反滲透法和全離子交換法除鹽技術(shù)初步比較

１　除鹽水及除鹽技術(shù)
用各種處理工藝及設備，把水中的懸浮物、膠體、溶解物質(zhì)等除去，所制取的產(chǎn)品水，稱(chēng)做除鹽水。用戶(hù)對水質(zhì)的要求不同，除鹽設備及工藝不同，相對產(chǎn)水成本將隨之變化。綜合考慮，根據設計要求，各用戶(hù)對除鹽水中鹽的容忍度不一樣。水的純度越高，其中殘留物質(zhì)越少。實(shí)際生產(chǎn)中，由于用戶(hù)選擇水質(zhì)標準不同，賦予除鹽水不同的稱(chēng)呼。例如，蒸餾水是指ＣＤ（電導率）≤３μＳ／ｃｍ（２５℃）的水；一級除鹽水是指ＣＤ≤５μＳ／ｃｍ（２５℃）、ＳｉＯ２≤１００μｇ／Ｌ的水；二級除鹽水是指ＣＤ≤０．２μＳ／ｃｍ（２５℃）、ＳｉＯ２≤２０μｇ／Ｌ的水；高純水或超純水是指ＣＤ≤０．２μＳ／ｃｍ（２５℃）、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎａ質(zhì)量濃度小于３μｇ／Ｌ的水。
水對鹽的容忍度越大，電阻值越小，其導電能力越強，水中含鹽的多少直接體現水導電能力的大小。生產(chǎn)實(shí)踐中用電導率體現水的純度。電導率受水溫的影響較明顯，通常水溫上升１℃，電導率增大約２％，行業(yè)標準或工藝設計產(chǎn)水水質(zhì)時(shí)要標注對應水溫下的電導率。２５℃時(shí)純水電離的Ｈ＋和ＯＨ－所產(chǎn)生的電導率為０．０５５μＳ／ｃｍ，這也是除鹽水純度的理論極限。
各行業(yè)對除鹽水的稱(chēng)呼和水質(zhì)標準還存在一定差異。例如，有的行業(yè)將ＣＤ＜０．１μＳ／ｃｍ（２５℃）、ｐＨ值為６．８～７．０及去除其他雜質(zhì)和微生物的水稱(chēng)為高純水。在某些行業(yè)，除鹽水又稱(chēng)純水、脫鹽水、無(wú)鹽水和純化水。我公司鍋爐及工藝用水稱(chēng)為脫鹽水。
以反滲透膜法應用的時(shí)間為界，將其以前研究開(kāi)發(fā)及應用于實(shí)際的除鹽技術(shù)稱(chēng)為傳統除鹽技術(shù)，之后的除鹽技術(shù)稱(chēng)為新興除鹽技術(shù)。傳統除鹽技術(shù)成熟，應用范圍廣，設計及工程經(jīng)驗豐富，主要方法有冷凍法、離子交換法、電滲析法和蒸餾法等。但是，這些技術(shù)存在工藝操作繁瑣、現場(chǎng)管路復雜、設備檢修工作量大和酸堿廢水排放量多等特點(diǎn)，正逐步被新興除鹽技術(shù)所取代。新興除鹽技術(shù)設計自動(dòng)化控制、現場(chǎng)布置合理、運行維護便捷、對環(huán)境危害小，主要方法有反滲透法和電除鹽法。
２　反滲透（ＲＯ）法除鹽
反滲透（ＲＯ）法除鹽是一種新型膜分離除鹽技術(shù)，２０世紀６０年代研究成功并應用于生產(chǎn)中。在壓力驅動(dòng)下溶液通過(guò)反滲透膜系統，實(shí)現溶液中的溶劑和溶質(zhì)分離的過(guò)程，稱(chēng)反滲透（ＲＯ）法除鹽。
２．１　反滲透原理
在一定溫度下，用一張易透過(guò)水而難透過(guò)鹽的半透膜將淡水與鹽水隔開(kāi)，如第６５頁(yè)圖１所示。由于淡水的化學(xué)位高于溶液中水的化學(xué)位，從熱力學(xué)觀(guān)點(diǎn)看，水分子會(huì )自動(dòng)地從化學(xué)位較高的左邊淡水室穿過(guò)半透膜向化學(xué)位較低的右邊鹽水室轉移，這一過(guò)程稱(chēng)為滲透，如圖１ａ）所示。隨著(zhù)左室中的水不斷進(jìn)入右室，右室含鹽濃度下降，加之右室水位升高和左室水位下降，導致右室水的化學(xué)位增加，直到與左室水的化學(xué)位相等，滲透停止，這時(shí)滲透達到平衡狀態(tài)，如圖１ｂ）所示。平衡時(shí)淡水液面和同一水平的鹽水液面所承受的壓力分別為Ｐ和Ｐ＋ρｇｈ，后者和前者之差（ρｇｈ）稱(chēng)為滲透壓差，用Ｐ１表示。這里，Ｐ表示大氣壓，ρ表示水的密度，ｇ表示重力加速度，ｈ表示兩室水位差。當給溶液上施加大于滲透壓（Ｐ１）的壓力（Ｐ２），溶液中的水將穿過(guò)半透膜進(jìn)到淡水邊，這種由于壓力驅動(dòng)下使滲透現象逆轉的過(guò)程稱(chēng)為反滲透，如圖１ｃ）所示。鑒于反滲透膜選擇性地只透過(guò)溶劑（一般是水）的特性，反滲透就是克服滲透壓對溶液施加壓力，實(shí)現溶劑從溶液中透過(guò)半透膜（ＲＯ膜）而分離出來(lái)制得純溶劑（水）的過(guò)程。

