反渗透水处理技术.doc

第一章 反渗透水处理技术第一节 反渗透技术概述1 反渗透的发展历史及其应用反渗透作为一项新型的膜分离技术最早是在1953年由美国C.E Reid 教授在弗罗里达大学首先发现醋酸纤维素类具有良好的半透膜性为标志的。与此同时，美国加利福尼亚大学的Yuster，Loeb和Sourirsjan等对膜材料进行了广泛的筛选工作，采用氯酸镁水溶液为添加剂，经过反复试验研究和试验，终于在1960年首次制成了世界上具有历史意义的高脱盐率（98.6%），高通量（10.1MPa下渗透通量为0.310-3cm/s，合259L/d.m2），膜厚约100m的非对称醋酸纤维反渗透半透膜，大大促进了膜技术的发展。从此，反渗透技术开始作为作为经济实用的苦咸水和海水的淡化技术进入了实用和装置的研制阶段。70年代初期，杜邦公司的芳香族聚酰胺中空纤维反渗透器“Permasep B-9”问世，使反渗透的性能有了大幅度的提高。80年代初，全芳香族聚酰胺复合膜问世，80年代末高脱盐全芳香族聚酰胺复合膜工业化，90年代中超低压高脱盐全芳香族聚酰胺复合膜也开始进入市场，从而为反渗透技术的进一步发展，开辟了广阔的前景。2 我国目前反渗透技术的发展状况我国对反渗透技术的研究始于1965年，1967年1969年在国家科委和国家海洋局组织的海水淡化会战中为醋酸纤维素不对称膜的开发打下了良好的基础。70年代进行了中空纤维和卷式反渗透元件的研究，并于80年代实现了初步的工业化。70年代还曾经对复合膜进行了广泛的研究，后一度停了下来，80年代中重新开始复合膜的开发。经“七五”、“八五”攻关，中试放大成功，我国反渗透技术开始从试验室研究走向工业规模应用。反渗透技术是膜分离技术领域中投资高、难度大的一项技术。首先是原材料的质量很难保证均一和稳定，其次，在制膜、制器工艺和环境条件上也非常严格和苛刻。因此，尽管我国某些反渗透工艺理论技术已接近国际水平，但膜及组件的技术和性能与国外相比仍有较大的差距，复合膜性能比国外同类产品低且还未规模化生产，还有不少路要走。3 我国火电厂反渗透技术的发展及其应用1979年我国在电厂水处理领域开始采用反渗透技术，在以含盐量1000mg/L左右苦咸水作为水源的离子交换补给水处理中取得了良好的效果。80年代又有多家电厂相继采用反渗透作离子交换的预脱盐处理。90年代反渗透技术在电厂水处理锅炉补给水处理系统中已得到广泛应用。2000年以后，随着火电厂节水工作的开展，反渗透技术在海水淡化、电厂循环水排污水回收利用以及城市中水作为火电厂补充水源处理系统中也逐渐得到了应用。第二节 反渗透脱盐原理及渗透理论1 反渗透脱盐的原理在一定的温度下，用一张易透水而难透盐的半透膜将淡水和盐水隔开如图2-1(a)，淡水即透过半透膜向盐水方向移动，随着右室盐水侧液位升高，产生一定的压力，阻止左室淡水向盐水侧移动，最后达到平衡，如图2-1(b)所示。此时的平衡压力称为溶液的渗透压，这种现象称为渗透现象。若在右室盐水侧施加一个超过渗透压的外压如图2-1(c)，右室盐溶液中的水便透过半透膜向左室淡水中移动，使淡水从盐水中分离出来，此现象与渗透现象相反，称反渗透现象。由此可知，反渗透脱盐的依据是半透膜的选择透过性，即有选择地让水透过而不允许盐透过；盐水室的外加压力大于盐水室与淡水室的渗透压力，提供了水从盐水室向淡水室移动的推动力。一些溶液的典型渗透压力见表3-1。表3-1 一些溶液的典型渗透压（25）化合物浓度/(mg/L)渗透压/kPa化合物浓度/(mg/L)渗透压/kPaNaCl350002742.2CaCl2100057.19NaCl100078.55蔗糖10007.23NaHCO3100088.2葡萄糖100013.78Na2SO4100041.34海水320002400MgSO4100024.80苦咸水25000105280MgCl2100066.83上述用于隔离淡水与盐水的半透膜称为反渗透膜。反渗透膜多用高分子材料制成，目前，用于火电厂的反渗透膜多为芳香聚酰胺复合材料制成。(a) (b) (c)图3-反渗透现象图解(a)渗透；(b)渗透平衡；(c)反渗透2 膜渗透理论关于膜的渗透理论，各学派先后提出了多种不同的解释，主要理论有以下几种：氢键理论，优先吸附毛细孔流动理论，扩散-细孔流动理论，细孔理论，溶解扩散理论。（1）氢键理论该理论认为水在透过膜时，首先水分子聚集在醋酸纤维素非结晶性的无定型区，与醋酸纤维素羧基中的氧形成氢键并充满于膜的空隙内。水分子在空隙小的膜空隙中吸密得紧密牢固，在孔径大的膜空隙中则较松弛。