太陽(yáng)能輔助反滲透水處理實(shí)驗(yàn)研究
張顯球，杜明霞，張勇，楊柳
(南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，南京2113046)
摘要：設(shè)計(jì)了由原水預(yù)處理系統(tǒng)、太陽(yáng)集熱器、保溫水箱、溫度控制系統(tǒng)、高壓水泵和反滲透膜組件(TW30-4040
型)構(gòu)成的太陽(yáng)能反滲透水處理實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)研究了利用清潔、經(jīng)濟(jì)的太陽(yáng)能提高進(jìn)水溫度后反滲透膜的產(chǎn)水
量和水質(zhì)變化。結(jié)果表明，在壓力為0．9MPa，將水溫從18'12提高到38。C，產(chǎn)水量從6．5L／min增加到8．8L／rain，提高
了35．5％，出水電導(dǎo)率從2．8斛cm僅上升到3．19ts／cm，出水硬度仍能保持在0mmol／L，可滿足中低壓鍋爐補(bǔ)給水的
水質(zhì)要求；在保持產(chǎn)水量為8L／min的條件下，將進(jìn)水水溫從18℃提高到38℃，可將反滲透運(yùn)行壓力從1．18MPa降至
0．8MPa，操作壓力下降了32．2％，動(dòng)力消耗可相應(yīng)降低32．2％。這表明利用太陽(yáng)能降低反滲透運(yùn)行壓力，具有節(jié)能
減排效益和提高設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性的優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于水的軟化除鹽、海水淡化以及污水的深度處理。
關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；反滲透；水處理
中圖分類號(hào)：TK511 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
O
引言
反滲透作為一項(xiàng)先進(jìn)的水處理技術(shù)，已廣泛應(yīng)
用于海水淡化、鍋爐補(bǔ)給水的軟化脫鹽以及醫(yī)藥純
化水和飲用瓶裝水的生產(chǎn)和污水的深度處理。
目前，反滲透裝置的操作參數(shù)主要是運(yùn)行壓力
和進(jìn)水溫度。由于進(jìn)水溫度只是作為保護(hù)反滲透膜
的限制條件，即規(guī)定進(jìn)水溫度不得超過45℃，而通常
條件下天然水的溫度都不會(huì)超過此值，因此實(shí)際應(yīng)
用過程中并不對(duì)進(jìn)水溫度進(jìn)行調(diào)控。但實(shí)際上，水
溫對(duì)膜的產(chǎn)水量和產(chǎn)水水質(zhì)有一定影響。文獻(xiàn)[1—
5]的研究表明，當(dāng)操作壓力一定時(shí)，水溫升高，產(chǎn)水
量增加，除鹽率略有下降。Agashichev和Nisanb’60通
過建立理論模型，計(jì)算結(jié)果表明提高反滲透進(jìn)水溫
度，可以降低制水成本。Nisan[6。還認(rèn)為對(duì)反滲透進(jìn)
行預(yù)加熱是反滲透處理的一種新方法。因此，可以
在滿足產(chǎn)水量和產(chǎn)水水質(zhì)的條件下對(duì)反滲透的操作
參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化：適當(dāng)提高進(jìn)水溫度，在達(dá)到用水水質(zhì)
標(biāo)準(zhǔn)的條件下提高產(chǎn)水量；或在穩(wěn)定產(chǎn)水量的情況
下降低系統(tǒng)的運(yùn)行壓力及水泵的動(dòng)力消耗，同時(shí)對(duì)
提高設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性具有重要作用。
太陽(yáng)能是一種非常經(jīng)濟(jì)和環(huán)境友好的綠色能
源，其應(yīng)用開發(fā)一直備受重視。將太陽(yáng)能與反滲透
結(jié)合，是拓展太陽(yáng)能應(yīng)用的有益方向。目前國(guó)內(nèi)外
有關(guān)太陽(yáng)能與反滲透技術(shù)的結(jié)合，更多的是利用太
陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能后再為反滲透提供動(dòng)力[7’8】，但這種
方法涉及的系統(tǒng)復(fù)雜，投資大，太陽(yáng)能利用效率較
低。而直接利用太陽(yáng)能預(yù)加熱原水的反滲透工藝則
未見有文獻(xiàn)報(bào)道。本文采用這種工藝，通過太陽(yáng)集
熱器適當(dāng)提高反滲透進(jìn)水溫度，在滿足產(chǎn)水水質(zhì)和
產(chǎn)水量的條件下，降低反滲透運(yùn)行壓力，達(dá)到節(jié)能減
排和提高設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性的目的。
