摘要：海水淡化膜分離技術(shù)作為一項(xiàng)高新技術(shù)，已成為新世紀(jì)解決水資源、能源和環(huán)境等領(lǐng)域重大問(wèn)題的共性技術(shù)之一。文章介紹了膜分離技術(shù)及其特點(diǎn)，分析了膜分離技術(shù)在海水淡化中的具體應(yīng)用，探討了膜分離技術(shù)在海水淡化中應(yīng)用的開(kāi)發(fā)前景。

關(guān)鍵詞：膜分離；海水淡化；開(kāi)發(fā)前景

引言

作為人類生產(chǎn)與生活最重要的資源，近年來(lái)，水資源卻面臨著日益加重的危機(jī)，部分地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重干旱的狀況。由于人類活動(dòng)造成的生態(tài)環(huán)境危機(jī)，進(jìn)而加劇了水污染現(xiàn)象的日益擴(kuò)大，水資源日益成為稀缺珍貴的資源。為了提高水資源的利用率，很多學(xué)者將目光轉(zhuǎn)移到海水淡化方面，隨著膜分離技術(shù)的應(yīng)用，海水淡化技術(shù)得到進(jìn)一步的提高和進(jìn)步，這也成為目前海水淡化事業(yè)的重要課題。

1.膜分離技術(shù)及其特點(diǎn)

1.1微濾

也稱為微孔過(guò)濾，主要是以篩孔機(jī)理對(duì)物質(zhì)進(jìn)行分離凈化。采用微孔濾膜作為過(guò)濾介質(zhì)，以靜壓差為推動(dòng)力進(jìn)行分離。微孔濾膜的孔徑固定，氣、液相中的懸浮粒子、細(xì)菌、病毒等微生物以及膠體等物質(zhì)由于粒徑大于濾膜孔徑而被截留。而無(wú)機(jī)物和大分子有機(jī)物等物質(zhì)在壓力差的作用下可以遷移到微孔濾膜的另一側(cè)，從而達(dá)到分離、凈化的目的。

微濾的特點(diǎn)：膜孔分布均勻，過(guò)濾精度高。微濾可以通過(guò)采用制定固定孔徑的微孔濾膜來(lái)進(jìn)行精密過(guò)濾。濾膜的孔徑分布均勻，可將大于孔徑的懸浮粒子、微生物、膠體等污染物質(zhì)全部攔截在濾膜表面，過(guò)濾精度很高。孔隙大，流速快。微孔濾膜的孔徑大，通常孔密度為107孔/cm2，且微孔體積占膜總體積的70%～80%左右。因此，微粒和微生物等在通過(guò)微孔膜時(shí)受到的阻力較小，其過(guò)濾速度較常規(guī)介質(zhì)快幾十倍。厚度小，吸附少。微孔膜的厚度較小，一般在90-150m之間。其對(duì)于粒子的吸附量非常少，可忽略不計(jì)。濾膜材料穩(wěn)定，不易脫落，濾液質(zhì)量高。制備微濾膜的材料需具備熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度等特點(diǎn)，通常采用纖維素、聚氯乙烯 （PVC）等高分子材料制作濾膜。過(guò)濾時(shí)不易發(fā)生纖維或碎屑脫落，使用壽命長(zhǎng)，獲得的濾液質(zhì)量較高。

但是，微孔濾膜對(duì)于顆粒的容量較小，分離過(guò)程中易發(fā)生堵塞現(xiàn)象。因此，在對(duì)物質(zhì)進(jìn)行分離前，需進(jìn)行前道過(guò)濾，以避免因發(fā)生堵塞而影響微濾膜的正常使用。

1.2超濾

超濾也是以壓力差作為推動(dòng)力，以超濾膜絲作為過(guò)濾介質(zhì)。超濾膜的粒徑介于微濾和反滲透之間。主要是利用不同孔徑的超濾膜對(duì)液體中各類可溶性大分子和膠體等進(jìn)行分離、凈化。

超濾的過(guò)濾粒徑較微濾膜小，約為5-10nm。可用于對(duì)溶液中的溶質(zhì)進(jìn)行分離、增濃等操作。超濾膜可允許小分子和溶解性無(wú)機(jī)物通過(guò)，對(duì)于蛋白質(zhì)、核算聚合物、淀粉等大分子物質(zhì)則會(huì)進(jìn)行截留。通常超濾膜對(duì)于分子量在500-500000的微粒溶液中的多糖、蛋白質(zhì)、酶等可溶性大分子或膠體物質(zhì)均具有較好的分離、提純效果。

超濾技術(shù)的應(yīng)用范圍廣泛。常被應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的純水制備、藥品、色素提純以及水污染治理等諸多領(lǐng)域，對(duì)于各類大分子和膠體的分離、凈化、提純具有良好效率。

1.3反滲透

反滲透技術(shù)作為當(dāng)前最先進(jìn)、節(jié)能、高效的膜分離技術(shù)，其反滲透膜的孔徑非常小，小于1nm。可分離物質(zhì)的分子量通常小于500，可用于去除單價(jià)鹽和非游離酸等無(wú)機(jī)物質(zhì)。在高于溶液滲透壓的作用下，將某些不能透過(guò)半透膜的物質(zhì)與水進(jìn)行分離。對(duì)其分離機(jī)理至今仍多有爭(zhēng)論。當(dāng)前主要有氫鍵理論、選擇吸附-毛細(xì)管流動(dòng)理論、溶解擴(kuò)散理論等。

反滲透膜通常是不對(duì)稱膜，對(duì)于溶質(zhì)分子具有良好的截留效果。所需操作壓力較大，在2-100MPa。反滲透技術(shù)具有很高的除鹽效率，一般可達(dá)98-99%。