溶液中与醋酸纤维素羧基中的氧形成氢键的水分子和具有形成氢键能力的离子、分子，沿膜内氢键位置逐次移动，以扩散的方式在膜内部移动。扩散移动与膜内细孔的形成有关，细孔不易形成，则依靠细孔扩散而进行透过的离子、分子就难以透过膜。水分子在膜内的扩散速度比溶质在膜内的扩散速度要大得多，所以水大量透过而溶质透过数量少得多。这一理论表明，水分子向膜内进入的现象，首先是在醋酸纤维素的无定型区发生。若纤维素的结晶程度高，则水分子不容易进入膜内，而且孔径变小，已进入的水分子越来越密实而牢固地充满膜内，使细孔难以形成，溶质也难以通过细孔扩散透过膜，因此，溶质的透过量就越少。用它可以解释纤维素结晶程度溶质透过量减少的现象。氢键理论是由（Reid）、布雷顿（Breton）等人提出的。（2）优先吸附毛细孔流动理论 索里拉金等人提出的优先吸附毛细孔流动理论其机理如图3-2。以氯化钠水溶液为例，在氯化钠-水-醋酸纤维素体系中，由于膜材料的介电常数比水低以及膜材料具有记性，所以膜的表面是斥盐吸水盐水层水分子层膜图 3-2 优先吸附毛细孔流动机理示意的。盐是负吸附，离子在膜附近受到排斥，水优先吸附在膜的表面，压力使优先吸附的流体通过膜，形成了脱盐过程。根据这个机理，反渗透是由两个因素控制的：表征膜表面附近优先吸附情况的平衡效应；表征溶质和溶剂通过膜孔的流动性的动态效应。平衡效应与膜表面附近呈现的排斥力或吸引力有关；动态效应既与平衡效应有关，又与溶质在膜孔中的位阻效应有关。位阻取决于溶质分子的结构和大小及孔的结构大小。因此，膜表面具有合适的化学性质以及合适的孔径、孔数是顺利进行反渗透的两个必不可缺少的条件。反渗透膜表面层应尽可能地薄，以减少液体流动的阻力，膜的孔结构必须是非堆成的。（3）扩散-细孔流动理论该理论假设水分子和溶质的透膜现象，是以扩散和细孔流动并存为基础的。即水分子、溶质从膜表面进入被水膨润的高分子基体内，再通过扩散移动，最后由膜的另一侧流出，与膜表面接触的溶液穿透膜内通道或细孔的流速与压力成正比。按这种理论可以解释选择性不同的膜，盐透过率不同的现象。水分子或溶质的透过现象，除了受膜特有的水分子，溶质的扩散因素影响外，还受细孔流动因素的影响。对于选择性高的膜，穿过膜内通道或细孔，流到膜的另一侧的溶质量，占膜的总透过水量的比例极小。选择性低的膜，这个比例增大，因而透过液的质量差。水分子的扩散速度也随着膜的选择性不同而不同，但比溶质的扩散速度要大得多。扩散-细孔流动理论是由舍伍德（Sherwood）等人提出的。（4）细孔理论由格卢考夫（Glueckauf）提出的细孔理论，是从膜的细孔和介电常数的观点来说明膜的透过现象。该理论认为，选择性高的膜醋酸纤维素膜有选择地阻止离解度高的溶质透过的原因，是由于醋酸纤维素膜的介电常数低，因而电解质不能进入膜内细孔而被阻留在膜表面。（5）溶质扩散理论溶质扩散理论是朗斯代尔（Lonsdale）、默顿（Merten）等提出的。这种理论把膜当作扩散场来考虑，认为水分子、溶质都可溶解于膜内，并在膜内进行扩散，而压力差与浓度差则是透过膜的推动力。分子在膜内的扩散系数随膜的纤维素酯的乙酰化程度不同而不同。一般溶质的扩散系数比水分子的扩散系数要小得多。含乙酰率高时，扩散系数差变大，溶质的透过率小，透过水质也好。当施加压力大高时，水在膜内移动的速度增快，透过膜的水分子数量也比通过扩散而透过的溶质数量多。用这个原理，可以解释施加压力越高，透过水质越好的现象。对于膜的透过机理，各学派有不同的看法，有些现象单靠一种理论尚不能做出令人满意的解释，目前尚无一种理论能对所有反渗透现象做出圆满的解释，反渗透脱盐的机理还有待进一步研究。第三节 反渗透膜的主要特性1 反渗透膜的主要特性1.1 膜分离的方向性和分离特性实用性反渗透膜均为非对称膜，有表层和支撑层，它具有明显的方向性和选择性。所谓方向性就是将膜表面置于高压盐水中进行脱盐，压力升高膜的透水量、脱盐率也增高；而将膜的支撑层置于高压盐水中，压力升高脱盐率几乎为0，透水量却大大增加。由于膜具有这种方向性，应用时不能反向使用。反渗透对水中离子和有机物的分离特性不尽相同，归纳起来大致有以下几点：（1）有机物比无机物容易分离。（2）电解质比非电解质容易分离。高电荷的电解质更容易分离，其去除率顺序一般如下：Al3+ Fe3+ Ca2+ Na+ PO SOCl-对于非电解质，分子越大越容易去除。（3）无机离子的去除率与离子水合状态中的水合物及水合离子半径有关。水合离子半径越大，越容易被除去，去除率顺序如下：Mg2+、Ca2+ Li+ Na+ K+；F- Cl- Br-NO（4）对极性有机物的分离规律： 醛醇胺酸，叔胺仲胺伯胺，柠檬酸酒石酸苹果酸乳酸醋酸；（5）对异构体： 叔（tert-） 异（iso-） 仲（sec-） 原（pri-）（6）有机物的钠盐分离性能好，而苯酚和苯酚的衍生物则显示了负分离。