反渗透技术问题.doc

一、反渗透膜工作原理1.渗透、渗透压和反渗透对透过的物质具有选择性的薄膜称为半透膜，一般将只能透过溶剂而不能透过溶质的薄膜称之为理想半透膜。当把相同体积的稀溶液（例如淡水）和浓溶液（例如盐水）分别置于半透膜的两侧时，稀溶液中的溶剂将自然穿过半透膜而自发地向浓溶液一侧流动，这一现象称为渗透（Osmosis）。当渗透达到平衡时，浓溶液侧的液面会比稀溶液的液面高出一定高度，即形成一个压差，此压差即为渗透压（Osmotic presssure）。若在浓溶液一侧施加一个大于渗透压的压力时，溶剂的流动方向将与原来的渗透方向相反，开始从浓溶液向稀溶液一侧流动，这一过程称为反渗透（Reverse Osmosis,简称RO）。反渗透是渗透的一种反向迁移运动，是一种在压力驱动下，借助于半透膜的选择截留作用将溶液中的溶质与溶剂分开的分离方法，它已广泛应用于各种液体的提纯与浓缩，其中最普遍的应用实例便是在水处理工艺中，用反渗透技术将原水中的无机离子、细菌、病毒、有机物及胶体等杂质去除，以获得高质量的纯净水。 半透膜 半透膜 渗透压 溶质溶剂 溶 剂 溶质溶剂 溶 剂 初始状态 渗透及渗透平衡状态 半透膜 加 压 溶剂 溶剂 溶质溶剂 溶 剂 反渗透状态渗透压的大小取决于溶液的固有性质，即与浓溶液的种类、浓度和温度有关而与半透膜的性质无关。通常可用下式计算渗透压。=CRT (1-1)渗透压，大气压C浓度差，摩尔/升R气体常数，等于0.08206*大气压/摩尔*KT绝对温度K上式是应用热力学推导出来的，因此只对稀薄溶液才是准确的。C为水中离子的溶度，若为非电解质则为分子的浓度。2 . 反渗透膜的种类及其结构特点2.1 反渗透膜的种类反渗透膜的种类很多，分类方法也很多。按膜材料的化学组成大致可分为：醋酸纤维膜、芳香聚酰胺膜和复合膜。2.2 膜性能表示法通常所说的膜性能是指膜的物化稳定性和膜的分离透过特性。膜的物化稳定性的主要指标有：膜材料、膜允许使用的最高压力、温度范围、适用的PH值范围以及对有机溶剂等化学药品的抵抗性，有时尚需说明对某些物质如水中游离氯或氧化性物质的最高允许浓度。膜的分离透过特性的主要指标是：脱盐率、产水率及流量衰减系数。2.3 醋酸纤维膜（CA）从化学上讲，醋酸纤维素（Cellulose Acetate简称CA）是一种羟基聚合物，它一般是用纤维素经酯化生成三醋酸纤维，再经过二次水解成一、二、三醋酸纤维的混合物。醋酸纤维膜的性能与其乙酰基含量有着密切的关系，作为膜材质的醋酸纤维中的乙酰基含量愈高，则脱盐性能愈好，但产水量愈小。为了均衡脱盐性能和透水性能，一般选择乙酰基含量为37.5-40.1%的醋酸纤维。由于醋酸纤维素是一种酯类，所以它会发生水解，水解的结果将降低乙酰基的含量，使膜的性能受到损害，同时膜也更易受到生物的侵袭。2.4 芳香聚酰胺膜(PA)以聚酰胺为材料制成的反渗透膜。聚酰胺膜的透水速度及抗压密能力比醋酸纤维素膜强出许多。2.5 复合膜复合膜的特征是用两种以上膜材料复合而成。例如在超滤膜（作多孔支撑层）上生成表皮层，这种膜同样具有非对称结构。这里，超滤膜起增强机械强度作用，表皮层起脱盐作用。2.6复合膜与醋酸纤维膜的性能对比复合膜与醋酸纤维膜相比，其性能上的差异主要有：复合膜的化学稳定性好，醋酸纤维膜不可避免地会发生水解。复合膜的生物稳定性好，不受微生物侵袭，而醋酸纤维膜易受微生物侵袭。复合膜的产水量不随使用时间而改变，而醋酸纤维膜随时间的延长产水量不断下降。复合膜的脱盐率不随时间而改变，而醋酸纤维膜由于不可避免的水解，脱盐率会不断下降。