CN112919668A - 一种反渗透-肥料驱动的正渗透海水淡化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种反渗透‑肥料驱动的正渗透海水淡化方法，该将海水使用聚合氯化铝混凝剂进行混凝处理后，进入超滤，经超滤后海水进入反渗透系统，反渗透产水进入正渗透，本发明将传统的两级反渗透的第二级换成了正渗透，以肥料作为汲取液，以反渗透后的海水作为原料液，相较两级反渗透联用工艺，更节能同时可高效除硼的反渗透‑正渗透联用的海水淡化工艺，工艺简便，能耗低，利于推广应用。渗透过程产水的硼含量仅为0.21mg L‑1，远低于《农田灌溉水质标准》(GB 5084‑2005)的要求，远远低于传统二级反渗透出水的硼含量；正渗透过程的最低单位产水能耗为0.17kWh(m‑3)‑1，比二级反渗透过程能耗低50％。

Description

一种反渗透-肥料驱动的正渗透海水淡化方法
技术领域
本发明涉及一种反渗透-肥料驱动的正渗透海水淡化方法，用于生产农业灌溉水的海水 淡化技术，属于环保技术领域。
背景技术
淡水资源短缺已经成为全球关注的热点问题，海水淡化是目前解决全球淡水资源短缺 的重要手段。农业灌溉年用水量占全球年用水总量的60％以上，开发新的淡水资源用于农业 灌溉可有效缓解水资源短缺的问题。
目前全球海水淡化的技术主要分为热法和膜法两大类，其中低温多效蒸馏法、多级闪 蒸法和反渗透法是主流技术。反渗透由于其低能耗的特点，近年来得到广泛应用。由于反 渗透主要通过孔径筛分实现盐水分离，对海水中硼等与水分子水合半径相差较小的物质去 除率较低。硼在海水的含量为4.0-7.0mg L-1，农业灌溉水标准要求硼含量低于1.0mg L-1, 单级反渗透对硼的去除率为30％-85％，一级反渗透出水硼含量很难达到农业用水要求。在实 际生产中，多使用二级反渗透联用的技术使产水硼含量达标。然而多级反渗透的应用，一 定程度地提高了海水淡化的能耗。
近年来正渗透技术由于其操作压力低、能耗低等特点得到越来越多的关注，但目前的 正渗透技术为实现汲取液的回收，正渗透需与传统的纳滤、反渗透等工艺联用，工艺复杂， 成本高，回收的汲取液也不能直接再利用。
发明内容
针对现有技术的不足，尤其是现有正渗透技术工艺复杂，成本高，回收的汲取液也不 能直接再利用的难题，本发明提供一种反渗透-肥料驱动的正渗透海水淡化方法。
本发明的方法可以同步实现硼的高效去除和一定程度降低海水淡化的能耗。
为实现以上目的，本发明是通过如下技术方案实现的：
一种反渗透-肥料驱动的正渗透海水淡化方法，步骤如下：
(1)将海水进行混凝处理后，进行超滤，经超滤后海水进行反渗透，得到反渗透海水；
(2)以肥料作为汲取液，以反渗透后的海水作为原料液，聚酰胺膜作为膜层，进行正 渗透处理；正渗透膜组件采用活性层朝向汲取液或活性层朝向原料液两种模式运行，以蠕 动泵作为输送动力，错流速度为5～30cm/s，正渗透温度为15～40℃，肥料作为汲取液用以实现硼的去除和提高正渗透性能。
根据本发明优选的，步骤(1)中，混凝处理为向海水加入碱化度为2.0的聚合氯化铝 混凝剂进行混凝，聚合氯化铝混凝剂的投加量为0.1-10.0mg L-1。
进一步优选的，聚合氯化铝混凝剂的投加量为1.0mg L-1。
根据本发明优选的，步骤(1)中，所述的超滤为采用分子量为100K的超滤膜进行超滤。
混凝去除海水的浊度和部分有机物，超滤去除海水中的大分子有机物；反渗透去除99％ 以上的盐离子和部分硼。
根据本发明优选的，步骤(2)中，所述的肥料为磷酸二氢钾、硫酸铵或磷酸二氢铵。
进一步优选的，步骤(2)中，所述的肥料为磷酸二氢钾。
根据本发明优选的，步骤(2)中，磷酸二氢钾的浓度为0.5mol/L～4.0mol/L。
