纯水反渗透预处理和淤泥密度指数(SDI)影响因素的研究

1、天津大学 硕士学位论文 反渗透预处理和淤泥密度指数（SDI）影响因素的研究 姓名：张伟 申请学位级别：硕士 专业：膜科学与技术 指导教师：解利昕 20070601 中文摘要 反渗透脱盐技术是水处理中脱盐和净化的主要方法之一，具有能耗低、无污 染、适应性强、便于操作、运行费用低等显著特点。目前水的净化一预处理工艺 是制约反渗透工程的瓶颈，开展此项研究意义重大：反渗透进水的主要指标淤泥 密度指数( S D I ) ，能反映进水中胶体对反渗透膜的影响程度，有必要对影响S D I 测试结果的各种因素进行研究，对分析反渗透进水S D l 不达标的原因，采取有效 的预处理措施有积极的意义。 本文对两种不同

2、的水样城市自来水和渤海海水进行了预处理方法的探讨。研 究结果表明：对于城市自来水用5 9 m 滤芯过滤+ lp m 滤芯过滤和lt t m 滤芯过滤 + 1 t t m 滤芯过滤两级滤芯过滤可以作为小型反渗透的预处理工艺；采用混凝一沉 淀一砂滤工艺可以将自来水S D I 降到3 以下，但工艺受砂滤粒径，砂滤高度，滤 速，混凝剂的种类、用量，试验温度、p H 值、盐分含量等因素的影响。选用A L C l 3 l l m g L ，砂滤粒径0 6 一O 9 m m ，厚度6 0 c m ，滤速1 0 m h 的工艺能把S D I 降到2 3 l 。 在混凝一沉淀一微滤工艺中，微滤出水水质不受混凝剂

3、用量的影响，但合适的混 凝剂用量能减缓膜通量的衰减。对于渤海海水，烧杯混凝试验结果表明，F e C l 3 + 聚丙烯酰胺可以有效降低浊度，采用混凝一沉淀一砂滤处理后的S D I 仍然很大， 砂滤后采用微滤进一步处理，S D I 降至2 4 8 ，微滤通量衰减缓慢，物理清洗后基 本恢复。 S D I 随测量时间间隔的减小，计量容量的减小而增大；水中很小量的S S 能 反映较大的S D I ，不同水样中的颗粒和胶体种类和含量不同，对S D I 的影响程度 也不同；合格的S D I 必然有很低的浊度，但低浊度不能确保S D I 的合格；水中 的天然有机物如腐殖酸对S D I 有影响，浓度增大，p

4、H 值增大、水中含盐量的减 小，均使S D I 变大。铁胶体、铝胶体的存在对S D I 有影响，随着浓度、p H 值的 增大，S D I 也变大，当纯水中铁含量大于2 0 p p b 后，S D I 高于3 ，水中铝含量在 大于5 0 p p b 后，S D l 仍较小。 关键词：反渗透预处理混凝微滤S D I 胶体 A BS T R A C T R e v e r s eo s m o s i s ( R O ) i so n eo ft h em a i np r o c e s s e sf o rt h ew a t e rp u r i f i c a t i o n a n dd

5、e s a l i n a t i o n I th a sr e m a r k a b l em e r i t so fl o we n e r g yc o n s u m p t i o n ，n op o l l u t i o n ， s t r o n g l yc o m p a t i b i l i t y , c o n v e n i e n to p e r a t i o n ，l o wo p e r a t i n gc o s ta n dS Oo n B u tt h e p r e t r e a t m e n tt e c h n o l o g i

6、 e sa r et h eb o t t l e n e c k so ft h eR ea p p l i c a t i o nA c c o r d i n g l y , i ti s v e r yi m p o r t a n tt Oc a r r yo u tt h es t u d i e so nw a t e rp r e t r e a t m e n t S i l td e n s i t yi n d e x ( S D I ) i st h eR ef e e d w a t e rm a i nr e q u i r e m e n t ，w h i c h

7、c a nr e f l e c tt h ee f f e c to ft h ec o l l o i do n t h eR em e m b r a n e R e s e a r c h i n gt h ef a c t o ra f f e c t i n gt h eS D It e s tr e s u l th a sap o s i t i v e s i g n i f i c a n c et oa n a l y z et h er e a s o nf e e dw a t e rS D I n o tt or e a c ht h er e q u i r m