醋酸纤维膜的寿命一般仅三年，而复合膜有些已使用五年，性能仍完好如初。二、反渗透膜元件1、膜元件种类及主要特点1.1 膜元件种类及主要特点目前已经投入商业使用的膜元件主要有四种基本形式：管式、平板式、中空纤维式及卷式。在反渗透技术刚刚起步时，主要采用的是管式及平板式膜元件。但以这两种膜元件设计的反渗透系统初始投资高，而且膜的填充密度低（管式膜元件尤其低），也只因如此他们仅可用于高污染给水的处理。卷式膜元件是把两层膜背对背粘接起来形成一个膜袋，然后将多个膜袋卷绕到多孔产水管上形成的，利用该膜元件组成的系统具有投资少，耗电省等优点。卷式膜元件是工业系统中应用最普遍的一种膜元件，而且研制发展速度很快。单个膜元件脱盐率最高已达99.7%。2、卷式膜元件卷式膜元件是美国Gulf General Atomic公司（UOP的前身）受美国内务部盐水局（OSW）委托于1964年首先开发出来的一种新型的膜元件，它的基本结构如图2所示，它的水流图如图3所示。卷式膜元件中所采用的膜为平面膜，为了便于产品水在膜袋内流动，在信封状的半透膜袋之内夹有产品水通道织物层。RO系统运行时，原水中一部分水沿与膜垂直的方向通过膜，此时盐类和胶体物质将在膜表面浓缩，剩余一部分原水则沿与膜平行的方向将浓缩的物质带走。膜元件的水通量越大，回收率越高则其膜表面浓缩的程度越高，膜表面处的物质浓度与主体水流中物质浓度不同，这种现象称为浓差极化，由于浓差极化的发生。从而导致渗透压增大，产水量下降，盐透过率增大等一系列不良后果。因而在卷式膜元件中装有给水通道隔网以增加给水浓水通道的紊乱程度，进而减少浓差极化的发生。卷式膜元件的主要规格参数有外形尺寸、有效膜面积、产水量、脱盐率、操作压力及最高操作压力、最高使用温度和进水水质要求等。3、常用膜元件的型号及其意义 3.1 FILMTEC膜元件的型号及其意义TW 30365 有效膜面积(平方英尺) FT30膜元件系列 TW：自来水 BW：苦咸水 SW：海水3.2 常用膜元件的主要性能及规格型 号膜面积ft2(m2)产水量(M3/D)最低脱盐率（%）BW30365365（33.9）31-1799.5%BW30400400（37.2）35-1999.5%三、影响反渗透膜性能的因素产水通量和脱除率是反渗透过程中的关键参数，针对特定系统条件，水通量和脱除率是膜的本征特性，而膜系统的水通量和脱除率则主要受压力、温度、回收率、进水含盐量和pH值影响。本文将对这些关键术语给出定义并扼要介绍影响反渗透性能的因素，如操作压力、温度、进水含盐量、产水回收率和系统pH值。1.概念回收率指膜系统中给水转化成为产水或透过液的百分率。膜系统的设计是基于预设的进水水质而定的，设置在浓水管道上的浓水阀可以调节并设定回收率。回收率常常希望最大化以便获得最大的产水量，但是应该以膜系统内不会因盐类等杂质的过饱和发生沉淀为它的极限值。脱盐率通过反渗透膜从系统进水中除去总可溶性的杂质浓度的百分率。透盐率脱盐率的相反值，它是进水中溶解性的杂质成份透过膜的百分率。渗透液经过膜系统产生的净化产水。流量流量是指进入膜元件的进水流率，常以每小时立方米数(m3/h)或每分钟加仑数表示(gpm)。浓水流量是指离开膜元件系统的未透过膜的那部分的“进水”流量。这部分浓水含有从原水水源带入的可溶性的组份，常以每小时立方米数(m3/h)或每分钟加仑数表示(gpm)。通量单位膜面积上透过液的流率，通常以每小时每平方米升数(L/m2h)或每天每平方英尺加仑数表示(gfd)。浓水未透过膜的那部分溶液，如反渗透系统的浓缩水。2.