海水淡化技术是解决淡水资源短缺的重要途径。北京理工大学郑晓英副教授详细介绍了应用最广泛的商用海水淡化工艺：低温多效蒸馏、多级闪蒸和反渗透。她分析了它们的工艺原理、特点、发展趋势以及中国海水淡化行业的发展现状。

渗透和反渗透原理图

反渗透是渗透的反过程。渗透是一种自然现象，稀溶液中的水分子通过半透膜向浓溶液侧快速扩散，如图3所示。淡水侧的液位持续下降，导致静态水压差。当这种静水压差使水分子在两侧的扩散速度相等时，渗透达到平衡，此时的静水压差称为渗透压（海水和淡水界面之间的渗透压约为2.4MPa）。反渗透过程恰恰相反。在SWRO中，在海水的一侧施加大于海水渗透压的压力将导致海水中的水分子穿透膜并保留盐。理论上，外部压力越大，海水中水分子的反渗透速度就越快。

实施反渗透工艺最关键的部件是人工合成的反渗透半透膜，它几乎只能让水分子通过。反渗透膜的平板膜需要制成一定的结构才能用于水处理工程。目前，芳香聚酰胺卷膜元件主要用于海水淡化。夹在两对平面薄膜之间，薄膜层沿着薄膜层的三个边缘结合在一起，然后与入口薄膜层结合形成多孔中心管。最后，在两端安装穿孔端盖并进行包装以形成辊式膜元件。商业化的反渗透膜元件有各种规格，海水淡化中最常用的膜元件直径为200mm，标准长度为1000mm。在SWRO系统中，一个或多个辊式膜元件连接并放置在圆柱形压力容器中。多个压力容器连接并组合在一起，形成一个反渗透装置。通常，一个压力容器可以包含6-8个膜组件，而一个中型SWRO系统由数千个压力容器组成。

如图4所示，SWRO由高压泵、压力容器和能量回收装置组成。预处理后，海水由高压泵加压，输送至反渗透装置的压力容器。海水首先通过第一膜元件并在膜元件的螺旋绕组的入口分隔通道中流动。在更高的压力下，一些水分子不断渗透膜，并通过生产水分配通道进入辊式膜元件的中心管，产生产品水。剩余的入口水继续沿着水流方向流动到下一个膜元件。此过程按顺序执行。当进水通过下一个膜元件时，进水的浓度增加。当它通过最后一个膜元件时，进水变成浓水。浓缩的水流出压力容器，并在排放之前由能量回收装置回收。

技术特点

与热法不同，SWRO没有蒸发和冷凝的相变过程。其主要能耗是用于实现反渗透过程的高压泵送电，这使得反渗透的制水成本比热法更低。此外，与热法相比，该设备还具有模块化的结构特点和较高的工艺灵活性。本地设施的暂停和维护不会影响系统其余部分的运行。然而，SWRO需要复杂而精确的预处理过程，不同的商业膜制造商对其聚酰胺反渗透膜的入口SDI有不同的要求——pH、温度、余氯等指标都有严格的限制。当预处理不符合标准时，膜表面的污染和结垢会加速。在运行过程中，膜组件的使用寿命、能耗和产品水质都会受到影响，从而增加水生产成本。SWRO的预处理过程因进水方式和海水质量而异。对于开放式进水方式，目前流行的方式是在反渗透前加入溶解空气浮选+超滤+5μm安全过滤器，以确保反渗透进水水质要求。对于平均进水TDS为35 000 mg/L的SWRO系统，进水压力高于5.0 MPa，操作回收率（采出水与进水的体积比）在40%至60%之间。能量回收装置是另一个关键设备，SWRO的快速发展得益于膜材料和组件的不断优化，以及在反渗透系统中使用效率提高的能量回收装置。目前，高效PX型压力回收装置可以从浓缩水中回收95%以上的能量，用于加压原料海水，这将反渗透过程的能耗降低了近一半。一级反渗透出水的TDS约为300-500 mg/L，满足世界卫生组织对饮用水TDS指标的限值要求（500 mg/L），SWRO已广泛用于缺水地区的饮用水供应。

当前发展趋势

在20世纪80年代，SWRO开始与传统的热工艺竞争。由于其设备投资低、建设周期短、能耗低等优点，发展迅速，已成为全球海水淡化市场上最重要的工艺。目前，一级SWRO主要用于市政行业，这也是反渗透技术产能快速增长的原因。未来对反渗透技术的研究将侧重于开发更节能、更耐用的新型反渗透膜和膜组件，降低运行能耗和维护成本，降低水生产成本。

来源：北极星网