针对海水淡化应用的试点规模单级和双级反渗透系统进行的能耗-效率-经济性（3E）对比评估

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Comparative 3E (energetic-exergetic-economic) assessment of pilot-scale single- and two-pass reverse osmosis systems for seawater desalination

　　**Bhaumik Sutariya | Govind Amaliar | Akshay Kotangale | Bipinkumar Baladaniya | Gayatri Parmar | Puyam Sobhindro Singh**

**膜科学与分离技术分会，CSIR-中央盐与海洋化学研究所，G.B. Marg，Bhavnagar，古吉拉特邦 364002，印度**

**摘要**

在最小特定能耗（SEC）的运行条件下，对海水淡化过程中单程和双程反渗透（RO）配置进行了全面的能量、熵效率和经济性（3E）评估。双程系统在两次过程中均使用了微咸水反渗透（BWRO）膜，所产生的渗透液盐度显著较低（约180 ppm），尽管所需的能量输入略高。熵分析表明，当施加的水力驱动力与渗透压需求匹配不良时，单程操作的熱力学不可逆性会增加，尤其是在高回收率的情况下。相比之下，双程配置能够在连续的两次过程中重新分配渗透负荷，从而更有效地将提供的电能转化为有用的分离功，并减少与极端压力操作相关的熵产生。虽然这种配置并不能直接降低整体能耗，但它提供了一种定量上稳健的分阶段策略，可以改善渗透液质量和熱力学性能。单位水的平准化成本（LCOW）分别为单程系统和双程系统3.54美元/立方米和4.22美元/立方米，这反映了产品质量提升与系统复杂性增加之间的权衡。重要的是，分阶段分配分离负荷可能在防垢和抗结垢方面提供额外的操作优势，而这些优势在传统的基于能量的评估中未能得到体现。综合的3E分析为评估此类替代配置提供了一个熱力学上一致的框架，并强调了它们在提高工艺可操作性和稳定性方面的潜在作用。这些发现表明，多程RO系统不应仅仅从能效的角度来看待，而应被视为具有长期系统性能重要影响的灵活设计策略。

**引言**

由于人口增长、工业扩张以及气候变化对自然水资源的压力，全球淡水短缺问题日益严重。海水反渗透（SWRO）已成为大规模海水淡化中最广泛采用且能源效率最高的技术，提供了世界上超过一半的淡化水[1]。现代SWRO工厂通常依赖在高压力（55-70巴）下运行的单程高排斥率海水膜，以克服海水的渗透压并获得符合饮用标准的渗透液。

随着对淡化水需求的增加，分离系统在设计上也越来越注重节能[2]。现代淡化工厂在严格的能源预算下运行，水资源行业现在认识到，降低能耗不仅是经济上的优先事项，也是减少碳强度的途径[3]。因此，淡化研究越来越集中在提高渗透率[4]、降低运行压力[5]、增强膜传输特性[5]以及改善工艺级集成[6]上。然而，尽管取得了显著进展，海水淡化仍受到严格的熱力学和操作限制，能效的提高通常是渐进式的。同时，与防垢、结垢和长期操作稳定性相关的挑战仍然至关重要，这促使人们探索超越传统规范的替代系统配置。这需要更深入地审视现有配置，并重新审视那些塑造了主导单程SWRO范式的假设，不仅是从能效的角度，还要考虑系统在实际操作和结垢条件下的熱力学不可逆性管理效果。在过去二十年中，膜渗透率、模块设计、能量回收装置和工艺集成方面的显著改进使得最先进的SWRO系统的特定能耗（SEC）接近热力学最小值[7]。

