[導讀]反滲透海水淡化技術以其特有的優(yōu)點得到了越來越廣泛的應用，近幾十年來我國對該技術的研究取得了較大發(fā)展。該 文綜述了反滲透海水淡化技術的發(fā)展過程及應用狀況，重點介紹了反滲透膜、預處理技術、能量回收技術、反滲透系統(tǒng)優(yōu)化設計等方面 的技術進步及存在的問題，根據(jù)該技術研究及應用現(xiàn)狀，提出了我國反滲透海水淡化技術未來發(fā)展的看法。

1 海水淡化問題現(xiàn)狀 當今世界面臨著人口、資源與環(huán)境三大問題。其中水資源是 各種資源中不可替代的一種重要資源，它是生命的源泉，是經(jīng)濟 社會發(fā)展的命脈。水資源與環(huán)境密切相關，也與人口間接有關， 水 資源問題已成為舉世矚目的重要問題之一。地球上最大的水體 是海洋，約占地球表面積的 70． 9%，總儲水量達到 1． 5 ×109 km3。 從數(shù)據(jù)上來看，地球的水資源非常充足，人類似乎不用擔心會缺 水。但實事并非如此，這是因為含鹽量過高的海水約占總儲水量 的97%以上，它意味著淡水僅占不到3%。而且這些淡水資源分 布極不均衡，約有86% 被凍結在兩極地帶和高寒冰川之中，所以 可供人類可利用的淡水僅占全球總儲水量的0．26%［1］。 我國淡水資源總量約為2．8 ×1012 m3，居世界第四，但人均占 有量為2．3 ×103 m3，僅居世界平均水平的1/4，排在第 121 位，是 世界上13 個最貧水國家之一，特別是在我國沿海工業(yè)發(fā)達城市， 人均水資源占有量大部分小于600 m3( 大連，天津等地小于 300 m3) 。據(jù)專家估計， 到2030 年中國的缺水量將達到 6． 0 ×1011 m3。 為了解決水資源缺乏問題，政府已經(jīng)開始采取了一系列強力有效 措施，這預示著 21 世紀必然將是海水淡化大發(fā)展的時代［2］。多 年來，世界不少國家先后成立專門機構，投入大量的資金，研究和 開發(fā)海水淡化技術。我國從1958 年開始研究開發(fā)海水淡化技術， 從電滲析著手;約十年以后開始注意到反滲透技術。1997 年建成舟山日產(chǎn)500 m3 海水反滲透淡化裝置。在此之后，我國日產(chǎn)千噸 級的海水反滲透淡化裝置和日產(chǎn) 18000 m3 的苦咸水反滲透裝置 相繼建成。而海水反滲透膜的生產(chǎn)線也在這期間成功投產(chǎn)。這 標明我國的反滲透技進入了逐步成熟的時代。 按分離過程分類，海水淡化方法主要有蒸餾法、膜法、結晶 法、溶劑萃取法和離子交換法等。其中蒸餾法又有多級閃蒸 ( MSF) 、多效蒸發(fā)或多效蒸餾 ( ME 或 MED) 和壓汽蒸餾 ( VC) 之分，膜法海水淡化技術則包含了反滲透法 ( RO) 和電滲析法 ( ED 或 EDR) ，結晶法則由冷凍法和水合物法構成。雖然淡化 方法有許多種，但多年的實踐表明真正實用的海水淡化方法只 有 MSF、 ME、 VC 和 RO 等幾種方法。 隨著抗氧化、耐細菌侵蝕、耐高壓、透水通量大的新膜的應 用，反滲透技術具有投資省、能耗小、操作方便、易于控制，經(jīng)過 反滲透處理后，水質完全可以達到 WHO 的飲用水標準?；谝?上優(yōu)點，反滲透海水淡化技術( SWRO) 在世界范圍內的應用日益 廣泛，在國際給水技術市場上每年以 10． 6% 的速度增長。有關 專家認為， RO 將與 MSF、和 MED 一起決定海水淡化的未來。  2 反滲透海水淡化技術進展 反滲透海水淡化( SWRO) 技術自 20 世紀 70 年代進入海水 淡化市場后，發(fā)展十分迅速，現(xiàn)在已經(jīng)占全世界淡化水總產(chǎn)量的 44%，世界上將近 80% 的海水淡化裝置都采用的是反滲透膜技術［3］。經(jīng)過近 40 年的不懈努力，反滲透技術已經(jīng)取得了令人矚 目的進展。目前反滲透膜與組件的生產(chǎn)已經(jīng)相當成熟，膜的脫 鹽率高于 99． 