单程和盐水循环操作下独立式RO–PRO与PRO–RO混合海水淡化系统的理论水回收率极限

《Desalination》：Theoretical water-recovery limits of stand-alone RO–PRO and PRO–RO hybrid desalination systems with single-pass and brine-recirculating operation

　　•统一的热力学框架比较了独立运行的RO–PRO和PRO–RO混合海水淡化系统。
•PRO–RO比RO–PRO实现更高的最大RO水回收率和总水回收率。
•独立混合系统非常适合低盐度PRO进料充足的高盐度海水。
•当与PRO进料供应联合优化时，盐水再循环提高了水回收率。
•该框架定义了能量自给自足RO–PRO/PRO–RO混合海水淡化的热力学极限。

引言

日益增长的淡水需求、不断上升的能源消耗以及与海水淡化相关的环境问题，使得开发具有更高水回收率和能源效率的海水淡化技术变得更为迫切。海水反渗透（SWRO）因其高分离效率、可扩展性以及与热法海水淡化工艺相比相对较低的能耗，已成为大规模海水淡化的主导技术[1]，[2]。尽管如此，SWRO仍然是能源密集型的，因为它需要高水压来克服海水的渗透压。此外，浓缩盐水的产生可能会造成环境影响，并限制可达到的水回收率[3]，[4]。虽然膜技术和能量回收装置的进步已大幅降低了SWRO的能耗，但进一步提高能源利用效率、水回收率和盐水管理对于增强海水淡化的可持续性仍然非常重要[5]。

压力延迟渗透（PRO）提供了一种从不同盐浓度的水流中回收盐度梯度能量的潜在手段。在PRO中，低盐度进料液（FS）和加压的高盐度汲取液（DS）由半透膜隔开。水在渗透压差的作用下从FS渗透到DS，增加了加压汲取液的流量，从而实现液压能量回收[6]，[7]。PRO的性能取决于盐度梯度、膜传输特性、施加的液压、浓差极化、反向溶质扩散以及溶液流量[8]，[9]，[10]。尽管PRO膜和工艺开发取得了重大进展，但实际限制仍持续影响盐度梯度能量回收的效率[9]，[10]。由于浓缩RO盐水相对于低盐度水保留了大量的盐度梯度能量，将PRO与RO耦合为回收原本会随RO盐水排放的能量提供了一个有吸引力的机会。

因此，RO与PRO的集成作为减少海水淡化外部能源需求的手段已被广泛研究。Sharqawy等人[11]考察了包含PRO的RO海水淡化的第二定律性能，并证明了利用浓缩盐水流渗透能的热力学潜力。Feinberg等人[12]评估了在RO之前和之后进行两阶段渗透能回收以降低净能耗。Prante等人[13]提出了RO–PRO海水淡化作为一种集成的低能耗配置，Achilli等人[14]随后通过实验验证了这一概念。Altaee等人[15]研究了PRO与RO在发电和高效海水淡化中的集成与优化，Wan和Chung[16]评估了集成SWRO–PRO工艺中基于PRO的能量回收。Senthil和Senthilmurugan[17]进一步开发了RO–PRO模型，并通过仿真和优化研究了其性能。这些研究证明了利用RO盐水的渗透能作为内部能源资源的潜力。

后续研究将RO–PRO研究扩展到多级操作和实际应用。Li[18]研究了多级混合RO–PRO工艺，而Al-Zainati等人[19]研究了与双级PRO工艺集成的两段式RO系统。Chung等人[20]和Lee等人[21]分别考察了半中试和中试规模的SWRO–PRO系统。这些研究强调了水力条件、流量分布、膜性能和能量回收策略在集成海水淡化系统设计和运行中的重要性。越来越多的关注也集中在工艺配置和膜序列作为关键设计变量上。Altaee等人[22]比较了FO–RO和PRO–RO配置，Almansoori和Saif[23]研究了集成渗透工艺的结构优化，Li[24]在比能耗方面比较了分段RO和RO–PRO。Bargiacchi等人[25]进一步提出了使用高盐度水流来降低下游RO能耗的PRO–RO布局。总的来说，这些研究表明工艺配置和顺序会显著影响流量、盐度、渗透驱动力、液压和能量交换，因此需要对替代混合配置进行系统比较。

更近期的研究将配置分析扩展到经济性能、可靠性和系统优化。Parra等人[26]开发了一个基于超结构的框架，并在不同海水淡化情景下比较了四种RO–PRO配置与传统的仅RO系统。Okampo等人[27]评估了使用RO盐水进行盐度梯度能量生产的PRO–RO系统的经济性能和可靠性，而Ahmed等人[28]对PRO–SWRO混合海水淡化进行了技术经济评估。Kim等人[29]比较了五种SWRO–PRO配置，并优化了膜和运行参数以提高能源效率。Marx和Gasser[30]开发了一个详细的数学模型来模拟和优化SWRO–PRO混合系统。尽管有这些进展，大多数RO–PRO和PRO–RO研究都集中在减少外部供电海水淡化系统的净能耗，而不是实现完全的能量自给自足。在传统混合系统中，外部电力仍可用于RO运行，而PRO主要减少净外部能源需求。因此，通常报告的性能指标包括比能耗、节能、发电量和经济可行性。在这些条件下，从PRO回收的液压能不必等于RO过程的总能量需求。

