眾所周知，膜技術(shù)是普遍認可的處理廢水的方式，如何讓這一方法實施的更加完美呢?下面，將介紹通過仿自然之法提高膜通量以及化學法提高膜產(chǎn)品性能來進一步改善膜技術(shù)，還有利用反向電滲析技術(shù)及驅(qū)動反向電滲析技術(shù)來從海水淡化中回收水資源。

1仿自然之法提高膜通量

大自然總能為人們尋求技術(shù)創(chuàng)新提供最好的啟發(fā)，近期，由新加坡膜技術(shù)研發(fā)中心、南洋理工大學與PUB聯(lián)手展開的一項膜技術(shù)研發(fā)更是很好的印證了這一點。

水通道蛋白，是一種位于細胞膜上的蛋白質(zhì)(內(nèi)在膜蛋白)，在細胞膜上組成“孔道”，可控制水在細胞的進出，廣泛存在于哺乳動物、植物和細菌體內(nèi)。水通道蛋白通過靜電作用，吸引水分子翻過通道，且只允許水分子跨膜運輸，通常每個水通道蛋白每秒鐘能夠運輸多達十億個水分子。同時作為細胞膜內(nèi)的內(nèi)含蛋白，水通道蛋白運輸水的驅(qū)動力來自靜壓及滲透壓，能量消耗很小，具有輸水量大、能耗低、選擇性強等優(yōu)秀品質(zhì)。

水通道蛋白膜(ABM)將水通道蛋白與膜技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)了一種比傳統(tǒng)反滲透膜的透水性高出很多倍的新技術(shù)。由于水通道蛋白膜的透水性極高，在滿足同樣水通量的前提下，其所需的壓力將大大降低，對應(yīng)的能耗和總成本投資也將減少。

在工程前期，研發(fā)團隊采用界面聚合的方法來合成水通道蛋白膜，這種方法是將水通道蛋白嵌入到膜的選擇層內(nèi)，從而水分子的透過率，并且可以保護水通道蛋白不受外界環(huán)境的影響。2012年，研發(fā)團隊成功的研制出水通道蛋白膜，這種膜的輸水量比市面上有售的反滲透膜高出大約40%，而且其制造過程簡單，非常易于工程性量化生產(chǎn)。

在最初的成功基礎(chǔ)上，研發(fā)團隊進一步研究如何優(yōu)化膜的性能，并且將其應(yīng)用在回用水處理中，并進行長期性能檢測。該試驗水源采用NEWater工藝中反滲透濃水與普通水體混合而成，系統(tǒng)壓力為10bars，連續(xù)監(jiān)測兩周。

試驗結(jié)果表明，當混合水體作為水源時，水通道蛋白膜的水通量基本穩(wěn)定，水通量基本可達對比膜產(chǎn)品(未嵌入水通道蛋白的膜產(chǎn)品)的兩倍左右，而在離子截留方面與對比膜產(chǎn)品沒有顯著區(qū)別。當試驗水源全部采用反滲透膜濃水后，水通道蛋白膜和對比膜產(chǎn)品都發(fā)生了污堵現(xiàn)象，然而，除了污堵現(xiàn)象之外，水通道蛋白膜的輸水量依然比對比膜產(chǎn)品高出很多，基本在滿足同樣輸水量的前提下，水通道蛋白膜的系統(tǒng)壓力只有對比膜產(chǎn)品的一半左右。

未來，研發(fā)團隊將不斷優(yōu)化設(shè)計、改進水通道蛋白膜的性能，并將逐步開展中空纖維形式的膜產(chǎn)品研發(fā)，為水通道蛋白膜可以在實際工程當中的廣泛應(yīng)用做好鋪墊。

2化學法提高膜產(chǎn)品性能

在海水淡化中，一般將超濾作為反滲透的預(yù)處理環(huán)節(jié)。來自德國的BASF研發(fā)團隊和新加坡的科研人員一起合作，采用高分子化學方法研發(fā)了一種具有超強抗污堵特性的新型膜材料。這種膜材料可以承受更大的水通量，從而降低污水處理過程中的投資成本和運行費用。

這種新型膜材料稱為The Multibore® UF，由七個獨立的中空纖維管組成，污水進入管內(nèi)，經(jīng)管壁上的細孔進行過濾，細孔的孔徑大約為20納米，這個規(guī)格允許水分子通過，但污染物顆粒、細菌、甚至病毒都會由于體積過大而被截留。

