反滲透海水淡化系統混合膜設計

蘇慧超,李逢時,徐國榮,趙劍超,趙河立,*

(1.自然資源部天津海水淡化與綜合利用研究所,天津 300192;2.山東電力建設第三工程有限公司,山東青島 266100)

經過近幾十年的迅速發展,海水淡化已經成為應對全球淡水資源危機的重要手段。相較于熱法(如多效蒸餾和多級閃蒸),反滲透海水淡化因為其高效、低耗、安裝運行靈活等特點逐漸成為海水淡化的主流,目前在全球海水淡化市場占比超過60%。雖然技術的發展使反滲透海水淡化能耗大大降低,但是其高壓驅動這一先決條件使其能耗依然偏高。因此,進一步降低能耗和制水成本仍舊是目前反滲透海水淡化的一個重點。一方面是通過不斷研發新的材料、設備提高其效率;另一方面是通過系統的優化設計提高材料設備使用率,尤其是對于大型系統來說,優化設計顯得尤為重要。在反滲透海水淡化系統的膜堆中,一般一支壓力容器(膜殼)中串聯5～7支膜元件。從進水側開始,膜元件的產水量逐漸減小,前端的膜元件承擔較大的產水量,而后端的膜元件進水含鹽量逐漸升高,產水量逐漸減小。因此,前后端膜元件負荷呈現較大差異,整個膜殼內的水力和壓力分布呈現不均勻的現象,導致不同位置膜元件的老化、污染各不相同,不能充分發揮膜元件性能。通過優化設計解決此類問題對于系統高效節能運行至關重要。

反滲透混合膜設計(hybrid membrane inter-stage design, HID)是在同一壓力容器內將不同脫鹽率和滲透流量的膜元件以不同數量進行混合配置的設計方式[1]。通常在一支壓力容器內,首端膜元件的通量比末端膜元件高,為了保持前后端相對均衡的回收率,末端元件的滲透壓會相對較高。因此,在前端配置高脫鹽率膜元件,后端配置高通量膜元件,以解決流量平衡的問題,有利于提高單支壓力容器的產水量,同時降低操作壓力,還能有效減輕前端膜元件的污染。HID最初由杜邦(DuPont)(原陶氏)公司于1986年提出,當時稱為Internally Staged Design (ISD)[2]。試驗驗證這種設計方式可以將回收率提高到50%～60%,每支壓力容器內的膜通量可達到18～27 L/(m2·h-1)[3]。此后,為了使不同品牌商用反滲透膜產品能夠實現通用互換,Peate等[1]將其概念延伸為HID,并在西班牙加那利群島的淡化廠中進行了不同品牌膜產品的互換應用與性能對比,研究了不同膜品牌混合膜設計在降低能耗和平衡配水方面的作用,認為回收率可提高6%～8%,壓力可降低300～600 kPa,同時可有效降低首支膜污染。Han等[4]研究了混合膜設計對于脫硼和降低能耗的影響,對比了高鹽高溫、低鹽高溫、低鹽低溫3種進水條件,認為溫度比回收率對混合膜的影響更大,可節約能耗0.41 kW·h/m3。

在實際工程應用中,國外一些淡化廠也已經采用了這種設計。例如,2001年建成的塞浦路斯拉納卡淡化廠(Larnaca desalination plant)[5],規模為54 000 m3/d,采用8芯壓力容器,一級反滲透為6套,系統回收率為50%,壓力容器為120支,內部采用“SWC3+SWC4”組合形式;二級反滲透為1套,壓力容器為60支(兩段設計40∶20),內部采用“ESPA2/ESPAB”組合形式。西班牙拉斯帕爾馬斯第三淡化廠(Las Palmas Ⅲ SWRO plant)1989年開始建設,在運營過程中逐步采用不同類型膜元件進行替換,到2009年,5組SWRO以“4SWC4+2SWC5”和“4SW30XHR-400i+2SW30HRLE-400i”兩種混合膜形式配置。西班牙馬薩龍淡化廠(Mazarron SWRO plant)規模為35 000 m3/d,2001年開始運營,采用“2支高脫鹽膜+5支標準脫鹽膜”混合配置形式。智利El Coloso淡化廠(El Coloso SWRO plant)規模為45 360 m3/d,2006年開始運營,回收率為50%,共4組,每組137個7芯壓力容器,采用“2支高脫鹽膜+5支高通量膜”混合配置形式[1]。