极性或非极性、离解或非离解的有机溶质的水溶液，当它们进行膜分离时，溶质、溶剂和膜间的相互作用力，决定了膜的选择透过性，这些作用包括静电力、氢键结合力、疏水性和电子转移四种类型。（7）一般溶质对膜的物理性质或传递性质影响都不大，只有酚或某些低分子量有机化合物会使醋酸纤维素在水溶液中膨胀，这些组分的存在，一般会使膜的水通量下降，有时还会下降的很多。（8）硝酸盐、高氯酸盐、氰化物、硫代氰酸盐的脱除效果不如氯化物好，铵盐的脱除效果不如钠盐。（9）而相对分子质量大于150的大多数组分，不管是电解质还是非电解质，都能很好脱除。此外，反渗透膜对芳香烃、环烷烃、烷烃及氯化钠等的分离顺序是不同的。在实际工作中，有许多工作是相互制约的。因此在理论指导的前提下，必须进行试验验证，掌握物质的特性或规律，正确运用反渗透技术，这点是十分重要。1.2 物质迁移系数（k） 高压侧溶液膜透过液JvJsJvJsC2C3C1L液体流动方向图3-3 膜两侧的浓度分布和溶剂溶质透过速度变化示意膜厚极化厚度表示膜高压侧溶液浓度极化的指标。膜分离时溶液透过速度（Jv）、溶质透过速度（Js）和溶质浓度（C）在膜两侧的变化示意如图3-3。由于溶剂透过膜的量远大于溶质透过膜的量，导致膜表面处溶质c2升高，溶液透过速度下降，溶质透过速度增加。由Fick扩散定律可以导出膜两侧浓度有如下关系： (3-1)式中：c1高压侧主体溶液中溶质浓度；Jv溶液透过速度；c2高压侧膜表面处溶质浓度； c3透过液溶质浓度； K物质迁移系数，k=D/L，D为溶质的扩散系数；L为极化层厚度。k 是雷诺数的函数，当其他条件不变时，k与流速关系为k = bun (3-2)式中u高压侧溶液流速； n系数，随装置不同而异，一般为.60.8; b常数，由试验测定。K与温度（T）成指数关系，即kexp(0.005T)。式（3-1）中，当k+时，c2=c1，膜不发生浓差极化；当k为为任一有限正值时，c2c1，即膜表面处浓度大于主体溶液浓度;k值愈小， c2与c1之差值越大，浓差极化越厉害.浓差极化发生后，膜透过性能下降，膜表面可能析出沉淀物.增加水流紊动是减少浓差极化的有效途径之一，也是设计应考虑的重要问题.(1)溶质分离率分离率又称截留率。对于溶液脱盐体系，分离率又称脱盐率或除盐率。由于采用的参比浓度不同，分离率有两种表示形式：1）真实分离率（R）（3-3）2）表观分离率（RE）（3-4）式（3-3）与式（3-4）比较可以看出，真实分离率与表观分离率的不同之处在于，两者参比浓度不同，因c2c1，故RRE。在火电厂水处理系统，常用TDS或电导率带入式（3-3）中，计算反渗透装置的脱盐率。由于c1与c3可以直接测定，因此在现实工业生产中，常用表观分离率来衡量反渗透装置的性能。因此，在无特殊说明时，所称的分离率系指表观分离率。(2)渗透通量与渗透衰减系数 膜渗透通量膜渗透通量又称膜通量，通常用单位时间内通过单位膜面积的溶剂的物量（Jw）。 （3-5）式（3-5）中V为透过液的溶剂或重量；S为膜的有效面积；t为运转时间。工业生产中Jw通常以L/(m2.h)为单位。2）通量衰减系数膜的渗透通量由于过程的浓差极化、膜的压密以及膜孔堵塞等原因将随时间而衰减，用下式可以表示（3-6）式（3-6）中Jt、J1分别膜运转t小时和1小时后的渗透通量；t为运转时间；式（3-6）两边取对数，得到以下线形方程（3-6a）由式（3-6a）通过双对数坐标系作直线，可求得直线的斜率m，即衰减系数。(3)稳定性 膜的稳定性主要指膜本身的水解稳定性和化学稳定性。膜稳定性越好，使用寿命越长。膜的水解稳定性与膜材料和接触的介质性质有关系。温度升高，膜的水解速度会加快。一般水处理用的反渗透膜的最高使用温度为45，工业生产中，一般控制运行温度在25左右，最高可在30左右，不宜在更高的温度下长期使用。氧化剂会对膜造成不可逆的损坏。聚酰胺类复合膜比醋酸纤维膜更容易受到氧化剂的侵蚀。水中的氧化剂有游离氯、次氯酸钠、溶解氧和6价铬等。在工业生产中，膜分离装置允许进水的游离氯的最高含量，醋酸纤维素膜为1mg/L，而芳香聚酰胺类复合膜为0.1mg/L。乙醇、酮、乙醛、酰胺等有机溶剂，对膜有一定的影响，必须防止此类有机物与膜的接触。微生物可以通过酶的作用分解膜的成分，防止微生物的侵蚀，对延长膜的寿命比较重要。此外，运行压力的大小也会影响膜的使用性能。在压力的作用下，膜会产生变形。膜的变形分为弹性变形和分弹性变形。当压力过高时，膜处于非弹性变形范围，将发生不可逆压实，影响膜的使用寿命。