反渗透膜.doc

1反渗透膜简介反渗透膜是一种模拟生物半透膜制成的具有一定特性的人工半透膜，它采用醋酸纤维素膜、芳香族聚酰肼膜、芳香族聚酰胺膜等高分子材料制成，表面微孔的直径一般在0.510 nm 之间，其透过性大小与膜本身的化学结构有关。反渗透膜有非对称膜和均相膜两种结构，当前产业领域所使用的膜材料主要有醋酸纤维素和芳香聚酰胺类。醋酸纤维素膜（CA 膜）为疏松的白色小粒或纤维碎粉状物，无臭、无味、无毒，对光稳定，吸湿性强，是目前研究最多的反渗透膜材料。缺点：由于其分子链中的-COOR 的存在，使其在较高的温度和酸碱条件下易发生水解，碱式或酸式水解会使乙酰基消失。因此单纯CA 材料的使用受到一定的限制。人们采用共混改性和化学改性技术以得到性能更优良的反渗透膜。芳香族聚酰胺膜（PA 膜）具有物化稳定性，耐强碱、油酯、有机溶剂，机械强度好等优点，因此在膜工业得到了广泛的应用。缺点：由于PA 膜在pH610 的环境运行时具有带电性，容易使水中颗粒在膜表面沉积，降低使用寿命，为了完善PA 的制膜性能，通常需对其进行改性。壳聚糖类膜（Cs 膜）由甲壳素分子脱去乙酰基得到的，其来源广泛，带有强的羟基、氨基，成膜性、生物相容性好，易对其进行化学改性，用于反渗透法制纯水由于自身分子结构的特点可与水分子形成较强的氢键, 并且它对碱土金属离子的脱除能力很强，因此较CA 膜和聚酰胺膜更优越，被认为是一种极有潜力的膜材料，在国际上受到广泛的关注。Cs反渗透膜具有较高的通量和选择性，对二价金属盐有比较好的脱除效果。由于Cs 膜能耐强碱，交联后又耐酸，不易繁衍微生物，常作为硬水软化的反渗透膜，但耐酸性能差。聚苯类反渗透膜如聚苯并咪唑（PBI）、聚苯醚（PPO）等因其材料耐高温、耐酸碱等性能，也受到人们的广泛关注，通过改性可获得性能比较优良的膜材料。反渗透膜组件可应用于纯水制备和水处理行业中的分离、浓缩、纯化等化工单元操作，组件主要分为中空纤维式、卷式、板框式和管式，其中又以中空纤维和卷式膜组件使用最为广泛。历经50 多年的研究开发及产业化过程，反渗透（RO）海水淡化膜及膜组件性能得到了大幅提高，已经可以实现高达99.8%的脱盐率，而产水量更可提高23 倍多。1.1卷式反渗透（RO）膜20 世纪60 年代，Francis 等首次制备了聚酰胺/醋酸纤维素复合RO 膜，随后又发现聚砜更适合作为支撑层材料，从而制成了更具化学稳定性、耐候性、耐压性的聚酰胺/ 聚砜复合RO 膜，并逐步实现了工业应用。目前世界海水淡化领域使用的卷式膜元件主要有日本东丽TM820 系列，标准脱盐率99.75%，产水量25 m3/d，清洗液适用范围宽（pH=112）。卷式RO 膜的主要优点是填装密度大、使用操作简便、行业标准较统一，卷式膜组件是目前世界上使用最广泛的膜应用形式，国外已有日产水量10 万吨级的反渗透海水淡化装置，正在运行的大型卷式膜海水淡化装置的单机日产水量可达6000 m3。1.2 中空纤维RO 膜作为海水淡化的分离元件，中空纤维RO 膜的应用起始于20 世纪60 年代中期1963 年，美国道化学公司以三醋酸纤维素为原料，用湿法仿丝工艺制备出反渗透中空纤维膜；其后，杜邦公司以“尼龙66”为原料制备反渗透中空纤维膜，并制成B-5 反渗透器组件用于苦咸水脱盐。