HID能夠有效降低反滲透海水淡化系統的運行能耗。然而,近年來國外對其研究卻相對較少,國內也沒有相關論文對混合膜設計進行探討,相關工程應用案例也鮮有報道。因此,開展混合膜設計研究對促進該技術在國內工程設計中的推廣應用具有重要意義。本文選取DuPont、LG、東麗(Toray)、海德能(Hydranautics)四大主流反滲透膜品牌中有代表性的膜元件,運用各品牌反滲透設計軟件進行定量分析,對比膜產品在混合膜設計中的性能表現,評價其優劣性。進一步深入剖析了溫度和混合膜配置比例對水質、水量、節能效率、流量匹配等方面的影響,為反滲透海水淡化系統節能設計提供數據支撐。

1 主流商用膜品牌混合膜設計對比

對于四大主流商用反滲透膜產品制造商DuPont、LG、Toray、Hydranautics,選取各品牌具有代表性的膜產品,同類型膜產品常在工程應用中互為替換,有效膜面積均為440 ft2(約為41 m2),具體產品性能參數如表1所示。

表1 典型膜元件特性參數Tab.1 Characteristic Parameter for Typical Membrane Elements

如表1所示,DuPont和LG是基于相同的測試條件,Toray的測試條件僅在pH上有細微差別。結果表明,同一類型膜元件在產水量、脫鹽率等方面的性能基本相同,但脫硼率差異較大,Toray相對較高,DuPont相對較低,LG無差別。而Hydranautics由于測試條件中回收率采用10%,與其他品牌產品相比,產水量明顯偏大,且沒有提供脫硼率數據。為使對比分析在同一基準下進行,設定如下統一條件。

(1)含鹽量為35 000 mg/L的標準海水,其組成如表2所示。

表2 標準海水組成Tab.2 Standard Seawater Composition

(2)統一采用120支7芯壓力容器,混合膜設計方式為:2支高脫鹽型膜+3支標準型膜+2支高通量型膜,具體配置如表3所示。

表3 不同品牌混合膜設計方式Tab.3 HID Methods for Different Brands

(3)采用各品牌公開的反滲透設計軟件進行數據模擬分析,具體如下:DuPont采用WAVE v1.82n1,LG采用Q+Projection v3.1.0.9,Toray采用TorayDS2 v217166,Hydranautics采用IMSDesign。

(4)產水量為500 m3/h,回收率為45%,溫度為25 ℃。

(5)各品牌模擬軟件在流量因子(也稱污堵因子,由通量衰減率決定)和透鹽率增加值的默認取值上有一定差異。例如,LG的通量衰減率取7%/年(5年膜污堵因子為0.7),透鹽率增加值取7%/年;Toray的通量衰減率取3.5%/年(5年膜污堵因子為0.84),透鹽率增加值取7%/年;Hydranautics的通量衰減率取5%/年(5年膜污堵因子為0.77),透鹽率增加值取7%/年;而DuPont的通量衰減率需由設計者根據經驗取值,并且軟件中無法設定透鹽率增加值,通常3年膜污堵因子取0.8(相當于通量衰減率為7%/年),而最大透鹽率規定不超過產品規范中最大透鹽率的1.35倍(質保期3年內)。因此,本文模擬對比以下兩種情況。

(1)初始運營新膜:污堵因子取1,透鹽率年增加值取0。

(2)運營5年老膜:膜通量衰減率取7%/年,即污堵因子取0.7;透鹽率增加值取7%/年,即透鹽率為初始透鹽率的1.40倍。

1.1 新膜(初始)對比

圖1顯示了同一壓力容器內不同位置的膜元件滲透流量的變化趨勢,對比4個品牌可知,在相同的設計條件下,Toray的流量變化曲線最為平緩順滑,LG和DuPont的流量變化曲線除第一點稍有差別外幾乎重合,曲線變化程度居中,而Hydranautics的流量變化曲線最為陡峭,斜率最大。

圖1 不同位置膜元件滲透流量變化(初始)Fig.1 Permeating Flux Variation for Membrane Elements in Different Positions (Initial)

圖2顯示了同一壓力容器內不同位置的膜元件回收率的變化趨勢。Hydranautics的模擬軟件不能顯示每支膜元件的回收率,因此,僅對其他3個品牌進行對比。如圖所示,回收率的變化趨勢與圖1滲透流量的變化趨勢表現一致,Toray的回收率變化曲線最為平緩,LG和DuPont的流量變化曲線幾乎相同。同一壓力容器內不同位置膜元件的回收率和滲透流量變化趨勢或可在一定程度上反映出各品牌膜產品的性能差異,比如Toray的變化趨勢最為平緩,說明3款膜的通量差異最小,而Hydranautics 3款膜的通量差異最大。