圖１　滲透與反滲透現象
２．２　反滲透除鹽的特點(diǎn)
１）水與鹽分離的推動(dòng)力為壓力。
２）對水源含鹽量要求范圍寬，處理含鹽量大致在３００ｍｇ／Ｌ以上的水源經(jīng)濟性更好，多應用在飲用純凈水、醫用去離子水、電子級水和小于或等于５．２９ＭＰａ及以上鍋爐的補給水的制備。
３）除鹽率一般為９９％，介于電滲析和離子交換法之間，工業(yè)設計在離子交換法等深度除鹽之前，作為高含鹽量水源的初步除鹽，無(wú)法直接生產(chǎn)出超純水。
４）藥品消耗少，不產(chǎn)生酸堿廢水。
５）一般須持續排放一定量濃水。對于苦咸水和含鹽量不高的天然水，水的回收率一般為７５％～８５％。相對海水而言，水的回收率一般為３０％～５０％。
３　離子交換法除鹽
作為目前應用較廣的傳統除鹽技術(shù)之一的離子交換法除鹽，起源于２０世紀４０年代。該技術(shù)的核心是利用了２類(lèi)離子交換樹(shù)脂（簡(jiǎn)稱(chēng)樹(shù)脂），一類(lèi)是陽(yáng)離子交換樹(shù)脂（簡(jiǎn)稱(chēng)陽(yáng)樹(shù)脂），另一類(lèi)是陰離子交換樹(shù)脂（簡(jiǎn)稱(chēng)陰樹(shù)脂）。工業(yè)上以合成樹(shù)脂應用廣泛，其為高分子粒狀材料，樹(shù)脂內含有大量能與水中離子起交換反應的物質(zhì)（稱(chēng)之為可交換離子），陽(yáng)樹(shù)脂中可交換離子是Ｈ＋，陰樹(shù)脂中可交換離子為ＯＨ－。所以，鹽水依次通過(guò)陽(yáng)樹(shù)脂層和陰樹(shù)脂層后，鹽水中的陽(yáng)離子和陰離子依次交換成Ｈ＋和ＯＨ－，Ｈ＋與ＯＨ－進(jìn)一步結合成純水。受離子交換反應平衡的制約，鹽水通過(guò)上述處理后，仍殘留少量鹽分。鹽水通過(guò)樹(shù)脂層，不斷地消耗掉樹(shù)脂中的Ｈ＋和ＯＨ－，樹(shù)脂終失去交換能力。通過(guò)再生可以恢復樹(shù)脂的交換能力，工業(yè)上用一定濃度的ＨＣｌ或Ｈ２ＳＯ４水溶液與陽(yáng)樹(shù)脂接觸，用一定濃度的ＮａＯＨ水溶液與陰樹(shù)脂接觸，以恢復樹(shù)脂的活性（交換能力）。樹(shù)脂的可再生特性決定了它可以重復使用。
３．１　離子交換法除鹽的特點(diǎn)
１）利用化學(xué)能來(lái)實(shí)現水與鹽分離，即依賴(lài)于離子交換反應。
２）通常用來(lái)處理含鹽質(zhì)量濃度低于５００ｍｇ／Ｌ的原水；含鹽量更高的水，用反滲透法除去９５％以上鹽類(lèi)后，再用離子交換法深度除鹽。
３）是目前除鹽較*的水處理技術(shù)，除鹽率可達９９．９９％。因此，常作為生產(chǎn)純水、超純水、電子級水的終端除鹽技術(shù)。
４）由于再生頻繁，產(chǎn)生較多的酸堿廢水。
５）水回收率大約為９０％。
６）同電滲析技術(shù)結合產(chǎn)生了ＥＤＩ技術(shù)。
４　反滲透加混床除鹽與全離子交換法除鹽技術(shù)比較
通過(guò)對部分脫鹽水裝置的分析，一般情況下，初步除鹽都采用新興的反滲透除鹽技術(shù)，深度除鹽選擇離子交換除鹽技術(shù)。表１列出了部分裝置采用的脫鹽水工藝。

