氣候變化和全球工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展使得淡水資源缺乏的問題日益嚴重，據(jù)聯(lián)合國統(tǒng)計，目前全球至少有10億人正面臨著淡水資源的危機，2025年，這個數(shù)字將會是18億?中國更是如此，中國人口占全球的20%，但是淡水供應(yīng)量僅占全球供應(yīng)量的6%?因此，如何應(yīng)對全球水資源缺乏的問題已經(jīng)成為全人類共同關(guān)注的緊迫的問題?

在全球水資源構(gòu)成中，海水占據(jù)全球水資源的97%以上，而淡水資源僅僅占不到3%?因此能夠把海水轉(zhuǎn)換為人類可應(yīng)用淡水的海水淡化技術(shù)為解決全球水資源危機提供了一種非常有潛力的方法?

海水淡化技術(shù)主要分為兩大類:基于熱的海水淡化技術(shù)(熱法)和基于膜的海水淡化技術(shù)(膜法)?熱法海水淡化技術(shù)主要有多級閃蒸(MSF)多效蒸餾(MED)和氣相壓縮蒸餾(VCD);膜法海水淡化技術(shù)主要有反滲透RO和納濾NF和碟管式反滲透技術(shù)(DTRO)?相對于熱法而言，膜海水淡化技術(shù)由于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定?分離性能好等優(yōu)點已經(jīng)成為海水淡化領(lǐng)域的主流技術(shù)?

海水淡化反滲透膜主要有兩種：醋酸纖維素膜和聚酰胺復合反滲透膜?20世紀60年代加利福尼亞大學洛杉磯分校(UCLA)的Loeb和Sourirsjan發(fā)明了醋酸纖維素膜并成功應(yīng)用于海水淡化?醋酸纖維素膜曾經(jīng)在海水淡化領(lǐng)域發(fā)揮非常大的作用直到80年代Cadotte發(fā)明了聚酰胺復合反滲透膜?這是一種利用界面聚合(一般以間苯二胺和均苯三甲酰氯為聚合單體)在聚砜超濾膜上制備一層聚酰胺分離層的方法制備的復合膜?聚酰胺復合反滲透膜由3層構(gòu)成:厚度~120μm無紡布物理支撐層厚度40μm的聚砜超濾膜中間層200nm的聚酰胺分離層?這種膜的一個最大的優(yōu)勢就是3層膜都可以進行微結(jié)構(gòu)的調(diào)控實現(xiàn)不同的性能?目前聚酰胺復合反滲透膜已經(jīng)成為膜法海水淡化的主流膜，全球膜法海水淡化工廠大部分都是采用聚酰胺復合反滲透膜?

膜技術(shù)創(chuàng)新是目前影響海水淡化反滲透工程的一個核心因素，作為反滲透海水淡化工程的核心，膜的性能直接影響整個工程的成本和產(chǎn)品水的性能，因此膜技術(shù)的創(chuàng)新對海水淡化技術(shù)的普及具有非常重要的意義?

聚酰胺復合反滲透膜目前主要面臨三個方面的問題:首先，相對于其它的過濾膜，聚酰胺復合反滲透膜的運行壓力是最高的(用于海水淡化的運行壓力一般5MPa)，高的運行壓力必然帶來高的能耗，這也是導致淡化水價格高于普通水的最重要原因;其次，原水中的污染物(如膠體、無機固體、有機物、細菌等)很容易沉積在膜的表面形成污染層，從而造成膜表面的污染，污染后的膜需要進行定期地清洗，進一步提高其使用成本;第三，反滲透海水淡化工程中往往需要使用活性氯對進水進行消毒處理，但是聚酰胺的酰胺鍵是不耐活性氯的，因此在活性氯的攻擊下酰胺鍵會分解，從而導致聚酰胺分離膜的破壞影響其分離性能?所以聚酰胺復合反滲透膜技術(shù)的創(chuàng)新也主要圍繞這三個方面:低壓、低能耗、聚酰胺復合反滲透膜、抗污染復合反滲透膜及抗氧化復合反滲透膜?