最为优选的，步骤(2)中，磷酸二氢钾的浓度为1.5～2.5mol/L。
根据本发明优选的，步骤(2)中，汲取液pH为4.5-11.0，最为优选的，汲取液pH为11.0。
根据本发明优选的，步骤(2)中，原料液pH为6.5-11.0，最为优选的，原料液pH为6.5。
根据本发明优选的，步骤(2)中，膜取向选用正渗透膜的活性层朝向原料液。
根据本发明优选的，步骤(2)中，错流速度为5～15cm/s，最为优选的，错流速度为5cm/s。
根据本发明优选的，步骤(2)中，正渗透温度为15～35℃，最为优选的，正渗透温度为25℃。
本发明的正渗透淡化海水的方法正渗透过程产水的硼含量仅为0.21mg L-1，远低于《农 田灌溉水质标准》(GB 5084-2005)的要求，远远低于传统二级反渗透出水的硼含量；正渗透 过程的最低单位产水能耗为0.17kWh(m-3)-1，比二级反渗透过程能耗低50％。
本发明的技术特点及优点：
1、本发明的反渗透-肥料驱动的正渗透海水淡化方法，将传统的两级反渗透的第二级换 成了正渗透，以肥料作为汲取液，以反渗透后的海水作为原料液，相较两级反渗透联用工艺， 更节能同时可高效除硼的反渗透-正渗透联用的海水淡化工艺，工艺简便，能耗低，利于推广 应用。
2、本发明的反渗透-肥料驱动的正渗透海水淡化方法，正渗透过程产水的硼含量仅为0.21 mg L-1，远低于《农田灌溉水质标准》(GB 5084-2005)的要求，远远低于传统二级反渗透出 水的硼含量；正渗透过程的最低单位产水能耗为0.17kWh(m-3)-1，比二级反渗透过程能耗低 50％。
3、本发明的反渗透-肥料驱动的正渗透海水淡化方法，将传统的两级反渗透的第二级换 成了正渗透，以肥料作为汲取液，稀释后的汲取液可直接用于农业灌溉，避免了汲取液回收 的问题。
具体实施方式
下面通过具体实施例进一步详细说明本发明的技术方案和应用中所具有的技术效果，但 本发明并不因此而受到任何限制。
实施例1
一种反渗透-肥料驱动的正渗透海水淡化方法，步骤如下：
(1)向海水加入碱化度为2.0的聚合氯化铝混凝剂进行混凝，聚合氯化铝混凝剂的投 加量为1.0mg L-1，混凝后的海水的浊度低于1.0NTU；
然后采用分子量为100K的超滤膜进行超滤，操作压力为0.15bar；
(2)选用两种不同型号的反渗透膜进行反渗透，处理结果见下表1所示；得到反渗透海 水；
表1反渗透出水水质指标
膜型号 TDS·(mg·L<sup>-1</sup>) 硼含量·(mg·L<sup>-1</sup>) 硼截留率·(％)
<u>SW30</u> 953.8 0.9 81.4
<u>FMDR01</u> 1629.0 1.7 64.1
(3)以肥料作为汲取液，以反渗透海水作为原料液，聚酰胺膜作为膜层，正渗透膜组件 采用活性层朝向汲取液或活性层朝向原料液两种模式运行，以蠕动泵作为输送动力，错流速 度为10cm/s，正渗透温度为20℃，肥料作为汲取液用以实现硼的去除和提高正渗透性能。经 SW30反渗透膜处理后，反渗透出水硼浓度低于《农田灌溉水质标准》(GB 5084-2005)中1.0mg L-1的要求，无需进行正渗透处理；经FMDR01反渗透膜处理后，产水中硼含量为1.7mg L-1，经 正渗透过程处理后，产水中硼含量为0.5mg L-1，低于农业灌溉水标准，该过程单位产水能耗 为0.28kWh(m3)-1。
应用实验例：
采用实施例1的方法对海水进行淡化处理。
实验例1
改变实施例1处理方法汲取液种类，不同汲取液对正渗透过程除硼性能及能耗的影响 见下表2：
表2汲取液种类对正渗透过程除硼性能及能耗的影响
