO3，然后，FO3浓缩的海水从流道2以2470L/h的流速进入FO2系统的原料液侧，FO1稀释后的氯化钠溶液从流道6流出FO1，以756L/h的流速进入FO2的汲取液侧，FO2系统压力同样维持在0.6个大气压，经FO2进一步浓缩的海水从流道3流出FO2；

步骤三：FO2浓缩的海水从流道3以2292L/h的流速进入FO1系统的原料液侧，FO1系统压力同样维持在0.2-0.6个大气压，经FO1进一步浓缩的海水从流道4流出，经FO3进一步稀释的氯化钠溶液以986L/h的流速流出FO3的汲取液侧，并进入缓冲池1；

步骤四：RO系统通过高压泵抽取把缓冲池1中的稀释氯化钠溶液，通过流道9以1000L/h的流速打入RO系统，并维持RO系统在106个大气压的压力，实现水分子从稀释氯化钠溶液中的分离。

所述反渗透膜不添加阻垢剂、不需要进行化学清洗，正渗透的膜污染可以通过物理方法进行有效控制，所述步骤四中RO系统的出水(流道10)维持在500L/h。

实施例1

采用(35g/L TDS)的原料液(海水)，通过水泵使FO系统的原料液(海水)以2700L/h从水流通道1进入FO3系统，在0.6个大气压的压力下进入FO1的原料液侧；浓缩后的海水从流道2流出FO3。然后，FO3浓缩的海水从流道2以2470L/h的流速进入FO2系统的原料液侧，FO2系统压力同样维持在0.6个大气压，经FO2进一步浓缩的海水从流道3流出FO2。最终，FO2浓缩的海水从流道3以2292L/h的流速进入FO1系统的原料液侧，FO1系统压力同样维持在0.6个大气压，经FO1进一步浓缩的海水从流道4流出FO1。

2292-2700L/h的高流速可以增强FO膜表面的冲刷作用，避免海水中截留的污染物在FO膜表面附着、沉积，有效消除FO膜污染的形成。

FO系统的汲取液(2Mol/L氯化钠溶液)以500L/h的流速从缓冲池2通过流道5进入FO1系统的汲取液侧。稀释后的氯化钠溶液从流道6流出FO1，以756L/h的流速进入FO2的汲取液侧。经FO2进一步稀释的氯化钠溶液以986L/h的流速流出FO3的汲取液侧，并进入缓冲池1。

RO系统通过高压泵抽取把缓冲池1中的稀释氯化钠溶液，通过流道9以1000L/h的流速打入RO系统，并维持RO系统在106个大气压的压力，实现水分子从稀释氯化钠溶液中的分离。RO系统的出水(流道10)维持在500L/h。

由于RO系统至于氯化钠溶液接触，所以高压的RO系统中不存在有机物沉积污染、微生物附着繁殖污染；而氯离子和钠离子的溶解度很高，不会饱和析出，形成盐垢状的无机污染。因此，FO-RO耦合系统下，高压部分的RO单元没有膜污染的困扰。

表1：实施例1，FO-RO耦合海水淡化系统的运行参数。

实施例2

采用(32g/L TDS)的原料液(海水)，通过水泵使FO系统的原料液(海水)以2700L/h从水流通道1进入FO3系统，在0.4个大气压的压力下进入FO3的原料液侧；浓缩后的海水从流道2流出FO3。然后，FO3浓缩的海水从流道2以2470L/h的流速进入FO2系统的原料液侧，FO2系统压力同样维持在0.4个大气压，经FO2进一步浓缩的海水从流道3流出FO2。最终，FO2浓缩的海水从流道3以2292L/h的流速进入FO1系统的原料液侧，FO1系统压力同样维持在0.4个大气压，经FO1进一步浓缩的海水从流道4流出FO1。

2292-2700L/h的高流速可以增强FO膜表面的冲刷作用，避免海水中截留的污染物在FO膜表面附着、沉积，有效消除FO膜污染的形成。

FO系统的汲取液(2Mol/L氯化钠溶液)以500L/h的流速从缓冲池2通过流道5进入FO1系统的汲取液侧。稀释后的氯化钠溶液从流道6流出FO1，以756L/h的流速进入FO2的汲取液侧。经FO2进一步稀释的氯化钠溶液以986L/h的流速流出FO3的汲取液侧，并进入缓冲池1。

RO系统通过高压泵抽取把缓冲池1中的稀释氯化钠溶液，通过流道9以1000L/h的流速打入RO系统，并维持RO系统在106个大气压的压力，实现水分子从稀释氯化钠溶液中的分离。RO系统的出水(流道10)维持在500L/h。