圖2 不同位置膜元件回收率變化(初始)Fig.2 Recovery Variation for Membrane Elements in Different Positions (Initial)

圖3顯示了相同設計條件下,4個膜品牌在脫鹽率、脫硼率、噸水能耗性能指標上的差異。從脫鹽率來講,LG最高(99.61%),DuPont(99.52%)和Toray(99.53%)次之,Hydranautics(99.38%)最差,但總體水平相差不大。然而,脫硼率的差異較為明顯,分別為Toray(85.20%)＞;LG(84.80%)＞;DuPont(81.25%)＞;Hydranautics(75.40%),前三者的模擬數據與官方公布的性能參數有一定差距,但趨勢基本一致,然而Hydranautics的脫硼率明顯偏低確實讓人意外。從噸水能耗來看,Toray最高,DuPont和LG次之,Hydranautics最低,與離子脫除率的表現趨勢基本吻合。從理論上來講,離子脫除率越高,反滲透膜分離層致密程度越高,所需滲透壓大,噸水能耗越高,與上述模擬結果基本吻合。

圖3 不同品牌性能指標對比(初始)Fig.3 Performance Comparison for Different Brands (Initial)

從節約能耗的角度來講,混合膜設計通過在后端使用一部分高通量膜替代低通量膜,體現節能優勢。因此,其對比維度為:(1)“高脫鹽型膜+標準型膜+高通量型膜”與“全部高脫鹽膜”或“高脫鹽型膜+標準型膜”;(2)“高脫鹽型膜+標準型膜”與“全部高脫鹽型膜”;(3)“標準型膜+高通量型膜”與“全部標準型膜”;(4)“高脫鹽型膜+高通量型膜”與“全部高脫鹽型膜”。結合本文,進一步對比“2支高脫鹽型膜+3支標準型膜+2支高通量型膜”與“7支高脫鹽型膜”在能耗上的表現,具體情況如表4所示。

表4 不同品牌節能效率對比(初始)Tab.4 Comparison of Energy Saving Efficiency for Different Brands (Initial)

因此,從節能效率來看,Hydranautics＞;Toray＞;DuPont＞;LG,在初始運營階段,Hydranautics的節能效率明顯好于其他品牌,Toray次之,DuPont和LG的節能效率相當。

綜合上述對比分析,從初始運營模擬情況來看,Toray膜流量曲線最為平緩,脫鹽率和脫硼率也較好,節能效率相對也較高,最適宜進行混合膜設計。

1.2 老膜(5年)對比

圖4顯示了運營5年時,同一壓力容器內不同位置的膜元件滲透流量變化趨勢,對比4個品牌模擬數據可知,Toray的流量變化曲線仍然最為平緩,LG和DuPont的流量變化曲線幾乎重合,曲線變化程度居中,而Hydranautics的流量變化曲線仍然是斜率最大的。與圖1相比,曲線變化趨勢基本一致,但曲線變化斜率更加平緩。這是由于隨著前端膜污染的增加,反而使壓力容器內前端膜元件產水量降低,后端膜元件產水量增加,整體流量分布更加均勻。

圖4 不同位置膜元件滲透流量變化(5年)Fig.4 Permeating Flux Variation for Membrane Elements in Different Positions(5 Years)

圖5顯示了運營5年時,同一壓力容器內不同位置的膜元件回收率的變化趨勢,對3個品牌(除Hydranautics)進行對比,回收率的變化趨勢與圖4滲透流量的變化趨勢表現一致。而與圖2相比,由于整體配水均勻度提高,單支膜元件的回收率差異也在變小。

圖5 不同位置膜元件回收率變化(5年)Fig.5 Recovery Variation for Membrane Elements in Different Positions (5 Years)

圖6顯示了運營5年時,4個膜品牌在脫鹽率、脫硼率、噸水能耗上的差異,其中DuPont膜的產水水質按初始透鹽率的1.40倍計算。與圖3相比,隨著運營年限的增加,噸水電耗都有增加,而脫鹽率和脫硼率都有降低。脫鹽率總體水平依然相差不大,均＞;99%,噸水能耗排序為Toray＞;LG＞;DuPont＞;Hydranautics,上述兩項性能指標與圖3的模擬結果相同。但脫硼率順序變為LG(80.20%)＞;Toray(79.80%)＞;DuPont(73.47%)＞;Hydranautics(68.04%),說明Toray膜脫硼率的衰減程度要高于LG膜,這或與膜材料本身性能有關。