因此，常用于電子工業(yè)、超高壓鍋爐補(bǔ)水等對(duì)純水要求高的領(lǐng)域。制備反滲透膜的材料主要有醋酸纖維素、芳香族聚酰胺、以及各類聚合物。

2.膜分離技術(shù)在海水淡化中的具體應(yīng)用

膜分離技術(shù)在海水淡化事業(yè)中占據(jù)著不可或缺的地位，近年來(lái)，膜分離技術(shù)的不斷成熟，競(jìng)爭(zhēng)力得以廣泛的提高。其中正滲透膜分離技術(shù)、反滲透膜分離技術(shù)和薄膜蒸餾淡化技術(shù)是當(dāng)今膜分離技術(shù)的幾大分支，它們?cè)诤Ｋ邪l(fā)揮著十分重要的作用。

2.1正滲透膜分離技術(shù)

正滲透膜分離技術(shù)（Forward Osmosis，F(xiàn)O）實(shí)行的過(guò)程中，通過(guò)水滲透壓的作用下，從低向高滲透壓側(cè)中擴(kuò)散，也就是純水一側(cè)滲透到濃鹽水一側(cè)。其工作基本原理是，往純水中加入某種溶質(zhì)，從而制備成一種驅(qū)動(dòng)液，從而利用其形成的高于鹽水的滲透壓，促使鹽水中的水經(jīng)過(guò)膜進(jìn)入到驅(qū)動(dòng)液之中，接著將水與驅(qū)動(dòng)液分離，最終得到可以食用的凈水。

FO技術(shù)應(yīng)用于海水淡化中，不需要借助外界的壓力，只是單純依靠水的滲透壓，因此，具有低能耗、無(wú)二次污染的優(yōu)勢(shì)，可以作為反滲透膜分離技術(shù)的補(bǔ)充，共同為解決人類水資源危機(jī)做出一定的貢獻(xiàn)。

2.2反滲透膜分離技術(shù)

反滲透膜分離技術(shù)（Reverse Osmosis，RO）是當(dāng)今應(yīng)用較廣泛的商業(yè)化海水淡化技術(shù)，實(shí)行過(guò)程中，通過(guò)外界壓力的作用，水會(huì)克服滲透壓，經(jīng)過(guò)半透膜從高向低滲透壓側(cè)溶液中進(jìn)行擴(kuò)散。因此，反滲透膜分離技術(shù)是通過(guò)排斥鹽離子發(fā)揮作用的，在海水增壓的環(huán)境下，通過(guò)反滲透膜排除海水中的鹽分，從而得到凈水。這種膜是由半滲透聚合材料制作的，分為中空纖維膜與平板膜這兩種。

在海水淡化中，RO技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，應(yīng)用也十分廣泛。然而，RO技術(shù)發(fā)揮作用的過(guò)程中，需要實(shí)行高壓操作，存在高能耗、高運(yùn)行成本、較嚴(yán)格的預(yù)處理、存在二次污染等缺點(diǎn)，因此需要FO技術(shù)作為輔助，兩種技術(shù)相結(jié)合，共同為解決水資源難題做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)和力量。

2.3薄膜蒸餾淡化技術(shù)

薄膜蒸餾淡化技術(shù)，主要通過(guò)多孔性疏水膜將加熱的海水蒸發(fā)，而散發(fā)的蒸汽將會(huì)在膜的另外一側(cè)得到冷凝，從而實(shí)現(xiàn)海水淡化。這種方法不同于常規(guī)的蒸餾方法，將蒸汽空間縮小甚至取消，其中的蒸餾膜難以代替換熱面，而目前的薄膜蒸餾裝置可以分為直接接觸式、掃氣式與空氣隙式這三種。其中掃氣式薄膜蒸餾裝置配有專門(mén)的氣體處理系統(tǒng)，具有高供水除氣要求的特點(diǎn)；直接接觸式薄膜蒸餾裝置結(jié)構(gòu)是最簡(jiǎn)單的，而且運(yùn)行可以實(shí)行自動(dòng)化，通常會(huì)用于實(shí)船的應(yīng)用研究；空氣隙式薄膜蒸餾裝置分為冷液、熱液、蒸餾水三種系統(tǒng)，得名于薄膜與壁面的1毫米空氣間隙。

3.膜分離技術(shù)在海水淡化中應(yīng)用的開(kāi)發(fā)前景

隨著水資源危機(jī)的不斷加重，海水淡化和水再用已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)研究的重要課題。因此，膜分離技術(shù)也面臨著前所未有的壓力和挑戰(zhàn)。作為目前相對(duì)先進(jìn)的海水淡化技術(shù)，RO的能耗問(wèn)題卻成為制約其發(fā)展的主要障礙。而理論上來(lái)說(shuō)，F(xiàn)O技術(shù)可以將海水淡化的能耗降低9倍，技術(shù)進(jìn)步的空間相對(duì)較大。作為后起之秀的薄膜蒸餾淡化裝置也在不斷進(jìn)步，尤其是在研制高效復(fù)合膜得到全新的突破。相信在不久的將來(lái)，低能耗、綠色環(huán)保的海水淡化工廠的數(shù)量越來(lái)越多，到那時(shí)水資源將會(huì)得到最大限度地利用，從而解決全世界范圍內(nèi)的普遍缺水難題。

結(jié)論

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，人們對(duì)于膜分離技術(shù)和膜材料的研究日益深入。所以，在面對(duì)全球性淡水資源危機(jī)上，還應(yīng)該做好海水淡化技術(shù)的研發(fā)工作，以便獲得可持續(xù)性的淡水取用。

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