1太陽(yáng)能反滲透水處理裝置
1．1太陽(yáng)能反滲透水處理實(shí)驗(yàn)裝置組成
太陽(yáng)能反滲透水處理裝置由預(yù)處理系統(tǒng)、太陽(yáng)
集熱器、保溫水箱(設(shè)有溫度控制系統(tǒng))、高壓水泵和
反滲透膜組件組成，工藝流程圖見圖1。
預(yù)處理系統(tǒng)由石英砂過濾器、活性碳過濾器和
孔徑5tma的精密過濾器組成，主要功能是去除原水
中的懸浮物與膠體物質(zhì)，保證反滲透膜的安全運(yùn)行；
太陽(yáng)集熱器的主要功能是將反滲透進(jìn)水溫度提高到
控制溫度；保溫水箱用于高壓水泵的穩(wěn)定供水；溫控
系統(tǒng)對(duì)保溫水箱的水溫進(jìn)行控制；反滲透組件對(duì)水
進(jìn)行凈化，產(chǎn)出水質(zhì)合格的產(chǎn)品水。
收稿日期：2009．02．12
基金項(xiàng)目：江蘇省環(huán)保廳基金(200802)
通訊作者：張顯球(19r7l一)，男，副教授、博士，主要從事水處理技術(shù)方面的研究。
zhangxianqiu@njnu．edu．L．n
1420 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)31卷
原
水
1．預(yù)處理系統(tǒng)；2．太陽(yáng)集熱器；3．保溫水箱(內(nèi)設(shè)
溫控系統(tǒng))；4．水泵；5．反滲透組件
產(chǎn)
水
圖1太陽(yáng)能輔助反滲透水處理裝置工藝流程圖
Fig．1 Experimental set-up dreve№osmosis
reded by solar energy
1．2太陽(yáng)集熱器
本裝置的保溫水箱容積為500L，反滲透進(jìn)水溫
度控制在40℃以下，間歇運(yùn)行。根據(jù)一次實(shí)驗(yàn)水量，
配套的太陽(yáng)集熱器為河源市益民太陽(yáng)能科技有限公
司生產(chǎn)的2020型真空管太陽(yáng)能熱水器，真空管的
口徑X長(zhǎng)度為dP70×2000mm，真空管支數(shù)20支，采
光面積為4．3m2，熱效率約50％[9]。若在處理規(guī)模
較大的工程中，太陽(yáng)集熱器可選擇真空管集熱器或
平板型集熱器，所需的采光面積可根據(jù)1m2的采光
面積的熱水產(chǎn)量進(jìn)行確定，水循環(huán)方式可采用水泵
強(qiáng)制循環(huán)，以提高太陽(yáng)能熱效率[10|。
1．3反滲透膜
反滲透膜為美國(guó)海德能TW30-4040型卷式膜，
膜材質(zhì)為聚酰胺，有效膜面積7．9m2，最高進(jìn)水溫度
45℃，平均透過水量5L／rain，標(biāo)稱脫鹽率99．5％。
2實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)水樣采用南京自來水，其水質(zhì)見表1。
表1試驗(yàn)水質(zhì)
Table 1 The water qualit)，used gr expefimenm
總硬度Ca2+HCO； 電導(dǎo)率
一
／rmnol·L～ ／nmM·L～ ／mnml．L一1 ，“s·em一1
。
2．92 2．14 2．34 256 7．20
實(shí)驗(yàn)過程將溫度控制在40℃以下，來自太陽(yáng)集
熱器的熱水與一部分未加熱的原水混合后作為太陽(yáng)
集熱器產(chǎn)水溫度，亦即反滲透的進(jìn)水溫度；操作壓力
控制在o．5～1．3MPa。在調(diào)節(jié)水溫或操作壓力后待
反滲透穩(wěn)定運(yùn)行5min后再分別測(cè)定產(chǎn)水流量、電導(dǎo)
率和硬度。電導(dǎo)率采用DDS-11A型電導(dǎo)率儀測(cè)定，
硬度采用EDTA滴定法測(cè)定u1I。
3結(jié)果與討論
3．1太陽(yáng)集熱器產(chǎn)水溫度對(duì)反滲透產(chǎn)水量的影響
在操作壓力為0．9MPa時(shí)，太陽(yáng)集熱器產(chǎn)水溫度
對(duì)產(chǎn)水量的影響見圖2。圖2表明，隨著溫度升高，
產(chǎn)水量增加，主要原因在于水溫升高，水分子與水分
子之問的氫鍵易斷開，致使其締合態(tài)遭到不同程度
的破壞，其粘度減小，水分子在膜層中的擴(kuò)散速度加
快，滲透性增強(qiáng)，引起產(chǎn)水量增加。
T
疊
’富
●
一＼刪
*
．|L
15 20 25 30 35 40
太陽(yáng)集熱器產(chǎn)水溫度／℃
圖2太陽(yáng)集熱器產(chǎn)水溫度對(duì)反滲透產(chǎn)水量的影響
Fig．2 Permeation flux as functions of
temperature cau$ed by solar energy heater
根據(jù)圖2，在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)可擬合溫度(r)與
產(chǎn)水量(Q。)的關(guān)系方程為：
QP=0．115T+4．40 L／min (1)