8、e n t ，a n dt o t a k et h ee f f e c t i v ep r e t r e a t m e n t T h ep r e t r e a t m e n tm e t h o d sw a sd i s c u s s e di nt h i sp a p e rb yt r e a t i n gt w ok i n do f d i f f e r e n tw a t e rs a m p l e s ：t a pw a t e ra n dt h eB o h a iS e as e aw a t e r I ts h o w e dt h a t

9、 ：f o rt a p w a t e r , 5 p mc a r t r i d g ef i l t e r + lI I t mc a r t r i d g ef i l t e ro rll t mc a r t r i d g ef i l t e r + l t mc a r t r i d g e f i l t e rC a nb eu s e da sp r e t r e a t m e n ts t e pf o rs m a l lt y p eR Os y s t e m ；U s i n gt h e c o a g u l a t i o n p r e c

10、 i p i t a t i o n s a n df i l t r a t i o nc r a f tc o u l dm a k et a pw a t e rS D I t of a l l b e l o w3 ，w h i c hW a sa f f e c t e db ys a n dp a r t i c l es i z e ，b e dd e p t h ，s a n df i l t r a t i o nr a t e ， c o a g u l a n tt y p e ，c o a g u l a n ta m o u n tu s e d ，e x p e r

11、 i m e n tt e m p e r a t u r e ，p Hv a l u e ，s a l i n i t y c o n t e n t S e l e c t i n gA L C l 3llm g L ，s a n dp a r t i c l es i z e0 6 - 0 9 r a m ，b e dd e p t h6 0 c m ， s a n df i l t r a t i o nr a t elO m h ，S D IC a l la c h i e v e2 31 I nt h ec o a g u l a t i o n - p r e c i p i t

12、 a t i o n - M Fc r a f t ，c o a g u l a n ta m o u n th a dn oe f f e c to nt h eq u a l i t yo fw a t e rf i l t e r e db yM F ，b u t t h ea p p r o p r i a t ec o a g u l a n ta m o u n tC a ns l o wd o w nt h em e m b r a n ef l u xd e p r e s s i o n I n t h eB o h a iS e as e aw a t e re x p e

13、 r i m e n t , t h eb e a k e rc o a g u l a t i o nt e s t sr e s u l ti n d i c a t e dt h a t ： t h eF e C l 3 + P A Mf o rc o a g u l a n th a dt h eb e s tt u r b i d i t yr e d u c i n ge f f e c t T h eS D Ia f t e r c o a g u l a t i o n p r e c i p i t a t i o n s a n df i l t r a t i o ni

14、ss t i l lv e r yb i g ，w h i c hc a nb er e d u c e dt o 2 4 8b ya d d i n gm i c r o f i l t e r sa sf u r t h e rp r o c e s s e s M Ff l u xd e p r e s s i o ni ss l o w , a n di t c a r lb eb a s i c a lr e s t o r e db yp h y s i c a lc l e a n i n g T h er e s e a r c ho ff a c t o r si n f l

15、 u e n c i n gS D Ii n d i c a t e dt h a t ：w i t ht h es u r v e yt i m e g a p d e c r e a s i n ga n dw a t e rs a m p l ev o l u m er e d u c i n g ，t h eS D I r e s u l tw i l lb ei n c r e a s e d ；v e 巧 s m a l la m o u n tS SC a nr e f l e c ta sb i gS D I ，i nt h ed i f f e r e n tw a t e

16、rs a m p l ep e l l e ta n dt h e c o l l o i da r ed i f f e r e n t ，t h ei n f l u e n c ei sa l s od i f f e r e n tt OS D I ；Q u a l i f i e dS D Ih a st h ev e r y l o wt u r b i d i t yi n e v i t a b l y , b u tt h el o wt u r b i d i t yc a n n o tg u a r a n t e eS D Iq u a l i f i e d ；I

