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膜技术--全球水危机问题的救星
newmaker    来源:日经BP社
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环保设备/水处理设备展厅
噪音控制, 紫外线杀菌器, 反渗透装置, 粉尘过滤器, 除尘器, ...
据称全球69亿人口中,有9亿人无法正常获得饮用水,26亿人没有污水处理等卫生设备。这种情况在水资源丰富的日本是无法想像的,缺水和水质污染等水问题已经成为与粮食和能源并列的、亟待人类解决的课题之一。

在水问题像如今这般备受关注之前,日本东丽公司就一直专注于水处理用分离膜*1的研究。该分离膜根据分离对象物质的大小备有4种,东丽在全球独一无二地以自主技术开发出这4种分离膜。

*1:水处理用分离膜按照对象物从小到大的顺序,分别为RO膜、NF(纳米过滤)膜、UF(超滤)膜以及MF(精密过滤)膜。对象物的大小分别为0.5n~0.7nm以上、1nm以上,10nm以上以及100nm以上。

东丽坚持开发该分离膜的目的很明确,就是希望向全世界的人们提供便宜的安全放心水。为了稳定确保水的“质”与“量”,该公司一直坚持不懈地开展研究工作。

从光滑侧流向粗糙侧

从光滑侧流向粗糙侧

在4种水处理用分离膜中,分离对象(支持膜的微孔径)最小的是RO(反渗透)膜。其大小实际上仅为0.5n~0.7nm。可以分离Na(钠)离子和Cl(氯)离子等一价离子,以及硼和三卤甲烷等限制物质*2。

*2:海水中也有硼。硼有可能会引起柑橘类疾病,或者使动物的生殖功能下降。

正如其名称一样,RO膜利用了反渗透这一物理现象。溶质浓度不同的两种溶液经由半透膜接触后,希薄溶液侧的水会向粘稠溶液侧移动,以使两种溶液的溶质浓度达到统一。这种现象叫做“渗透”,水移动达到明显停止的平衡状态时,半透膜承受的两种溶液的水压差叫做渗透压。因此,如果向粘稠溶液侧施加超过渗透压的较大压力,那么水就会朝着与渗透时相反的方向移动。这就是“反渗透”。实际上,对于盐分浓度约为3.5%的100单位海水(粘稠溶液),通过施加5.5MPa的压力可以获得40单位的淡水(希薄溶液)、60单位的浓缩海水。这就是海水淡化原理。

RO膜由三层构成(图)。底层是厚度为150μm的聚酯无纺布基材。其上面层叠了作为支撑层的45μm厚聚砜(UF膜),以及用作分离功能层的0.2μm厚交联芳香聚酰胺(RO膜)。RO膜的手感像纸一样,海水和污水的处理溶液,会从光滑的RO膜侧流向粗糙的基材侧。

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RO膜的构成
采用从上开始分别为分离功能层(RO膜)、支撑层(UF膜)以及基材(无纺布)的3层构造。RO膜大小约为0.5n~0.7nm,支撑层带有约10nm的微孔。基材中有几μm的缝隙。中间支撑层的作用是使RO膜表面变得平滑。

将其实际用于海水淡化工厂时,会作为RO膜元件进行安装(图)。观察元件的截面发现,中心管覆盖了多层RO膜。RO膜元件使用了多张袋状RO膜片,并改进了其折叠方式,为使过滤后的水汇聚到中心管内,将RO膜片缠绕了多层。

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RO膜元件的构成
(a)是RO膜元件的外观。标准品为直径8in×长1m。日产水10万吨的工厂,大约需要使用一万根标准品。另外,除了直径为8in的标准品以外,还有直径为4in和16in的产品。使用16in元件的优点是,与8in相比可以获得4倍的水,可以减少配管。(b)是RO膜元件的构造。多层RO膜覆盖着中心管。

进行纳米级膜设计

进行纳米级膜设计

图4是RO膜的性能变化。横轴是1平米RO膜每天的产水量,纵轴是硼去除率。产水量和硼去除率都很高只是一种理想状态,如果要想增加产水量,膜孔大一些比较好;而要想提高硼去除率,则膜孔小一些比较好。也就是说,两者存在二律背反关系,会形成向下倾斜的直线。但是,这条直线正在逐年往右上方移动。产水量和硼去除率一直在稳步提高。

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图4:从2005年到2010年的RO膜性能变化
虽然硼去除率和产水量存在此消彼长的关系,但均逐年提高。

要想提高性能,RO膜孔的大小、分布以及数量控制尤其重要。东丽地球环境研究所所长边见昌弘表示,“RO膜表面采用聚酰胺薄膜的褶皱构造。为了以高水平维持或提高非常难以去除的硼的去除率同时让水顺利通过,我们对褶皱的大小和表面积进行了设计”。

解析技术对此类膜设计提供了帮助。东丽在2005年开发出了将基于日本产业技术综合研究所电子加速器设施的“正电子湮没寿命测量法*3”应用于薄膜的技术,并在全球首次确立了以非破坏性方式测量RO膜孔直径的解析方法。由此,实现完善的RO膜设计成为可能。

*3:正电子湮没寿命测量法利用正电子容易被缺陷捕获的性质,测定正电子与电子碰撞并湮没之前的时间,然后提取缺陷信息。东丽将其应用在了RO膜孔分析上。

边见昌弘表示,今后,计划“使性能比目前增加5成”。这一目标的具体内容是在维持硼去除率的同时,将产水量提高至1.5倍。据东丽介绍,提高产水量有助于节能,因此市场需求非常大。

以上主要是以海水和盐水*4为处理对象的RO膜,不仅如此,RO膜还可以用于处理污水。此时,抑制被称为水生物污垢的膜污垢将成为一个重要因素。要想降低水生物污垢,即不易产生污垢,就需要使膜表面平滑且具有亲水性。这样一来,污垢就不易附着了,即使附着上也可用水轻松地洗掉。

*4:盐水指海水和淡水混合后的水。包含0.1~1.0%的盐分。

还将推进研究新型膜

海水淡化的主要方法,除了利用RO膜的反渗透法以外还有蒸馏法。将海水加热产生蒸汽,然后将其凝缩获得淡水。由于蒸馏法采用热能,因此在能源价格较低的中东等地该方法是主流。

但是环顾全球,反渗透法的应用范围正在迅速扩大,2000年代超过了蒸馏法。从生产1吨水时的二氧化碳排量来看,蒸馏法为10kg/m3,而反渗透法仅为其1/5的2kg/m3。另外,就产水成本而言,“在中东也是反渗透法更低”,因此估计反渗透法的应用范围今后将越来越大。

与此同时,除了RO膜外,还将推进研究其他的新型膜。例如,碳纳米管(CNT)。由于具有疏水性,因此水可以高速地通过CNT内。模仿向细胞供水的蛋白质、由约300个氨基酸构成的膜蛋白“水通道蛋白(Aquaporin)”也是有力候补。由于可以只通过水而不通过离子,因此有望具备较高的水选择渗透性。

这些膜技术的发展将造福35亿人。
文章内容仅供参考 (投稿) (12/2/2011)
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