高性能海水淡化反滲透膜的制備及其性能的研究

1 程翠翠 2 劉建林 3 王澤峰

（1.3 山東泰鵬集團(tuán)有限公司，2 山東麥特瑞爾新材料有限公司，山東 肥城 271600）

引言：眾所周知，我國(guó)淡水資源分布極度不平衡。在西部沿海地區(qū)，淡水資源十分有限，將海水淡化處理是緩解當(dāng)前水資源危機(jī)的一個(gè)重要途徑和方法[1]。自上個(gè)世紀(jì)70 年代以來，隨著科學(xué)技術(shù)的成熟，反滲透海水淡化方法，越來越被世界多個(gè)國(guó)家所采用。海水反滲透淡化方法，通過利用物理學(xué)原理能夠有效地使得淡水進(jìn)行轉(zhuǎn)化，具有無污染，少操作，簡(jiǎn)單投資成本低等優(yōu)點(diǎn)。通過對(duì)海水淡化反滲透膜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，我們可以發(fā)現(xiàn)其是由多孔支撐層、脫鹽層和功能修飾層等組織結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成。在反滲透膜的多種結(jié)構(gòu)中，其中多孔支撐層一般是由無紡布和聚砜基膜構(gòu)成。多孔支撐層通過改變其厚度和孔型結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)反滲透膜的結(jié)構(gòu)特性和透水能力，對(duì)提升高性能反滲透膜的高壓運(yùn)行能力和耐鹽穩(wěn)定性具有十分重要的作用。因此在目前的實(shí)踐生產(chǎn)過程當(dāng)中，通過研究改善高性能海水反滲透膜的多孔結(jié)構(gòu)層的性能，是提高海水反滲透膜制備的性能關(guān)鍵所在。

一、高性能海水淡化反滲透膜結(jié)構(gòu)與形態(tài)分析

（一）高性能海水淡化反滲透膜結(jié)構(gòu)

如上文所述高性能海水淡化反滲透膜的主要結(jié)構(gòu)是由分離功能層、聚砜材料多孔中間支撐層和聚酯無紡布基層幾個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)共同組成。通過這種多層復(fù)合式結(jié)構(gòu)，能夠持久地對(duì)海水當(dāng)中的物質(zhì)進(jìn)行隔離去除，具有非常好的物理性能特點(diǎn)。通過控制反滲透膜的每一個(gè)孔洞尺寸保持在0.65nm 以內(nèi)，可以有效地將海水當(dāng)中的鈉離子和氯離子進(jìn)行隔離，保證水分子的有效滲透。這種物理反應(yīng)主要發(fā)生在高性能反滲透膜的分離功能層當(dāng)中。

（二）高性能海水淡化反滲透膜的形態(tài)

通過對(duì)高性能海水淡化反滲透膜的工作原理和結(jié)構(gòu)組成分析，我們可以發(fā)現(xiàn)高性能海水淡化反滲透膜的主要物理完成階段在分離層當(dāng)中。一般而言，在反滲透膜的分離層當(dāng)中的主要物質(zhì)是采用交聯(lián)芳香族聚酰胺來作為過濾物質(zhì)。交聯(lián)芳香族聚酰胺材質(zhì)具有褶皺的物理形態(tài)，再進(jìn)行海水淡化反滲透過程當(dāng)中能夠提高海水的滲透層次數(shù)對(duì)反滲透膜的透水性能有著一定的影響。但是這種影響在目前的實(shí)踐應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)當(dāng)中都沒有能夠準(zhǔn)確地直接反映出海水淡化反滲透膜的褶皺形態(tài)和透水性能的直接關(guān)系函數(shù)。