17、nt h e w a t e rn a t u r a lo r g a n i cm a t t e rl i k eh u m i ca c i di si n f l u e n t i a lt O S D ! ，a l o n gw i t h c o n c e n t r a t i o ne n l a r g e m e n t ，t h ep Hv a l u ei n c r e a s i n g ，i nt h ew a t e rs a l tc o n t e n tr e d u c i n g S D Ii n c r e a s e s E x i s t

18、e n c eo ft h ei r o nc o l l o i da n da l u m i n u mc o l l o i dh a de f f e c to nS D I ， w h i c hw i l li n c r e a s ea l o n gw i t ht h ec o n c e n t r a t i o n ，p Hv a l u ee n l a r g e m e n t W h e ni r o n c o n c e n t r a t i o ni sg r e a t e rt h a n2 0p p b ，S D lw i l lb eh i

19、g h e rt h a n3 W h e na l u m i n u m c o n c e n t r a t i o ni sg r e a t e rt h a n5 0p p b ，S D Ic o u l db es t i l ls m a l l K E YW O R D S ：R e v e r s eo s m o s i s ，p r e t r e a t m e n t ，c o a g u l a t i o n ，M F , S D I ，c o l l o i d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中

20、特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其它人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞蠢堂或其它教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位敝储躲纭乍签字隰1 年S , 9r 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签

21、名： 签字醐。1 年 弘伟 ， 乇具l E t ， 斤上7 a 月铂形 叶中 前言 我国人均水资源占有量不蛩J 2 7 0 0 米3 ，仅占世界人均水资源量的1 4 。水资源 不足是我国最严重的资源问题之一。我国8 2 的河流受到不同程度的污染，6 5 以上的人饮用受污染的水。水污染促使水资源短缺进一步加剧，形成恶性循环， 危害生态环境，影响人民身体健康，制约工农业发展。水资源匮乏已成为制约社 会经济发展的主要因素之一。我国北方地区缺水矛盾更为突出，海河、淮河、黄 河用不足中国水资源总量8 的水供给着中国接近一半人口的用水需求。 水资源的日益紧缺和全球水质的日趋恶化使水处理技术越来越受到重视。

22、可 用水资源含盐量的不断增加使离子交换树脂极易发生污染，造成除盐设备效率降 低、酸碱耗增加、再生频繁。近年来，膜技术飞速发展，用于水质净化的膜处理工 艺也日趋完善。反渗透脱盐技术具有能耗低、无污染、适应性强、便于操作、运 行费用低等显著特点，一些大型电站和水处理厂更多地选择采用反渗透等膜处理 工艺来代替传统的离子交换和蒸馏等手段进行水质净化处理。但是运行发现，由 于膜材料的特殊性及反渗透技术的发展所限，如果设计或操作不当很容易使反渗 透膜发生污堵和降解。反渗透装置的性能、产水率、产品水质量和膜的寿命很度 上决定于给水的水质。合理的原水预处理系统对维持反渗透性能的稳定性、防止 膜的污染极其重要。

23、 反渗透预处理出水水质是否符合要求，直接影响反渗透膜的使用寿命、清洗 周期、产水量和运行成本。反渗透预处理不合格往往使反渗透设备不能正常运行、 出水水质恶化、产水量降低、膜寿命降低。大量的应用实例和研究表明：反渗透 膜的污染源之一就是反渗透预处理较差导致的胶体颗粒，用淤泥密度指数S D I 表 示这类污染的可能性。很多反渗透工程的失败都是因为预处理设计不合理，使进 水胶体含量过高，导致反渗透膜过早的损坏，所以对进水中悬浮物和胶体的有效 去除显的非常重要。 S D I 受很多因素的影响，研究不同水质条件对S D I 的影响，分析其影响因素， 能为反渗透水处理寻找最佳的预处理工艺，有效控制污染，保

24、证反渗透装置长期 稳定的运行。 第一章文献综述 1 1 膜分离技术概况 第一章文献综述 1 1 1 膜分离技术发展简介1 ，2 ，3 】 膜广泛存在于自然界中，特别是生物体内，但人类对其研究应用较晚。1 7 4 8 年，法国学者阿贝诺论特( A b b l eN e l k t ) 发现水能自然地扩散到装有酒精溶液 的猪膀胱内，首次揭示了膜分离现象，但是直到上世纪6 0 年代中期，膜分离技术 才应用在工业上。1 9 6 4 年美国通用公司研制成卷式组件，1 9 6 7 年杜邦( D u p o n t ) 公司首先研制出以尼龙6 6 为膜材料的中空纤维膜组件，其中“P e r m a s e

