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第九讲纯净水生产设备 1 2 3 9 1纯净水与矿泉水的标准9 1 1纯水是指化学纯度极高的水 其主要应用在生物 化学化工 冶金 宇航 电力等领域 但其对水质纯度要求相当高 一般应用最普遍的还是电子工业 例如电力系统所用的纯水 要求各杂质含量低达到 微克 升 级 高纯水的国家标准为 GB1146 1 89至GB1146 11 89 4 9 1纯净水的标准与用途9 1 2瓶装饮用纯净水以符合生活饮用水水质标准的水为原料 通过电渗析法 离子交换法 反渗透法 蒸馏法及其他适当的加工方法 去除水中的矿物质 有机成分 有害物质及微生物等加工制得的密封在容器中 并且不含任何添加物 可直接饮用的水 瓶装饮用纯净水 标准GB17323 1998 瓶装饮用纯净水卫生标准 GB17324 1998 5 9 1纯净水与矿泉水的标准与用途9 1 3饮用天然矿泉水从地下深处自然涌出的或经人工揭露的 未受污染的地下矿水 含有一定量的矿物盐 微量元素或二氧化碳气体 在通常情况下 其化学成分 流量 水温等动态在天然波动范围内相对稳定 GB8537 2008 6 9 2生产工艺路线9 2 1一级反渗透 7 9 2生产工艺路线9 2 2二级反渗透 二级反渗透膜 8 9 2生产工艺路线9 2 3矿泉水生产工艺路线 9 9 2生产工艺路线2 4医药用水生产工艺路线 10 9 2生产工艺路线2 5酿造 制奶 饮料水生产工艺路线 11 9 3纯净水与矿泉水的主要生产设备9 3 1机械过滤器机械过滤器也称为压力式过滤器 是纯水制备前期预处理 水净化系统的重要组成部分 材质有钢制衬胶或不锈钢 根据过滤介质的不同分为天然石英砂过滤器 多介质过滤器 活性炭过滤器 锰砂过滤器等 机械过滤器主要是利用填料来降低水中浊度 截留除区水中悬浮物 有机物 胶质颗粒 微生物 氯嗅味及部分重金属离子 使给水得到净化的水处理传统方法之一 主要用于离子交换 电渗析 反渗透等工序的前处理 以满足深度处理进水水质的要求 12 9 3纯净水与矿泉水的主要生产设备9 3 1机械过滤器 2 滤料 石英砂 去除水中悬浮的颗粒物质 改善出水的浊度 锰砂 去除水中铁 锰 活性炭 用于去除色 味 余氯和有机物 13 9 3主要生产设备9 3 1机械过滤器 3 过滤罐安装结构 填料布置方式 配件等 14 3 纯净水与矿泉水的主要生产设备3 1多介质过滤器 石英砂过滤器 3 1 4过滤罐安装结构 15 3 纯净水与矿泉水的主要生产设备3 1多介质过滤器 石英砂过滤器 3 1 4过滤罐安装结构 16 3 纯净水与矿泉水的主要生产设备3 1多介质过滤器 石英砂过滤器 3 1 4过滤罐安装结构 17 3 纯净水与矿泉水的主要生产设备3 1多介质过滤器 石英砂过滤器 3 1 4过滤罐安装结构 18 19 3 纯净水与矿泉水的主要生产设备3 1多介质过滤器 石英砂过滤器 3 1 4过滤罐安装结构 20 3 过滤罐安装结构 填料布置方式 配件等 21 4 运行模式过滤 反冲洗 正冲洗 过滤 22 5 规格与工作参数 23 9 3纯净水与矿泉水的主要生产设备9 3 1多介质过滤器 石英砂过滤器 5 规格与工作参数 24 9 3纯净水与矿泉水的主要生产设备9 3 2除锰除铁过滤器我国有丰富的地下水资源 其中有不少地下水源含有过量的铁和锰 称为含铁含锰地下水 水中含铁量较高时 水有铁腥味 影响水的口味 作为造纸 纺织 印染 化工和皮革精致等生产用水 会降低产品质量 含铁水可使家庭用具如瓷盆和浴缸发生锈斑 