相比醋酸纤维膜而言，聚酰胺类复合膜具有高交联结构，因而抗压密能力强，透水性能稳定。不同的膜元件，其耐压极限不同，使用时应查阅相关产品说明书。2 火电厂典型的反渗透膜膜的性能与膜材料的分子结构密切相关，膜主要由高分子材料制成，几种主要的膜材料如表3-2。40年来，醋酸纤维素在膜材料中曾占有十分重要的位置。其主要原因是资源广、无毒、耐氯、价格便宜、制造工艺简单便于工业化生产等优点，此外制得的膜用途广，水渗透率高，截留率也好。尽管具有众多优点，但其抗氧化能力差，易水解，易压密，抗微生物侵蚀性能较弱等。醋酸纤维素的这些缺点，无疑限制了它在某些领域的应用。自聚酰胺复合材料问世以来，复合膜在火电厂水处理领域就很快取代了醋酸纤维素分离膜，占据了反渗透应用领域的主导地位。目前用于火电厂的反渗透膜大多为聚酰胺复合膜。表3-2用于超滤和反渗透膜的主要高分子材料序号类别典型膜的化学组成已制成的膜类型1聚酰胺系芳香族聚酰胺RO、UF、MF脂肪族聚酰胺RO、UF、MF芳香族聚酰胺肼RO聚砜酰胺RO、UF、MF2复合膜表面活性层聚合物系糖醇催化聚合（NS-200）RO糖醇三聚异氰酸三羟乙酯催化聚合（PEC-1000）RO聚乙烯亚胺，间苯二甲酰氯界面缩合（PA-100）RO聚环氧氯丙烷乙二胺，间苯二甲酰氯界面缩合（PA-300）RO均苯三甲酰氯，间苯二胺界面缩聚（FT-30）RO丙烯腈醋酸乙酯共聚物表面等离子体处理RO水合氧化锆聚丙烯酸动态复合RO3芳香杂环聚合物系聚吡嗪酰胺RO聚苯并咪唑RO聚苯并咪唑酮RO聚酰亚胺RO、UF4离型合子聚物磺化聚砜RO、UF磺化聚苯醚RO、UF5乙稀基聚合物和工聚物系聚乙烯醇交联RO、UF、MF聚乙烯醇聚磺化苯乙烯RO聚丙烯酸交联RO聚丙烯腈UF、MF图3-4薄层复合膜断面图超薄脱盐层刚性支撑层支撑织物复合膜的特征是用两种以上膜材料复合而成。从结构上来说，复合膜属于非对称膜的一种，实际只不过是两层的薄皮复合体。它的制法是将极薄的皮层刮至在一种预先制好的微细多孔支撑层上。研究结果表明，由单一材料制成的非对称膜，致密层与支撑层之间并没有一个明显的界限，即存在一个过渡区，膜的压密主要发生在这个区域。而复合膜不存在过度区，因而抗压密能力强。单一材料膜的另一缺点是脱盐率与透水速度相互制约，难以自由控制，因为同种材料很难兼具脱盐与支撑两者均优。复合膜则不同，它用异种材料制成，容易实现制膜材料和制膜工艺的最优化，可以分别针对致密层的功能要求选择一种脱盐性能最优的材料、针对制撑层的功能要求选择另一种机械强度高的材料，从而实现高脱盐率、高渗透通量。此外，复合膜脱盐层可以做的很薄，有利于降低膜的推动压力，降低了能耗。复合膜的这种结构形式，可以实现膜的高脱盐率、高透过性、低推动力、良好的化学稳定性、耐热性和强抗压密能力；复合膜易制成干膜，便于存放。图3-4是复合膜的横断面结构放大示意图。第四节 反渗透水处理装置及影响反渗透系统性能的因素反渗透水处理装置是包括从保安过滤器的进口法兰至反渗透淡水出水法兰之间的整套单元设备。包含保安过滤器、高压泵、反渗透本体装置、电气、仪表及连接管线、电缆等可独立运行的装置。此外包含化学清洗装置和反渗透阻垢剂加药装置，海水脱盐系统中还包含能量回收装置。弹性压紧装置进水出水滤元出水室排污阀图3-5 保安过滤器1 反渗透水处理装置1.1 保安过滤器膜组件为保证反渗透本体的安全运行，即使有良好的预处理系统，仍需要设置精密过滤设备，起安全保障作用，故称之为保安过滤器（也有技术资料中称精密过滤器）。在反渗透系统中，保安过滤器不应作为一般运行过滤器使用，仅应作保安过滤使用，通常设在高压泵之前。保安过滤器有多种结构形式，常用如图3-5所示，滤元固定在隔板上，水自中部进入保安过滤器内，隔板下部出水室引出，杂质被阻留在滤元上。滤元的种类也有多种，常见的有线绕式、熔喷式和碟片式。以线绕式滤元为例，线绕式滤元又称蜂房式滤元，它是由聚丙烯纤维纺成的线，按照一定规律缠绕在聚丙烯多孔管上制成。目前国内生产的线绕式滤元尺寸为65(2501000)mm，其中250mm长的滤芯最大出水量约为1m3/h。反渗透水处理系统选择的过滤精度一般为5m。这种滤元的优点是过滤精度高，制造方便，价格便宜，使用安全，杂质不易穿透，但反洗和化学清洗效果不明显，只能一次性使用，当运行压差达到0.2MPa左右时需要更换滤元。1.2 高压泵反渗透膜运行时，需要经高压泵将水升至规定的压力后送入，才能完成脱盐过程。目前火电厂使用的高压泵有离心式、柱塞式和螺杆式等多种形式，其中，多级离心式水泵使用最广泛。这种泵的特点是效率较高，可以达到90%以上，节省能耗。