25、pB 9 ”获得 1 9 7 1 年美 蚕K i r k p a t r i c k 化学工程最高奖。1 9 7 0 年代初，C e s s l e r 研制出含流动载体 的液膜，继而又研制成功隔膜型液膜，使分离科学提高到新的水平，从而引起世 界上许多国家的重视。 我国的膜技术的发展始于1 9 5 8 年进行的离子交换膜的研究，1 9 6 6 年我国开始 了反渗透半透膜的研究。1 9 7 5 年进行了超滤膜的研究，其后在国家“六五”、“七 五”和“八五”计划中，膜技术均被列为重点项目进行开发研究。1 9 7 6 年后，我国 的一些大学和研究单位相继开展了液膜技术的研究。目前我国的超滤、微滤膜生

26、 产厂家已发展到数百个。虽然有品种少、质量、性能不够完善等问题，但因价格 低廉，有效地阻挡了国外同类产品大量流入，同时扩大了应用范围。 膜分离技术之所以能在4 0 年内迅速发展，首先是由于有坚实基础理论研究 的积累，从发现膜的渗透现象以来，人们相继在膜的扩散定律、膜的渗透现象、 渗透压理论、D o n n a n 分布定律、膜电势等方面进行了卓有成效的研究。同时相 关领域近代科学的发展也为分离膜的研究提供了良好条件，高分子科学的发展为 膜分离技术提供了具有各种分离特性的合成高分子膜材料，电子显微镜等分析技 术的发展为分离膜的结构与性能关系以及分离机理的研究提供了有效手段。现代 工业迫切需要节能

27、、原料再利用和能消除环境污染的生产新技术，而大部分膜分 离过程无相变，因而膜分离技术能广泛地应用于节能、水资源再生、原材料的回 收与利用、污水和废气处理等方面。今后随着对生物膜过程机理的进一步研究和 认识，随着仿生学的进一步发展，膜分离技术将会进入更新的阶段，将会在更多 第一章文献综述 的领域中发挥其突出作用。 1 1 2 膜分离概念及特点 膜分离过程是以选择性膜为分离介质。当膜两侧存在某种推动力( 如压力差、 浓度差、电位差等) 时，原料侧组分选择性地透过膜，以达到分离、提纯的目的 【2 1 o 膜过程的应用已涉及生物、化工、医药、食品、石油、纺织、环保等诸多领 域，其与传统的分离过程相比有

28、着不可比拟的特点和优越性：( 1 ) 膜分离过程 不发生相变化，与有相变化的分离法和其它分离法相比，能耗要低，因此膜分离 技术又称省能技术。( 2 ) 膜分离过程是在常温下进行，因此特别适用于对热敏 感的物质，如果汁、酶、药品等的分离、分级、浓缩与富集。( 3 ) 膜分离技术 不仅适用于有机物和无机物，从病毒、细菌到微粒的广泛分离的范围，而且还适 用于许多特殊溶液体系的分离，如溶液中大分子与无机盐的分离、一些共沸物或 近沸点物系的分离等。( 4 ) 膜分离装置简单，操作方便，易自控、维修，单 级分离效率高。 1 1 3 常见膜分离过程 常见的膜分离方法主要有：微滤( M F ) 、超滤( U

29、F ) 、纳滤( N F ) 、反渗 透( R o ) 、渗析( D ) 、电渗析( E D ) 、气体分离( G S ) 、渗透蒸发( P v ) 等。 不同的膜分离法需要不同的推动力，有压力差、浓度差、电位差；不同的膜分离 技术具有不同的分离原理，有筛分截留、渗析、扩散传递等原理。它们分别能适 用于大小不同的纳米级离子和分子到微米级的悬浮颗粒，适用于固、液、气不同 状态，不同成分的分离过程。表1 1 列出了典型膜分离过程的特点。 表卜1 主要膜分离法特点 T a b l el 一1C h a r a c t e r i s t i c so fm a i nm e m b r a n ep