通過顯微鏡對(duì)海水淡化反滲透膜的著作結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察分析，我們可以發(fā)現(xiàn)對(duì)褶皺結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量化的處理，構(gòu)建起亮化的褶皺形態(tài)結(jié)構(gòu)，能夠有效地提升海水淡化反滲透膜的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性?，F(xiàn)有研究表明，在高性能海水淡化反滲透膜的結(jié)構(gòu)內(nèi)部及褶皺突起的脊背線長(zhǎng)度和反滲透膜的厚度參數(shù)之間有著一定的線性關(guān)系，能夠決定褶皺形態(tài)和滲透膜的透水率。通過建立起相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，通過力學(xué)公式計(jì)算得出最優(yōu)力學(xué)結(jié)構(gòu)形態(tài)。最終確定出反滲透膜的聚合物孔徑在0.6～0.8 納米范圍之內(nèi)得到的模型結(jié)構(gòu)最為理想，海水反滲透膜的性能最為穩(wěn)定可靠。

二、高性能海水淡化反滲透膜的研發(fā)

正是由于高性能海水淡化反滲透膜具有非常明顯的節(jié)能和拖延效果，因此在目前的工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中高性能海水淡化反滲透模式，主要的研究發(fā)展方向。目前進(jìn)行高性能海水淡化反滲透膜的設(shè)計(jì)和研究主要是根據(jù)海水淡化的物理和化學(xué)原理進(jìn)行反滲透膜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和研究，以及在工業(yè)上面對(duì)高性能海水淡化反滲透膜的設(shè)備工藝的二級(jí)技術(shù)研究以提高設(shè)備的穩(wěn)定性。根據(jù)現(xiàn)有研究表明，在不同的溫度下，高性能海水淡化反滲透膜的處理效果是不同的，同時(shí)，不同濃度的海水對(duì)反滲透膜的影響和污染也有一定的區(qū)別。因此現(xiàn)有的研究，都是基于海水淡化操作的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)而進(jìn)行的。通過在通量值的環(huán)境下，進(jìn)行海水淡化反滲透膜裝置的運(yùn)行來避免高濃度海水當(dāng)中的鹽分對(duì)滲透膜的影響和污染。正常情況下在通量值處于30L/(m2·h）時(shí)，海水反滲透膜的性能最為理想，得到的海水淡化結(jié)果最符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。在低溫環(huán)境下進(jìn)行海水淡化效果就會(huì)大大下降，因此高性能海水淡化反滲透膜裝置適用于在高溫高濃度的條件下進(jìn)行海水淡化應(yīng)用，這樣條件下的設(shè)備裝置穩(wěn)定性最好，滲透效果最佳。

三、高性能海水淡化反滲透膜最新技術(shù)發(fā)展方向

近年來，隨著材料科學(xué)的不斷發(fā)展，以及工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的不斷提升，在海水淡化方面的研究成果也在不斷地出現(xiàn)。尤其是高性能海水淡化反滲透膜技術(shù)，在近年來取得了飛速的突破和發(fā)展。比如現(xiàn)有的高性能海水淡化反滲透膜，在傳輸機(jī)制和性能控制上面也得到了很大的提升和持續(xù)性發(fā)展，得到的反滲透膜具有更為明顯的滲透作用和更顯著的通用性，能夠適用于更寬的范圍。在高性能海水反滲透膜的材料研究方面，水孔蛋白和納米碳管這兩種材料是近年來的最新研究成果。通過這兩種材料的應(yīng)用，能夠提升高性能海水淡化反滲透膜的耐久性和滲透率，同時(shí)也能夠大大降低高性能海水淡化反滲透膜裝備成本。

結(jié)束語(yǔ)：在工業(yè)上通過利用高性能海水淡化反滲透膜裝置來進(jìn)行海水淡化，能夠有效地提升，海水淡化的效率，有效地克服水資源匱乏的問題和挑戰(zhàn)。本文通過對(duì)高性能海水淡化反滲透膜裝置的結(jié)構(gòu)組成，性能特點(diǎn)和最新發(fā)展動(dòng)態(tài)研究分析，指出高性能海水淡化反滲透膜能夠有效地去除海水當(dāng)中的溶質(zhì)提升海水中有害物質(zhì)的剔除率，具有非常廣闊的應(yīng)用和研究?jī)r(jià)值。