在這種新型超濾膜材料的研發(fā)過程當中，研發(fā)人員進行了小試規(guī)模的平行試驗，該實驗主要針對聚合物和抗粘連劑改性。同時，在膜合成的過程中加入合成添加劑，以實現(xiàn)對超濾纖維膜的化學改性。

在長期的中試試驗之前，研發(fā)人員開展了大量的小試試驗，并對膜的有機污堵進行測試。研發(fā)人員發(fā)現(xiàn)這種新型膜材料可以大大降低污堵率，為了進一步驗證小試的試驗結(jié)果，德國的研發(fā)人員和PUB一起在PUB’s R&D水廠進行了中試試驗，中試試驗完全在實際工況下模擬進行。

對于常規(guī)的膜產(chǎn)品，通量大約在運行6個月之后就會下降，需要進行化學清洗，而這種新型的膜材料完全改變了6個月周期的定論，它的水通量甚至可以高達130LMH，而用于化學清洗的次氯酸鈉溶液的濃度只需要傳統(tǒng)清洗時濃度的一半。這種新型膜產(chǎn)品將在未來的化學清洗中不再使用次氯酸鈉，以測試膜的承受極限。

中試的試驗結(jié)果成功表明，化學改性在聚合超濾膜的性能方面起到關(guān)鍵影響作用，BASF的研發(fā)人員還將進一步研究將膜產(chǎn)品應(yīng)用到其他領(lǐng)域的實際情況，比如飲用水生產(chǎn)、廢水回用等，目的是在不久的將來可以將這項技術(shù)推廣到實際的工程應(yīng)用當中。

3海水淡化中回收水資源

從海水淡化中回收水資源不再是一個遙不可及的夢想，來自GE的水工藝研究組在這項技術(shù)中已經(jīng)取得了成功。GE的研發(fā)人員與PUB合作，對反向電滲析技術(shù)及驅(qū)動反向電滲析技術(shù)進行了研究。他們將污水循環(huán)工藝中含鹽量較低的出水作為鹽槽，以研究如何在現(xiàn)有的脫鹽工藝中提高淡水的回收率。

反向電滲析工藝構(gòu)成主要包括由交替平行放置的陰離子交換膜(AEM)和陽離子交換膜(CEM)、膜間隔板以及陰極板和陽極板組成，其配套設(shè)施包括泵、管路及各料液儲槽等。相鄰的兩膜之間交替通入濃水與淡水，形成依次排布的濃水室和淡水室。

在濃度差的作用下，濃水中的陰陽離子分別透過相鄰的陰陽離子交換膜移動到淡水側(cè)，產(chǎn)生電位差，形成電池。在反電滲析過程中，離子因濃度梯度由濃室向淡室遷移，而水則由淡室自發(fā)地向濃室滲透。隔室中濃水中的氯離子和鈉離子分別透過陰、陽離子交換膜向兩側(cè)的淡室移動。而如果要強化離子的遷移速度，就必須采用外加電源的方法，這種方法稱為驅(qū)動反向電滲析技術(shù)。驅(qū)動反向電滲析技術(shù)相對于傳統(tǒng)反向電滲析技術(shù)可以實現(xiàn)兩倍的脫鹽能力，而不需要設(shè)置額外預(yù)處理等環(huán)節(jié)，因而大大節(jié)省了投資費用。

在小試環(huán)節(jié)，研發(fā)人員搭建了一個由20組膜堆構(gòu)成的反應(yīng)器，對不同種類的陰陽離子交換膜以及不同的膜間距都進行了測試。經(jīng)過測試，發(fā)現(xiàn)對這個反應(yīng)起決定性作用的因素包括開路電壓、膜堆電阻等，通過這些參數(shù)也可以計算出整個膜堆的最大功率密度。

研發(fā)人員說，“應(yīng)用GE的離子交換膜可以達到較大的膜堆功率密度。同時，在驅(qū)動反向電滲析技術(shù)中，以實現(xiàn)同樣的離子交換率為前提，所需的能耗會大大降低。”

在未來，研發(fā)人員將在2015年搭建一個中試試驗廠，所有的實驗條件都會模擬實際的進水和污堵工況。通過中試數(shù)據(jù)與小試試驗結(jié)果的結(jié)合，可以為反向電滲析技術(shù)及驅(qū)動反向電滲析技術(shù)的最終工程應(yīng)用提供有利的數(shù)據(jù)支持。

文章節(jié)選自《新加坡的水處理在創(chuàng)新中前行》第五章，由新加坡公用事業(yè)局(PUB)、新加坡國家水機構(gòu)編制，江蘇省(宜興)環(huán)保產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院翻譯整理完成。