表１　部分單位脫鹽水工藝選擇情況
４．１?。卜N除鹽工藝總體比較
規模相同的脫鹽水裝置，反滲透加混床除鹽較全離子交換法除鹽再生耗酸堿少、主要裝置占地面積少１５０ｍ２、噸水成本減少０．５５元、出水水質(zhì)穩定（詳見(jiàn)表２）。

表２?。卜N除鹽工藝總體比較
４．２　部分運行脫鹽水裝置比較
對２套脫鹽水裝置比較，反滲透加混床除鹽較全離子交換法除鹽占地面積少、噸水耗酸少１．０６１ｋｇ、噸水耗堿少０．４０４ｋｇ、噸水成本少１元（詳見(jiàn)表３）。

表３　運行脫鹽水裝置比較
４．３　工藝優(yōu)缺點(diǎn)
通過(guò)對２種除鹽工藝比較可看出，反滲透加混床除鹽工藝操作簡(jiǎn)單、運行成本相對較低、現場(chǎng)設備布置緊湊、占地面積小、環(huán)保性好（詳見(jiàn)表４）。

表４?。卜N除鹽工藝優(yōu)缺點(diǎn)
５　結束語(yǔ)
通過(guò)比較可以看出，反滲透加離子交換器（混床）較全離子交換法工藝生產(chǎn)除鹽水占地面積小、耗酸堿量少、再生廢水排量少、投資少，所以，反滲透法加離子交換器（混床）較全離子交換法生產(chǎn)除鹽水工藝技術(shù)可靠、經(jīng)濟可行。
但是，反滲透除鹽裝置仍然存在如下問(wèn)題：反滲透除鹽裝置水利用率低，一級反滲透水利用率７５％，加濃水反滲透除鹽裝置水利用率能達到８０％，污水生產(chǎn)脫鹽水反滲透裝置水利用率能達到７０％。反滲透脫鹽工藝必有２０％～３０％的濃鹽水要排掉，國家目前對于濃鹽水排放指標暫時(shí)沒(méi)有明確規定，濃鹽水排放必須滿(mǎn)足環(huán)評排放標準，隨著(zhù)河流含鹽量的增加，濃鹽水的污染問(wèn)題已引起國家相關(guān)部門(mén)高度重視。
為了減少排污，必須考慮濃鹽水的綜合利用。目前，濃鹽水的再利用有：１）鍋爐沖渣、造氣沖灰；２）濃鹽水采取蒸餾、結晶等工藝，后制鹽。但此工藝投資高，特別是結晶出的鹽分離提純困難大，利用率低。