集成超滤-正向渗透一体化膜组件用于海水淡化和水净化

《Chemical Engineering and Processing - Process Intensification》：Novel integrated ultrafiltration-forward osmosis module for desalination and water purification

　　

本研究测试了一种新型膜组件，以验证将超滤（UF）与正向渗透（FO）集成于一体的概念可行性。该UF-FO组件采用中央管式UF膜，周围环绕中空纤维FO膜。与传统FO系统相比，UF-FO实现了17%至34%的节能效果。当以去离子水（DI water）作为原料液（FS）、0.5 M MgSO4和NaCl作为汲取液（DS）时，反向盐通量（RSF）分别为1 gMH和1.1 gMH。以海水作为原料液时，该组件的通量恢复率稳定维持在96%至95%之间。

论文解读文章

1. 研究背景与现存问题

21世纪，人口增长、地表水和地下水污染以及气候变化等因素导致水资源短缺问题日益严峻。利用海水进行淡水生产已成为常规做法，其中反渗透（Reverse Osmosis, RO）是目前最常用的水处理技术。然而，膜污染是RO工艺的主要缺陷之一，会随时间推移损害其性能。缺乏适当的预处理会导致不可逆的膜损伤和脱盐成本增加。因此，RO膜需要强化的预处理（如砂滤、微滤MF和超滤UF）来维持稳定的渗透通量和截留率。

混合系统如正向渗透（Forward Osmosis, FO）-RO被用于改善膜污染和能耗问题。虽然FO不能完全替代RO，但FO-RO混合系统相较于传统UF-RO系统可实现0.2至0.3 kWh/m³的节能。FO工艺因其低操作压力、可逆膜污染和高截留能力而被用作压力驱动膜的预处理。然而，传统FO-RO系统比常规RO系统多出一个处理阶段（预处理、FO处理、RO处理），这会增加整体资本成本和能耗，降低其与其他技术的竞争力。因此，减少FO系统中的处理阶段数将有助于降低FO-RO系统的资本和运营成本及占地面积。

2. 研究目的与意义

本研究提出一种新颖的膜组件，将UF预处理与FO分子分离过程物理集成于单一膜组件内。该概念基于UF和FO膜的操作原理，两者均需低液压运行。将UF预处理直接与FO步骤集成，可减少泵、管道和控制部件等设备需求，同时简化工艺流程。这种集成具有三大优势：最小化脱盐厂占地面积、通过降低泵送能量提升能效、便于对UF和FO膜进行原位清洗。本研究通过分析水通量、反向盐通量和回收率来评估UF-FO组件性能，并考察了能耗情况。

3. 关键技术方法

研究人员构建了一个实验室规模的UF-FO集成模块。该模块由位于中心的管式聚醚砜（PES）UF膜（面积400 cm²，孔径约37 nm，截留分子量70 kDa）和围绕其周围的6个中空纤维FO膜组件（来自丹麦Aquaporin公司，总面积1440 cm²，结构参数S为210 μm）组成。实验使用不同浓度的NaCl和MgSO₄溶液作为汲取液（DS）和原料液（FS），在1 bar压力和1-1.5 LPM流量下运行约70分钟。水通量通过DS重量变化计算，特定能耗通过泵压和流量公式计算。

4. 研究结果

4.1 汲取液浓度对水通量的影响

实验采用5至30 g/L NaCl的FS和1至2 M NaCl的DS。结果显示，随着DS浓度从1 M增加到2 M，水通量显著增加。例如，当FS为5 g/L NaCl时，使用1 M NaCl DS的水通量约为6 LMH，而使用2 M NaCl DS时增至约12 LMH。这表明更高的渗透压差驱动了更大的水通量。

4.2 原料液盐度对FO通量的影响

使用1 M NaCl DS和5至30 g/L NaCl FS的实验表明，随着FS盐度从5 g/L增加到30 g/L，水通量逐渐下降。例如，FS为5 g/L时的水通量约6 LMH，而FS为30 g/L时降至约2 LMH。这是由于较高的FS盐度降低了跨膜渗透压差。

4.3 二价金属盐汲取液的性能

使用0.5 M MgSO₄ DS和DI水FS时，水通量约2.5 LMH，RSF为1 gMH。当使用1 M MgSO₄ DS和5至30 g/L NaCl FS时，水通量随FS盐度增加而下降，趋势与NaCl DS相似。使用1 M MgSO₄ DS和DI水FS时，RSF为1.1 gMH。这表明二价盐DS具有较低的反向盐扩散特性。

4.4 能耗分析

研究人员比较了UF-FO集成系统与独立UF和FO系统的能耗。结果显示，UF-FO系统相比传统FO系统实现了17%至34%的节能。这是因为集成设计减少了泵送需求和管路损失。

4.5 通量恢复与膜清洗

使用海水作为FS时，UF-FO模块在多次循环后仍保持稳定的通量恢复率，介于96%至95%之间。这得益于集成模块的原位清洗能力，可通过渗透反洗有效去除膜表面污染物。

5. 讨论与结论

讨论总结：研究表明，UF-FO集成模块在降低能耗和维持稳定性能方面具有显著优势。通过将UF预处理与FO过程整合于同一单元，不仅减少了系统级数和占地面积，还提高了能源效率。使用二价盐（如MgSO₄）作为DS可有效降低反向盐通量，这对保护下游RO膜有利。此外，模块的原位清洗功能确保了长期运行的稳定性。

研究结论：研究人员开发并测试了一种新型UF-FO集成膜组件，用于海水淡化和水净化。该组件通过物理整合UF预处理和FO分离过程，实现了17%至34%的节能效果。在最佳条件下，水通量可达约12 LMH，反向盐通量控制在1-1.1 gMH范围内。以海水为原料液时，通量恢复率稳定在95%以上。这一创新设计有望简化脱盐流程、降低资本和运营成本，为未来高效节能的海水淡化技术提供新方向。