由于RO系统至于氯化钠溶液接触，所以高压的RO系统中不存在有机物沉积污染、微生物附着繁殖污染；而氯离子和钠离子的溶解度很高，不会饱和析出，形成盐垢状的无机污染。因此，FO-RO耦合系统下，高压部分的RO单元没有膜污染的困扰。

表2：实施例2，FO-RO耦合海水淡化系统的运行参数。

实施例3

采用(30g/L TDS)的原料液(海水)，通过水泵使FO系统的原料液(海水)以2700L/h从水流通道1进入FO3系统，在0.2个大气压的压力下进入FO3的原料液侧；浓缩后的海水从流道2流出FO3。然后，FO3浓缩的海水从流道2以2470L/h的流速进入FO2系统的原料液侧，FO2系统压力同样维持在0.2个大气压，经FO2进一步浓缩的海水从流道3流出FO2。最终，FO2浓缩的海水从流道3以2292L/h的流速进入FO1系统的原料液侧，FO1系统压力同样维持在0.2个大气压，经FO1进一步浓缩的海水从流道4流出FO1。

2292-2700L/h的高流速可以增强FO膜表面的冲刷作用，避免海水中截留的污染物在FO膜表面附着、沉积，有效消除FO膜污染的形成。

FO系统的汲取液(2Mol/L氯化钠溶液)以500L/h的流速从缓冲池2通过流道5进入FO1系统的汲取液侧。稀释后的氯化钠溶液从流道6流出FO1，以756L/h的流速进入FO2的汲取液侧。经FO2进一步稀释的氯化钠溶液以986L/h的流速流出FO3的汲取液侧，并进入缓冲池1。

RO系统通过高压泵抽取把缓冲池1中的稀释氯化钠溶液，通过流道9以1000L/h的流速打入RO系统，并维持RO系统在106个大气压的压力，实现水分子从稀释氯化钠溶液中的分离。RO系统的出水(流道10)维持在500L/h。

由于RO系统至于氯化钠溶液接触，所以高压的RO系统中不存在有机物沉积污染、微生物附着繁殖污染；而氯离子和钠离子的溶解度很高，不会饱和析出，形成盐垢状的无机污染。因此，FO-RO耦合系统下，高压部分的RO单元没有膜污染的困扰。

表3：实施例3，FO-RO耦合海水淡化系统的运行参数。

FO-RO耦合工艺

FO工序的主要作用是在低压环境下，以高盐度溶液把海水中水分子吸取出来，并把海水中的各种污染物质拦截下来，避免后续RO工序的膜生物污染，而RO工序则把纯水从稀释后的盐溶液中分离出来，浓缩的RO浓水循环用于FO工序，耦合工艺中FO工序在低压环境下形成的松散膜污染层则通过物理方法进行有效去除。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种正渗透反渗透(FO-RO)耦合的新型海水淡化工艺，其特征在于：其工艺步骤如下：

步骤一：通过水泵使FO系统的原料液(海水)以2700L/h从水流通道1进入FO3系统，在0.2-0.6个大气压的压力下进入FO3的原料液侧，同时，FO系统的汲取液(2Mol/L氯化钠溶液)以500L/h的流速从缓冲池2通过流道5进入FO1系统的汲取液侧；

步骤二：浓缩后的海水从流道2流出FO3，然后，FO3浓缩的海水从流道2以2470L/h的流速进入FO2系统的原料液侧，FO1稀释后的氯化钠溶液从流道6流出FO1，以756L/h的流速进入FO2的汲取液侧，FO2系统压力同样维持在0.6个大气压，经FO2进一步浓缩的海水从流道3流出FO2；

步骤三：FO2浓缩的海水从流道3以2292L/h的流速进入FO1系统的原料液侧，FO1系统压力同样维持在0.2-0.6个大气压，经FO1进一步浓缩的海水从流道4流出，经FO3进一步稀释的氯化钠溶液以986L/h的流速流出FO3的汲取液侧，并进入缓冲池1；

步骤四：RO系统通过高压泵抽取把缓冲池1中的稀释氯化钠溶液，通过流道9以1000L/h的流速打入RO系统，并维持RO系统在106个大气压的压力，实现水分子从稀释氯化钠溶液中的分离。

2.根据权利要求1所述的正渗透反渗透(FO-RO)耦合的新型海水淡化工艺，其特征在于：所述反渗透膜不添加阻垢剂、不需要进行化学清洗，正渗透的膜污染可以通过物理方法进行有效控制，所述步骤四中RO系统的出水(流道10)维持在500L/h。

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