选择高压泵时，应使泵的扬程、流量和材质符合要求。泵的扬程应根据反渗透组件的操作压力大小及高压泵后沿水流程的阻力损失来计算。泵的材质不仅对泵运行寿命有影响，而且对保证反渗透入口水质有很大关系，一般水泵过流部件选用不锈钢材质，以防止高含盐量和低pH值的原水对钢材发生腐蚀，增加铁对膜的污染。不锈钢材料的应具体根据水质特点选择。1.3 反渗透本体反渗透本体是将反渗透膜组件用管道按照一定排列方式组合、连接而成的组合式水处理单元（图3-6 某火电厂反渗透本体照片）。单个反渗透膜称膜元件，将一只或数只反渗透膜元件按一定技术要求串接，与单只反渗透膜壳组装构成膜组件。（1）膜元件反渗透膜元件由反渗透膜和支撑材料等制成的具有工业使用功能的基本单元。目前在火电厂中应用的主要是卷式膜元件（图3-7 卷式膜元件断面图）。目前各膜制造商针对不同行业用户，生产出多种用途的膜元件。在火电厂应用的膜元件按照水源特点大致可分为：高压海水脱盐反渗透膜元件；低压和超低压苦咸水脱盐反渗透膜元件；抗污染膜元件。表3-3中分别列出了这几种膜的性能参数对比。 表3-3 Filmtec膜元件性能参数表膜元件类型海水膜元件SW30HR系列低压苦咸水膜元件（包含抗污染膜）BW30系列超低压苦咸水膜元件XLE系列进水压力（(bar)25105脱盐率(%)99.799.498.6测定条件膜通量30L/(m2.h)，2000mg/L NaCl溶液，25，pH 78，回收率10%，4英寸长膜元件图3-7 卷式膜元件断面图进水出水淡水淡水刚性支撑层超薄脱盐层支撑织物进水出水（2）膜壳反渗透本体装置中用来装载反渗透膜元件的承压容器称为膜壳，在有些文献中又称“压力容器”。膜壳的外壳一般由环氧玻璃钢布缠绕而成，外刷环氧漆。也有部分生产商的产品为不锈钢材质的膜壳。由于玻璃钢具有较强的耐腐蚀性能，目前，国内大多数火电厂选用玻璃钢材质的膜壳。膜壳的结构见图3-8。在2000年以前膜壳大部分为进口产品，随着生产工艺的提高，目前国内也有不少生产商生产的产品在火电厂得到广泛的应用。表3-4为某公司膜壳产品参数表。表3-4 某生产商的膜壳产品参数表直径(英寸)工作压力MPa(Psi)装填膜元件根数适应膜种类81.05(150)1根7根超低压反渗透膜元件8 2.1 (300) 1根7根低压反渗透膜元件86.9 (1000)1根7根海水反渗透膜元件4150 (1.05)1根4根超低压反渗透膜元件42.1 (300)1根4根低压反渗透膜元件46.9 (1000)1根4根海水反渗透膜元件117161012758691114131543218图3-8 膜壳1外壳；2进水/浓水管；3固定环；4进水/浓水密封；5碟形金属端板；6端板密封；7产品水管；8产品水密封；9固定板；10适配器密封；11紧固螺母；12固定环；13底托；14包箍组件：15包箍螺母；16适配器；17产品水密；18锥形档环1.4 能量回收装置反渗透海水淡化系统中，由于排放浓水压力还很高，为了节约系统能耗，应进行能量回收，高压泵结合能量回收装置为反渗透提供正常运行的压力。能量回收装置分三种形式：佩尔顿能量回收装置、涡轮式能量回收装置和以及PX 能量回收装置。（1）佩尔顿能量回收装置工作原理是反渗透的高压浓水进入佩尔顿回收装置，进行能量交换后，其能量传递给高压泵，再经过高压泵提升压力至海水反渗透装置所需的运行压力。佩尔顿能量回收装置只接触反渗透的浓水部分。图3-9 佩尔顿能量回收装置原理图，图3-10 某公司佩尔顿能量回收装置图片。膜组件淡水浓水佩尔顿能量回收装置高压泵电机原水浓水图3-9佩尔顿能量回收装置原理图 图3-10某公司佩尔顿能量回收装置图片（2）涡轮式能量回收装置工作原理是原水经高压泵增压后，进入涡轮式能量回收装置，与经反渗透的高压浓水进行能量交换后，使原水的进一步增压至海水反渗透装置所需的运行压力。涡轮式能量回收装置接触原水与浓水。图3-11 涡轮式能量回收装置原理图，图3-12 涡轮式佩尔顿能量回收装置图片。图3-11 涡轮式能量回收装置原理图图3-12 涡轮式佩尔顿能量回收装置图片。（3）PX能量回收装置工作原理是进入反渗透装置的原水分成2 路，一路是4045%的水量通过高压泵增压至反渗透的运行压力，另外一路5560%的水量通过PX 装置进行能量交换，使给水的压力增加接近反渗透的运行压力，不足部分由增压泵升压补偿达到与高压泵出口相同的压力。图3-13 涡轮式能量回收装置原理图，图3-14涡轮式佩尔顿能量回收装置图片。