三醋酸纤维素中空纤维RO 膜由于具有显著的耐高压、耐氯气特性，因此它主要应用于温度较高、具有封闭性且微生物繁殖明显的海域。2 RO膜在海水淡化中的应用比较2.1 RO 膜的结构性能比较2.1.1 卷式RO 膜卷式RO 膜元件所用的膜通常直接涂刮在聚酯无纺布增强材料上，将两张这种膜背面之间放入一张透过液（产水）格网，然后将两张膜的3 条边用环氧或聚氨酯粘合剂密封，第4 条边开口形成好似一只仅装一片产水隔网的信封装的膜对。这个膜对的开口端与打孔的塑料或不锈钢的中心产水集水管连接。在每两个膜对直接插入聚丙烯之类的导流网，最后将其卷在中心产水收集管上形成膜卷。与中空纤维膜组件相比，卷式膜元件的堆砌密度低，但它对进水预处理的要求不像中空纤维膜组件那么严格。卷式反渗透膜元件目前多是由陶氏、海德能、日东电工和东丽等数家美、日生产商生产的，多用复合膜制成，且以直径8 英寸的规格居多，一般产水量约20 m3/d。2.1.2 中空纤维RO 膜中空纤维反渗透膜组件类似列管式换热器，由许多根中空纤维捆束形成一种圆柱形纤维束，置入一根圆筒状耐压容器中，或者将纤维束弯曲成U 形后放入耐压容器中。高压进水可从中空纤维外壁周围穿过管壁进入管内，从纤维管内收集淡水；也可以将高压进水引入纤维管内，水沿着管内壁周边径向穿过管壁达到管外，从纤维管外收集淡水。中空纤维膜组件的优点有：位体积中膜的比表面积大，组件可以小型化；无支撑体，中空纤维本身可以受压而不破裂；单元回收率高；设备结构紧凑，制造费用低。缺点是：膜表面去污困难，料液需经严格预处理；中空纤维膜一旦损坏无法更换，换膜费用高。中空纤维膜组件直径约10 英寸，脱盐率为99.8%左右。2.2 优缺点比较卷式膜系统设备造价相对便宜，但由于其流道较窄，抗污染能力较弱，对预处理的要求较高，工艺流程较为复杂。中空纤维膜对污染严重海域的海水更具耐受性，使用寿命长，所用药剂少，易维护。中空纤维RO 膜和卷式RO 膜的优缺点比较如下表1 所示。通过对中空纤维RO 膜与卷式RO 膜的结构性能比较可知，中空纤维膜的制膜成本较高，但中空纤维膜的表面积约为卷式膜的10 倍，堵塞几率小，使用寿命长，节省建设和运行费用。与卷式膜相比，中空纤维膜具有卓越的投入与产出比。3新型反渗透膜的研究进展聚酰胺膜存在抗氧化性、耐污染性差等问题，为了应对反渗透应用领域的扩展，一些新型反渗透膜也被广泛研究。3.1无机反渗透膜无机膜作为一种近期新型的膜材料，已广泛应用于气体分离及渗透气化过程中，无机膜特有的孔道结构及统一的孔径大小，具备提高反渗透膜通量及截留性能的潜力。与传统的聚合物膜相比，具有耐高温、化学稳定性好、力学强度高、抗污染能力强、不易老化等优点。目前已商品化的陶瓷膜主要有分子筛膜、Al2O3膜、TiO2膜、SiO2膜、ZrO2膜等。分子筛膜通常是采用水热合成法在多孔无机支撑膜上成型，支撑层一般不会对反渗透过程的通量和截留率有影响，但是分子筛膜的厚度会对通量有很大影响，需控制在微米级别。反渗透膜的最新发展包含无机膜，尤其是分子筛膜。理论上讲，无机膜可以获得很高的离子截留性能。但无机膜成本较高，制造条件苛刻，工业化获得完全无缺陷且高通量的超薄陶瓷膜困难很大，限制了无机反渗透膜的发展。