尽管有这些进步，业界和学术界普遍认为，海水淡化必须使用专用的SWRO膜进行单程处理[8]。这一假设主要源于海水的高渗透压，以及人们认为专为较低盐度设计的微咸水反渗透（BWRO）膜在海水条件下无法产生足够低盐度的渗透液。对单程SWRO系统的广泛偏好不仅源于膜的选择性问题，还与淡化产业的历史发展有关。早期反渗透膜的渗透率有限，需要极高的操作压力，使得基于多程BWRO的方案不可行[9]。然而，随着时间的推移，BWRO膜在性能、耐久性和对进料变化的适应性方面有了显著改进[10]。与SWRO膜相比，BWRO膜具有相对较高的水渗透率和更低的成本，这意味着在某些条件下，多程BWRO膜配置可以通过两个较温和的压力步骤而不是一个极端步骤来有效处理海水盐度。例如，在单程SWRO配置中，膜必须在单步中将盐度从约35,000 ppm降低到约200 ppm。相比之下，双程配置将分离负荷分布在两个阶段：第一阶段将盐度从35,000 ppm降低到约2500 ppm，第二阶段再降低到约200 ppm。除了热力学考虑之外，这种分阶段配置还可能影响流体力学条件、污染物沉积行为和膜应力分布，而这些在传统的单程设计中并未明确考虑。

实际上，即使是传统的单程SWRO系统也很少真正作为单程过程运行[11]。无论是工业应用还是饮用水应用，SWRO单元的渗透液通常都需要额外的精处理步骤来满足严格的质量要求，特别是去除硼[12]、达到超低盐度规格或满足特定工艺的离子限制。在这种情况下，精处理步骤通常指的是在主SWRO单元下游使用的额外的后处理步骤，可能采用BWRO或纳滤（NF）膜。因此，大多数大规模淡化设施实际上已经在多程配置下运行。这一现实进一步表明，有必要重新审视“第一阶段必须使用专用SWRO膜”的假设。特别是如果多程操作已经是实现严格产品质量所必需的，那么探讨是否可以使用BWRO膜在两个阶段中进行操作，可能会带来超出能效考虑的操作优势，包括减少污染倾向、提高稳定性和更灵活的工艺控制。这里讨论的不可逆性主要指的是在大渗透压梯度下膜分离过程中产生的熱力学损失，而不是由泵送、摩擦压降或流动分布引起的流体力学损失。一些初步研究和工业实践表明，使用低压膜的多程淡化可以降低能耗，更均匀地分配渗透负荷，并提供操作灵活性[13][14][15]。然而，科学界缺乏对这些替代方案的严格和基于熱力学的比较。

传统的性能指标，如SEC、渗透通量和盐分去除率，虽然被广泛报道，但并不能全面反映淡化效率。这些指标仅考虑了消耗的能量数量，而没有考虑能量的质量或高压泵、膜、节流阀和压力回收装置中产生的不可逆性[16]。因此，基于能量看似相似的系统在熱力学行为上可能存在显著差异[17]。因此，随着淡化技术复杂性的增加，需要分析框架超越能量平衡，纳入热力学第二定律的基本原理[17]。要全面理解这一问题，需要进行熵分析，这是一种量化系统可获得的最大有用功的工具，并揭示不可逆性产生的位置和方式。虽然SEC提供了单位水产生的能量消耗的总体度量，但熵分析可以区分膜所执行的有用分离功和由于水力摩擦、节流、混合和其他热力学不可逆性而产生的损失。这种逐部分析有助于更深入地理解工艺，并帮助识别改进系统设计和操作效率的机会。熵分析被认为是评估淡化技术的重要手段，但其应用主要集中在单程SWRO和混合热-RO系统[18][19][20]。

最近的熵分析证实，RO系统中大部分机械能输入并不是在产水中损失的，而是在克服进料通道中的粘性摩擦、泵的效率低下以及远高于分离所需的吉布斯自由能所造成的热力学惩罚[21][22]。例如，对全尺寸BWRO工厂的改进熵分析表明，泵和高压管道中可避免的熵损失占总系统损失的很大一部分[22]。这一见解强调，仅仅提高组件级别的效率是不够的；相反，流程级别的优化（如分阶段处理）对于最小化整体不可逆性至关重要。