30、 r o c e s s e s 过程推动力传递机理透过物截留物膜类型 颗粒大小、悬浮物颗粒、多孔膜 微滤压力差水、溶剂溶解物 形状纤维非对称膜 分子特性、水、溶剂、离子生物制品、胶 超滤压力差非对称膜 大小、形状及小分子体、大分子 溶剂的扩散 溶质、盐、 非对称膜或复 反渗透压力差水溶剂悬浮物、大分 传递合膜 子、离子 第一章文献综述 溶质的扩散低相对分子质溶剂、大分予非对称膜 渗析浓度差 传递量物质、离子溶解物离子交换膜 电解质离子 非电解质大 电渗析电位差 的选择性电解质离子离子交换膜 分子物质 传递 气体气体和蒸汽渗透性的气体难渗透性气均质膜、复合膜 压力差 分离的扩散渗透和蒸汽体或蒸

31、汽非对称膜 渗透选择性传递 溶质或溶剂( 易溶剂或溶质 均质膜、复合膜 浓度差渗透组分的( 难渗透组 蒸发( 物性差异)非对称膜 蒸汽)分的蒸汽) 化学反应反应促进和溶质( 电解质溶剂( 非电解 液膜 液膜 和浓度差扩散传递离子)质) 已有商业应用的膜技术主要是微滤、超滤、反渗透、电渗析、渗析、气体 膜分离和渗透汽化。前四种液体分离膜技术在膜和应用技术上都相对比较成熟， 称为第一代膜技术，2 0 世纪7 0 年代末走上工业应用的气体分离膜技术为第二代 膜技术，8 0 年代开始工业应用的渗透汽化为第三代膜技术。其它一些膜过程， 大多处于实验室和中试开发过程晦1 。 1 1 4 膜分离技术发展动向

32、 膜分离技术具有许多常规分离法难以拥有的优点，因此在世界范围内迅速发 展。从1 9 5 0 年建立膜工业以来，每1 0 年就有一项新的膜工艺出现，如5 0 年代的微 滤膜和离子交换膜，6 0 年代的反渗透，7 0 年代的超滤，8 0 年代的气体分离，9 0 年代的渗透蒸发等。此外，以膜为基础的其它分离过程，如膜溶剂萃取、膜气体 吸收、膜蒸馏、膜反应器及膜分离与其它分离过程的集成膜过程也正日益受到重 视和发展。对膜分离来说，从技术发展阶段来看，现在是诱导期，2 1 世纪将进入 成长期，膜产业是上世纪十大高科技产业之一，它与光纤、超导等技术将成为主 导未来工业的六大新技术之一。纵观目前膜分离技术的

33、研究应用现状及存在问 题，不难看出今后膜技术的发展趋势： 1 继续开发合成高分子物质，研制为某一特定分离过程而设计的膜材料。 膜材料的发展，国外倾向于下述三个方面：高通量、孔径分布窄的微孔膜的开发； 有机膜的改性，改进亲水性，以提高通量以及抗污染性能；制造有机一无机混合 膜，使之兼具有机膜与无机膜的长处，提高亲水性一。 2 进一步完善膜的制造工艺和研发新型膜组件构型，提高膜过程的分离能 4 第一章文献综述 力、经济效益和分离的安全性。 3 深入探讨膜污染的机理及抗污染技术，继续降低膜过程的操作费并延长 膜的使用寿命。 4 更广泛的研究与应用膜技术和其他处理技术联合使用，例如膜生物反应 器等用。

34、 1 2 反渗透膜分离方法 1 2 1 反渗透膜分离方法简介 反渗透是最精密的膜法液体分离技术，它能阻挡所有溶解性盐及分子量大于 1 0 0 的有机物，但允许水分子透过。1 9 5 0 年美国佛罗里达大学的R e i d 和H a s s l e r 等 人提出了反渗透海水淡化，1 9 5 3 年R e i d 和B r e t o m 在实验室证实了醋酸纤维素膜的 脱盐能力，1 9 6 0 年，美国加里福尼亚大学的L e o b 和S o u r i n a j a n 研制出世界上第一 张不对称醋酸纤维素膜，从而使反渗透膜应用于工业制水成为可能，之后反渗透 膜新品种不断得到开发，从初期的醋

