综述：反渗透技术在高盐度盐水浓缩领域的进展：膜材料、模块结构及工艺创新

《Desalination》：Advances in reverse osmosis for hypersaline brines concentration: Membrane materials, module architectures, and process innovations

零液体排放技术中高盐废水浓缩面临反渗透膜高压耐受性差、浓差极化严重及膜污染等问题，通过新型高耐压膜材料开发、模块结构创新及系统优化设计，可提升至120-160 bar运行压力，实现总溶解固体超15万mg/L的极浓盐废水处理。关键挑战包括膜材料长期稳定性、高压密封防腐及能耗控制，未来需突破高性能膜材料、模块集成及智能调控技术。

　　

庞金鑫|张勇|郑丽兵|邓慧宁|王军|张伟|魏远松|马蒂亚斯·乌尔布里希特

河北工业大学化学工程与技术学院，天津，300130，中国

摘要

实现工业废水的零液体排放（ZLD）和资源回收需要浓缩高盐度盐水，这在技术上仍然具有挑战性。由于极高的渗透压、浓度极化、膜污染以及膜材料耐久性问题，反渗透（RO）技术在处理高盐度废水时存在根本性限制。本文综述了近年来在高盐度盐水浓缩方面的RO技术最新进展，重点关注三个主题：（1）开发具有更高耐压性的新型膜材料；（2）改进膜模块结构，以提高在高盐度和高压下的稳定性；（3）设计高效RO系统和流程，以避免大量能源消耗和极高的渗透压。研究表明，先进的RO系统可以在120–160巴的压力下可靠运行，产生的浓缩液总溶解固体含量可超过150,000毫克/升。通过对多种技术路径的批判性评估，确定了大规模应用的关键障碍。因此，未来的研究应重点探索下一代膜材料和模块、低能耗混合工艺、适应性膜模块和系统设计以及智能预测控制技术。这些进展对于开发实用且可持续的高盐度废水处理RO技术至关重要。

引言

全球工业化和城市化加剧了水资源短缺和污染问题[1]。预计到2050年，全球近一半的人口将生活在水资源紧张的地区。在这种背景下，高盐度工业废水的处理和资源回收已成为可持续水资源管理的关键瓶颈，尤其是在工业活动密集的地区[2]。每年产生的此类废水量达数十亿立方米，主要来自煤化工、热电发电、石油和天然气开采、纺织染色、冶金或制药行业[3]。这些废水通常含有复杂的污染物混合物，包括高浓度的无机盐、有毒和难处理的有机污染物以及有害重金属。不当处理这些废水会导致水体盐碱化和土壤退化，从而破坏生态系统健康和区域水资源安全。因此，开发高效且经济可行的高盐度废水处理技术对于实现产业的绿色和可持续转型以及环境保护至关重要。

反渗透（RO）被广泛认为是主要的海水淡化技术，在全球范围内得到广泛应用，并已成为水资源短缺沿海地区淡水供应的基石[4][5]。由于其高盐分排斥能力和相对较低的能耗，RO的应用范围已从海水反渗透（SWRO）和微咸水反渗透（BWRO）扩展到先进的工业废水处理和零液体排放（ZLD）。迄今为止，RO已成为实现ZLD策略中的核心单元[6][7]。例如，在煤化工行业中，RO用于处理含灰分的气化废水和循环冷却排水，从而实现水回收和盐分浓缩[8]。在热电厂中，RO作为ZLD系统的关键单元，能够浓缩和减少脱硫废水体积[9][10]。此外，该技术还成功应用于石油、化工和钢铁行业，用于处理高盐度有机废水和精炼废水[11][12]。总体而言，这些应用表明RO是一种多功能的核心技术，可在减少有害盐水最终处理量的同时提高水资源回收率[13][14]。