洗涤衣物会出现黄色或棕黄色斑渍 铁质沉淀物Fe2O3会滋长铁细菌 阻塞管道 有时会出现红水 而含锰量较高的水所发生的问题与含铁量高的情况相类似 例如 使水有色 嗅 味 损害纺织 造纸 酿造 食品等工业产品的质量 家用器具会污染成棕色或黑色 洗涤衣物会有微黑色或浅灰色斑渍 为此我国 生活饮用水卫生标准 GB5749 85 规定 铁 锰浓度分别不得超过0 3mg L和0 1mg L 超过标准的原水须经除铁除锰处理 25 9 3纯净水与矿泉水的主要生产设备9 3 2除锰除铁过滤器 天然锰砂是一种很强的氧化剂 能对水中二价铁起氧化作用 常用于饮用水除铁 除锰过滤装置 地下水除铁除锰净化水质使用 MnO235 46 密度 3 6g cm3Fe 20 左右SiO2 17 20 26 9 3纯净水与矿泉水的主要生产设备9 3 2除锰除铁过滤器 27 9 3纯净水与矿泉水的主要生产设备9 3 2除锰除铁过滤器 原理将含铁 锰 地下水经曝气后 水中铁 锰 开始氧化 当水流经锰砂或特制石英砂滤层过滤时 由于滤料的化学作用及滤料表面的铁 锰 细菌 多芽胞绣菌 含铁嘉氏铁杆菌 单细胞铁细菌及锈色披毛菌等 的生物化学作用 在滤料层中开始发生生物化学反应 接触氧化反应及物理截留吸附等作用 这些过程的共同作用可大大加快水中铁 锰 的氧化 固化和去除 从而达到预期的效果 除铁除锰过滤器采用接触氧化法 即采用射流器向深井水泵吸入口加入空气 经水气混合后 水中的二价铁即被氧化成三价铁 再经过过滤器内滤料 锰砂或石英砂 的过滤吸附 三价铁被截留在过滤层中 从而达到除铁 除锰的目的 28 9 3纯净水与矿泉水的主要生产设备9 3 2除锰除铁过滤器 工艺流程 1 当地下水中含铁浓度在5 10mg L 含锰浓度在1 2mg L时 或地下水中仅含铁而不含锰时 含铁浓度10mg L左右时 可采用曝气 单级除铁除锰滤器工艺流程 深井 深井泵 充氧曝气器 除铁锰净水器 水塔 2 若地下水中铁 锰含量较高时 即铁大于10mg L 锰大于时2 0mg L 宜采用曝气 双级除铁除锰工艺流程 深井 压力泵 充氧曝气器 一级除铁除锰净水器 二级除铁除锰净水器 水池 29 9 3纯净水与矿泉水的主要生产设备9 3 2除锰除铁过滤器 技术指标 1 处理能力为120 2400t d 根据生产需要处理能力可适当提高到2500t d 2 原水含铁量小于15mg L时 进水要求 3 连续操作或间歇操作 4 滤速为8 12m h 反冲洗强度15l cm2 30 9 3纯净水与矿泉水的主要生产设备9 3 2除锰除铁过滤器 技术指标 KTS TM型除铁除锰装置工作状态为压力式 水流自上而下 滤速6 8m h 反冲洗强度18L s m2 滤料为天然锰砂 粒径0 6 1 2mm 厚度1000 1200mm 支撑层为锰矿石和卵石 31 9 3纯净水与矿泉水的主要生产设备9 3 3精密过滤器 原理采用成型的滤材 在压力的作用下 使原液通过滤材 滤渣留在管壁上 滤液透过滤材流出 从而达到过滤的目的 为防止水中颗粒状杂质进入高压泵 并且保证膜不被损伤 确保其优良的脱盐性能 特在RO装置前设置保安滤器 精密过滤器经常作为电渗析 离子交换 反渗透 超滤等装置的保安过滤器使用 32 9 3 3精密过滤器 滤芯 溶喷式 滤芯是由聚丙烯材料经高温熔融 喷射成纤维丝到特殊的滤芯成形机上而形成的一种连续式滤芯 33 9 3 3精密过滤器 滤芯脱脂棉滤芯 34 9 3 3精密过滤器 装配方式 35 9 3 3精密过滤器 装配方式 待过滤液体由滤器进口压入 经滤芯自外向里透过滤层而被过滤成清澄液体 