3.2无机杂化反渗透复合膜无机杂化反渗透聚酰胺膜，一方面无机纳米材料提供的埃米级孔道为水分子提供了快速通道，同时屏蔽体积更大的离子，从而实现海水淡化，例如沸石、碳纳米管、石墨烯等纳米材料能够形成直径nm以下的水分子通道；另一方面通过无机纳米粒子的添加， 调控膜结构进而提升膜的性能，例如添加纳米TiO2、氧化石墨烯、银粒子等。3.3有机复合反渗透膜目前新型有机膜的制备还处在初级阶段，层层自组装法制备的聚电解质有机膜所用材料耐溶剂性能好，膜的厚度可控制在几百纳米，在膜分离领域具有一定的发展前景，但是水通量有待提高。4 RO/LX 除盐系统RO/LX 除盐工艺是反渗透预除盐(RO)/二级离子除盐工艺，在原有的生水加热器和二级离子除盐系统增加反渗透系统。生水加热器反渗透处理技术的核心是膜质量和预处理水平。与传统的离子除盐的水处理技术相比, 具有如下的特点:分离过程中不用加热, 无相变化, 能耗少;设备紧凑, 占地少;操作简单, 适用性强, 易于实现自动化, 提高劳动生产率;出水水质稳定合格;耗酸碱量降低, 废水排放量少, 大大减少了环境污染;RO/ LX 系统与LX 系统经济效益比较而言, 增加反渗透处理不但使水质大大改善, 而且经济效益也十分明显。5反渗透膜的污染及其化学清洗5.1常见的反渗透膜污染物污染物中最常见是：碳酸钙、硫酸钙、硫酸钡、硫酸锶沉淀, 金属(铁、锰、铜、镍、铝等)氧化物沉淀、硅沉积物、无机或有机沉淀混合物；天然有机物、合成有机物(如:阻垢剂 分散剂, 阳离子聚合电解质)；微生物(藻类、霉菌、真菌)等。5 .2 反渗透膜污染物的成因5 .2 .1对流沉积反渗透膜过滤是一个“错流分离”过程, 纯水穿过膜孔, 而含有各种污染粒子的浓水高速流过膜表面, 膜对粒子的吸附叫“对流沉积” , 它是反渗透膜污染的主要原因。5 .2 .2浓差极化浓差极化会加快膜的污染。因为浓差极化造成邻近膜表面溶质的浓度快速升高, 引起边界层流体阻力增加(或局部渗透压增加), 导致传质推动力下降, 产生污垢沉积。5 .2 .3截流物阻挡截流物加快了膜的污染。例如, 螺旋卷式膜及平面板式膜的料液流道间有一层塑料隔网, 起支撑膜和增大湍流的作用, 但同时也造成截流, 污染物受隔网阻挡, 迅速沉积下来。5.3反渗透膜的化学清洗反渗透膜的清洗方法分为物理清洗(例如:低压冲洗、反洗等)、化学清洗、物理化学清洗, 其中化学清洗使用得最为广泛。5.3.1反渗透膜污染物质的分析可采用以下几种分析方法:1)分析反渗透系统运行记录;2)分析原水水质;3)检查前几次的清洗效果;4)分析测定SDI 值的微孔滤膜面上所截留的污物;5)分析保安过滤器滤芯上的沉积物;6)检查进水管内表面及膜元件的进出水端面,如为红棕色, 则表示可能已发生铁的污染;泥状或胶状沉积物通常为微生物或有机物污染。5 .3.2反渗透膜化学清洗药品的选择酸性清洗可用于去除反渗透膜上沉积的无机盐垢, 碱性清洗可用于去除有机物和胶体污物,典型的程序是先采用酸性清洗, 去除无机污染物, 然后再采用碱性清洗, 去除有机污染物。对于清洗液的具体配方如下：5.3.3pH 值、温度和清洗时间对清洗效果的影响酸性清洗时适当的维持清洗液的pH 值在较低的范围, 碱性清洗时适当维持清洗液的pH 值在较高的范