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          反滲透工藝要取得新突破美國耶魯大學團隊提出新思路

          發表日期:2017-04-21 14:29文章編輯:國初科技瀏覽次數: 標簽:    

              據IWA國際水協會微信公眾平臺2017年3月16日訊 現今的脫鹽水廠,無論是海水淡化還是苦咸水淡化,大多是用一次過濾的方式,也就是濃縮液沒有經過循環就會被處理掉。采用這種單級工藝的海水淡化廠的水回收率一般只有35~50%。除了回收率之外,能耗是另一個制約反滲透取得進一步突破的因素。
            如何改變工藝設計才能降低能耗呢?為了找到這個問題的答案,來自美國耶魯大學的一個科研團隊最近對5種反滲透脫鹽工藝進行了建模分析。下圖是這個團隊的主要成員:膜界著名的梅納赫姆·伊利米勒(Menachem Elimelech)教授(人稱“膜王”),阿克沙伊·德希穆克(Akshay Deshmukh)(左)和杰伊·韋貝爾(Jay Werber)(右)。

           

          反滲透工藝要取得新突破美國耶魯大學團隊提出新思路


            著名雜志Science曾經在2011年刊載了伊利米勒教授的一篇關于海水淡化的綜述文章”The future of seawater desalination: Energy, technology, and the environment”。在這篇文章里,伊利米勒教授表示,傳統的單級反滲透技術在降耗問題已經到了瓶頸期。

           

           反滲透工藝要取得新突破美國耶魯大學團隊提出新思路


            2017年,由伊利米勒教授帶領的耶魯大學研究團隊在期刊Desalination上發表了題為“Can batch or semi-batch processes save energy in reverse osmosis desalination?”的文章。第一作者杰伊·韋貝爾表示,“海水淡化反滲透的單位能耗已經從上世紀70年代的16千瓦小時/立方米降至今天的2千瓦小時/立方米。如今大多數廠的能耗在2.5~3.5千瓦小時/立方米。我們想在伊利米勒教授當年文章的基礎上,對工藝設計進行一次嚴謹的探討。我們模擬的目的不是去尋找最便宜的解決方案,而是想搞清其能耗情況。” 
            這篇文章深入淺出地討論了反滲透技術在海水淡化應用的理論和實踐的問題。他們首先對工藝重要組成進行介紹,然后討論了理論最低能耗,以此來闡述限制每種工藝的根本因素,接著再分析影響工藝實際運行效率的因素,并在文章最后部分討論了包括投資成本、運行經驗和工藝穩固性等方面的問題。
            研究團隊對五種反滲透具體工藝進行建模分析:
            A. One-stage(一級反滲透)
            B. Two-stage(雙級反滲透)
            C. Ideal batch(理想批處理式反滲透)
            D. Batch(批處理式反滲透)
            E. Semi-batch(半批處理式反滲透)

           

          5種反滲透工藝的流程示意圖

          5種反滲透工藝的流程示意圖


            上圖是耶魯團隊考察的5種反滲透工藝的簡圖。一級式和半批處理式反滲透工藝已在商業市場得到應用,后者有一個可能更為大家熟悉的名字叫CCD系統(closed circuit desalination–閉環淡化)。CCD系統的技術代表是美國的Desalitech公司,最近他們正與咨詢公司西圖CH2M一起在位于加州橙郡的21世紀水廠地下水補給系統(Groundwater Replenishment System-GWRS)合作,做一個為期六個月的CCD中試試驗。理想批處理式(Ideal batch)指的是理論上完全加壓的批處理反滲透工藝。半批處理式反滲透批處理式則使用能量回收設備和一個非承壓循環水箱(unpressurized recycle tank)。

           

          美國加州橙郡21世紀水廠地下水補給系統GWRS的反滲透車間

          美國加州橙郡21世紀水廠地下水補給系統GWRS的反滲透車間


            研究團隊成員阿克沙伊·德希穆克表示:“我們對每種工藝的回收率和單位體積出水的能耗進行分析對比。正如我們預期的,性能最好的工藝是理想批處理式工藝,它的單位能耗是最低的。傳統的一級反滲透的能耗則最高,回收率也只有50%。通過這些比較,我們發現使用批處理式和半批處理式都能降低能耗?;蛘叨嗉壏礉B透工藝也行,但是它的弊端是有些情況下它增加了設備或者泵的投資成本。批處理式和半批處理式工藝比目前得到商業應用的工藝復雜得多,但在工藝的穩固性上它們卻有優勢。”

           

          通過模擬計算得到的5種反滲透工藝的回收率和單位能耗的比較結果

          通過模擬計算得到的5種反滲透工藝的回收率和單位能耗的比較結果


            耶魯大學團隊的這個研究還考慮了因為膜材料和管道輸送帶來的壓差的影響,并發現雖然批處理式或半批處理式工藝能更接近理論的最低單位能耗值(1.1千瓦小時/立方米),但它們也尤其容易受到管道或閥門造成的壓差抑制。杰伊·韋貝爾說:“因為需要對大量濃水進行循環,所以這個影響非常明顯。” 例如,在循環壓差為0.1bar的條件下,雙級反滲透的能耗多于理想批處理式工藝,但壓差為0.5bar的時候,兩級工藝卻比后者更高效。另外,批處理式工藝的成本因素目前還是會使它們在能耗效率的優勢黯然失色。“我們想嘗試展現的是,如果你要建海水淡化廠,不同的工藝會帶來怎樣不同的能耗差異,”杰伊·韋貝爾說道。

           

          反滲透工藝要取得新突破美國耶魯大學團隊提出新思路

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