從式(1)可知，在操作壓力為0．9MPa時(shí)，進(jìn)水溫
度從18℃提高到38℃，產(chǎn)水量從6．5L／rain增加到
8．8L／min，提高了35．5％�？梢姡岣哌M(jìn)水溫度對(duì)產(chǎn)
水量的增加具有較顯著的效果。
本實(shí)驗(yàn)裝置的太陽(yáng)集熱器的采光面積為4．3m2，
每日可使反滲透產(chǎn)水量提高68L。實(shí)際運(yùn)行時(shí)反滲
透合適的啟動(dòng)溫度控制在30。C，可采用濃水循環(huán)或
增加膜元件的串聯(lián)數(shù)量進(jìn)一步提高反滲透產(chǎn)水量。
但考慮到膜污染等因素，生產(chǎn)商一般對(duì)反滲透膜元
件的回收率(產(chǎn)水流量與進(jìn)水流量的比值)有所規(guī)
定，不宜過高，因此產(chǎn)水量也不宜增加過高，比較理
想的做法是產(chǎn)水龜保持穩(wěn)定，降低操作壓力。
3．2太陽(yáng)集熱器產(chǎn)水溫度對(duì)產(chǎn)水水質(zhì)的影響
在操作壓力為0．9MPa時(shí)，溫度對(duì)產(chǎn)水水質(zhì)的影
響見圖3。圖3表明，溫度升高，反滲透的產(chǎn)水電導(dǎo)
率呈緩慢上升趨勢(shì)。一般來說，溫度升高，水中溶解
鹽的擴(kuò)散速度隨之提高，透過率會(huì)增加；但由于產(chǎn)水
量也隨溫度升高而增加，所以滲透液中的溶解鹽濃
度增加并不明顯，表現(xiàn)為產(chǎn)水的電導(dǎo)率增加也不明
顯。
11期張顯球等：太陽(yáng)能輔助反滲透水處理實(shí)驗(yàn)研究1421
太陽(yáng)集熱器產(chǎn)水溫度／℃
j
專
I
＼
魁
娶
*
牝
圖3太陽(yáng)集熱器產(chǎn)水溫度對(duì)反滲透產(chǎn)水水質(zhì)的影響
Fig．3 PImr職描on water刪ty船functions of
temperatures cau$od by solar energy heater
根據(jù)圖3，產(chǎn)水電導(dǎo)率(C)與溫度(r)可用擬合
方程(2)表示：
C=O．0155T+2．506 tts／cm (2)
從式(2)可知，在操作壓力為0．9MPa時(shí)，進(jìn)水溫
度從18℃提高到38℃，出水電導(dǎo)率從2．8p／cm上升
到3．19s／cm，僅提高了0．39s／cm�？梢�，提高進(jìn)水
溫度對(duì)產(chǎn)水電導(dǎo)率的不利影響是很小的。
從圖3還可以看出，相比鹽(用電導(dǎo)率表示)的
去除，膜對(duì)硬度離子(C矛+、Mg：+)的去除率更高，在
實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，出水硬度離子含量則基本為
Ommlo／L，其去除率高達(dá)100％，主要是因?yàn)樗械挠?br />
度離子與單價(jià)離子(Na+或Cl一)相比，它們具有較大
的半徑和較小的擴(kuò)散系數(shù)(見表2)，根據(jù)廣泛應(yīng)用
于反滲透膜的溶解擴(kuò)散理論r12J3|，硬度離子擴(kuò)散系
數(shù)更小，所以膜對(duì)它們的去除率更高。
表2水合離子的半徑(，)和擴(kuò)散系數(shù)(D)‘刪
Table 2 Hydrayed ionic radius and Diffusivities of ions【13]
從以上的分析可看出，操作壓力一定，反滲透進(jìn)
水溫度升高，產(chǎn)水量增加明顯，產(chǎn)水電導(dǎo)率略有上
升，但可保持在3．1／Ls／cm以下，硬度離子含量則基
本為Ommol／L。這樣的水質(zhì)能滿足《中低壓鍋爐水質(zhì)
標(biāo)準(zhǔn)》(GBl576-85)規(guī)定的中低壓蒸汽鍋爐的補(bǔ)給水
采用化學(xué)處理后其硬度應(yīng)低于0．03mmol／L的要求。
對(duì)于工業(yè)廢水，特別是電鍍廢水，含有的重金屬離子
(Niz+、Cf+、砰+等)屬于二價(jià)離子，與硬度離子相
似，可獲得相似的結(jié)果。
3．3操作參數(shù)的優(yōu)化
反滲透的操作參數(shù)主要是運(yùn)行壓力和進(jìn)水溫
度。根據(jù)本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，操作壓力一定，水溫升
高，產(chǎn)水量可明顯增加；盡管除鹽率會(huì)略有下降，但
在很多情況下仍可達(dá)到用水水質(zhì)的要求。因此，可
以在滿足產(chǎn)水量和產(chǎn)水水質(zhì)的條件下優(yōu)化操作參
數(shù)，見圖4。
T
口
‘善
●一＼
咖
萇
釓
圖4溫度和壓力對(duì)產(chǎn)水量的影響
Fig．4 Pe刪on flux舶functiom of temperatu咒and pl髓sulle
由圖4可以看出，在產(chǎn)水量一定的條件下，利用
太陽(yáng)能提高反滲透的進(jìn)水溫度，可使運(yùn)行壓力降低。
當(dāng)保持產(chǎn)水量為8L／rain時(shí)，將進(jìn)水溫度從18。C升高
