6.2.3 反渗透技术进展
6.2.3.1 渗透及反渗透的相关概念
渗透是指利用半透膜中分子晶格空隙对水及盐类溶解度的差异将其分离。在半透膜两侧分别为淡水及含盐类溶液。依热力学定律，物质会趋向较低化学势能的方向移动，因盐水的化学势能低于清水，故淡水一侧会产生渗透流，通过膜面，进入盐水溶液，直到膜两侧化学势能达到平衡为止。当两侧的压力差等于渗透压时，则达到平衡状态。若在盐水一侧施加大于渗透压的压力时，则盐水的化学势能会高于清水，而使盐水中的水分通过膜面流向清水侧，此种现象即称为反渗透。
6.2.3.2 反渗透膜法海水淡化技术的发展历程
发现渗透现象已有200多年的历史，现代的反渗透海水淡化则是20世纪50年代以来的研究结果。1953年Florida大学和California大学在美国盐水局的资助下对反渗透水淡化进行了研究，结果表明二醋酸纤维素制成的膜可以从海水中提取淡水。60年代末期，Gulf General Atomics与Aerojet General开创了反渗透的商业时代，在美国盐水局的资助下，开发了二醋酸纤维素膜制成的螺旋式构型组件。同期，美国Du Pont公司研制出了以尼龙—66为膜材料的中空纤维组件，并于1970年应用于苦咸水的淡化。1971年Du Pont公司推出采用聚芳香酞胺中空细纤维组件，1973年末又推出可以经过一级脱盐就能由海水制成饮用水的膜组件。70年代中期，Dow化学公司、日本Toyobo公司先后推出了三醋酸纤维紊中空纤维膜组件Fluid Systems Division与Film Tec，推出了螺旋卷式聚酞胺薄膜复合膜。80年代，反渗透海水淡化研究的重点集中在提高膜的脱盐率和水通过率上。90年代出现的采用徽滤、超滤或纳滤等膜技术作为反渗透海水淡化系统的预处理工艺，使得反渗透海水淡化装置更加可靠。用膜技术作为海水反渗透的预处理，不需要加入絮凝剂、杀菌剂和还原剂等化学药品，同时也省去了保安过滤器，使反渗透的进水水质从传统处理方法能够达到的出水污染指数小于3改进到小于1，能有效去除进料海水中的胶体类物质，延长了反渗透膜的使用寿命。经过几十年的不断发展和改进，海水淡化反渗透复合膜的性能已经有了较大的提高，产生了很高的经济效益。
6.2.3.3 反渗透膜法海水淡化技术的主要创新
1.不对称膜
Loeb和Sourirajan于1960年制得了世界上第一高脱盐率、高通量、不对称醋酸纤维素（CA）反渗透膜。其创新在于，以往的膜皆为均相致密膜（厚约11mm），传质速度极低，无实用价值，而不对称膜仅表皮层是致密的（厚约0.2μm），仅此一点，使传质速度提高了近3个数量级。20世纪70年代研制了优异的CA-CTA膜，其中之一的性能为在10.2MPa操作压力下，对35000mg/L NaCl溶液，脱盐率99.4%～99.7%，水通量20～30L/（m2·h）。
2.复合膜
复合膜的概念是在1963年提出的，其创新点在于膜的脱盐层和支撑层分别由优选的材料来制备，如脱盐层（厚约0.2μm）是芳香族聚酰胺，支撑层是聚砜，这使膜的性能进一步提高。历年来，开发了许多不同用途的复合膜，如用于海水淡化的“高脱盐型”，纯水制备的“超低压和极低压型”，废水处理的“耐污染型”等。最近海水淡化的“高脱盐型”复合膜性能大大提高，在5.52 MPa操作压力下，对35000mg/L NaCl溶液，脱盐率为99.8%，水通量达40L/（m2·h）以上。
6.2.3.4 膜组器技术的发展
反渗透膜组器技术的创新，使膜的性能得以充分的发挥，这里特别提出的是中空纤维反渗透器和卷式反渗透元件。
1.中空纤维反渗透器
经多年的研究开发，1975年美国DuPont公司推出B-10型海水脱盐用聚酰胺中空纤维反渗透器；1980年日本Toyobo公司推出Hollosep型海水脱盐用CTA中空纤维反渗透器。其特点是一支反渗透器内可含几十万到几百万条中空纤维，具有最高的膜面积堆砌密度。
2.卷式反渗透元件
卷式元件的概念是1964年提出的，经10多年的多次更新换代，20世纪70年代中商品化，其构思是数个膜片对和流道隔网绕中心多孔产水管卷起来，呈筒状；使用时几个元件以串接方式放入一个压力容器中。经膜片对的数目和宽度、流道隔网的式样和厚度、黏合和密封方式、多个元件产水的收集方式和端封等的不断研究和改进，目前复合膜广泛用于卷式元件的大规模生产，元件的直径为4英寸、8英寸、16～18英寸等，以8英寸的居多。
6.2.3.5 关键设备的改进
SWRO用的关键设备，如高压泵和能量回收装置也得到快速的发展。除高压泵的品种和型号不断增多，容量不断增大，以及效率不断提高（达80%以上）之外，特别应提及的是能量回收装置。第一代能量回收装置是与高压泵电机主轴相连的涡轮机，之后是水力涡轮增压器，效率都在60%～70%；新一代产品为功或压力交换器，直接将压力由浓海水传给新进的海水，效率大于90%，这样反渗透海水淡化的本体耗电降至约3kWh/m3。