近其膜性能的改善对系统设计的影响

近其膜性能的改善对系统设计的影响摘要：低压、高脱盐率ESPA膜的推出使反渗透（RO）技术商业化的目标之一得以实现：即可以在极低给水压力下运行RO系统，该压力等于浓水的渗透压加上沿系统的压力损失。但是在给水温度高，含盐量高或系统回收率高的条件下，由于ESPA的特征通——单位净驱动压力NDP趋于零。这种操作条件会导致产水含盐量较高，并可能增加污染速度。校正措施包括增加段间加压泵或设计采用不同膜元件的系统。在这种混合设计时前段（第1段）使用特征水通量低的膜元件，后段采用特征水通量高的膜元件。这种混合设计没有完全利用ESPA膜的节能性，但是提供更为均匀的通量分布，且改善产水质量。关键字：膜反渗透RO系统设计介绍商业反渗透透复合膜的评评定指标为盐盐透过率及特特征水通量。苦苦咸水脱盐用用反渗透的发发展方向为降降低盐的透过过率及提高特特征水通量。在1995年初，一种新的用于处理苦咸水的芳香聚酰胺复合膜投入商业使用[1]，膜的性能取得了显著的提高。这种新的膜材料被命为ESPA，该膜具有非常高的特征水通量（0.24gfd/psi-nct）,大约是前一代芳香聚酰胺复合膜的两倍，同时保持低的盐透过率。这种新膜的标称脱盐率与传统的苦咸水用芳香聚酰胺复合膜相似，为99%。较高的特征水通量使RO系统要求的给水压力更低，同时能耗也更低，但是为了完全发挥新技术的节能潜力，在某些进水含盐量、温度操作参数条件下，与使用传统膜元件的RO系统相比，必须对装有新型膜元件的RO系统设计作一些修改。RO工艺对对给水压力的的要求为了达到到RO系统设计流流量所需的给给水压力与许许多工艺参数数有关，其中中有一些是相相互关联的。这这些参数可分分为3种基本类别别。头两类分分别为特定参参数类和系统统设计参数类类。特定参数数类包括给水水含量和给水水温度。系统统设计参数类类包括平均水水通量，回收收率和系统压压降。膜的特特征水通量属属于另一类别别，是RO膜材料的内内在特性。特特征水通量常常以单位压力力下的产水量量来表示，其其定义为在RO系统中生产产出给定的平平均水通量所所要求的净驱驱动压力（NDP）。在给定定的设计条件件和运行条件件下，给水压压力由设计平平均水通量所所要求的NDP决定。NDP与RO系统的平均均水通量（APF）设计值和和所选膜型的的特征水通量量（SPF）有下列关关系式：NDF==APF/SSPF(11)设计给水水压力（Pf）等于设计计平均水通量量所需要的NDP、给水/浓水平均渗渗透压（P0）、RO系统的平均均压降（Pd）和产水压压力（Pp）之和：Pf=NNDP+P00+Pd+Pp(2)在公式（2）中，假设设产品水渗透透压可以忽略略不计。因为为对于目前的的高脱盐率膜膜元件来说其其产水含盐量量大约是给水水/浓水平均含含盐量的1-2%；因此产品品水渗透压可可以忽略。根根据公式（1）和（2）可以看出出，NDP值和所要求求的给水压力力值直接与RO系统的设计计平均水通量量成正比，与与所选膜类型型的特征水通通量成反比。在在传统的RO系统中，随随着给水/浓水侧渗透透压增加和给给水压力降低低，NDP沿系统下降降。给水压力力下降主要是是由于在膜元元件给水通道道中产生摩擦擦损失（压力力降）所致。在在这种涡卷式式膜元件中压压力降是平均均给水流量（Qfb）的函数数，并与功率率因子（b）和给定组组件的特征常常数（A）有关。Pd=AA*（Qfb）b图1二段RRO系统中的压压力与膜元件件位置的关系系[操作条件件]给水含盐量量：1500pppm;255℃；回收率：85%为了有效效地利用系统统中的膜面积积，RO系统的给水水压力应该足足够高，从而而保证在系统统后部的膜元元件（该部位位渗透压最高高）仍有足够够的NDP。图1给出了一个个二段RO系统的压力力与膜元件位位置的关系，该该系统中每个个压力容器装装有7根膜元件，整整个流程为14根膜元件。用用于计算给水水-浓水侧渗透透压的参数是是给水含盐量量1500pppm、给水温度25℃、系统回率85%、平均水通通量为15gfdd(24.88m2/hrr)。