科普 | 反渗透的过去、现在与未来

2021-11-24 23:48:47, 再生水


反渗透技术从1948年Hassler研究并提出半透膜概念开始,迄今为止已经历了70多年的发展历程。图1详细回顾了反渗透技术的发展历程,总结了发展过程中重要的里程碑事件。图中,用蓝色标注的时间节点及事件代表着反渗透领域的理论突破,黑色标注的则是相关的技术创新。

反渗透(Reverse Osmosis)这一术语于1955年由Reid首次提出。在1959年之前,研究者们基于半透膜理念测试了大量材料对水分子的选择透过性,终于由Breton和Reid寻找到了醋酸纤维(cellulose acetate)这种真正具有规模化应用潜力的膜材料,并于1960年首次制备出了成型的反渗透膜(Reverse Osmosis Membrane)。随后,相关公司投入了大量经费以期将反渗透技术真正推向实用,并于1963年开发出了第一支卷式反渗透膜组件。该膜组件的设计理念及方法一直被沿用至今,仍然是最常用的反渗透膜组件构型。

图1  反渗透技术的发展历程

1965年,首个工业规模的苦咸水淡化示范工程在美国加州Coalinga市建成。随后酝酿出了反渗透技术发展历程中最重要技术变革之一。1971年,杜邦公司申请了芳香聚酰胺反渗透膜专利。与醋酸纤维膜相比,由聚酰胺(Polyamide)制备的反渗透膜具有运行压力低、使用寿命长、投资成本低等重要优势,因此,直至今日聚酰胺仍然是商品化反渗透膜制备的最重要原材料。1972年,Cadotte突破了反渗透膜的界面聚合制备方法,该方法也被各大膜厂商沿用至今。

在此基础上,于1974年建立了首个工业规模的海水淡化反渗透工程。1975年加州橙郡21世纪水厂正式投运,该水厂以城市污水二级出水为原水,采用当时世界上最先进的“微滤-反渗透-紫外线消毒”工艺(图2),制备高品质再生水用于地下水回灌,也是当今世界上最具代表性的污水再生处理反渗透工程之一。

图2  21世纪水厂工艺流程(微滤-反渗透-紫外线,图片来自网络)

在上述工程长期运行及探索的基础上,海德能、杜邦等膜厂商对膜组件的设计进行了进一步的改进和优化,逐渐形成了今天已经较为成熟的反渗透膜组件工业体系。2003年正式投入运行的新加坡“新生水厂”是反渗透技术发展成熟并在污水再生处理中实现规模化应用的典型案例。

然而,随着反渗透技术在污水再生处理中的应用越来越多,膜污堵问题越来越突显,甚至被称为反渗透膜的“阿克琉斯之踵”。针对该问题的研究,也成为了近年来反渗透技术领域的研究热点之一。

进入21世纪后,随着材料科学的不断发展,利用碳纳米管、石墨烯、水通道蛋白等新型材料制备高通量且高脱盐率反渗透膜的探索不断深入,但相关研究仍然局限于实验室规模。从反渗透技术本身的发展规律来看,新材料膜代替聚酰胺膜是未来发展的趋势。但是,一项全新的技术从理念提出,到真正实现大规模应用,仍然需要漫长的时间。

撰稿人|巫寅虎童心、胡洪营

编辑| 徐傲 巫寅虎


来源:再生水

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