然后经出口排出 杂质被截留在滤芯的深层及表面 从而液体被达到过滤的目的 36 9 3 3精密过滤器 装配方式 主要技术参数过滤精度 0 1 100 m处理量 0 5 200m3 h最高工作压力 0 6MPa最高工作温度 80 C滤芯规格 长度内径外径 37 9 3 3精密过滤器 安装 1 彻底清洗过滤器壳体 2 外壳进出口与过滤系统管路相连 连接时注意方向 确保滤芯为外侧进水 内侧出水状态 3 将滤芯开口一端的塑料袋打开 检查O形圈是否完好 就位 4 用合适的的湿润剂 例如水 湿润O形圈和滤芯座插孔 5 手握滤芯靠近O形圈的一端 垂直将滤芯插口完全插入滤芯座插孔 6 将所有的滤芯插好后 去掉滤芯包装袋 再扣上压板固定 然后将金属罩壳安装好 7 打开外壳顶部的放气阀 8 稍微打开入口阀 使液体进入壳体 直到液体从壳体顶部的放气阀益出 此时关闭放气阀 9 缓慢调节打开下游出口阀 直至完全打开 10 缓慢调节打开入口阀 直至完全打开此时过滤器上 下游之间的压力降为0 02Mpa 确定流量下的初始压降 38 9 3 3精密过滤器 保护与维修1 滤芯属宜损件 需特别保护 2 当精密过滤器工作一段时间后 过滤器滤芯拦载了一量的杂质 这时压力降增大 流速会下降 需及时清除过滤器内的杂质 同时要清洗滤芯 3 在清除杂质时 特别注意精密滤芯 不得变形或损坏 否则 再装上去的滤芯 过滤后介质的纯度达不到设计要求 4 某些精密滤芯 不能多次反复使用 如袋式滤芯 聚丙烯滤芯等 5 如发现滤芯变形或损坏 需马上更换 39 9 3 4反渗透装置早在1950年美国科学家DR S Sourirajan有一回无意中发现海鸥在海上飞行时从海面啜起一大口海水 隔了几秒后吐出一小口的海水 他由此而产生疑问 陆地上由肺呼吸的动物是绝对无法饮用高盐份的海水 那为什么海鸥就可以饮用海水呢 这位科学家把海鸥带回了实验室 经过解剖发现在海鸥囔嗉位置有一层薄膜 该薄膜构造非常精密 海鸥正是利用了这薄膜把海水过滤为可饮用的淡水 而含有杂质及高浓缩盐份的海水则吐出嘴外 这就是以后逆渗透法 ReverseOsmosis简称R O 的基本理论架构 40 9 3 4反渗透装置反渗透法最早使用于美国太空人将尿液回收为纯水使用 医学界还以反渗透法的技术用来洗肾 血液透析 反渗透膜可以将重金属 农药 细菌 病毒 杂质等彻底分离 整个工作原理均采用物理法 不添加任何杀菌剂和化学物质 所以不会发生化学变相 反渗透膜并不分离溶解氧 所以通过此法生产得出的纯水是活水 喝起来清甜可口 41 9 3 4反渗透装置 工作原理当纯水和盐水被理想半透膜隔开 理想半透膜只允许水通过而阻止盐通过 此时膜纯水侧的水会自发地通过半透膜流入盐水一侧 这种现象称为渗透 若在膜的盐水侧施加压力 那么水的自发流动将受到抑制而减慢 当施加的压力达到某一数值时 水通过膜的净流量等于零 这个压力称为渗透压力 当施加在膜盐水侧的压力大于渗透压力时 水的流向就会逆转 此时 盐水中的水将流入纯水侧 上述现象就是水的反渗透 RO 处理的基本原理 42 9 3 4反渗透装置 工作原理运用特制的高压水泵 将原水加至6 20kg cm2 使原水在压力的作用下渗透过纳米级孔径的反渗透膜 化学离子和细菌 真菌 病毒体不能通过 随废水排出 只允许体积小于0 1纳米的水分子和离子通过 纯净水 蒸馏水等制备 酒类制造 医药 电子等行业用水的前期制备 化工工艺的浓缩 分离 提纯及配水制备 43 3 3反渗透装置3 3 1工作原理运用特制的高压水泵 将原水加至6 20kg cm2 使原水在压力的作用下渗透过纳米级孔径的反渗透膜 