传统膜（CPA2）和新型号号膜（ESPA）所需的给给水压力根据据公式（1）-（3）计算，并并以压力1277KKpa(1885psi))和996Kppa（140pssi）的两条平平行的水平直直线表示。使使用ESPA膜元件的RO系统所要求求的给水压力力比用CPA2膜元件的RO系统所需要的的给水压力低低22%。但是如图1所示在装ESPA膜的系统中中如按这些系系数运行时，系系统尾部位置置的膜元件的的NDP非常低且产产水量也极低低。图2和图3给出了沿RO系统流程中中单个膜组件件的平均水通通量。图2为使用CPA2膜元件的RO系统中水通通量分布数据据。水通量分分布斜率随给给水温度变化化，温度越高高曲线变得越越陡。即使按按照35℃的最高给水水温度计算时时，CPA2系统中的尾尾部膜元件仍仍有足够的产产水量。对于于使用ESPA膜元件的RO系统，在同同样的设计条条件下，产水水通量的分布布与使用CPA2膜元件的RO系统有明显显不同，由于于有较高的特特征水通量，沿RO系统的产水量分布曲线会更陡，位于系统尾部的ESPA膜元件在给水温度为25℃以上时产水通量非常低（图3）图2CPPA2膜的产水通通量与膜元件件所在位置的的关系图3ESPPA膜的产水通通量与膜元件件所在位置的的关系给水温度度越高，前级级膜元件的产产水量就越大大。这种操作作条件将导致致前级膜元件件发生过度的的浓差极化，且且容易受到污污堵。不均衡衡的通量分布布也影响产水水质量，特别别是在水温度度高的条件下下，在给水到到达系统的尾尾端之前就已已达到设计回回收率，这时时大部分膜表表面与给水中中高浓度盐溶溶液接触，使使大量盐离子子透过膜元件件，从而造成成产水中含盐盐量增加。改进的系统统设计装有超低低压膜元件的的RO系统的产水水通量分布可可通过改进系系统设计而获获得改善。一一种方法是调调节前段膜元元件的产水量量，这可以通通过在第一段段的产水管路路上安装一个个调节阀来实实现，流程如如图4所示。部分关闭闭调节阀，会会提高第一段段产水管中的的压力，而产产水压力增加加将降低NDP[公公式（2）]，导致第一一段产水量降降低。为了保保证系统产水水量，这就需需要提高给压压力，并进而而提高以后各各段的水通量量。另一种可可提供类似效效果的方法是是在系统中加加入增压泵，增增压泵通常装装在最后一段段的给水管上上，图5给出了这种种方法的流程程图。就水通通量分布而论论，这种方法法与产品水节节流的方法相相比，其实际际结果是相同同的。第2种设计的主主要优点是避避免了因产品品水节流而造造成的能量损损失，图6给出了第2种设计的水水通量分布情情况。第3种设计方法法是在同一系系统中使用两两种不同膜元元件，将具有有较低特征水水通量的CPA2膜元件安装装在系统前段段位置，这里里NDP值最大，在在系统后部使使用ESPA膜元件以补补偿NDP的降低。第第三种设计的的水通量分布布情况见图7。与CPA2膜元件相比比，ESPA膜元件有对对高的脱盐率率，所以ESPA膜元件可以以装在这种混混合系统的末末端，而不会会明显提高产产品水含盐量量。RO装置的的能耗RO系统的的能耗为生水水泵能耗、预预处理系统因因压力损失所所导致的能耗耗、辅助设备备能耗、高压压泵能耗及产产品水输送泵泵能耗之和。高高压泵马达能能耗占RO系统能耗的的绝大部份。RO系统所要求求的给水压力力受所使用的的膜元件类型型（即特征水水通量值）和和系统排列的的影响。高压压泵的比能耗耗（SPC）是给水压压力（Pf）、回收率率（R）、泵和马马达（Ep、Em）效率的函函数。图4带有有一段产品水水背压的RO系统图5带有段间增增压泵的RO系统图6带有有段间增压泵泵的RO系统中ESPA图7CPAA+ESPAA膜混装系统统中膜元件膜产水通量量与膜元件所所在序位的关关系产水通量量与膜元件所所在序位的关关系表1在平平均产水通量量为15和20gfd时，不同RO系统中的能能耗比能耗，KWhh/m3hCPA20.880.690.520.491.130.890.720.61ESPA0.550.450.400.380.700.570.490.44ESPA+booosterr-0.470.400.37--0.480.43HybridCPA2++ESPA0.710.570.480.430.920.720.610.53注：给水含含盐量1500pppm；回收率85%；给水温度度（℃）；5、15、25和35，产水通量量为15和20fdSPC==K*Pf//(R*Epp*Em)(4)K是单位位转换常数上述关系系式仅适用于于只有单个给给水泵的系统统。