到38qC，操作壓力可從1．18MPa下降至0．8MPa，操
作壓力下降了32．2％，高壓泵的動(dòng)力消耗可相應(yīng)降
低32．2％，節(jié)電效果顯著。此外，隨著運(yùn)行壓力的降
低，不易出現(xiàn)管道爆裂或漏水等問題，設(shè)備運(yùn)行的安
全性和可靠性也得到提高。
4結(jié)論
1)進(jìn)水溫度對(duì)反滲透膜的產(chǎn)水量具有較顯著的
影響，而對(duì)產(chǎn)水電導(dǎo)率和硬度的影響則甚小。在壓
力為0．9MPa，進(jìn)水溫度從18。C提高到38℃，產(chǎn)水量
從6．5L／min增加到8．8Idmin，提高了35．5％；出水電
導(dǎo)率從2．89s／cm僅上升到3．19s／cm，出水硬度仍能
保持在0mmol／L，可滿足中低壓蒸汽鍋爐的水質(zhì)要
求；
2)在保持產(chǎn)水量為8L／min條件下，利用太陽(yáng)能
將反滲透進(jìn)水水溫從18。C提高到38℃，可將反滲透
運(yùn)行壓力從1．18MPa降至0．8MPa，能耗可降低
32．2％，節(jié)電效果顯著；
3)太陽(yáng)能輔助反滲透水處理技術(shù)
具有節(jié)能減排
2
1
O
9
8
7
6
5
4
3
2
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
1422 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)3l卷
效益以及提高設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性的優(yōu)點(diǎn)，
可廣泛應(yīng)用于水的軟化脫鹽(尤其是鍋爐補(bǔ)給水的
軟化除鹽)、海水(苦咸水)淡化以及污水的深度處
理。我國(guó)太陽(yáng)能資源豐富，且北方多于南方，這為氣
溫較低的北方應(yīng)用該技術(shù)提供了更有利的自然條
件。
[參考文獻(xiàn)]
王曉琳，丁寧．反滲透和納濾技術(shù)與應(yīng)用[M]．北
京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005．
Wang Xiaolin，Di gNiIlg．Techonology and application of肛
verse osmosis and Nanofdtrafion[M]．Beijing：Chinese Chemical
Industry Press，2005．
Jin X，Jawor A，Kim S，et a1．Effects of feed water t魄珈珊一
ture oil sepal．a(chǎn)tioil performance and org疵e fouling of brackish
water RO membranes[J]．Desalination，2009，239(1．3)：
糾手一359．
Goosen MF A，Sablani S S，AI-Maskari S S，et a1．Effect of
feed temperature oil permeate flux and n蚯I鵝tl-al礎(chǔ)er coefficient
in spiralwound l'ue、rerse osm06is systmns[J]．Desalination，
2002，144(1-3)：367—372． ·
AI-Bahri Z K，HanbIlr)，W T，aoaski嘲T．Op岫nm feed
temperatures for seawater reverse osmosis plant operation in舳
MSF／SWRO hyb,4d plant[J]．Desalination，2001，138(1-3)：
335—339．
Agashichev S P，Lootahb K N．Influence of temperature and
permeate recovery oil energy comumption of a reverse osmosis
system[J]．Desulination，2003，154(3)：253--266．
Nisan S，Cbn硼!le刪B，Dardour S．A刪method for the
treatment of the n強(qiáng)re啪。目n06is process．with preheating of the
feed啪櫥[J]．Desalination，2005，182(1-3)：483---495．
Vows N G，Kiranoudis C T．Maroulis Z B．Solar energy ex—
ploitation for l℃VerSe osmosis desalination plants[J]．Desali—
nation，1998，115(1)：83---101．
Fiorenza G，Sharma V K，Braccio G．Techno-economic eval—
uation of a solar powered water desalination plant[J]．Energy