化学离子和细菌 真菌 病毒体不能通过 随废水排出 只允许体积小于0 1纳米的水分子和通过 纯净水 蒸馏水等制备 酒类制造及降度用水 医药 电子等行业用水的前期制备 化工工艺的浓缩 分离 提纯及配水制备 44 3 3反渗透装置3 3 2产品图例 产品图例 45 3 3反渗透装置3 3 2产品图例 产品图例 产品图例 46 9 3 4反渗透装置 反渗透膜材料 1 醋酸纤维素膜 简称CA膜 该膜总厚度约为100 m 全表皮层的厚度约为0 25 m 表皮层中布满微孔 孔径约0 5 1nm 故可以滤除极细的粒子 而多孔支撑层中的孔径很大 约有几百纳米 故该种不对称结构的膜又称为非对称膜 在反渗透操作中 醋酸纤维素膜只有表皮层与高压原水接触才能达到预期的脱盐效果 决不能倒置 47 9 3 4反渗透装置 反渗透膜材料 2 聚酰胺复合膜是由一层聚酯无纺织物作支持层 由于聚酯无纺织物非常不规则并且太疏松 不适合作为盐屏障层的底层 因而将微孔工程塑料聚砜浇铸在无纺织物表面上 聚枫层表面的孔控制在大约15nm 屏障层采用高交联度的芳香聚酰胺 厚度大约在200nm 高交联度芳香聚酰胺由苯三酰氯和苯二胺聚合而成 由于这种膜是由三层不同材料复合而成故称为复合膜 48 9 3 4反渗透装置 主要技术指标 1 脱盐率和透盐率脱盐率 1 产水含盐量 进水含盐量 100 透盐率 100 脱盐率反渗透对不同物质的脱除率主要由物质的结构和分子量决定 对高价离子及复杂单价离子的脱除率可以超过99 对单价离子如 钠离子 钾离子 氯离子的脱除率稍低 但也超过了98 对分子量大于100的有机物脱除率也可达到98 但对分子量小于100的有机物脱除率较低 49 9 3 4反渗透装置 主要技术指标 1 脱盐率和透盐率 50 3 3反渗透装置3 3 5主要技术指标 2 产水量 水通量 产水量 水通量 指反渗透系统的产能 即单位时间内透过膜水量 通常用吨 h或加仑 d来表示 渗透流率 单位膜面积上透过液的流率 通常用加仑每平方英尺每天 GFD 表示 过高的渗透流率将导致垂直于膜表面的水流速加快 加剧膜污染 51 9 3 4反渗透装置 主要技术指标 2 产水量 52 9 3 4反渗透装置 主要技术指标 3 回收率回收率 膜系统中给水转化成为产水或透过液的百分比 膜系统的回收率在设计时就已经确定 是基于预设的进水水质而定的 回收率通常希望最大化以便提高经济效益 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 回收率 产水流量 进水流量 100 53 9 3 4反渗透装置 主要技术指标 3 回收率 54 9 3 4反渗透装置 影响反渗透膜性能的因素 1 进水压力对反渗透膜的影响进水压力本身并不会影响盐透过量 但是进水压力升高使得驱动反渗透的净压力升高 使得产水量加大 同时盐透过量几乎不变 增加的产水量稀释了透过膜的盐分 降低了透盐率 提高脱盐率 当进水压力超过一定值时 由于过高的回收率 又会导致盐透过量增加 抵消了增加的产水量 使得脱盐率不再增加 55 3 3反渗透装置3 3 6影响反渗透膜性能的因素 1 进水压力对反渗透膜的影响 56 3 3反渗透装置3 3 6影响反渗透膜性能的因素 2 进水温度对反渗透膜的影响反渗透膜产水电导对进水水温的变化十分敏感 随着水温的增加 水通量也线性的增加 进水水温每升高1 产水通量就增加2 5 3 0 其原因在于透过膜的水分子粘度下降 扩散性能增强 进水水温的升高同样会导致透盐率的增加和脱盐率的下降 这主要是因为盐分透过膜的扩散速度会因温度的提高而加快 57 3 