对于使用用段间加压泵泵的系统，所所需功率为主主给水泵功率率及段间加压压泵功率之和和。表1为不同系统统设计时比能能耗计算结果果。为计算能能耗，假设泵泵效率为82%，马达效率率为93%，在对使用用传统的CPA2膜元件和使使用低压ESPA膜元件的RO装置的能耗耗进行对比时时，很明显给给水温度影响响能耗。随着水温温度上升，这这两类膜元件件的能耗差的的绝对值和百百分数都减少少，采用段间间加压泵来改改善装有ESPA膜元件的系系统的水通量量分布，不会会导致能耗产产生明显变化化，采用混合合膜元件的系系统的能耗，即即在一个装置置中同时使用用ESPA膜元件和CPA2膜元件的能能耗位于单独独使用这两种种膜的装置的的能耗之间，与与带段间加压压泵的系统相相比，这种使使用混合膜元元的设计为水水通量分布不不均匀的场合合提供一种间间单的、低费费用的解决方方案，但能耗耗相对较高。改进的系统统排列图8ESSPA膜元件排列列方式与给水水压力关系在传统ROO系统中压力力容器采用多多段排列的方方式[2]，前后两段段中压力容器器的数量比大大约为2：1。这种排列列是为了使膜膜元件给水通通道中保持高高流，以使膜膜表面产生紊紊流并减少溶溶解盐在膜表表面的过份浓浓缩，基于系系统成本的考考虑，系统设设计正转向数数量更少、但但长度更长的的压力容器，这这样可更多的的膜组件串联联起来，这种种设计趋势导导致系统压力力损失更高。图9EESPA膜元件排列列方式与水流流量关系在装有传传统膜元件的的RO系统中，给给水通道中的的压力损失仅仅占总给水压压力的一部分分。新的ESPA型膜元件有有更高的特征征水通量，因因而在相同较较低的给水压压力下工作，对对于采用ESPA膜元件的系系统，其给水水-浓水侧压力力损失限制了了采用新型膜膜元件所带来来的潜在节能能可能性。通通过改变设计计以减少流长长度、压力溶溶器段数可减减少压力损失失，在图8中给出了对对应不同系统统排列给水压压力也不同的的一个例子。给给水压绝对值值取决于给水水成份和系统统参数，水流流长度越短，能能耗越低。但但是系统中水水流长度越短短将就需要有有更多的压力力容器并联连连接，从而导导致给水通道道中流速较低低。在RO系统设计时时膜元件制造造高建议了浓浓水的最小流流速。对于8”直径的膜组组件，最小浓浓水流速大约约为2.7m3/h(122gpm)。图9表明只有少少数排列方式式能够保证这这一设计值。特特别是在比较较常用的15gfd水通量时更更是如此，增增加设计平均均水通量将提提高每个压力力容器中的浓浓水流量，因因而可使系统统中水流长度度缩短在设计计水流长度较较短的反渗透透系统时，另另外一个限制制参数是浓差差极化因子（CPF）。CPF表示在膜表表面过量的溶溶解离子浓度度，CPF与产水流量量（Qp）和平均给给水量的比成成正比。CPF==exp(AA*Qp/QQn)(55)公式（55）中的流量量比为膜表面面垂直的流量量与膜表面平平行的横向流流量之间的比比值。CPF还可根据单单个膜元件的的回收率表示示为：CPF==exp[AA*2R/((2-R)]](6)单个膜元元件的回收率率与CPF的关系如图10所示。通常常对40”（100cm）长的膜元元件限制值是是1.2，此时对应应回收率大约约为18%。使用氯化钠钠溶液进行的的短期测试结结果显示，在在相对较高的的回收率时（对对应CPF为1.4，图11和图12）膜性能比比很稳定。但但是在实际的的现场操作中中，这会使膜膜结垢速度加加快。图10浓浓差极化因子子与水回收率率的关系图11脱脱盐率与浓差差极化因子的的关系图12产产水量与浓差差极化因子的的关系参考文献[1]M..Wilf,,Newgenerrationnofloowpreessureehighhsalttrejeecti