Conversion and Management，2003，44(14)：2217-一2240．
河源市益民太陽(yáng)能科技有限公司．太陽(yáng)能熱水器規(guī)格
參數(shù)[EB，0L]．http：／／www．hyym．cn／products一2．hun．
張書榮，王金鳳，王月勇．太陽(yáng)能熱水器的設(shè)計(jì)與安裝
(三)[J]．河南農(nóng)業(yè)，1994，(06)：4卜35．
國(guó)家環(huán)保局水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法編委會(huì)．水和廢水
監(jiān)測(cè)分析方法(第四版)[M]．北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版
社，2004．
National Environmental Protection Bureau Water＆Wastewam"
Analysis Methods Edition Cormnittee．Water&Wastewater
analysis methods[M]．Seijing：Chinese Environmental Seieilc
沱Press，2004．
W．jI煳J G，Baker R W．The solution-diffusion rmdel：A睜
view[J]．Journal 0f Membrane Science，1995，107：1--21．
Tsuru T，Nakao S，Kinr髓S．CⅪculafion of ion rejection by
extended Nernst-Planck t刑ttion with ckⅡ，剛弛v骶osn均sis
memhailes for single and mixed electrolyte solutions[J]．Journal
of Chemical Engineering of Japan，1991，24：511—517．
REⅦRSE oSMoSISⅥ後TERT]REArI]ⅥENT EM刪LoY玳G SoIAR ENERGY
Zhang Xianqiu，Du Mingxia，Zhang Yong，Yang Liu
(School礦Geography Science，Nartjing Normal Um№．mty，肫咖210046，China)
Abstract：Reverse osmosis employing solar energy was designed，which composed of pre—treatment process，solar energy
heater，water tank，temperature control device，higIl pressure pump and reverse osmosis membranes(TW30—4040)．Permeation
flux and permeation water quality as functions of temperature caused by solar energy heater were studied by ex—
periment．The results showed that the permeation flux increases 35．5％．from 6．5L／rain to 8．8Umin if raw wafer is
heated from 18。C to 38。C by solar energy as the operation pressrue at 0．9MPa；the conductivity only increased from
2．8p／em to 3．1tts／em and hardness was 0mmol／L，meeting the water qu“ty standard of middle or low pressure steamboiler．
The operation pressure could drop by 32．2％。from 1．18MPa to 0．8MPa if the law water was heated from 18℃
to 38℃as the permeation flux at 8L／min．Dropping operation pressure by solar energy，which could戥'tve power，cut etl—
vimnmental pollutants，and improve operational safety and reliability，could be widely applied in water softening，desali—
nation of seawater，and deeply treahnent of wastewater．
Keywords：solar energy；reverse osmosis；water treatment第3l卷第11期
2010年11月
太陽(yáng)能學(xué)報(bào)
ACI’A ENERGLAE SOI^RIs SINICA
、r01．31．No．11
Nov．．20lO