3反渗透装置3 3 6影响反渗透膜性能的因素 1 进水温度对反渗透膜的影响 58 9 3 4反渗透装置 影响反渗透膜性能的因素 3 进水pH值对反渗透膜的影响进水pH值对产水量几乎没有影响 而对脱盐率有较大影响 由于水中溶解的CO2受pH值影响较大 pH值低时以气态CO2形式存在 容易透过反渗透膜 所以pH低时脱盐率也较低 随pH升高 气态CO2转化为HCO3 和CO32 离子 脱盐率也逐渐上升 在pH7 5 8 5间 脱盐率达到最高 59 9 3 4反渗透装置 影响反渗透膜性能的因素 3 进水pH值对反渗透膜的影响 60 9 3 4反渗透装置 影响反渗透膜性能的因素 4 进水盐浓度对反渗透膜的影响渗透压是水中所含盐分或有机物浓度的函数 含盐量越高渗透压也增加 进水压力不变的情况下 净压力将减小 产水量降低 透盐率正比于膜正反两侧盐浓度差 进水含盐量越高 浓度差也越大 透盐率上升 从而导致脱盐率下降 61 9 3 4反渗透装置 影响反渗透膜性能的因素 4 进水盐浓度对反渗透膜的影响 62 9 3 5超滤装置 原理超滤起源于1748年 Schmidt用棉花胶膜或璐膜分滤溶液 当施加一定压力时 溶液 水 透过膜 而蛋白质 胶体等物质则被截留下来 其过滤精度远远超过滤纸 于是他提出超滤一语 1896年 Martin制出了第一张人工超滤膜 其20世纪60年代 分子量级概念的提出 是现代超滤的开始 70年代和80年代是高速发展期 90年代以后开始趋于成熟 我国在80年代末 才进入工业化生产和应用阶段 超滤 简称UF 是以压力为推动力 利用超滤膜不同孔径对液体进行分离的物理筛分过程 其分子截留一般为6000到50万 63 9 3 5超滤装置 原理中空纤维超滤膜是超滤技术中最为成熟与先进的一种形式 中空纤维外径 0 5 2 0mm 内径 0 3 1 4mm 中空纤维管壁上布满微孔 孔径以能截留物质的分子量表达 截留分子量可达几千至几十万 原水在中空纤维外侧或内腔加压流动 分别构成外压式与内压式 超滤是动态过滤过程 被截留物质可随浓缩小排除 不致堵塞膜表面 可长期连续运行 用途 纯水与超纯水设备 医用无菌无热原水设备 工业用饮料 饮用水 矿泉水净化 工业分离 浓缩 提纯 工业废水处理 电泳漆 电镀含油废水处理 64 9 3 5超滤装置 原理超滤精度在0 005 0 01 m范围内 可有效去除水中的微粒 胶体 细菌及高分子有机物等 可广泛应用于物质的分离 浓缩 提纯 超滤过程无相转化 具有良好的耐温 耐酸碱和耐氧化性能 超滤膜采用不同的组建形式 膜材料及工艺设计 可以适应各种不同的水质条件及分离功能 在超滤过程中 在压力推动下 流经膜表面 小于膜孔的小分子溶质透水膜 成为净化液 滤清液 比膜孔大的溶质及溶质集团被截留 随水流排出 成为深缩液 超滤过程为动态过滤 分离是在流动状态下完成的 溶质仅在膜表面有限沉积 超滤速率衰减到一定程度而趋于平衡 且通过清洗可以恢复 65 9 3 5超滤装置 典型工艺流程原液 储罐 加压泵 精密过滤器 中空超滤设备 储液罐 反洗水箱 反洗泵 66 9 3 5超滤装置 设备 67 9 3 5超滤装置 设备 68 9 3 4超滤装置 中空纤维超滤膜中空纤维超滤膜是超滤技术中最为成熟与先进的一种形式 中空纤维外径 0 5 2 0mm 内径 0 3 1 4mm 中空纤维管壁上布满微孔 孔径以能截留物质的分子量表达 截留分子量可达几千至几十万 原水在中空纤维外侧或内腔加压流动 分别构成外压式与内压式 超滤是动态过滤过程 被截留物质可随浓缩小排除 不致堵塞膜表面 可长期连续运行 用途 纯水与超纯水设