RO 和 UF 的新应用

作者：GK Dhawan | 1985年10月29日，马萨诸塞州波士顿，膜技术规划会议

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抽象的

反渗透和超滤技术的应用范围十分广泛。这些技术的应用范围可能多达数百种。本文探讨了一些可用于探索新市场领域并提高每种应用商业化成功率的技术。

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背景

膜技术的潜力早在 20 世纪 60 年代初就已为人所知。（见表 1）直到 10 年后，第一批商用膜才用于除盐以外的应用。

表 1 - 膜技术潜在应用

在哪里
1. 可以节省能源	例如海水淡化
2.材料可回收利用	例如 Ed Paint
3. 无需化学品即可分离	例如乳化油
4. 无需加热即可脱水	例如牛奶
5. 错流过滤优于深层过滤	例如氢氧化物沉淀

即便如此，这些努力也只有少数取得了成功。尽管早期遭遇挫折，但业界对膜技术在广泛应用领域的前景仍持乐观态度。例如，表2显示了1970年一项关于废水回收应用的研究结果：

表 2 - 潜在 RO 和 UF 市场展望

工业废水	预计市场规模（百万）
	到1980年	总潜力
奶酪乳清	三十	250
纸浆和造纸	130	650
钢铁	20	300
电镀	50	50
核电	50	50
酸性矿井废水	20	200
全部的	300	1,500
公共供水	1,000	？

1985年表2所列市场的实际销售额仅为预期数字的一小部分。造成这种情况的原因有很多。首先，每项应用开发都需要进行大量的测试，了解行业、竞争情况和市场发展情况。其次，在许多情况下，为了使膜技术具有商业可行性，可能需要进行工艺改进、膜改造或开发新的膜、特殊的操作条件，或者这些因素的组合。所有这些因素都意味着应用开发的开发时间长且成本高昂。在实验室中进行的膜应用演示测试看似简单。我们认为，这种测试的简单性以及对膜和工艺行为缺乏了解，导致了人们对膜市场规模的不切实际的预期。另一方面，一旦我们了解了这些因素，我们就可以努力最大限度地提高成功的机会。因此，每项应用开发都是一个基于完善的工程实践和膜（RO/UF）行业过去的经验教训，按计划执行一系列任务的过程。本文的其余部分将讨论这些任务和经验。

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膜技术是答案吗？

这是首先需要回答的问题之一。我们需要了解以下申请信息：

• 技术可行性
• 经济可行性
• 市场潜力
• 客户验收

我们将在以下章节中更详细地讨论这些问题。

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技术可行性

在启动一项耗资巨大且耗时的开发项目之前，我们需要分析膜技术的技术能力和局限性。具体来说，我们需要了解以下几点：

• 膜系统的最低性能目标。例如，可以指定最低膜截留能力或最低体积减少量。此时快速检查可以判断任何膜或任何膜系统是否能够满足这些要求。
• 应明确主要关注领域。例如，这些领域可能包括渗透液中特定成分的损失量、使用膜技术对整个工艺的影响、在产生废水时如何处理浓缩液等。应评估这些因素的成本或可行性影响。

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经济可行性

这不仅涉及通常的总体成本和经济效益标准，还涉及产品质量或产量提高、浓缩物处理成本（水和废水）、对整个过程的影响、水的再利用等因素。将膜工艺与传统工艺相结合可能比任何一种工艺都更经济。

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中试工厂设计

对于所有新应用，都必须在现场进行有计划的中试工厂测试。为了使测试更具意义，中试工厂的设计必须考虑以下几点：

• 膜组件尺寸
• 工作条件
• 测试液体样品的体积
• 测试时长
• 数据收集

中试装置中使用的膜组件应为商业规模。操作条件的选择应符合膜规格。修改操作条件以优化膜性能。测试应进行充足的时间，以便获得关于膜污染的有意义的信息。在确定测试时间时，需要考虑进料类型、进料质量随时间的变化、以往经验和类似进料的数据以及其他一些因素。这些考虑因素还会影响数据类型和数据收集频率。

