自反滲透膜分離逆向思維開(kāi)發(fā)“正滲透”海水淡化技術(shù)
2014-05-09 16:13:07
admin
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據(jù)網(wǎng)易2010年8月25日訊 聯(lián)合國(guó)日前一份報(bào)告預(yù)測(cè)，到2025年，全球三分之二的人口都將面臨飲水危機(jī)。人口增長(zhǎng)以及降雨模式的變化將使許多國(guó)家把海洋作為飲用水的潛在來(lái)源。但由于海水淡化過(guò)程中能源需求龐大，目前的技術(shù)尚無(wú)法解決人們迫在眉睫的問(wèn)題。而據(jù)《新科學(xué)家》報(bào)道，相對(duì)于傳統(tǒng)的反滲透技術(shù)，研究人員找到了能效相對(duì)較高的替代性選擇——正滲透技術(shù)。
現(xiàn)代反滲透海水淡化工廠的能耗效雖然比幾十年前有所提高，但一座年生產(chǎn)1.5億立方米淡水的海水淡化廠也會(huì)消耗90兆瓦電力，相當(dāng)于20臺(tái)海上風(fēng)力渦輪機(jī)的峰值輸出。反滲透是一個(gè)內(nèi)在的能源密集型過(guò)程，自然過(guò)程中水流由淡變咸，而反滲透過(guò)程正好相反。如果在海水中注入高濃度的“汲取液”，淡水就可以輕而易舉地被提取出來(lái)，這就是一些已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)的試驗(yàn)性“正滲透”工廠背后的原理。
美國(guó)水化技術(shù)創(chuàng)新公司（Hydration Technology Innovations）2004年就推出了一種基于正滲透原理的便攜式水過(guò)濾器。正滲透膜被封入小型密封塑料包，包中還含有糖和香料充當(dāng)汲取液來(lái)源。但是該過(guò)濾器生產(chǎn)清潔飲用水的成本較高，只能用于緊急情況，因此無(wú)法應(yīng)對(duì)世界性水源危機(jī)。
同樣是2004年，美國(guó)耶魯大學(xué)由梅納赫姆·伊利米勒（Menachem Elimelech）、杰弗里·麥卡琴（Jeffrey McCutcheon）、羅伯特·麥金尼斯（Robert McGinnis）組成的研究小組將正滲透理念進(jìn)一步推進(jìn)。該小組使用了一種基于碳酸氫銨的汲取液，銨離子和碳酸氫鹽離子可以吸引水分子通過(guò)薄膜，然后加熱溶液至40攝氏度，氨氣和二氧化碳便會(huì)排出，留下純凈的淡水，而排出的氣體可捕獲后重新使用。研究小組稱，如果能利用發(fā)電廠的余熱蒸發(fā)氣體，該方法的能耗僅是目前海水淡化工廠的20%，但這種技術(shù)對(duì)工廠的選址要求較高。
正滲透技術(shù)面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)是找到合適的薄膜，只讓水分通過(guò)，排除鹽分在外。《海水淡化報(bào)導(dǎo)》的編輯湯姆·潘克拉茨（Tom Pankratz）表示：“這是正滲透產(chǎn)業(yè)面臨的主要障礙。”正滲透膜不僅需要厚度盡量薄，以便讓海水接近吸引溶液，保持高滲透壓；同時(shí)也需要足夠強(qiáng)韌，可抵抗?jié)B透產(chǎn)生的水流。
水化技術(shù)創(chuàng)新公司開(kāi)發(fā)了一種纖維素薄膜，但該膜卻無(wú)法抵抗碳酸氫銨溶液的堿性。為了抵擋反滲透過(guò)程的高壓，反滲透膜需要“支撐層”來(lái)強(qiáng)化其韌性，但如果用于正滲透，這層膜就顯得過(guò)厚了。
耶魯大學(xué)研究小組認(rèn)識(shí)到，如果將支撐層出去，就可以獲得合適的正滲透膜。通過(guò)試驗(yàn)不同的聚合物溶液，該小組找到了一種利用替代支撐層制造薄膜的方法。新薄膜除了又薄又韌外，滲透性也很好。試驗(yàn)中，新正滲透膜的膜通量是傳統(tǒng)反滲透膜的9倍，能夠過(guò)濾97%的鹽分。伊利米勒表示，試驗(yàn)采用的是“手工實(shí)驗(yàn)室版”新薄膜，如果新膜能以工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)，其性能會(huì)更好。
南洋理工大學(xué)的新加坡膜技術(shù)中心副主任王蓉（Wang Rong）*近研發(fā)出一種由微管狀纖維構(gòu)成的薄膜，可以使用碳酸氫銨作為汲取液。王蓉表示，這種薄膜有望使海水淡化工廠的能耗降低至少30%。中心主任托尼·費(fèi)恩（Tony Fane）說(shuō)，該膜的生產(chǎn)過(guò)程非常簡(jiǎn)單，大型海水淡化設(shè)施可按需進(jìn)行組裝。
英國(guó)現(xiàn)代之水公司（Modern Water）稱已經(jīng)解決了正滲透膜問(wèn)題，并成功部署了正滲透裝置來(lái)淡化海水，工廠能耗比傳統(tǒng)海水淡化低30%。公司沒(méi)有使用碳酸氫銨，而是利用了一種專(zhuān)用鹽類(lèi)。該公司稱，新技術(shù)已經(jīng)用于一座示范工廠和另一座完整規(guī)模的工廠。
盡管正滲透技術(shù)潛力巨大，但它仍存在許多障礙需要克服。美國(guó)科羅拉多礦業(yè)大學(xué)水凈化專(zhuān)家泰西·卡斯（Tzahi Cath）認(rèn)為，耶魯大學(xué)研究小組的想法很完善，但他不認(rèn)為蒸發(fā)碳酸氫銨氣體的廢熱能夠便宜到讓該過(guò)程具有經(jīng)濟(jì)性。伊利諾斯大學(xué)海水淡化材料專(zhuān)家馬克·香農(nóng)（Mark Shannon）表示，正滲透膜的成本過(guò)高，需求量也很大。
而兩位專(zhuān)家都認(rèn)為，正滲透技術(shù)在回收廢水方面潛力巨大。香農(nóng)說(shuō)，由于咸度比海水低，滲透壓較高，廢水的膜通量更高。正滲透技術(shù)同理還可用于處理深層地下水、河口水等苦咸水。深層地下水的儲(chǔ)量非常豐富。香農(nóng)表示，幾乎每個(gè)大陸下面都存在大量的苦咸水，正滲透技術(shù)有望取得了不起的成就。