汲取液种类 产水硼含量(mg L<sup>-1</sup>) 单位产水能耗(kWh m<sup>-3</sup>)
磷酸二氢钾 0.57±0.03 0.27±0.05
硫酸铵 0.59±0.07 0.26±0.09
磷酸二氢铵 0.62±0.05 0.28±0.03
实验条件：原料液中硼含量为1.5mg L-1,氯化钠含量为400mg L-1；汲取液浓度为1M； 原料液与汲取液体积均为1.25L；膜活性层朝向原料液；运行流速15cm s-1；运行温度25℃。
实验例2
改变实施例1处理方法汲取液浓度，不同汲取液浓度对正渗透过程除硼性能及能耗的 影响见下表3：
表3汲取液浓度对正渗透过程除硼性能及能耗的影响
汲取液浓度(M) 产水硼含量(mg L<sup>-1</sup>) 单位产水能耗(kWh m<sup>-3</sup>)
0.5 0.61±0.08 0.45±0.04
1.0 0.57±0.03 0.27±0.05
1.5 0.53±0.06 0.25±0.08
实验条件：原料液中硼含量为1.5mg L-1,氯化钠含量为400mg L-1；汲取液为磷酸二氢钾； 原料液与汲取液体积均为1.25L；膜活性层朝向原料液；运行流速15cm s-1；运行温度25℃。
实验例3
改变实施例1处理方法汲取液pH，不同汲取液pH对正渗透过程除硼性能及能耗的影响见下 表4：
表4汲取液pH对正渗透过程除硼性能及能耗的影响
汲取液pH 产水硼含量(mg L<sup>-1</sup>) 单位产水能耗(kWh m<sup>-3</sup>)
4.5 0.57±0.03 0.27±0.05
7.0 0.66±0.12 0.27±0.03
9.3 0.76±0.08 0.25±0.08
11.0 0.43±0.04 0.24±0.02
实验条件：原料液中硼含量为1.5mg L-1,氯化钠含量为400mg L-1；汲取液为1M的磷酸 二氢钾；原料液与汲取液体积均为1.25L；膜活性层朝向原料液；运行流速15cm s-1；运行 温度25℃。
实验例4
改变实施例1处理方法原料液pH，不同原料液pH对正渗透过程除硼性能及能耗的影响见下 表5：
表5原料液pH对正渗透过程除硼性能及能耗的影响
原料液pH 产水硼含量(mg L<sup>-1</sup>) 单位产水能耗(kWh m<sup>-3</sup>)
6.4 0.57±0.03 0.27±0.05
7.0 0.52±0.05 0.31±0.08
9.3 0.54±0.04 0.34±0.05
11.0 0.53±0.07 0.68±0.04
实验条件：原料液中硼含量为1.5mg L-1,氯化钠含量为400mg L-1；汲取液为1M的磷酸 二氢钾；原料液与汲取液体积均为1.25L；膜活性层朝向原料液；运行流速15cm s-1；运行 温度25℃。
实验例5
改变实施例1处理方法膜面朝向，不同膜面朝向对正渗透过程除硼性能及能耗的影响见下 表6：
表6膜面朝向对正渗透过程除硼性能及能耗的影响
Figure BDA0002878185500000051
Figure BDA0002878185500000061
实验条件：原料液中硼含量为1.5mg L-1,氯化钠含量为400mg L-1；汲取液为1M磷酸二 氢钾；原料液与汲取液体积均为1.25L；运行流速15cm s-1；运行温度25℃。
实验例6
改变实施例1处理方法错流速度，不同错流速度对正渗透过程除硼性能及能耗的影响见下 表7：
表7错流速度对正渗透过程除硼性能及能耗的影响
流速(cm s<sup>-1</sup>) 产水硼含量(mg L<sup>-1</sup>) 单位产水能耗(kWh m<sup>-3</sup>)
5 0.60±0.06 0.15±0.02