膜组件淡水浓水浓水PX能量回收装置高压泵增压泵原水图3-13 PX能量回收装置原理图 图3-14 PX能量回收装置图片因PX能量回收装置运行费用低、能量转换率高、多个串联可承受无限制的流量、维护量少及装置占地面积小等优点，目前，在国内海水反渗透淡化系统有一定的应用业绩。1.5 阻垢剂加药装置反渗透的工作过程中，原水逐步得到浓缩，而最终成为浓水，浓水经浓缩后各种离子浓度将成倍增加。自然水源中Ca2+ 、Mg2+、 Ba2+、 Sr2+、 HCO、 SO、SiO2 等倾向于产生结垢的离子浓度积一般都小于其平衡常数，所以不会有结垢出现，但经浓缩后，各种离子的浓度积都有可能大大超过平衡常数，因此会产生严重的结垢。为防止结垢现象的发生，在反渗透系统中通常需要通过阻垢剂加药装置向系统中加入阻垢剂。1.6 化学清洗加药装置反渗透膜元件内的膜片在长期的运行过程中，会受到无机盐垢、微生物、胶体颗粒和不溶性有机物的污染，这些污染物沉积在膜表面会导致反渗透装置产水量和系统脱盐率下降。因此，在膜受到污染后，需要对反渗透装置进行化学清洗。化学清洗装置详细介绍见本章第七节。2 影响反渗透水处理系统性能的因素及技术术语针对特定的系统条件，水通量和脱盐率是反渗透膜的特性，而影响反渗透本体的水通量和脱盐率因素较多，主要包括压力、温度、回收率、进水含盐量和pH值等影响因素。2.1 技术术语反渗透本体1段膜组件2段膜组件膜元件膜壳 图3-15 一级二段反渗透水处理装置系统图为便于理解，我们结合图3-15对反渗透系统关键技术术语定义如下。（1）浓水反渗透水处理装置运行过程中形成的浓缩的高含盐量水，QC（m3/h）。（2）淡水反渗透水处理装置的产水，Qp（m3/h）。（3）回收率水流量占进水流量的百分比，计算公式4-1。（4-1） 式中Y 回收率，%；Qf Qf 进水流量，m3/h； Qp淡水流量，m3/h；（4）脱盐率反渗透水处理装置除去的盐量占进水含盐量的百分比，用来表征反渗透水处理装置的除盐效率。在工业生产过程中，反渗透水处理装置的脱盐率有两种计算方法，一种是将水中的含盐量代入公式计算，另一种是将水的电导率代入公式计算，计算公式（式4-2）。（4-2） 式中R脱盐率；%； Cp淡水含盐量，mg/L（s/cm）； Cf原水含盐量，mg/L（s/cm）；（5）段反渗透膜组件按浓水的流程串接的阶数。图4-1反渗透水处理装置为两段。（6）级反渗透膜组件按淡水的流程串联的阶数，表示对水利用反渗透膜进行重复脱盐处理的次数。图4-1系统为一级反渗透水处理装置系统，若增设一套反渗透水处理装置对其淡水进行再次处理，则新增设的反渗透脱盐装置称为二级反渗透水处理装置（7）产水通量又称膜渗透通量或膜通量，指单位反渗透膜面积在单位时间内透过的水量，L/(m2.h)。（8）背压反渗透膜组件淡水侧压力与进水侧压力的压力差，Mpa。2.2 影响反渗透水处理系统性能的因素（1）压力的影响脱盐率反渗透进水压力直接影响反渗透膜的膜通量和脱盐率。如图3-16所示，膜通量的增加与反渗透进水压力呈直线关系；脱盐率与进水压力成线性关系，但压力达到一定值后，脱盐率变化曲线趋于平缓，脱盐率不再增加。产水通量压力图3-16压力对膜通量和脱盐率影响趋势图（2）温度影响如图3-17所示，脱盐率随反渗透进水温度的升高而降低。而产水通量则几乎呈线性地增大。主要是因为，温度升高，水分子的粘度下降，扩散能力强，因而产水通量升高；随着温度的提高，盐分透过反渗透膜的速度也会加快，因而脱盐率会降低。脱盐率(通量一定)温度产水通量(压力一定)图3-17温度对膜通量和脱盐率影响趋势图原水温度是反渗透系统设计的一个重要参考指标。如某电厂在进行反渗透工程技改时，设计时原水水温按25计算，计算出来的进水压力为1.6MPa，而系统实际运行时水温只有8，进水压力必须提高至2.0MPa才能保证淡水的设计流量。导致的后果是，系统运行能耗增加，反渗透装置膜组件内部密封圈寿命变短，增大了设备的维护量。（3）含盐量的影响 水中盐浓度是影响膜渗透压的重要指标，随着进水含盐量的增加，膜渗透压也增大。图3-18所示，在反渗透进水压力不变的情况下，进水含盐量增加，因渗透压的增加抵销了部分进水推动力，因而通量变低，同时脱盐率也变低。（4）回收率的影响反渗透系统回收率的提高，会使膜元件进水沿水流方向的含盐量更高，从而导致膜渗透压增大，这将抵消反渗透进水压力的推动作用，从而使降低了产水通量。膜元件进水含盐量的增大，使淡水中的含盐量随之增加，从而降低了脱盐率。如图3-19回收率对膜通量和脱盐率影响的趋势。在系统设计中，反渗透系统最大回收率并不取决于取决于渗透压的限制，往往取决于原水中的盐分的成分和含量大小，因为随着回收率的提高，微溶盐类如碳酸钙、硫酸钙和硅等在浓缩过程中会发生结垢现象。