然而，当RO应用于高盐度废水时面临重大挑战，主要是因为随着进料盐浓度的增加，RO系统必须克服逐渐升高的渗透压[15]。标准商用RO模块的最大工作压力通常为约80巴，实际应用中一般保持在70巴左右，这相应地将可实现的浓缩液盐浓度限制在约70,000毫克/升（相当于约59巴的渗透压[16]）。克服高渗透压的最直接方法是使用高压泵系统提高水压，即采用高压反渗透（HPRO）或超高压反渗透（UHPRO）。HPRO指的是在低于120巴的压力下运行的系统，而UHPRO则指在高于120巴的压力下运行的系统[17]。然而，这带来了更为严格的经济和技术挑战，其影响可能非常显著。高压基础设施的资本支出增加以及相关能耗的非线性上升严重影响了经济可行性[14][18][19]。从技术上讲，在这些极高压力和高盐度条件下，膜性能面临严峻挑战。膜材料会发生不可逆的物理压缩，导致水渗透性降低。据报道，在平均通量为25升·平方米·小时的情况下，由于高浓度极化和膜污染，通量下降了超过15%[20]。此外，复合膜中的薄选择性层面临极端水力和机械应力的风险增加，可能导致盐分排斥能力严重下降和系统故障[21][22][23][24]。长期稳定性也受到膜污染的严重威胁，特别是在高溶质浓度下发生的协同结垢和污染[25][26]。因此，HPRO/UHPRO系统必须解决几个关键工程问题，包括高压密封完整性、操作安全性和材料耐腐蚀性。高盐度废水中的离子（如氯化物）对RO容器的金属部件具有很高的腐蚀潜力，随着NaCl浓度从0.72摩尔/升增加到1.55摩尔/升，点蚀电位从0.2797伏增加到0.0183伏[27]。同时，更高的盐浓度和工作压力可能进一步增加HPRO/UHPRO系统的点蚀和缝隙腐蚀风险[27][28]。

鉴于传统RO和高压系统的局限性，研究人员正在探索多种并行策略，以推进基于RO的高盐度盐水浓缩技术。本文系统总结了近期在扩展RO浓缩极限和促进实际应用方面的研究进展。讨论围绕三个主题展开：膜材料的创新、耐压模块架构的进步以及系统配置和工艺设计的发展（图1）。新兴解决方案从技术可行性、能耗、经济潜力和操作可靠性等方面进行了批判性评估。最终，本文旨在为评估当前高盐度废水管理技术路径提供一个结构化的框架，从而支持实现极端浓缩和资源回收，达到ZLD目标。

节选内容

高压耐膜的设计与开发

RO膜是实现高盐度盐水浓缩的关键组件，其耐压性在很大程度上决定了整个系统的可达到浓缩极限和操作稳定性。开发下一代高压耐RO膜是推进RO技术工程应用的基本要求。目前，薄膜复合（TFC）膜作为平板材料在RO市场中占据主导地位[24][29]。

高压耐膜模块和高压工艺的进步

为应对高盐度工业废水ZLD目标下的极端盐水浓缩挑战，通过高压操作和工艺创新来扩展RO技术的性能边界。这一技术进步主要得益于开发了具有高耐压性和抗压缩性的新型膜材料。在此基础上，进一步推动了技术进步。

用于超高压浓缩的渗透辅助方法

操作压力由跨膜渗透压差、所需的净驱动力以及模块内的水压降决定，因为渗透侧的压力通常可以忽略不计。溶液的渗透压通常用范特霍夫方程近似计算，该方程是活度系数、解离因子、摩尔浓度、通用气体常数和绝对温度的乘积。

通过RO实现超高压浓缩的案例研究

前几节讨论的进展使得RO系统能够在极端条件下可靠运行，并支持其在先进废水浓缩和资源回收中的更广泛应用。本节通过全球实践中的代表性工程案例，详细分析了当前RO超高压浓缩的应用现状（表1）。

结论与展望

基于RO的浓缩工艺是处理高盐度废水和回收资源的关键技术，近年来取得了显著进展，尤其是在ZLD方面。通过膜材料的创新、模块配置的优化以及集成系统和工艺的开发，传统RO的操作边界得到了成功扩展。这些进展直接促进了ZLD的实现，并促进了...

作者贡献声明

庞金鑫：撰写——原始草稿、可视化、数据分析。张勇：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、数据分析、概念化。郑丽兵：撰写——审稿与编辑、撰写——原始草稿、监督、项目管理、资金获取、概念化。邓慧宁：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、数据分析。王军：撰写——审稿与编辑、监督。张伟：撰写——审稿与编辑、监督。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：作为该期刊青年编辑委员会成员的郑丽兵未参与本文的同行评审，也未获取有关其同行评审的信息。本文的编辑工作完全由另一位期刊编辑负责。如果还有其他作者，他们声明自己没有...

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（项目编号：2023YFC3207205）、国家自然科学基金（项目编号：52270081）和北京诺瓦计划（项目编号：20240484679）的支持。