1、低壓、低能耗聚酰胺復合反滲透膜

海水淡化需要消耗大量的能源，因此淡化水的成本非常高，所以初期海水淡化技術(shù)主要集中在富油國使用，像中東、以色列等地區(qū)，這些地區(qū)的淡水資源很缺乏但能源比較廉價?但是在其它地區(qū)，高能耗嚴重限制了海水淡化的市場化和普及?所以人們通過各種途徑來降低淡化水的成本?如開發(fā)能量再生設(shè)備，優(yōu)化海水淡化設(shè)備，從而降低其成本?這種方法在海水淡化大量應(yīng)用的初期曾經(jīng)起到了非常有效的作用，例如淡化水的價格從1992年的1.50美元降低到了2002年的0.50美元?

開發(fā)高通量新型反滲透膜是近年來研究的一個熱點?如納米纖維膜支撐聚酰胺復合膜，但是這種膜還只是局限在實驗室階段?另一種方法就是聚酰胺復合反滲透膜活性層中摻雜無機納米顆粒?無機納米顆粒在活性層中的摻雜，能夠調(diào)控聚酰胺活性層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而調(diào)控其分離性能?另一方面，特殊的無機納米顆粒，如NaA型分子篩其孔徑尺寸介于水分子和水合Na+尺寸之間，因而能夠優(yōu)先允許水分子通過而有效截留Na+?所以，無機納米顆粒的摻雜可以在保持鹽離子截留率的前提下有效地提高膜的通量，因而能夠在相同的操作條件下有效提高產(chǎn)水量，從而降低膜的能耗和成本?TiO2、Al2O3、SiO2、分子篩納米顆粒等都已經(jīng)被用于進行聚酰胺復合膜的摻雜?其中，分子篩納米顆粒以NaA型分子篩納米顆粒為主要代表的摻雜，是應(yīng)用最廣泛而且已經(jīng)被商業(yè)化的一種方法?

美國NanoH2O公司利用加利福尼亞大學洛杉磯分校的Hoek教授的專利技術(shù)，將無機納米顆粒摻雜到聚酰胺復合反滲透膜的活性層中，開發(fā)出了高通量聚酰胺復合反滲透膜產(chǎn)品—QuantumFlux反滲透膜產(chǎn)品?這種反滲透膜的通量能夠提高50%以上，從而能使得這種新型薄膜的能耗降低20%，并且預(yù)計在2020年前將淡化水價格降低1/3?事實上，全球其它的聚酰胺復合反滲透膜生產(chǎn)商也把開發(fā)低壓、低能耗復合反滲透膜作為非常重要的一個方向，相繼開發(fā)出了低壓(~1.55MPa225psi)、超低壓(~1.03MPa150psi)極低壓(~0.69MPa100psi)聚酰胺復合反滲透膜產(chǎn)品，如美國陶氏(DOW，F(xiàn)ILMTECHTM)的BW、LE、HRLE、XLE、ECO系列，美國海德能(Hydranautics)的ESPA、CPA、LFC系列日本東麗(TORAY，ROMEM-BRATM)的TMH/TMG/TM系列。中國時代沃頓的ULP、LP、XLP系列?這些類型的膜都能在大幅度降低運行壓力的情況下提供較大的水通量，并同時保持較高的截留率>99%?這種膜目前主要應(yīng)用在不同的苦咸水淡化領(lǐng)域?

2、抗污染聚酰胺復合反滲透膜

在運行過程中，污染物在膜表面和膜內(nèi)部孔洞之間的沉積會引起膜的污染?按照污染物的類型膜的污染分為無機物污染、膠體物污染、有機物污染和生物污染?其中，生物高分子和有機物(如微生物、植物、藻類等)在膜表面沉積形成生物層引起的生物污染是目前海水淡化聚酰胺反滲透復合膜面臨的最主要的問題之一?膜表面的污染會通過引起膜的極化，形成污染阻力層，引起軸向的壓降和水平水流分布來影響膜的性能?膜的污染對膜性能最大的影響就是降低膜的通量?此外，膜污染還會降低膜的鹽離子截留率，

增加膜的極化?而且，膜污染會降低膜通量的恢復和膜質(zhì)量，降低膜的壽命，從而引起額外的能量消耗和化學清洗，增加膜的生產(chǎn)和運行成本?據(jù)統(tǒng)計，膜的清洗所需費用占到膜應(yīng)用總成本的30%?因此，抗污染聚酰胺復合反滲透膜的研發(fā)是淡化領(lǐng)域的一個重要研究方向?