圖6 不同品牌性能指標對比(5年)Fig.6 Performance Comparison for Different Brands (5 Years)

進一步對比運營5年時,“2支高脫鹽型膜+3支標準型膜+2支高通量型膜”與“7支高脫鹽型膜”在能耗上的表現,具體情況如表5所示。

表5 不同品牌節能效率對比(5年)Tab.5 Comparison of Energy Saving Efficiency for Different Brands (5 Years)

因此,從節能效率來看,Toray＞;Hydranautics＞;DuPont＞;LG,隨著運營年限的增加,Toray膜在節能效率上反而更有優勢。

綜合上述分析,從5年運營模擬情況來看,與初始運營模擬情況性能表現基本一致,Toray膜在平衡配水流量和節能效率方面優勢更加明顯。

2 溫度和混合膜配置比例的影響分析

基于前述對不同品牌膜產品的對比分析,結果表明,Toray膜最適合采用混合膜設計。本節以Toray膜為例,進一步研究溫度和混合膜配置比例對壓力容器內不同位置膜元件的性能影響,以及對整個系統脫鹽率、脫硼率、噸水能耗的影響。由于3種膜混合配置方式與2種膜混合配置方式的原理基本相同,本節簡化為2種膜混合配置方式進行分析。

2.1 保持產水量和回收率不變

設定統一分析條件:含鹽量為35 000 mg/L的標準海水,成分如表1所示;產水量為500 m3/h,回收率為45%,溫度為25 ℃;按初始運營新膜考慮,流量因子取1,透鹽率年增加值取0;統一采用120支7芯壓力容器;以全部采用標準型膜TM820M-440作為基準,從末端用高通量膜TM820V-440逐一替換,共形成7種組合方式:7TM820M-440+0TM820V-440(方式1)、6TM820M-440+1TM820V-440(方式2)、5TM820M-440+2TM820V-440(方式3)、4TM820M-440+3TM820V-440(方式4)、3TM820M-440+4TM820V-440(方式5)、2TM820M-440+5TM820V-440(方式6)、1TM820M-440+6TM820V-440(方式7)。不同位置膜元件的回收率和滲透流量變化情況如圖7～圖8所示。

圖7 不同位置膜元件回收率變化(7種HID方式)Fig.7 Recovery Variation for Membrane Elements in Different Positions (7 HID Methods)

圖8 不同位置膜元件滲透流量變化(7種HID方式)Fig.8 Permeating Flux Variation for Membrane Elements in Different Positions (7 HID Methods)

圖7顯示了7種混合膜配置方式中,不同位置膜元件回收率的變化情況。與方式1的基準設計相比,采用混合膜設計的方式2～方式7,在膜元件類型變化處,回收率會突然提高將近20%,緊隨其后的2支膜元件也會有不同程度回收率的提高。而向前位置的膜元件回收率反而略低于基準水平,這就在一定程度上起到了平衡流量的作用。但從方式6～方式7呈現的結果來看,到第5、6、7支膜的回收率又降低至略低于基準水平,反而導致了流量分配更不均勻。

圖8所示的混合膜配置方式中,不同位置膜元件滲透通量的變化情況與圖7一致。這說明混合膜設計中,回收率和滲透流量有明顯變化的是膜元件類型變化后的3支膜。因此,以7芯壓力容器為例,高脫鹽型膜、標準型膜、高通量型膜3種膜元件混合最適宜的配置比例為2∶3∶2(圖1),標準型膜、高通量型膜兩種膜元件混合最適宜的配置比例為3∶4或4∶3。適宜的配置比例的確能在一定程度上起到平衡流量的作用。這種方式由于降低了首支膜元件的通量,能在一定程度上減輕其膜污染的程度,但中間膜元件流量突然增大,是否會加速其污染程度尚不可知。

如圖9所示,從方式1到方式7,隨著TM820V-440型膜元件的混合比例不斷增加,脫鹽率和脫硼率均有所下降,脫鹽率由99.52%下降到99.40%,脫硼率由87.34%下降到78.38%,產水水質不斷惡化,而能耗也由4.248 kW·h/m3降低至4.073 kW·h/m3。這充分說明追求更好的水質和更低的能耗二者不能兼得,只能在其中尋找適合的平衡點。

