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脱盐技术研究概况--新型膜材料之第一篇  

2016-04-14 07:04:59|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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  来源:IWA微信

日益增长的人口数量和人口密度给很多地方的供水能力带来了压力。据联合国预测,到本世纪中叶,有20-70亿人将面临水资源缺乏的局面。为了应对这一情况,水行业将越来越依赖海水和苦咸水脱盐技术。

脱盐技术分为膜法技术和热法技术。脱盐技术的主要缺点是成本高。SWRO技术中,电能花费占到了总处理成本的30%,因此减少能耗是降低脱盐处理成本的关键。一些新型膜材料可以降低能耗的同时带到良好的脱盐效果。

1 纳米复合材料膜

薄膜纳米复合物(TFN)膜是将林德A型沸石纳米粒子加入薄膜分离层来提高透水性和保持脱盐率。林德A型沸石纳米粒子增加了水的通透性,能在降低进水压力的同时保持相同的产水率,从而降低能耗。相比典型的纯聚酰胺复合膜(TFC),由于纳米孔隙的存在,这些TFN膜更加平滑、更具亲水性、表面带有更多负电荷,提高了膜的渗透性,其本质是在膜基质上创建分子级的亲水性通道让水优先通过,而纳米孔隙壁更多的负电荷则增强了离子排斥,从而维持脱盐率。据报道,TFN膜元件渗透流量最高达52m3˙d-1,NaCl的脱盐率最低为99.7%。

在实验室规模,研究人员评估了两种不同类型的TFN膜。相比未经改性的聚砜支撑层,加入纳米粒子的聚砜支撑层具有更小的水接触角和更高的极限抗拉强度。但实验室研究结果与商业化的TFC膜不具有直接的可比性。

中试规模下对TFN膜和TFC膜的对比结果表明,TFN膜的透水性比TFC膜高1.4倍。虽然TFN膜表现出更高的透水性,并保持了类似的脱盐率,但其硼和低分子量亚硝胺的去除率却比TFC膜低。目前市场推出的新一代TFN膜提高了硼的去除率,但其透水性与TFC膜相当。目前还不清楚TFN膜活性层的纳米粒子浓度是否能增加渗透率。

在最近的一项研究中,科研人员比较了NanoH2O公司TFN膜中的Qfx400R、Qfx400ES与陶氏TFC膜中的SW30XLE、SW30ULE用于太平洋的海水淡化,相应的进水TDS为34000mg˙L-1。在膜通量为11.9-15.3L˙m-2˙h-1,系统回收率为40-55%时,TFN膜的能耗是2.24-2.55kWh˙m-3。在同样的膜通量和回收率下,TFC膜的能耗是2.28-2.61kWh˙m-3。因此,使用TFN膜节省能耗不到6%。相比TFC膜,使用TFN膜的硼去除率低。然而在海水淡化中含盐水通过的二级RO系统的pH大约是10.3,这可使得水处理系统中硼含量(<0.5mg˙L-1)非常低。当在TFN的RO膜和TFC的RO膜间做选择时,还需要仔细考虑整个生命周期的成本。当TFN膜元件成本较高时,资本成本会更高。然而,由于整个运营期的能耗成本降低,水厂整个生命周期成本可能会较低。

2 水通道蛋白膜

水通道蛋白是控制水通过生物膜的蛋白质通道。水通道蛋白中水分子的运动是由选择性、快速扩散和渗透梯度引起的。水通道蛋白-1(AQP1)在细胞外和细胞内有选择性前庭,将允许水分子单列迅速通过,而通过静电调谐机制分离蛋白质并阻挡离子。

水通道蛋白膜的透水性比商业RO膜的透水性高100倍。掺入功能性水通道蛋白-Z到新型三嵌段共聚物中形成的高渗透性和选择性膜已经显现出明显高于现有RO膜的透水能力。将水通道蛋白膜附着在商业膜的研究也一直在推进。研究人员在pH=2时通过囊泡融合将水通道蛋白附着到NF270和NTR7450商用膜上。结果表明,支撑的双脂层形成了致密的水渗透纳滤(NF)膜,可在与RO膜同等的驱动压力下运行。NF膜被选为支撑层是由于其高渗透性和较低的表面粗糙度,从而达到脂质双分子层的最小形变。

水通道蛋白膜显示了脱盐的潜力,其驱动机制是渗透压梯度(盐浓度),而不是像RO那样机械地应用压力梯度。当膜上水通道蛋白覆盖率达75%时,预测的液压渗透性将增加一个数量级。由于没有施加压力,能耗与RO膜相比将大幅降低。由于难以获得大量的蛋白质和生产大面积的膜材料,水通道蛋白膜并没有广泛地用于商业化。

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