压力的影响进水压力影响RO膜的产水通量和脱盐率，我们知道渗透是指水分子从稀溶液侧透过膜进入浓溶液侧的流动，反渗透技术即在进水水流侧施加操作压力以克服自然渗透压。当高于渗透压的操作压力施加在浓溶液侧时，水分子自然渗透的流动方向就会被逆转，部分进水(浓溶液)通过膜成为稀溶液侧的净化产水。正如图21所示，透过膜的水通量增加与进水压力的增加存在直线关系，增加进水压力也增加了脱盐率，但是两者间的变化关系没有线性关系，而且达到一定程度后脱盐率将不再增加。由于RO膜对进水中的溶解性盐类不可能绝对完美地截留，总有一定量的透过量，随着压力的增加，因为膜透过水的速率比传递盐分的速率快，这种透盐率的增加得到迅速地克服。但是，通过增加进水压力提高盐分的排除率有上限限制，正如图21脱盐率曲线的平坦部分所示那样，超过一定的压力值，脱盐率不再增加，某些盐分还会与水分子耦合一同透过膜。 图21 进水压力对通量和脱盐率的作用 图22 进水温度对通量和脱盐率的作用 3.温度的影响 如图22所示，膜系统产水电导对进水温度的变化非常敏感，随着水温的增加，水通量几乎线性地增大，这主要归功于透过膜的水分子的粘度下降、扩散能力增加。增加水温会导致脱盐率降低或透盐率增加，这主要是因为盐分透过膜的扩散速率会因温度的提高而加快所致。膜元件能够承受高温的能力增加了其操作范围，这对清洗操作也很重要，因为可以采用更强烈和更快的清洗程序。 4.盐浓度的影响渗透压是水中所含盐分或有机物浓度和种类的函数，盐浓度增加，渗透压也增加，因此需要逆转自然渗透流动方向的进水驱动压力大小主要取决于进水中的含盐量。图23表明，如果压力保持恒定，含盐量越高，通量就越低，渗透压的增加抵销了进水推动力，同时如图23所示，水通量降低，增加了透过膜的盐通量(降低了脱盐率)。5.回收率的影响通过对进水施加压力当浓溶液和稀溶液间的自然渗透流动方向被逆转时，实现反渗透过程。如果回收率增加(进水压力恒定)，残留在原水中的含盐量更高，自然渗透压将不断增加直至与施加的压力相同，这将抵销进水压力的推动作用，减慢或停止反渗透过程，使渗透通量降低或甚至停止(参见图25)。RO系统最大可能回收率并不一定取决于渗透压的限制，往往取决于原水中的含盐量和它们在膜面上要发生沉淀的倾向，最常见的微溶盐类是碳酸钙、硫酸钙和硅，应该采用原水化学处理方法阻止盐类因膜的浓缩过程引发的结垢。6.pH值的影响各种反渗透膜元件适用的pH值范围相差很大，象FILMTECFT30这样的超薄复合反渗透膜与醋酸纤维素反渗透膜相比，在更宽广的pH值范围内更稳定，因而，具有更宽的操作范围(请见图23)。膜脱盐率特性取决于pH值，水通量也会受到影响，图26表明FILMTECFT30膜在宽广的pH范围内水通量和脱盐率相当稳定。正如图23所示的那样，与醋酸纤维素膜相比，FT30在很宽的pH范围内所具有的稳定性允许我们采用更强烈、更快和更有效的化学清洗程序。增 加产水量透盐率有效压力温度回收率进水含盐量 注 表示增加；表示降低。四、反渗透装置的安装1、压力容器1.1 压力容器的构造无论何种膜元件都必须装入压力容器中方可使用，由于每种膜元件本身的尺寸大小是不一样的，因而用于装填膜元件的压力容器尺寸也就不一样。以压力容器的直径为例，常见的就有2.5英寸、4英寸、8英寸等种类，但是每种压力容器的构造却都大同小异。图4为8”压力容器的内部示意图：图4 反渗透压力容器内部示意图在每一个压力容器内，既可以只安装一个膜元件，也可以安装几个膜元件，以FILMTEC公司的压力容器为例，在每个压力容器中就可以安装1-6个膜元件。