太阳能辅助反渗透水处理实验研究
张显球，杜明霞，张勇，杨柳
(南京师范大学地理科学学院，南京2113046)
摘要：设计了由原水预处理系统、太阳集热器、保温水箱、温度控制系统、高压水泵和反渗透膜组件(TW30-4040
型)构成的太阳能反渗透水处理实验装置。实验研究了利用清洁、经济的太阳能提高进水温度后反渗透膜的产水
量和水质变化。结果表明，在压力为0．9MPa，将水温从18'12提高到38。C，产水量从6．5L／min增加到8．8L／rain，提高
了35．5％，出水电导率从2．8斛cm仅上升到3．19ts／cm，出水硬度仍能保持在0mmol／L，可满足中低压锅炉补给水的
水质要求；在保持产水量为8L／min的条件下，将进水水温从18℃提高到38℃，可将反渗透运行压力从1．18MPa降至
0．8MPa，操作压力下降了32．2％，动力消耗可相应降低32．2％。这表明利用太阳能降低反渗透运行压力，具有节能
减排效益和提高设备运行的安全性和可靠性的优点，可广泛应用于水的软化除盐、海水淡化以及污水的深度处理。
关键词：太阳能；反渗透；水处理
中图分类号：TK511 文献标识码：A
O
引言
反渗透作为一项先进的水处理技术，已广泛应
用于海水淡化、锅炉补给水的软化脱盐以及医药纯
化水和饮用瓶装水的生产和污水的深度处理。
目前，反渗透装置的操作参数主要是运行压力
和进水温度。由于进水温度只是作为保护反渗透膜
的限制条件，即规定进水温度不得超过45℃，而通常
条件下天然水的温度都不会超过此值，因此实际应
用过程中并不对进水温度进行调控。但实际上，水
温对膜的产水量和产水水质有一定影响。文献[1—
5]的研究表明，当操作压力一定时，水温升高，产水
量增加，除盐率略有下降。Agashichev和Nisanb’60通
过建立理论模型，计算结果表明提高反渗透进水温
度，可以降低制水成本。Nisan[6。还认为对反渗透进
行预加热是反渗透处理的一种新方法。因此，可以
在满足产水量和产水水质的条件下对反渗透的操作
参数进行优化：适当提高进水温度，在达到用水水质
标准的条件下提高产水量；或在稳定产水量的情况
下降低系统的运行压力及水泵的动力消耗，同时对
提高设备运行的安全性和可靠性具有重要作用。
太阳能是一种非常经济和环境友好的绿色能
源，其应用开发一直备受重视。将太阳能与反渗透
结合，是拓展太阳能应用的有益方向。目前国内外
有关太阳能与反渗透技术的结合，更多的是利用太
阳能转换为电能后再为反渗透提供动力[7’8】，但这种
方法涉及的系统复杂，投资大，太阳能利用效率较
低。而直接利用太阳能预加热原水的反渗透工艺则
未见有文献报道。本文采用这种工艺，通过太阳集
热器适当提高反渗透进水温度，在满足产水水质和
产水量的条件下，降低反渗透运行压力，达到节能减
排和提高设备运行的安全性和可靠性的目的。
1太阳能反渗透水处理装置
1．1太阳能反渗透水处理实验装置组成
太阳能反渗透水处理装置由预处理系统、太阳
集热器、保温水箱(设有温度控制系统)、高压水泵和
反渗透膜组件组成，工艺流程图见图1。
预处理系统由石英砂过滤器、活性碳过滤器和
孔径5tma的精密过滤器组成，主要功能是去除原水
中的悬浮物与胶体物质，保证反渗透膜的安全运行；
太阳集热器的主要功能是将反渗透进水温度提高到
控制温度；保温水箱用于高压水泵的稳定供水；温控
系统对保温水箱的水温进行控制；反渗透组件对水
进行净化，产出水质合格的产品水。
收稿日期：2009．02．12
基金项目：江苏省环保厅基金(200802)
通讯作者：张显球(19r7l一)，男，副教授、博士，主要从事水处理技术方面的研究。
zhangxianqiu@njnu．edu．L．n
1420 太阳能学报31卷
原
水
1．预处理系统；2．太阳集热器；3．保温水箱(内设
温控系统)；4．水泵；5．反渗透组件
产
水
图1太阳能辅助反渗透水处理装置工艺流程图
Fig．1 Experimental set-up dreve№osmosis
reded by solar energy
1．2太阳集热器
本装置的保温水箱容积为500L，反渗透进水温
度控制在40℃以下，间歇运行。根据一次实验水量，
配套的太阳集热器为河源市益民太阳能科技有限公
司生产的2020型真空管太阳能热水器，真空管的