35、酸纤维素非对称膜到低压复合膜以至超低压 复合膜、纳滤膜，膜组件的形式也呈现出多样化的趋势。 自2 0 世纪5 0 年代以来，许多学者先后提出了各种不对称反渗透膜的透过机 理和模型，主要有：氢键理论扩散模型、优先吸附一毛细孔流理论模型、溶解扩 散理论、D o n n a n 平衡模型等。此外，不可逆热力学也可以用于膜传递机理的研 究，用不可逆热力学可以清楚地显示和描述膜传递过程推动力与通量之间的耦合 【8 1 o 反渗透除在苦咸水、海水淡化中使用外， 随着反渗透新型膜材料和新工艺 的开发，目前反渗透已被成功用于电镀工业、造纸工业、化学工业、冶金工业、 食品工业、制药工业等诸多废水的处理中。 1

36、2 2 反渗透膜材料网 成膜材料主要有纤维素酯类膜和非纤维素酯类膜两大类，少数是用无机材料 制成的。 1 ) 二醋酸纤维膜由乙酰基含量为3 9 8 或置换度2 4 6 的醋酸纤维素材料 作骨架制成的膜，称为二醋酸纤维素膜( 简称C A 膜) 。C A 膜是目前国内外广泛 使用的膜品种，具有透水速度快、脱盐率高、耐氯性好、价格便宜等特点。缺点 是易受微生物侵蚀、易水解和对某些有机物分离率低。C A 膜适用的p H 范围为 3 - 8 ，工作温度应低于3 5 。 第一章文献综述 2 ) 醋酸纤维素复合膜及中空纤维膜已经商品化的最主要的醋酸纤维素 膜是美国U O P 公司的三醋酸纤维素( C T A

37、 ) 复合膜。该膜用于卷式组件进行海水 脱盐，在操作压力5 3 M P a 时，水通量为0 1 1 m 3 ( m 2 d ) ：在8 0M P a 时，水通量为 0 2 1 m 3 ( m 2 d ) ，分离率为9 9 。 C T A 中空纤维膜主要生产厂家有美国道氏化学公司等。我国采用熔融纺丝法 制作的低压C T A 中空纤维反渗透膜，可应用于低盐度苦咸水淡化和电子工业超纯 水制备。在1 5M P a 压力下，对3 0 0 0 m g LN a C I 水溶液可获得8 5 的分离率和 0 12 m 5 ( m 2 d ) 的水通量。 3 ) 芳香族聚酰胺膜目前广泛使用的芳香族聚酰胺膜是美国

38、杜邦公司的 “B 9 ”、“B - 1 0 ”中空纤维组件。“B 9 ”适用于1 0 0 0 0 m g L 以下的苦咸水淡化。使用 温度肛3 5 ，p H 值4 1 l 。“B 10 ”适用于海水一级脱盐，对3 0 0 0 m g LN a C I 水溶液， 在5 。5 M p a ，2 5 时，脱盐率 9 8 。5 ，同时能在5 5 7 M P a ，肛3 5 ，p H 值4 9 范 围内使用。 4 ) 聚苯并咪唑酮( P B I L ) 膜P B I L 膜是近年国际公认的、具有优良化学 稳定性和热稳定性的膜之一。膜使用p H 范围为l 1 2 ，在1 0 - 7 0 内，溶质分离几 乎

39、不变。对3 5 0 0 0 m g L 的N a C I 水溶液，在操作压力为8 M P a 时，膜脱盐率 9 8 ， 水通量为0 3 6m 3 ( m 2 d ) 。P B I L 膜主要应用于碱性或酸性废水的处理及电镀废水的 处理。 5 ) P E C 1 0 0 0 复合膜具有极高的脱盐率和耐温性。膜的p H 适用范围为 1 1 3 ，同其他反渗透膜一样，P E C 1 0 0 0 复合膜对有机溶剂有优良的分离性能。 6 ) N S 1 0 0 复合膜其超薄脱盐致密层是由聚乙烯亚胺( P E I ) 和2 ，4 二异 氰酸甲代亚苯基( 1 I ) I ) 进行界面缩合交联制作。N S 一

