反渗透工艺如何取得新突破？美国耶鲁大学团队提出新思路

现今的脱盐水厂，无论是海水淡化还是苦咸水淡化，大多是用一次过滤的方式，也就是浓缩液没有经过循环就会被处理掉。采用这种单级工艺的海水淡化厂的水回收率一般只有35-50%。除了回收率之外，能耗是另一个制约反渗透取得进一步突破的因素。

如何改变工艺设计才能降低能耗呢？为了找到这个问题的答案，来自美国耶鲁大学的一个科研团队最近对5种反渗透脱盐工艺进行了建模分析。下图是这个团队的主要成员：膜界著名的Menachem Elimelech教授（人称“膜王”），Akshay Deshmukh （左）和Jay Werber（右）。

▲ Elimelech教授2012年在美国国家水资源研究所 （NWRI）的克拉克奖(Clarke Prize)颁奖典礼上关于海水淡化的精彩发言

著名杂志Science曾经在2011年刊载了Elimelech教授的一篇关于海水淡化的综述文章”The future of seawater desalination: Energy, technology, and the environment”。在这篇文章里，Elimelech教授表示，传统的单级反渗透技术在降耗问题已经到了瓶颈期。

2017年，由Elimelech教授带领的耶鲁大学研究团队在期刊Desalination上发表了题为“Can batch or semi-batch processes save energy in reverse osmosis desalination?”的文章。第一作者Jay Werber表示，“海水淡化反渗透的单位能耗已经从上世纪70年代的16kWh/m³降至今天的 2kWh/m³ 。如今大多数厂的能耗在2.5-3.5kWh/m³。我们想在 Elimelech教授当年文章的基础上，对工艺设计进行一次严谨的探讨。我们模拟的目的不是去寻找最便宜的解决方案，而是想搞清其能耗情况。”

这篇文章深入浅出地讨论了反渗透技术在海水淡化应用的理论和实践的问题。他们首先对工艺重要组成进行介绍，然后讨论了理论最低能耗，以此来阐述限制每种工艺的根本因素，接着再分析影响工艺实际运行效率的因素，并在文章最后部分讨论了包括投资成本、运行经验和工艺稳固性等方面的问题。

研究团队对五种反渗透具体工艺进行建模分析：

A. One-stage（一级反渗透）

B. Two-stage（双级反渗透）

C. Ideal batch（理想批处理式反渗透）

D. Batch（批处理式反渗透）

E. Semi-batch（半批处理式反渗透）

▲ 5种反渗透工艺的流程示意图

上图是耶鲁团队考察的5种反渗透工艺的简图。一级式和半批处理式反渗透工艺已在商业市场得到应用，后者有一个可能更为大家熟悉的名字叫CCD系统（closed circuit desalination–闭环淡化）。CCD系统的技术代表是美国的Desalitech公司，最近他们正与咨询公司西图CH2M一起在位于加州橙郡的21世纪水厂地下水补给系统（Groundwater Replenishment System-GWRS）合作，做一个为期六个月的CCD中试试验。理想批处理式（Ideal batch）指的是理论上完全加压的批处理反渗透工艺。半批处理式反渗透批处理式则使用能量回收设备和一个非承压循环水箱（unpressurized recycle tank）。

▲ 美国加州橙郡21世纪水厂地下水补给系统 GWRS的反渗透车间

研究团队成员Akshay Deshmukh表示：“我们对每种工艺的回收率和单位体积出水的能耗进行分析对比。正如我们预期的，性能最好的工艺是理想批处理式工艺，它的单位能耗是最低的。传统的一级反渗透的能耗则最高，回收率也只有50%。通过这些比较，我们发现使用批处理式和半批处理式都能降低能耗。或者多级反渗透工艺也行，但是它的弊端是有些情况下它增加了设备或者泵的投资成本。批处理式和半批处理式工艺比目前得到商业应用的工艺复杂得多，但在工艺的稳固性上它们却有优势。”

▲ 通过模拟计算得到的5种反渗透工艺的回收率和单位能耗的比较结果

耶鲁大学团队的这个研究还考虑了因为膜材料和管道输送带来的压差的影响，并发现虽然批处理式或半批处理式工艺能更接近理论的最低单位能耗值(1.1KwH/m³)，但它们也尤其容易受到管道或阀门造成的压差抑制。Jay Werber说：“因为需要对大量浓水进行循环，所以这个影响非常明显。” 例如，在循环压差为0.1bar的条件下，双级反渗透的能耗多于理想批处理式工艺，但压差为0.5bar的时候，两级工艺却比后者更高效。另外，批处理式工艺的成本因素目前还是会使它们在能耗效率的优势黯然失色。“我们想尝试展现的是，如果你要建海水淡化厂，不同的工艺会带来怎样不同的能耗差异，”Jay Werber说道。

参考资料

J.R. Werber, A Deshmukh, M Elimelech, Can batch or semi-batch processes save energy in reverse-osmosis desalination? Desalination, 2017, 402:109-122

M Elimelech, W.A. Phillip, The future of seawater desalination: Energy, technology, and the environment, Science, 2011, 333(6043):712-717

D.M. Warsinger, E.W. Tow, K.G. Nayar, L.A. Maswadeh, HLV John, Energy efficiency of batch and semi-batch (CCRO) reverse osmosis desalination, Water Research, 2016, 106:272-282