口径X长度为dP70×2000mm，真空管支数20支，采
光面积为4．3m2，热效率约50％[9]。若在处理规模
较大的工程中，太阳集热器可选择真空管集热器或
平板型集热器，所需的采光面积可根据1m2的采光
面积的热水产量进行确定，水循环方式可采用水泵
强制循环，以提高太阳能热效率[10|。
1．3反渗透膜
反渗透膜为美国海德能TW30-4040型卷式膜，
膜材质为聚酰胺，有效膜面积7．9m2，最高进水温度
45℃，平均透过水量5L／rain，标称脱盐率99．5％。
2实验
实验水样采用南京自来水，其水质见表1。
表1试验水质
Table 1 The water qualit)，used gr expefimenm
总硬度Ca2+HCO； 电导率
一
／rmnol·L～ ／nmM·L～ ／mnml．L一1 ，“s·em一1
。
2．92 2．14 2．34 256 7．20
实验过程将温度控制在40℃以下，来自太阳集
热器的热水与一部分未加热的原水混合后作为太阳
集热器产水温度，亦即反渗透的进水温度；操作压力
控制在o．5～1．3MPa。在调节水温或操作压力后待
反渗透稳定运行5min后再分别测定产水流量、电导
率和硬度。电导率采用DDS-11A型电导率仪测定，
硬度采用EDTA滴定法测定u1I。
3结果与讨论
3．1太阳集热器产水温度对反渗透产水量的影响
在操作压力为0．9MPa时，太阳集热器产水温度
对产水量的影响见图2。图2表明，随着温度升高，
产水量增加，主要原因在于水温升高，水分子与水分
子之问的氢键易断开，致使其缔合态遭到不同程度
的破坏，其粘度减小，水分子在膜层中的扩散速度加
快，渗透性增强，引起产水量增加。
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叠
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●
一＼删
*
．|L
15 20 25 30 35 40
太阳集热器产水温度／℃
图2太阳集热器产水温度对反渗透产水量的影响
Fig．2 Permeation flux as functions of
temperature cau$ed by solar energy heater
根据图2，在实验温度范围内可拟合温度(r)与
产水量(Q。)的关系方程为：
QP=0．115T+4．40 L／min (1)
从式(1)可知，在操作压力为0．9MPa时，进水温
度从18℃提高到38℃，产水量从6．5L／rain增加到
8．8L／min，提高了35．5％。可见，提高进水温度对产
水量的增加具有较显著的效果。
本实验装置的太阳集热器的采光面积为4．3m2，
每日可使反渗透产水量提高68L。实际运行时反渗
透合适的启动温度控制在30。C，可采用浓水循环或
增加膜元件的串联数量进一步提高反渗透产水量。
但考虑到膜污染等因素，生产商一般对反渗透膜元
件的回收率(产水流量与进水流量的比值)有所规
定，不宜过高，因此产水量也不宜增加过高，比较理
想的做法是产水龟保持稳定，降低操作压力。
3．2太阳集热器产水温度对产水水质的影响
在操作压力为0．9MPa时，温度对产水水质的影
响见图3。图3表明，温度升高，反渗透的产水电导
率呈缓慢上升趋势。一般来说，温度升高，水中溶解
盐的扩散速度随之提高，透过率会增加；但由于产水
量也随温度升高而增加，所以渗透液中的溶解盐浓
度增加并不明显，表现为产水的电导率增加也不明
显。
11期张显球等：太阳能辅助反渗透水处理实验研究1421
太阳集热器产水温度／℃
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图3太阳集热器产水温度对反渗透产水水质的影响
Fig．3 PImr职描on water删ty船functions of
temperatures cau$od by solar energy heater
根据图3，产水电导率(C)与温度(r)可用拟合
方程(2)表示：
C=O．0155T+2．506 tts／cm (2)
从式(2)可知，在操作压力为0．9MPa时，进水温
度从18℃提高到38℃，出水电导率从2．8p／cm上升