然而，独立运行的RO–PRO或PRO–RO系统受到根本不同的热力学约束。在没有外部电力输入的情况下，从PRO回收的液压能必须足以满足集成系统的能量需求，这直接将PRO能量生成与RO能量消耗耦合。因此，RO回收率和PRO水渗透的变化同时影响系统能量需求和可回收的渗透能，它们的热力学耦合决定了可实现的最大水回收率。因此，设计问题从节能转变为能量充足性：关键问题是可用的盐度梯度能量能否维持RO运行，如果能，可实现的最大水回收率是多少。

若干研究已经调查了独立PRO驱动RO的热力学可行性。He等人[31]开发了一种用于由PRO驱动的独立RO海水淡化系统（RO–PRO）的热力学方法。他们引入了无量纲操作变量和能量自给自足运行的可行性判据。He等人[32]后来研究了由光伏和PRO能源联合驱动的独立海水RO，而He等人[33]评估了渗透能辅助RO海水淡化的不利影响。Jeng等人[34]开发了用于独立混合膜渗透系统的设计、运行和控制的数学规划模型。他们考虑了RO–PRO和PRO–RO配置，并报告在研究的特定参数条件下PRO–RO具有更有利的性能。由于这两种配置在PRO和RO的顺序上不同，它们在盐度、渗透驱动力、RO运行压力和水产量之间表现出不同的关系。尽管先前的研究通过热力学建模和优化考察了它们的性能，但用于系统表征工艺顺序和运行条件对独立水回收率影响的统一分析框架仍然发展不足。

研究人员还研究了盐水再循环以改善混合海水淡化系统中的水利用和能源性能。Wang等人[35]通过基于模型的优化比较了开环和闭环RO–PRO系统，而Okampo等人[27]研究了使用RO盐水进行盐度梯度能量生产的PRO–RO系统。尽管如此，盐水再循环在独立系统中的研究仍然较少，特别是其对可达到水回收率的影响以及这些影响如何取决于工艺配置和运行条件。

综上所述，文献证明了PRO辅助海水淡化的潜力。然而，用于系统评估和比较独立RO–PRO和PRO–RO系统水回收率极限的统一分析基础，特别是在盐水再循环运行下，仍然缺乏。为弥补这一空白，本研究开发了一个统一的热力学框架。本研究的具体分析贡献是推导了四种独立配置的水回收率公式：单程RO–PRO、单程PRO–RO、盐水再循环RO–PRO和盐水再循环PRO–RO。这些公式源自独立能量平衡，以无量纲操作参数表示，明确纳入了盐水再循环，并为考察配置相关的水回收率提供了一致的基础。该框架系统地评估了PRO渗透、进料流量分配、进料浓度、盐水再循环和水力设备效率如何影响研究参数范围内可达到的水回收率。通过强调基本的配置依赖行为而非特定的膜组件或工厂设计，所提出的框架为设计、优化和评估能量自给自足的混合海水淡化系统建立了理论基准。

章节片段

独立混合海水淡化系统的热力学建模

本节介绍了后续分析中使用的系统配置、热力学建模框架和控制关系。

结果与讨论

本节评估了四种混合海水淡化系统在独立运行下的热力学性能。分析重点关注PRO渗透比、进料流量分数和盐水再循环比如何影响RO回收率、总水回收率和液压需求。我们考虑单程RO–PRO、单程PRO–RO、再循环RO–PRO和再循环PRO–RO配置。我们还评估了可逆和恒压PRO运行对……

结论

开发了一个统一的热力学框架，用于评估在单程和盐水再循环运行下的独立RO–PRO和PRO–RO混合海水淡化系统。分析表明，在研究条件下，PRO–RO配置始终实现更高的最大RO回收率和总水回收率，确认将PRO置于RO上游为独立运行提供了更有利的布局。所研究的独立混合……

缩略语

BP 增压泵
BW 盐水
c-PRO 恒压PRO
CFS 浓缩进料液
DBW 稀释盐水
DS 汲取液
DSW 稀释海水
FS 进料液
HP 高压泵
HT 水轮机
PRO 压力延迟渗透
PX 压力交换器
RO 反渗透
r-PRO 可逆PRO

符号

C 盐浓度 [g?L?1]
CSW′ 混合海水浓度 [g?L?1]
Q 流量 [m3?h?1]
QpPRO PRO渗透流量 [m3?h?1]
QpRO RO渗透流量 [m3?h?1]
QSW′ 混合海水流量 [m3?h?1]
ΔPPRO PRO液压 [atm]
ΔPRO RO液压 [atm]
R 理想气体常数 [L?atm?mol?1?K?1]
RB 盐水再循环比
T 绝对温度 [K]
WPRO 单位PRO能量生成 [kWh?m?3]
WRO 单位RO能耗 [kWh?m?3]
YPRO 水回收率
YP,O 总水回收率
YPRO PRO渗透率

CRediT作者贡献声明

Jyh-Cheng Jeng：概念化、方法论、软件、形式分析、调查、验证、可视化、监督、写作——审阅与编辑。Heng-Yi Chu：软件、形式分析、可视化、写作——初稿。Angus Shiue：写作——初稿。Graham Leggett：写作——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明，他们不知道可能影响本文所报告工作的已知竞争经济利益或个人关系。

Jyh-Cheng Jeng | Heng-Yi Chu | Angus Shiue | Graham Leggett