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“走向深海”系列讲座
【“走向深海”系列讲座第21期】牛青山:膜法海水淡化关键技术的研究和展望
时间:2017年12月18日 21:47来源: 点击数:

2017年12月14日下午,中国石油大学(华东)化学工程学院教授、山东省“泰山学者”海外特聘专家牛青山教授应十大外围app、北京大学工学院的邀请,在北京大学力学楼434室为我校师生做了一场题为“膜法海水淡化关键技术的研究和展望”的精彩报告。北京大学张信荣教授主持讲座。

本次讲座中,牛青山教授分别从全球淡水资源现状、国内外海水淡化现状以及海水淡化使用情况、国内外反渗透技术应用对比、反渗透膜的结构单元及对膜材料的分子模拟、新型膜材料制备技术及其未来发展等五个方面,分析了国内外反渗透膜材料的研究现状及应用,介绍了膜的结构及工作原理,分析该研究领域未来的发展趋势。报告内容丰富精彩,涉及多个学科及领域,吸引了多院系师生的参加。

牛青山教授

牛教授首先以全球水资源缺乏这一事实为背景,指出了海水淡化技术的重要性,并介绍了膜材料的应用范围及研究趋势。膜材料具有多种用途,牛教授本次主讲膜材料在海水淡化方面的应用。在全世界的水资源中,可以直接使用的淡水只有0.26%。在一些干旱缺水地区,如中东、沙特、中国北方,水资源短缺是非常棘手的问题。据估计,到2025年,41%的地球人口将面临缺水问题,水的供应不足将是全球的重大问题。海水淡化已经成为国家战略性问题。出于环保的压力,从给水到废水排放的挑战已然成为我国的新常态,这对于从事水处理工作的研究人员来说,将既是机会也是挑战。

牛教授指出,由于中国北方煤化工用水需求大,要实现工业废水零排放,海水淡化是最有效的途径。盐作为微小化合物,与水分开是最后、也是最关键的一步,对脱盐市场有较高要求。脱盐技术好坏取决于能耗高低,与经典蒸馏相比,膜法海水淡化耗能低,是公认的脱盐的标准技术。牛教授先后在美国陶氏化学米德兰研发总部(电子材料)、美国陶氏化学反渗透膜子公司(膜材料),美国通用电气水处理及过程处理(膜应用),美国陶氏化学中国上海亚太研发中心(能源材料,锂电材料)担任高级研究员,对反渗透膜法技术有深入研究。膜法海水淡化工艺流程主要包括集水井、取水泵、机械过滤器、活性炭过滤器、保安滤器、高压能量回收、反渗透装置、消毒等步骤,其中反渗透装置近些年发展最快且非常关键,其投资占总投资的10-15%,但占后期运行与维护成本的85-90%。牛教授展示了美国Tampa Bay 10年前膜法海水淡化厂视图以及反渗透装置的组成部分,指出膜法海水淡化规模越大、成本越低。介绍了以色列膜法海水淡化厂膜的工作原理,并以该国Ashkelon膜法海水淡化厂为例,介绍了海水脱盐的具体流程。据了解,我国的海水淡化工程集中分布在天津、河北、山东、浙江等地,主要用于生活用水、工业用水、电力等高耗水行业,其中工业用水占据三分之二。我国的海水淡化成本为5-8元/吨,比国外高出20-30%,未来我国膜法海水淡化领域还有很大的进步空间。

随后,牛教授详细介绍了反渗透膜的结构单元,每个膜壳根据规模不同装有不同的膜元件。现在8英寸膜元件在市场中占很大比例,但16寸膜元件近年来已经开始在新建的大型海水淡化厂使用。 16寸膜元件的直径比8寸的只增加了2倍,但是膜元件的滤水面积却增加了4.3倍,脱盐率达到99.79%,脱盐结果相当可观。膜法海水淡化是物理过程,无化学过程,因此寿命长、成本低,如果配备合适的预处理系统,一个膜可用3到5年。反渗透膜是薄膜复合材料,中间膜片起到分离盐和水的作用。牛教授表示,膜法海水淡化是众多海水淡化技术的胜出者,是迄今工业应用最广的纳米技术。他进而分析了膜材料分离层的分子模拟,从膜材料的孔径分布证实它具有纳米级尺度。基于核磁共振的机构模拟,牛教授比较了孔径与复合盐尺寸及孔径与分离性能的关系。他强调,氯化能够提高脱盐率,但氯化反应不能过“火”。

讲座现场提问环节

最后,牛教授为此次讲座做了全面总结。他提出界面聚合是当今反渗透材料制作过程中的奇迹。膜技术是21世纪最为引人注目的新型分离技术之一,在资源、环境等重大需求领域有着非常广阔的应用前景。同时,膜技术正处于快速上升期,尚有很多问题需要广大科学工作者共同努力,开发更多、更新的前沿技术。

牛青山教授及其团队在海水淡化领域的研究给在场师生带来很多启发,报告结束后,牛教授与现场听众热忱互动,进行了跨学科、跨领域的探讨。最后,北京大学张信荣教授为牛教授送上北京大学纪念品


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