到3．19s／cm，仅提高了0．39s／cm。可见，提高进水
温度对产水电导率的不利影响是很小的。
从图3还可以看出，相比盐(用电导率表示)的
去除，膜对硬度离子(C矛+、Mg：+)的去除率更高，在
实验温度范围内，出水硬度离子含量则基本为
Ommlo／L，其去除率高达100％，主要是因为水中的硬
度离子与单价离子(Na+或Cl一)相比，它们具有较大
的半径和较小的扩散系数(见表2)，根据广泛应用
于反渗透膜的溶解扩散理论r12J3|，硬度离子扩散系
数更小，所以膜对它们的去除率更高。
表2水合离子的半径(，)和扩散系数(D)‘删
Table 2 Hydrayed ionic radius and Diffusivities of ions【13]
从以上的分析可看出，操作压力一定，反渗透进
水温度升高，产水量增加明显，产水电导率略有上
升，但可保持在3．1／Ls／cm以下，硬度离子含量则基
本为Ommol／L。这样的水质能满足《中低压锅炉水质
标准》(GBl576-85)规定的中低压蒸汽锅炉的补给水
采用化学处理后其硬度应低于0．03mmol／L的要求。
对于工业废水，特别是电镀废水，含有的重金属离子
(Niz+、Cf+、砰+等)属于二价离子，与硬度离子相
似，可获得相似的结果。
3．3操作参数的优化
反渗透的操作参数主要是运行压力和进水温
度。根据本文的实验结果，操作压力一定，水温升
高，产水量可明显增加；尽管除盐率会略有下降，但
在很多情况下仍可达到用水水质的要求。因此，可
以在满足产水量和产水水质的条件下优化操作参
数，见图4。
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口
‘善
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咖
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图4温度和压力对产水量的影响
Fig．4 Pe删on flux舶functiom of temperatu咒and pl髓sulle
由图4可以看出，在产水量一定的条件下，利用
太阳能提高反渗透的进水温度，可使运行压力降低。
当保持产水量为8L／rain时，将进水温度从18。C升高
到38qC，操作压力可从1．18MPa下降至0．8MPa，操
作压力下降了32．2％，高压泵的动力消耗可相应降
低32．2％，节电效果显著。此外，随着运行压力的降
低，不易出现管道爆裂或漏水等问题，设备运行的安
全性和可靠性也得到提高。
4结论
1)进水温度对反渗透膜的产水量具有较显著的
影响，而对产水电导率和硬度的影响则甚小。在压
力为0．9MPa，进水温度从18。C提高到38℃，产水量
从6．5L／min增加到8．8Idmin，提高了35．5％；出水电
导率从2．89s／cm仅上升到3．19s／cm，出水硬度仍能
保持在0mmol／L，可满足中低压蒸汽锅炉的水质要
求；
2)在保持产水量为8L／min条件下，利用太阳能
将反渗透进水水温从18。C提高到38℃，可将反渗透
运行压力从1．18MPa降至0．8MPa，能耗可降低
32．2％，节电效果显著；
3)太阳能辅助反渗透水处理技术
具有节能减排
2
1
O
9
8
7
6
5
4
3
2
万方数据
1422 太阳能学报3l卷
效益以及提高设备运行的安全性和可靠性的优点，
可广泛应用于水的软化脱盐(尤其是锅炉补给水的
软化除盐)、海水(苦咸水)淡化以及污水的深度处
理。我国太阳能资源丰富，且北方多于南方，这为气
温较低的北方应用该技术提供了更有利的自然条
件。
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REⅦRSE oSMoSISⅥ後TERT]REArI]ⅥENT EM删LoY玳G SoIAR ENERGY
Zhang Xianqiu，Du Mingxia，Zhang Yong，Yang Liu
(School矿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
太阳能学报
ACI’A ENERGLAE SOI^RIs SINICA
、r01．31．No．11
Nov．．20lO