含盐量产水通量(压力一定)图3-18含盐量对膜通量和脱盐率影响趋势图图3-19回收率对膜通量和脱盐率影响趋势图图3-20pH值对膜通量和脱盐率影响趋势图脱盐率(压力一定)脱盐率(压力一定)脱盐率(压力一定)产水通量(压力一定)脱盐率(压力一定)产水通量(压力一定)回收率pH值（5）pH值的影响不同种类的膜元件适用的pH值范围差别较大，如醋酸纤维膜在pH 值48的范围内产水通量和脱盐率趋于稳定，在pH值低于4或高于8的区间内，受影响较大。目前工业水处理使用的膜材料绝大多数为复合材料，适应的pH值范围较宽（连续运行情况下pH值可以控制在310的范围），在此范围内的膜通量和脱盐率相对稳定，如图3-20 所示。第五节 反渗透预处理的方法反渗透膜过滤方式与滤床式过滤器过滤不同，滤床是全过滤方式，即原水全部通过滤层。而反渗透膜过滤是横流过滤方式（如图3-21 反渗透膜横向过滤示意图），即原水中的一部分水沿与膜垂直方向透过膜，此时盐类和各种污染物被膜截流下来，并被沿膜与膜面平行方向流动的剩余的另一部分原水携带出，但污染物并不能完全带出，随着时间的推移，残留的污染物会会使膜元件污染加重，而且原水污染物及回收率越高，膜污染越快。原水浓水反渗透膜淡水图3-21 反渗透膜横向过滤示意图适宜的水处理方案取决于水源。目前火电厂用于反渗透处理的水源大致可分为：地下深井水、地表水（系指水库、江河水）、废水（包括城市中水用于火电厂补充水、火电厂自身产生的废水，如循环水排污水）和海水，这几种水源的预处理工艺要区别对待。通常情况下，地下深井水水质稳定，污染可能性低，仅需要简单的预处理，如设置细沙过滤和加阻垢剂即可。相反，当火电厂采用城市中水作为补充水源时，预处理工艺则比较复杂。城市中水中含有复杂的有机和无机成分，有时工业有机物可能会严重影响反渗透膜的使用寿命，引起产水量严重下降和膜的降解，因此必须设计更加周全的预处理系统。在工程实践中，不同的原水水质，最终确定的预处理工艺各不相同；另外，即使原水水质相近，最终确定的工艺流程也未必相同。无论采取何种预处理工艺，最终目标是通过经济可靠的处理工艺的将反渗透装置进水污染物浓度控制在一个较低的水平，以满足反渗透装置的进水要求见表3-5。表3-5 反渗透膜元件对进水水质的要求水源类型地表水地下水海水废水SDI(淤泥密度指数)5.04.04.05.0浊度1.0NTU1.0NTU1.0NTU1.0NTU游离氯复合膜 0.1mg/LpH311温度 30其它有些膜元件对化学耗氧量和铁也有一定的要求COD(KMnO4法)1.5mg/L Fe10000mg/L），可根据斯蒂夫和大卫饱和指数（S&DSI）大小判断。当LSI或S&DSI为正值时，水中CaCO3就会沉淀。LSI和S&DS的计算公式见式5-1和5-2。 (5-1) (5-2)式中： LSI朗格利尔指数； S&DSI斯蒂夫和大卫饱和指数； pH运行温度下，水的实测pH值；pHs对应运行温度下，CaCO3饱和时水的pH值。l 硫酸盐结垢判断水中某硫酸盐是否沉淀，可以通过该硫酸盐离子浓度积（IPb）的与其溶度积（Ksp）比较来进行判断：当IPbKsp时，则有可能生成硫酸盐垢；当IPbKsp时，没有硫酸盐结垢倾向。预处理系统中，常见防止结垢的措施主要有加药、水质软化。（1）加药1）加酸调整pH值由式5-1和5-2知，为防止CaCO3沉淀，通常方法是加酸降低水中pH值，使LSI或S&DSI值小于或等于零，CaCO3无法在膜表面上沉淀出来。在苦咸水系统中，一般采用盐酸调整水的pH值，而海水反渗透系统，一般加入硫酸进行pH值调整。2）加阻垢剂阻垢剂可以用于控制碳酸盐垢、硫酸盐垢、氟化钙垢和硅垢，通常有三类阻垢剂：六偏磷酸钠（SHMP）、有机磷酸盐和多聚炳烯酸盐。六偏磷酸钠（SHMP）能少量吸附于微晶体的表面，组织结垢晶体的进一步生长和沉淀。但六偏磷酸钠的最大弱点不稳定，在水中易发生水解，降低了足够效率。六偏磷酸钠在火电厂早期的反渗透系统曾得到广泛应用的一种阻垢剂，通常与加酸pH调整联合使用。聚合有机阻垢剂是目前在火电厂反渗透系统使用最为广泛的阻垢剂，针对不同的原水水质，产品开发商开发出适应不同水质特点的多类产品。聚合有机阻垢剂具有以下特点：l 具有极佳的溶解性和稳定性；l 在很宽的pH值范围内有效；l 在不加酸的情况下，能够在LSI较高的条件下有效地控制CaCO3结垢；l 能够在很大的范围内CaSO4、BaSO4、SrSO4等的结垢倾向；l 不会造成环境污染。