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美国陆军在他们的军事行动期间采用了新一代的水质净化技术：在饮用水净化设备中使用超滤预处理技术。本文对这一技术及其工作方式进行了介绍。
德克萨斯州的机械设备公司（MECO）设计了一种轻量净水机（LWP），该设备可以很容易地运输到偏远地区，将任何水源地的水（包括非常混浊的地表水、含盐水和海水）净化成安全的饮用水。该轻量净水机还可用于净化含有核物质、生物物质和化学试剂的水。美国陆军已将这一先进的膜净水技术用于其高机动性的军事行动中。
新型轻量净水机非常轻，四个士兵就可以抬起来；该设备安装简便，两个人就可以进行安装，45分钟之后就可以用从河、湖、池塘和海洋中生产出饮用水。整个系统可以放在HMMWV（高机动多用途轮式车）的货舱内进行运输，由中型起重机或军事直升机搬运。过去，海水淡化系统适用的海水盐度为35000 ppm，而在中东地区，海水盐度高得多，阿拉伯海湾地区可达45000 ppm，而沙漠中的水盐度可达60000 ppm。MECO特别测试了每台轻量净水机，以证明其能够处理盐度达60000 ppm的水，那么系统就可以处理世界任何地区任何水源地的水。
如果水源为淡水或含盐水，这种紧凑的轻量净水设备的产水量为125加仑/小时，当水源为海水时，出水量为75加仑/小时，都足够一个连/营的人使用。 （图片）
当水源为淡水或盐水时，这种紧凑型轻量净水设备的产水量为125加仑/小时；
水源为海水，出水量为75加仑/小时，都足够现场一个连/营的人使用。 饮用水处理技术的发展
自从MECO公司在60多年前为美国军方设计制造可移动的水处理系统起，水的过滤技术已经取得了巨大进展。
新型轻量净水机使用了两种膜过滤技术：在反渗透膜处理前用超滤膜进行预处理。这一设计取代了美国陆军以前所采用的上一代饮用水处理设备：用多介质过滤器（MMF）和一次性筒式过滤器进行反渗透前的预处理。
MMF和筒式过滤器存在几个问题。最基本的问题是，它们只能去除1-5微米的悬浮固体，某些微粒会穿透薄膜，从而很快导致反渗透膜的污染。
另一个问题是，筒式过滤器需要频繁的更换，某些情况下通常要每半小时一次。这一问题不仅仅是替换所需的人工问题，在战争条件下向偏远地区不断运输零部件，困难重重，而且相当危险。
反渗透前的超滤预处理
轻量净水机所采用的超滤膜工艺避免了不断更换和供应一次性过滤器的麻烦。每个系统使用三个Koch Membrane Systems（KMS）公司的ROMICON?ROMIPURE?超滤滤筒。直径为5英寸的滤筒内装有内径为35密耳（约0.889毫米）的中空纤维。滤膜和滤壳都采用聚砜材料制成，这是一种高强度的热塑性聚合物，具有优异的化学稳定性。
ROMIPURE超滤膜的截留分子量为10万道尔顿，可以连续生产出浊度小于0.1NTU的滤液，过滤效率是MMF和筒式过滤器的十倍多。
超滤膜可以去除混浊的悬浮固体、细菌和其他微生物，这些物质存在于给水中，会污染下游的超滤膜。滤出水质量的提高延长了反渗透膜的使用寿命，也延长了反渗透清洗的时间间隔。
超滤预处理不仅可以防止反渗透膜的污染，ROMIPURE滤筒还能减轻和防止它们自身的污染。中空纤维滤筒在过滤过程中由内向外过滤（图1）。给水（截留液）流经中空纤维的中心，滤出水（透过水）透过纤维壁到达纤维膜的外侧。给水的这种切线式流动可以横扫薄膜表面，防止了膜的污染。（图片）
图1. 进水在膜表面上的切线流动减轻了ROMIPURE超滤膜的污染 ROMIPURE中空纤维的几何形状决定了它们具有较大的膜表面积。这种高填料密度在较小的空间和功率（轻量净水机的两大主要优势）下，可以过滤大量的水。
一台柴油发动机驱动的高压泵在1200 psi的压力下，从超滤模块上一个40加仑的滤液储罐中抽水供给反渗透模块。滤液储罐用于超滤膜的反洗和快速冲洗，同时保证高压泵的连续运转。
反渗透生产纯水
反渗透模块由KMs公司生产的7个FLUID SYSTEMS®TFC®螺旋形反渗透元件组成。这些膜元件带有一层专有的复合聚酰胺薄膜，可以提高过滤效率，降低成本。压力容器由钛制成。
General Atomics（GA）公司在1986年开发了一种螺旋缠绕的反渗透元件，并申请了专利。GA于1974年出售了其流体系统部门，该部门最终成为KMS公司的一部分。KMS是世界上反渗透海水淡化元件的领先供应商之一，在红海、阿拉伯海湾、加勒比海、地中海和全球各大洋拥有大规模的海水淡化设施。该公司的紧凑型TFC?反渗透元件在船艇和钻井平台上也有大量应用。
KMS反渗透膜可以去除溶解的和悬浮的物质，包括有机物和无机盐。只有5埃（0.0005微米）范围内的分子或切割（截留）分子量为100的分子可以通过反渗透膜。
无需化学清洗的可靠过滤
在现场应用之前，MECO和KMS公司制造了7个原型系统，并由美国陆军进行了严格且详细的测试，包括5000小时的运转时间和装在HMMWV后车厢内1600英里的跨国运输。这一设计和测试程序使系统得以重要改进。例如，MECO与KMS合作设计了一个能够承受几次冷冻-解冻循环的系统，这远远超出大多数净水系统的环境需求。
“KMS的薄膜可以很好的防止污染。”MECO公司政府业务发展经理John Klie说，“我们与KMS的工程师紧密合作，开发了一种自动反冲洗工艺，可以省去化学清洗操作。在我们所调查并测试的多家供应商中，只有KMS提供的解决方案不需要使用辅助的空气冲洗设备来清洗薄膜。”
工艺简化最大的好处是水的味道更好了，因为化学品用得更少了。“轻量净水机生产出的水非常可口。”Klie说，“我们以前就发现，传统系统的问题是氯化处理过多，最终生产出的水有一种“游泳池”的味道。这种轻量净水机的自动加氯系统消除了这一问题，因此生产出的饮用水与商业瓶装水味道非常相似。”
经济的解决方案
轻量净水机在伊拉克是一种非常经济的解决方案，在这里，瓶装水的成本高达5美元/加仑。传统的第一代净水系统生产出的水成本大约为1美元/加仑，其中包括一次性过滤器、化学试剂和燃油的成本。轻量净水机可以生产出7美分/加仑的水，这主要是系统运转所需柴油和膜清洗用化学试剂的成本。
MECO公司的轻量净水机安装有KMS公司的超滤膜和反渗透膜，为特种兵和其他偏远地区的军事行动提供了一种独立自给的净水方法，终结了困难重重、昂贵且危险的供水方式。
John McArdle
Director Business Development
Koch Membrane Systems
Email: info@kochmembrane.com
www.kochmembrane.com
8/6/2010
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