5%，透水通量大大增加，抗污染和抗氧化能力不斷 提高。銷售價格穩(wěn)中有降; 反滲透的給水預處理工藝經(jīng)過多年 的摸索基本可保證膜組件的安全運行; 高壓泵和能量回收裝置 的效率也在不斷提高。以上措施使得反滲透淡化的投資費用不 斷降低，淡化水的成本明顯下降。反滲透海水淡化的技術進步 主要表現(xiàn)在: 反滲透膜的更新?lián)Q代、關鍵設備的研制、給水預處 理、反滲透淡化系統(tǒng)優(yōu)化設計等方面。  2． 1 反滲透膜更新?lián)Q代 反滲透海水淡化技術的關鍵是反滲透膜的應用，雖然膜及 組件的生產(chǎn)已相當成熟，膜的脫鹽率大于99． 3%，但膜的平均使 用壽命只有 5 年，不可避免的膜污染又是造成膜使用壽命短的 主要原因，而膜的使用壽命短是海水淡化成本較高的主要原因。 在膜的“有限壽命”里，如何優(yōu)化工藝技術，使膜分離技術在工程 應用中發(fā)揮更大效益成為了一項極其有意義的工作。 反滲透膜是以膜兩側靜壓差為推動力而實現(xiàn)對液體混合物 分離的選擇性分離膜，其操作壓力一般為1． 5 ～ 10． 5 MPa，反滲 透膜只能通過溶劑( 通常是水) 而截留離子或小分子物質。目 前，反滲透膜的發(fā)展可以分為三個階段: 1953 年 Reid 首次用是 6 μm厚的均質醋酸纖維素制得反滲透膜，標志反滲透膜科學研 究開始;1960 年 Loeb 和 Sourirajan 用新的制膜工藝制得的醋酸 纖維素不對稱膜，水通量比 Reid 的均質膜( 對稱膜) 高出10 倍， 在海水及苦咸水淡化領域中首次應用; 20 世紀 60 年代中期 Riley 和 Cadoffe 等用致密皮層與疏松支撐層分別制備的制膜工藝 成功地開發(fā)出嶄新一代的復合型反滲透膜，應用領域擴展到了 電鍍污水的處理領域。目前在各個領域中，第一代均質反滲透 膜已在實際應用中被淘汰; 第二代非對稱反滲透膜在一定范圍 內仍在應用; 在各個領域應用廣泛的是第三代復合型反滲透膜。 1958 年以前，我國膜工業(yè)完全空白。我國反滲透膜技術的 研究始于 20 世紀 80 年代后期。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在反滲透 膜技術領域也取得了巨大成就，特別是通過改性等方法在膜材 料、膜組件制備及應用方面取得了很好的成就， 2008 年我國大陸 膜市值約 60 億元，其中國產(chǎn)反滲透膜市場占有率達到 10%。 反滲透膜在使用過程中經(jīng)常由于濃差極化和膜的污染而引 起膜通量下降和截留率降低，對反滲透膜進行改性可以提高膜 的通量、截留率，而且可以提高膜的抗氯性和抗污染性，從而延 長膜的使用周期。反滲透膜的改性方法主要化學改性、等離子 體改性。Zhou 等［4］通過研究功能單體與膜性能的關系，希望為 新型反滲透復合膜的研究工作提供了依據(jù)。在功能單體中引入 能與水分子形成氫鍵的功能團、親水基團、磺酸基等，提高了膜 的截留率、水通量以及耐氯性和抗氧化性［5］。Konagaya 等［6］提 出用 － CH3 代替 － NHCO 中的 H 或取代芳香二胺苯環(huán)中鄰位的 H 或者引入一個具有消電子體的官能團以阻止鄰位取代的方法 來改變 PA 分子結構，從而改善 PA 防止氯侵蝕的能力; Kang 等［7］研究了一種新的表面改性方法，在薄層復合聚胺反滲透膜 表面接枝親水性的聚乙二醇( PEG) ; 接枝反應以帶有單氨基的 聚乙二醇( MPEG2N H2) 為接枝單體，并用 ATR － FTIR、 XPS、 AFM 對膜的性能進行了表征。結果表明接枝 PEG 后，膜的抗污 染性能提高。Wei 等［8］利用 3 － 甲基 － 5， 5 － 二甲基乙內酰脲 ( MDMH) 對膜表面進行改性后能明顯提高抗氯性和殺菌性。 Kim 等［9］在界面聚合之前用等離子處理在聚丙烯和聚砜超濾膜 上引入親水性單體丙烯酸、丙烯清、丙烯胺、乙二胺等，使反滲透 膜的水通量和截留率有明顯的改進，支撐層與活性層的粘附更 結實，反滲透膜的耐氯性也較好。 