例如，某公司聚合有机型反渗透阻垢剂性能参数如下：LSI最大允许值：3.2；CaSO4离子浓度积（IPb）最大允许值：10倍溶度积（Ksp）；BaSO4离子浓度积（IPb）最大允许值：2500倍溶度积（Ksp）；SrSO4离子浓度积（IPb）最大允许值：1200倍溶度积（Ksp）；pH值使用范围：510；加药量：3-5mg/L （不同水质，可由药剂公司提供的加药计算软件根据原水水质计算确定）对于海水反渗透系统，由于回收率比较低（30%45%），结垢问题没有苦咸水中那么突出，但为安全起见，在工程实践中，当回收率高于35%时，往往使用阻垢剂。在实际生产中发现，有些聚合有机性阻垢剂遇到阳离子聚合电解质或多架阳离子时，可能会发生沉淀反应，所产生的胶状反应物造成保安过滤器滤元更换频繁，更有甚者造成膜元件的污染，这些污染物通过化学清洗也难以去除。因此，在选择阻垢剂时，应进行生产试验进行严格筛选。早期进入市场上的聚合有机阻垢剂大都为国外产品，目前市场上也出现了大量国内厂家生产的产品。由于阻垢剂在反渗透系统中至关重要，许多大的膜生产商也把阻垢剂选型作为产品性能担保的条件，为慎重起见，建议用户在选择阻垢剂时，应与膜供应商或工程承包方沟通，避免影响其对反渗透膜的产品性能担保和售后技术服务。正规的反渗透透阻垢剂生产商除了能够提供相关机构的检测证书外，通常能够为用户提供计算软件，以便当水质恶化时，用户能够通过计算，即时调整加药量，以保证系统运行稳定。（2）水质软化随着火电厂节水措施的加强，反渗透逐步在废水处理上得到应用。当原水水质比较恶劣时，靠加酸和加阻垢剂也无法控制水中盐类结垢时，则需要对原水采取软化处理。用于反渗透预处理的软化工艺包括石灰软化、钠软化和弱酸阳树脂软化。1）石灰软化石灰软化主要可以去除碳酸盐硬度，同时也能够显著降低钡、锶和有机物含量。另外，采用石灰碳酸钠联合处理的工艺，不但可以降低非碳酸盐硬度，还可以进一步降低水中SiO2的浓度。目前，火电厂在城市中水和高浓缩倍率循环水排污水作为反渗透系统水源时，多用石灰处理工艺。2）钠软化Na+离子软化器能够去除水中的结垢阳离子如：Ca2+、Ba2+和Sr2+。采用钠离子软化器软化是消除各种碳酸盐硬度和硫酸盐硬度，是非常有效和保险的阻垢方法，但需要相当高的NaCl消耗，存在环境污染问题，运行也不经济，在大型常规反渗透水处理系统中很少应用，仅对特殊水源才考虑此软化工艺。3）弱酸软化调节阀稳压阀压力表压膜器进水出水图3-22 SDI测量原理图对于重碳酸根含量很高的原水，可采用弱酸软化脱除水中碱度，它能够实现部分软化已达到节省再生剂的目的。由于弱酸树脂的饱和度在运行时会发生变化，其出水pH值将在3.56.5的范围内变化，这种周期性的pH值的变化，会影响反渗透系统的脱盐率。采用弱酸阳树脂软化时，通常需要在弱酸软化出水投加NaOH调整pH值，或并联弱酸软化器在不同时间进行再生，以均匀弱酸软化出水pH值。3 胶体和固体颗粒污染的控制胶体和颗粒污堵会严重影响反渗透膜元件的性能，如大幅度降低淡水产量，有时也会降低脱盐率，胶体和颗粒污染的初期症状是反渗透膜组件进出水压差增加。判断反渗透膜元件进水胶体和颗粒最通用的办法是测量水中的SDI值，有时也称FI值（污染指数），它是监测反渗透预处理系统运行情况的重要指标之一。 SDI（淤泥密度指数）是以单位时间内水滤过速度的变化来表示水质的污染性。水中胶体和颗粒物的多少会影响SDI大小。SDI值可用SDI仪来测定，见图3-22（SDI测量原理图）。图中压膜器内的微孔滤膜过滤器直径为47mm，有效过滤直径42mm，微孔滤膜为47mm，膜孔径为0.45m。测定方法如下：（1）测定器材：SDI测定仪、微孔滤膜（直径47mm、孔径为0.45m）、500mL量筒、秒表和镊子；（2）测定步骤：1）用镊子将滤膜装入压膜器内；2）调整调节阀、稳压阀，在压力为0.21MPa的条件下，记录开始时过滤500mL水样所需的时间t0，min；3） 在供水压力0.21MPa的条件下，连续过滤15min后，继续测量过滤500mL水样所需的时间t1，min；4） 根据测定的t0、t1带入式（5-3）计算 (5-3)反渗透进水中的胶体和颗粒物种类很多，通常有粘土、胶体贵、细菌和铁的腐蚀产物，防止方法也有多种，主要方法有：混凝澄清、石灰处理、砂滤、超滤和微滤以及滤芯过滤，这些处理技术可在本教材其他章节或单独查阅相关的文献获得，这里不再一一介绍。4 膜微生物污染控制原水中微生物主要包括：细菌、藻类、真菌、病毒和其他高等生物。反渗透过程中，微生物伴随水中溶解性营养物质会在膜元件内不断浓缩和富集，成为形成生物膜的理想环境与过程。反渗透膜元件的生物污染，将会严重影响反渗透系统的性能，出现反渗透组件间的进出口压差迅速增加，导致膜元件产水量下降，有时产水侧会出现生物污染，导致产品水受污