40、1 0 0 复合膜对3 5 的合成海 水，在1 0 M P a 下，能获得9 9 5 2 的脱盐率和0 6 7 3m 3 ( m 2 d ) 的水通量。N S 1 0 0 复 合膜最高使用温度为5 5 ，p H 使用范围为0 5 1 3 ，对有机溶剂有很好的分离特性 和很好的耐微生物侵蚀性。 1 2 3 反渗透器【9 J 工业上应用的反渗透组件主要有板式、管式、卷式和中空纤维式四种。 1 ) 板式( 板框式) 由几十块承压板、微孔透水板和膜重叠组成，承压 板外两侧盖透水板，再贴膜，每两张膜四周围用聚氨酯胶和透水板外环粘合，外 环用O 型密封圈支撑，用长螺栓固定。高压水由上而下折流通过每块板，净

41、化水 由每块膜中透水板引出。装置牢固，能承受高压，但水流状态差，易形成浓差极 化，设备费用大。近年制成的聚苯醚薄型承压板，强度极高，采用复合膜，膜间 距仅6 m m ，装置紧凑，产水量大，除盐率高。 6 第一章文献综述 2 ) 管式管式把膜衬在耐压微孔管内壁或将制膜浆液直接涂刷在管外壁。 有单管式和管束式、内压式和外压式多种。耐压管管径一般为0 6 2 5 c m ，常用 多孔性玻璃纤维环氧树脂增强管、陶瓷管、不锈钢管等。管式水力条件好，但单 位体积中膜面积小。 3 ) 卷式在两层膜中间衬一层透水隔网，把这两层膜的三边用粘合剂密 封，将另一开口边与一根多孔集水管密封连接。再在下面铺一层多孔透水

42、隔网供 原水通过，最后以集水管为轴将膜叶螺旋卷紧而成。膜叶越多，卷式组件的直径 越大。单位体积中膜面积大，结构紧凑，但比较容易堵塞，预处理要求比板式和 管式高。 4 ) 中空纤维式是一种细如发丝的空心纤维管，外径5 0 一1 0 0 1 u n ，内径 2 5 4 2 1 a m 。将多根这种中空纤维弯成U 形装入耐压容器中，纤维开口端固定在圆 板上用环氧树脂密封，就成中空纤维式反渗透器。 1 3反渗透应用领域 1 3 1 海水、苦咸水淡化 我国海水淡化技术的研究起步较早，也是世界上少数几个掌握海水淡化先进 技术的国家之一。在反渗透海水淡化方面，1 9 9 7 年，浙江省重大科技攻关项目 “5

43、 0 0t d 反渗透海水淡化示范工程”在浙江省嵊泗县嵊山岛建成投产I 1 0 1 。首次采 用了透平式能量回收装置，使海水淡化工程单位产水能耗降至5 1 5k W h t 以下， 填补了我国反渗透海水淡化工程的空白。2 0 0 0 年，在国家科技部重点科技攻关项 目“日产于吨级反渗透海水淡化系统及工程技术开发”的支持下，先后在山东长 岛、浙江嵊泗建成了1 0 0 0 t d 级的反渗透海水淡化示范工程l l ，采用了压力交换 式能量回收装置，每吨淡水能耗降至4 2k W h 以下，各项技术经济指标达到国际 先进水平。在示范工程的引导下，我国己建成百吨级以上反渗透海水淡化工程十 余个，合计日产

44、水近3 0l ( t 。总体上讲，我国反渗透海水淡化技术和产业与美国、 日本等发达国家相比尚有一定差距。一是反渗透海水淡化关键设备，如海水膜组 器、高压泵、能量回收装置等尚未完全实现国产化，需要从美、日等发达国家引 进；二是海水淡化工程规模尚小，总制水能力只占全球总产量的千分之几；三是 掌握反渗透海水淡化技术的工程公司少。受海洋环境和海水特性的影响，海水淡 化工程与其他水处理工程相比，在设计和施工上差异较大。设计海水取水设施时， 应考虑潮位差、风浪、微生物和贝类生长等因素；设计海水预处理系统时，应考 虑海水浊度的季节性变化、细菌繁殖和有机物等因素；设计反渗透系统时，应考 7 第一章文献综述 虑