2． 2 給水預處理的技術改進 ( 1) 加氯預處理: 海水不僅水質硬度偏高，而且當中微生物 繁多，特別是水溫較高的表層海水。微生物污染不僅給引水設 施，而且給淡化系統(tǒng)的正常運行造成各種麻煩，甚至事故。反滲 透膜表面的污染，造成了產(chǎn)水量和脫鹽率下降、組件壓差的增大 等問題的頻繁發(fā)生。因此，反滲透膜海水淡化過程是否順利，給 水的預處理十分關鍵。大型海水淡化裝置雖然在沙特投入運行 已久，但也出現(xiàn)了上述的問題。關于 SWRO 給水預處理過程，主 要是對海洋微生物污染的認識和處理。微生物的大量存在，一 直是令海水淡化工程技術人員感到頭痛的問題，同時也是歷屆 國際海水淡化會議討論的問題之一。海水中并存著各種細菌和 海藻等，它們繁殖速度快，為了控制它們的繁殖， SWRO 給水常 用氯化方法消毒殺菌。由于大多數(shù)反滲透膜的耐氯性能差，容 易被損壞或降解。因此膜組件的給水均需采取除氯處理。通過 幾年現(xiàn)場的實驗研究，美國杜邦公司和日本東洋紡公司均基本 解決了微生物污染與控制問題，從而大大地減少化學清洗的次 數(shù)，提高 SWRO 的利用率。日本東洋紡公司把過去的連續(xù)加氯 改為間斷加氯法。加氯量也比以往少，采用所謂“弱消毒”，使加 入氯量剛好足以抑制海藻等的生長，但又不會促進可被消化有 機物的生成［10］。 ( 2) 微濾技術用于海水預處理: 為了更好地剔除進料海水中 的膠體類物質，研究者們提出了利用膜處理作為反滲透預處理 工藝流程。采用微濾作為海水反滲透的預處理，不需要加入絮 凝劑、殺菌劑和余氯脫除劑等化學藥品，將反滲透的進水水質從 傳統(tǒng)處理方法的 SDI ＜3 改進到 SDI ＜1，且不使反滲透的預處理 成本明顯增加。此技術由于改進了進水水質，不僅延長了反滲 透膜的使用壽命，而且有助于提高系統(tǒng)的回收率、降低運行費 用［11 －13］。 

2． 3 能量回收技術 反滲透海水淡化技術中，膜脫鹽用的關鍵設備對工藝路線 的改進、能耗的降低等也至關重要。如高壓泵和能量回收裝置 的快速發(fā)展: 除高壓泵的品種和型號不斷增多，容量不斷增大和 效率不斷提高之外，特別是能量回收裝置，反滲透海水淡化之所 以能成為有競爭力的一種海水淡化技術，能量回收裝置的作用 功不可沒?，F(xiàn)在工業(yè)中使用的余壓能量回收裝置有多種形式， 概括起來有三大類: 第一類是水力回收透平，它是與高壓泵電機 主軸相連的渦輪機，用脫鹽后的高壓濃海水沖擊來回收能量，效 率約 50%; 第二類為功或壓力交換器，直接將壓力由濃海水傳給 新進的海水，效率一般認為大于90%，這樣反滲透海水淡化的本 體耗 電 降 到 3 kWh/m3 以 上。目 前 在 New Providece 島 的 13600 m3 /d和 Cayman 島的 5000 m3 /d 海水反滲透淡化系統(tǒng)上已 經(jīng)成功應用; 第三類是水力渦輪增壓器，其優(yōu)點是不必與泵的主 軸相連，安裝方便， 1996 年 6 月，F(xiàn)lorida Water Service Corp． 在 Marco 島對現(xiàn)有的 15000 m3 /d 苦咸水淡化系統(tǒng)進行了工藝改 造，通過運用能量回收透平增加第二段進料水壓力從而提高第 二段膜堆的產(chǎn)水量，使系統(tǒng)的產(chǎn)水量增加到了 3780 m3 /d，從而 降低系統(tǒng)的能量消耗。 2． 4 反滲透海水淡化系統(tǒng)優(yōu)化設計 反滲透海水淡化系統(tǒng)中能耗方面一直是工程設計人員特別 重視的一個問題［14 －17］，它受的影響因素很多，如海水含鹽量、溫 度、操作壓、回收率、能量回收等。如今，在新建的中、大型 SWRO 淡化器均配有能量回收裝置，可回收 30% 左右的能源。隨著膜 性能的提高，操作壓力的提高，水的回收率相應提高到了 50%， 與此同時使能耗也降低不少。