10 0.61±0.03 0.23±0.04
15 0.57±0.03 0.27±0.05
实验条件：原料液中硼含量为1.5mg L-1,氯化钠含量为400mg L-1；汲取液为1M磷酸二 氢钾；原料液与汲取液体积均为1.25L；膜活性层朝向原料液；运行温度25℃。
实验例7
改变实施例1处理方法运行温度，不同运行温度对正渗透过程除硼性能及能耗的影响 见下表8：
表8.运行温度对正渗透过程除硼性能及能耗的影响
温度(℃) 产水硼含量(mg L<sup>-1</sup>) 单位产水能耗(kWh m<sup>-3</sup>)
15 0.44±0.05 0.52±0.04
25 0.57±0.03 0.27±0.05
35 0.49±0.06 0.26±0.08
实验条件：原料液中硼含量为1.5mg L-1,氯化钠含量为400mg L-1；汲取液为1M磷酸二 氢钾；原料液与汲取液体积均为1.25L；膜活性层朝向原料液；运行流速15cm s-1。
以上结合实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种反渗透-肥料驱动的正渗透海水淡化方法，步骤如下：
(1)将海水进行混凝处理后，进行超滤，经超滤后海水进行反渗透，得到反渗透海水；
(2)以肥料作为汲取液，以反渗透后的海水作为原料液，聚酰胺膜作为膜层，进行正渗透处理；正渗透膜组件采用活性层朝向汲取液或活性层朝向原料液两种模式运行，以蠕动泵作为输送动力，错流速度为5～30cm/s，正渗透温度为15～40℃，肥料作为汲取液用以实现硼的去除和提高正渗透性能。
2.根据权利要求1所述的反渗透-肥料驱动的正渗透海水淡化方法，其特征在于，步骤(1)中，混凝处理为向海水加入碱化度为2.0的聚合氯化铝混凝剂进行混凝，聚合氯化铝混凝剂的投加量为0.1-10.0mg L-1。
3.根据权利要求2所述的反渗透-肥料驱动的正渗透海水淡化方法，其特征在于，聚合氯化铝混凝剂的投加量为1.0mg L-1。
4.根据权利要求1所述的反渗透-肥料驱动的正渗透海水淡化方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的超滤为采用分子量为100K的超滤膜进行超滤。
5.根据权利要求1所述的反渗透-肥料驱动的正渗透海水淡化方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的肥料为磷酸二氢钾、硫酸铵或磷酸二氢铵。
6.根据权利要求1所述的反渗透-肥料驱动的正渗透海水淡化方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的肥料为磷酸二氢钾。
7.根据权利要求1所述的反渗透-肥料驱动的正渗透海水淡化方法，其特征在于，步骤(2)中，磷酸二氢钾的浓度为0.5mol/L～4.0mol/L；优选的，步骤(2)中，磷酸二氢钾的浓度为1.5～2.5mol/L。
8.根据权利要求1所述的反渗透-肥料驱动的正渗透海水淡化方法，其特征在于，步骤(2)中，汲取液pH为4.5-11.0，最为优选的，汲取液pH为11.0；原料液pH为6.5-11.0，最为优选的，原料液pH为6.5。
9.根据权利要求1所述的反渗透-肥料驱动的正渗透海水淡化方法，其特征在于，步骤(2)中，膜取向选用正渗透膜的活性层朝向原料液。
10.根据权利要求1所述的反渗透-肥料驱动的正渗透海水淡化方法，其特征在于，步骤(2)中，错流速度为5～15cm/s，优选的，错流速度为5cm/s；正渗透温度为15～35℃，最为优选的，正渗透温度为25℃。
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