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限制膜应用的因素

有多种因素可能会限制膜技术在特定情况下的应用。这些因素包括：

• 恢复
• 膜寿命
• 应用程序开发时间
• 风险与担保
• 应用行业

回收率定义为转化为渗透液的进水比例。它通过将渗透液流量除以进水流量得出。废水应用需要更高的回收率，以便将总废水量减少到最小体积以便最终处置。缺水地区也需要更高的回收率。特定应用的回收率取决于总离子含量（渗透压）、难溶盐浓度、渗透液质量等。如果无法达到预期的回收率，则膜应用可能不可行。膜寿命与系统的运行成本息息相关。膜元件的合理设计、系统的正确操作和维护至关重要。膜污染限制了膜技术在许多应用中的应用。

开发膜技术的新应用需要耗费大量的时间和成本。虽然初始测试和应用数据可以相对较快地完成，但要评估该行业中各种情况下对膜性能的长期影响，则需要付出相当大的努力。这可能会导致应用开发项目受挫，甚至提前终止。

在许多废水和工艺应用中，膜系统供应商不愿提供性能或膜寿命保证。另一方面，膜系统用户也不愿冒险采用新技术。设备制造商需要更多的现场经验，而最终用户则需要可靠的验证和长期的性能记录。

最后，必须充分了解每个应用行业及其需求和态度。系统设计可能需要根据每个行业的特殊要求进行修改。

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从试点测试到系统设计

系统设计是开发新应用过程中的另一个步骤，对整体成功至关重要。过去，不合理的系统设计会导致膜寿命缩短、清洗频率增加、能源成本上升以及膜效率降低。当然，设计不良的系统还会导致客户和行业对膜技术失去信心。

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市场潜力和客户接受度

开发新应用的一个重要考虑因素是其潜在的市场规模。许多机构对膜技术的市场预测过于乐观，导致人们对其真正的潜力感到失望和担忧。在预测每种应用的市场潜力时，必须仔细权衡各种因素的影响，例如技术开发时间、开发成本、客户对膜技术的接受度以及竞争技术的实力。

我将通过我开发的两个应用来说明这一点。第一个应用是乳化含油废水的处理。超滤用于浓缩废水中的油，并将渗透物排入下水道或进行回收利用。1974年，我们进行了一项广泛的实验室和中试项目。我们的工作表明，在许多情况下，节省的废水运输成本可以在不到一年的时间内收回超滤系统的成本。金属表面处理行业对超滤技术持怀疑态度，不愿购买这种设备。最终，我们不得不通过租赁或租用超滤设备来解决这个问题，直到在行业中积累了足够的业绩记录。这个过程耗时超过五年。

在另一个应用中，目标是将枫树汁的含糖量从约1%浓缩至约10%。此时，可以利用低能耗的反渗透技术去除90%的水分。然后，反渗透浓缩液可以通过传统的蒸发器进一步浓缩。1978年，我调查了这项应用，发现市场上已经售出了少量反渗透装置。这些是最初设计用于水处理的标准反渗透装置。我们研究了客户和行业需求，设计了与之相匹配的反渗透系统，并开展了测试和演示项目。枫树汁行业积极响应，在接下来的两年里售出了200多台反渗透装置。

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成功申请

下面列出了反渗透和超滤的一些成功应用。

• 饮用水、超纯水、锅炉给水、冲洗水和其他工业用途的水处理。
• 废水处理应用，如电沉积漆、含油水、电镀漂洗水、冷却水、城市污水、奶酪乳清、染料、溶剂、胶体等。
• 食品加工应用，如牛奶浓缩、果汁澄清、低醇啤酒等。

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结论

• 开发反渗透和超滤的新市场需要在实验室和现场仔细开发应用和设计数据。
• 市场预测必须考虑技术限制、开发应用程序所需的时间和精力等因素。
• 缺乏对应用行业的透彻了解和应用测试数据不足，导致膜技术引进失败或长期延迟。
• 迄今为止获得的理解和经验有助于膜技术商业化取得更多成功。