反滲透淡化系統(tǒng)優(yōu)化設計的任務就是要確定最優(yōu)的反滲透 系統(tǒng)結構，最優(yōu)的操作條件，確定系統(tǒng)中的膜元件、壓力容器、高 壓泵等設備參數(shù)，同時模擬確定系統(tǒng)中的回收率、脫鹽率、濃差 極化度等主要技術參數(shù)，并得出運行能耗、投資成本、運行成本 等主要經(jīng)濟指標。 對于反滲透系統(tǒng)優(yōu)化設計的研究報道的很多［18 －22］。McCutchan and Goel ［23］對一級流程，二級流程和三級淡水再處理流 程進行了最優(yōu)化設計。研究發(fā)現(xiàn)一級流程可獲得最低的產(chǎn)水費 用。從膜分離過程方面來講，認為增加操作壓力比增加進料流 量效果更好。Evangelista 等［24］參考了多級精餾塔的設計方法， 采用圖論的方法對多級反滲透系統(tǒng)進行了設計。Busch 等［25］對 反滲透系統(tǒng)的能量回收裝置進行了探討，對反滲透過程能量的 優(yōu)化利用進行了研究。王世昌，王越，徐恒闊等［26 －29］對反滲透 淡化系統(tǒng)余壓水力能量回收裝置進行了研究，介紹了幾種在工 業(yè)上應用較為廣泛的余壓水力能量回收裝置，評述了它們的優(yōu) 劣。重點結合反滲透技術在水處理中的應用，提出值得繼續(xù)研 究和改進的地方，并開發(fā)了一種新型的余壓水力能量回收裝置。 靖大為等［30］對反滲透系統(tǒng)的優(yōu)化設計進行了研究。提出了列表 法系統(tǒng)優(yōu)化設計方法，為設計工作者提供了一個較為有效的設 計方案的速查表格工具。 3 反滲透海水淡化技術的應用展望 綜上所述，目前反滲透海水淡化技術在實際應用中，在應對 膜污染問題時所產(chǎn)生的膜耐氯性能仍是制約當前商品反滲透膜 廣泛應用的關鍵因素之一。另外，反滲透膜的截留性能仍需進 一步提高，以提高膜分離效率，降低生產(chǎn)成本［31 －32］。預處理與 膜清洗是目前抑制膜污染的主要方法，但是清洗劑或是殺菌劑 常常又會導致復合膜性能不同程度的下降。所以通過有效地進 行新型功能單體及膜材料的開發(fā)，復合膜制備工藝的改進和參 數(shù)的優(yōu)化等，開發(fā)出具備廉價、抗污染、高效、高壽命和智能化等 特點的理想的反滲透膜［33］。我國近年來在有關反滲透復合膜及 其功能單體和產(chǎn)業(yè)化關鍵技術等課題支持下，也已經(jīng)開發(fā)了一 些功能單體和反滲透復合膜，但與國外的反滲透膜相比，我國的 反滲透復合膜及膜組件在性能上還存在很大的差距。 反滲透膜技術工程應用方面的應集中于研發(fā)具有低能耗、 抗污染、耐高溫、耐高壓和特種分離等性能的反滲透膜組件，以 及反滲透膜組件與其他膜過程組件( 超濾、微濾、納濾等) 以及 電去離子( EDI) 等組件的有機結合，充分發(fā)揮各種膜分離技術 的特點，形成一個完整的系統(tǒng)工程，達到工程應用所需的濃縮、 分離和提純的目的。 雖然現(xiàn)代大型反滲透裝置的能量利用效率在不斷提高，但 是仍然有將近一半的成本是受制于所消耗的電能，所以通過降 低能耗來控制成本至關重要; 另外，隨著人類對淡水資源需求量 更加快速的增長，大型裝置規(guī)模擴張的速度也很迅速。因此，這 些大型裝置過大的能量消耗總量，在未來會成為限制其發(fā)展的 一個潛在因素，人們正在試圖通過可再生能源的利用解決這一 問題。 反滲透工程設計是個較復雜的過程，涉及諸多的變量，并且 有些參數(shù)彼此有密切關系并相互影響。反滲透海水淡化工程設 計的基本要求是，既要保證產(chǎn)水的產(chǎn)量和質量，又要保證濃水有 一定的流速和濃度范圍，以減少污染和結垢，實現(xiàn)長期安全、經(jīng) 濟的運行。如何把諸如海水的組分、 pH 值、溫度、操作壓力、回 收率、產(chǎn)水量、進料流量、膜的特性、能源價格等變量組合在一 起，在達到海水淡化工程設計基本要求下，使工程的投資費用和 運行費降到最低這是我們工程設計人員的一項任重道遠的使命。