在膜元件与膜元件之间采用内连接件连接，膜元件与压力容器端口采用支承板、密封板、锁环等支承密封。图5是压力容器部件图：2、膜元件安装的大致程序：A 膜元件的安装检查容器内部有无划伤或不完善的地方。腐蚀产物或外部杂质（包括润滑油过量）应该被清理出去。用清水冲洗容器以除去所有尘土和颗粒。用约50%的甘油水混合物来润滑容器内部，最好用合适尺寸的拖把沾取混合物后来润滑。该步骤可使膜元件的装载更为容易，同时也减少了容器内壁被擦伤的可能性。把第一个膜元件装入压力容器的进水端，元件端部留几寸在容器外以便连接下一个膜元件。用少量润滑剂润滑连接器的0环。把要装入的下一个膜元件与前一个对齐，并把它组装到已于前一个膜元件连接好的连接器上。把这两个膜元件推入容器，直到只留有几寸在容器外头为止。重复上述步骤直到装入所有膜元件。注意：在最后一个膜元件安装完毕后，所有膜元件都必须再向前推，使最前端的膜元件头位于下表及图所示的尺寸D处。不要把膜元件向前推的太过头，如果那样的话要想再往回推就很困难了。将适配器安到压力容器两端的膜元件产品水管上。五、反渗透装置的清洗1、清洗的判断即使在正常运行情况下，反渗透膜也会逐渐被浓水中的无机物、微生物、金属氢氧化物、胶体和不溶有机物等所污染，当膜表面沉积物积累到一定程度后，产水量和脱盐率就会下降到某一限值。一般，当反渗透装置出现下列情况之一时，则需要考虑对反渗透装置进行清洗，以恢复正常工作能力。标准化的淡水产量下降了10%15%。标准化的脱盐率下降了1015%。为了维持正常的产品水流量，经温度校正后的进水压力增加了10%15%。已证实装置内部有严重污染物或结垢物。RO装置长期停用前。RO装置的例行维护。判断是否对反渗透系统实施清洗前，还应综合考试以下一些可能产生上述现象的其他原因；操作压力下降，如压力控制装置失灵和高压泵出现异常等引起压力下降；进水温度降低，如加热器故障、寒潮或季节变化引起温度降低；进水含量升高，如海水倒灌等引起含盐量升高；预处理异常。2、常见污染物和清洗液配方常见的反渗透膜元件中的污染物主要有CaCO3、CaSO4、金属氧化物、硅沉积物、有机物和生物粘泥。在阻垢剂投加系统或加酸系统出现故障时，CaCO3有可能沉积在膜元件中。应将CaCO3消除在萌芽状态,以免长大的晶体损伤膜表面。如早期发现了CaCO3,可采取降低进水pH值至3.05.0之间运行1-2h的方法除去。对于沉淀时间较长的CaCO3垢，则应采取化学清洗的方法进行循环清洗或者是通宵浸泡。应确保清洗液的pH值不低于2.0和不超过10.0，否则会造成膜的永久性损坏，特别是温度较高时更应注意。当清洗液pH值超过上述范围，可用氨水或H2SO4、HCL调节。膜的污染是一个渐变过程，任其发展，终将损坏膜元件或降低其性能。所以应在早期采取措施，消除污染物。不同的污染物会对膜造成不同程度的损害，不同的污染物应该用不同的清洗液。表1-1列出常见污染物对复合膜性能影响的特征和清洗液配方。配制清洗剂的水应不含游离氯。3、清洗步骤用专用清洗系统进行清洗，清洗过程中所用水应不含游离氯。清洗方式有静态浸泡和循环清洗等。静泡即用清洗液浸泡膜，时间视污染程度差别较大，大致为1-15h。循环清洗一般步骤是：用泵将产品水从药剂配制箱（或其他水源）打入压力容器中并排放几分钟。用产品水在药剂配制箱中配制清洗液。用清洗液对压力容器循环清洗1h或达到预定时间。清洗流量约为100m3/h。这时，清洗压降较大，一般控制不超过0.10-0.14MPa/每根膜元件或0.41MPa/每根膜组件。为了避免清洗剂被稀释，可打开浓水阀门，先排出系统积