圖9 不同HID方式性能指標對比Fig.9 Performance Comparison for Different HID Methods

此外,能耗和水質的變化與海水溫度有極大關系。在保持上述分析條件不變的情況下,對比溫度取值為5、15、25、35 ℃ 4種情況下,方式1和方式7的脫鹽率、脫硼率、噸水能耗指標,模擬結果如圖10所示。

圖10 不同溫度性能指標對比Fig.10 Performance Comparison under Different Temperature

隨著海水溫度從5 ℃升高到35 ℃,脫鹽率、脫硼率、噸水能耗均有下降,水質指標在高溫時變化更明顯,而能耗指標在低溫時變化更顯著。在5 ℃條件下,方式1和方式7相比,能耗由5.478 kW·h/m3降低至4.971 kW·h/m3,節能效率高達9.26%。在15、25、35 ℃條件下,節能效率分別為6.27%、4.12%、3.33%。

因此,在保持產水量和回收率不變的條件下,采用混合膜設計方式有助于降低系統能耗,但更適合北方海域春、秋、冬三季水溫較低的情況。而對于南方常年水溫較高、溫差較小的海域,不但對節能降耗效果不明顯,還會使水質急速惡化。因此,針對北方海域項目,設計者在保障產水水質的前提下,可結合實際溫度情況,適當加入一定數量的高通量膜,來降低系統能耗。

2.2 保持進水量和操作壓力不變

設定統一分析條件:含鹽量為 35 000 mg/L 的標準海水;進水量為1 000 m3/h;按初始運營新膜考慮,流量因子取1,透鹽率年增加值取0;統一采用120支7芯壓力容器;溫度對比5、25、35 ℃ 3種情況,組合方式對比方式1和方式7兩種情況,模擬結果如圖11所示。

圖11 不同組合方式性能指標對比Fig.11 Performance Comparison under Different Combination Methods

根據模擬結果,在相同操作壓力條件下,采用混合膜設計,5 ℃時產水量可提高10.5%,25 ℃時產水量可提高6%,而35 ℃時產水量僅能提高4.75%。同時,由于產水量提高,噸水能耗也隨之下降,3個溫度下的節能效率分別為9.4%、5.6%、4.5%。因此,可得出與前述分析一致的結論,無論是對能耗的降低還是對回收率的提升,混合膜設計在低溫條件下優勢更加明顯。

圖12顯示了不同位置膜元件回收率的變化情況。隨著溫度的升高,回收率整體斜率變大,壓力容器內首末端膜元件的配水均勻性變差,進一步表明混合膜設計在低溫條件下的優勢。但在溫度相同時,保持進水量和操作壓力不變的條件下,回收率變化趨勢與圖7所示結果相同。

圖12 不同位置膜元件回收率變化(6種組合方式)Fig.12 Recovery Variation for Membrane Elements under Different Positions (6 Combination Methods)

3 結論

混合膜設計是一種能夠有效降低反滲透海水淡化系統能耗,降低運維和制水成本的新穎系統設計。本文采用模擬的手段,以四大主流反滲透膜產品為研究對象,對HID進行了系統的研究,主要結論如下。

(1)從初始新膜和5年老膜兩個維度,對比分析四大主流品牌混合膜設計方式對膜組件滲透流量、回收率、脫鹽率、脫硼率、節能效率等性能指標的影響。研究表明,Toray膜在平衡流量和節能效率上有明顯優勢,最適宜進行混合膜設計。

(2)以Toray膜產品為研究對象,從保持產水量和回收率不變以及保持進水量和操作壓力不變兩個維度,深入分析溫度和混合膜配置比例對壓力容器內配水均勻性、能耗、產水量等系統性能參數的影響。研究表明,混合膜設計受溫度影響較大,低溫條件下,壓力容器內配水均勻性更好,節能效率可達9.26%,產水量可提高10.5%。因此,HID更適合于水溫較低、水質波動較小的北方海域。

(3)在混合膜設計中,不同位置回收率和滲透流量有明顯變化的是膜元件類型變化后的3支膜,因此,同一類型膜元件裝填數量以3支為宜。以7芯壓力容器為例,3種膜元件混合最適宜的配置比例是2∶3∶2,2種膜元件混合最適宜的配置比例是3∶4或4∶3。

(4)混合膜設計方式對反滲透系統節能降耗有一定優勢,本文的研究成果對推廣混合膜設計在國內工程設計中的應用具有重要意義。