多程RO配置通过将总渗透负荷分布在多个阶段中来实现这一原理，每个阶段的回收率逐渐增加，进料盐度也逐渐降低[23][24]。通过使施加的压力更接近每个阶段的瞬时渗透-热力学需求，多程系统减少了单程设计中会产生的额外压力惩罚。一项全面的研究比较了单程和多程RO系统，发现最佳分阶段处理可以将SEC降低多达18%，同时减少每单位渗透液产生的熵损失[23]。这是因为每个阶段都在接近其局部热力学极限下运行，从而减少了过度加压相关的不可逆功。Eshoul等人[25]对多程RO系统进行了基于熵的分析。然而，这些研究主要基于工艺模拟或理论模型。此外，大多数关于多程RO配置的先前研究都涉及在第一阶段使用SWRO膜，在第二阶段使用BWRO或精处理膜。因此，尚未对单程SWRO与同时使用BWRO膜的双程系统进行系统评估，这留下了一个重要的知识空白。为了填补这一空白，本研究开发了一个详细的能量、熵效率和经济性（3E）框架，用于评估单程SWRO系统的性能，并将其与同时使用商用BWRO膜的双程配置直接进行比较。这两个系统都没有使用能量回收装置（ERDs）。该分析量化了关键性能指标，包括SEC、每个组件中的熵损失、热力学效率以及渗透液质量，在一系列操作条件下进行了评估。通过在共同的热力学基础上严格评估这两种配置，本研究旨在澄清是否传统上依赖单程SWRO膜在技术上是合理的，或者一个设计良好的双程BWRO策略是否可以作为具有明显热力学和潜在操作优势的替代方案。这项研究得出的见解预计将指导膜的选择、工艺设计和未来的研究方向，同时有助于解决淡化领域关于单程SWRO膜必要性和热力学优势的长期不确定性。

**材料**

本研究中使用的膜未经任何处理即可购买和使用。SWRO膜（LG SW 4040 R）是从韩国LG Water Solutions购买的。BWRO膜（LG BW 400 R和LG CHEM 40-40）也从同一供应商处获得。RO测试装置由印度的Balief Corporation组装，使用了高质量的组件，包括来自印度Grundfos Pumps和荷兰Danfoss的高压泵。测试平台也由Balief Corporation提供。

**泵送系统的效率**

泵送效率定义为泵送系统传递给工作流体的熵与供给泵的电能之比。本系统中使用的高压泵是一种容积式泵，其运行条件的变化主要影响内部泄漏、容积效率和摩擦损失。在本研究中，通过逐步降低泵的频率，从而减少了进料流量，实现了更高的渗透率回收率。

**放大挑战**

将所提出的系统从试点规模放大到全规模淡化厂可能会面临若干实际挑战。在更大规模下，保持多个膜模块之间的均匀水力分布对于避免通道效应和不均匀的膜负载至关重要。将电磁能量回收装置（ERDs）整合到系统中通常对于提高商业规模海水淡化系统的能源效率至关重要，同时也需要对所提出的方案进行仔细的优化。结论：对试点规模的单程和双程反渗透配置（不使用能量回收装置，即ERDs）进行了全面的节能、熵能和经济（3E）评估，特别关注在最低比能耗（SEC）的运行条件下性能之间的权衡。从能源角度来看，单程海水反渗透系统在其最佳运行点显示出更低的比能耗；然而，这……
作者贡献声明：
Bhaumik Sutariya：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿制定，验证，监督，软件，方法论，研究，形式分析，数据管理，概念化。
Govind Amaliar：验证，方法论。
Akshay Kotangale：方法论。
Bipinkumar Baladaniya：撰写 – 原稿制定，软件，数据管理。
Gayatri Parmar：撰写 – 原稿制定，软件，研究，数据管理。
Puyam Sobhindro Singh：资源，项目管理。
利益冲突声明：
作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知财务利益或个人关系。
致谢：
本手稿已获得CSIR-CSMCRI-17/2026号项目编号。作者感谢印度科技部科学和工业研究委员会（CSIR）的财政支持，以完成这项工作。
利益声明：
作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知财务利益或个人关系。