45、高压、腐蚀性、微溶无机盐沉淀及浓差极化等因素。 苦咸水通常指含盐量低于5 0 0 0m g L 的天然水、地表水和井水，也包括含盐 量高于5 0 0 0m g L 或含盐量接近海水的高浓度苦咸水。由于苦咸水一般含有较高 的钙、镁、重碳酸根、硫酸根等微溶无机盐离子，在反渗透苦咸水淡化工程中， 抑制和控制微溶盐的结垢沉淀是十分重要的。目前常用的方法有添加阻垢剂、 离子交换软化、加酸去除进水中的碳酸根和重碳酸根以及降低水回收率，避免超 过溶度积。反渗透是苦咸水淡化工程最具竞争力的方法，技术相对成熟。目前， 我国已有上千套规模不等的反渗透苦咸水淡化装置应用在国民经济各个领域，积 累了成功的经验。 1

46、3 2 纯水、超纯水制备 纯水、超纯水是现代工业中一种十分重要的原材料，已被广泛应用于半导体、 微电子、电力、化工、医药等领域。我国从2 0 世纪8 0 年代起在纯水、超纯水制备 系统中，采用以反渗透一离子交换为主导工艺，比单一离子交换工艺，其造水成 本约下降3 0 ，节省酸、碱耗量约9 0 ，提高树脂再生周期造水量约2 0 倍。反 渗透膜法分离技术的先进性，经济效益和环保社会效益已被大量反渗透工程实际 运行结果所证实。目前纯水、超纯水制备系统反渗透膜工艺的市场占有率高达9 5 以上。 1 3 2 1 电厂中、高压锅炉补给水制备 大型纯水、超纯水制备系统较集中应用于电厂中、高压锅炉补给水制各，

47、其 主要工艺由原水预处理、反渗透除盐、离子交换深度除盐或电去离子( E D I ) 3 部 分组成。根据原水水质和产水水质要求设计工程的工艺流程和设备配置。原水 含盐量小于5 0 0m g L 时，可选用一级反渗透和混床的组合工艺；原水含盐量大 于5 0 0m g L ，可选用二级反渗透和混床的组合工艺，达到产水电导率( 2 5 ) 0 2 9 S c m ，S i 0 2 _ l p S c m 时， 可选用反渗透和复床的组合工艺。当反渗透产水中重碳酸根离- Y ：( H C O 孓) 5 0 m g L 时，可在阳床后设置脱气装置。由于反渗透膜元件具有大于9 7 除盐率， 而且还能去除水中

48、大部分微粒、有机物、胶体等杂质，所以电厂中、高压锅炉补 给水制备系统中，特别对高含盐量的原水，应用反渗透膜法除盐工艺，能获得显 著的经济效益和环境效益。 第一章文献综述 1 3 2 2 电子工业用纯水、超纯水制备 电子元器件的制造需要大量高品质的纯水、超纯水，电子级超纯水是目前世 界上纯净品质要求最高的水。在电子级超纯水制备系统中汇集了当前水处理技术 最先进的工艺和设备，如超滤、微滤、反渗透、膜脱气、电去离子( E D I ) 等，其 中反渗透装置是整个纯水、超纯水制备系统工程中一关键的设备。它能有效地去 除原水中9 7 以上的溶解性无机物质、9 9 以上的相对分子质量大于3 0 0 的有 机

49、物、9 9 以上的包括细菌在内的各种微粒和9 5 以上的二氯化硅。反渗透工 艺在纯水、超纯水制备系统工程中的应用，不但能提高了产水品质，降低生产成 本，而且防止环境污染，有力地推进了电子工业的进步，同时也促进了纯水、超 纯水制造技术的发展。 1 3 2 3 饮用纯净水的制备 我国饮用纯净水的制备始于2 0 世纪9 0 年代，主要工艺流程为：自来水一机械 过滤器一活性炭过滤_ 保安过滤_ 反渗透除盐一杀菌消毒一饮用纯净水。 1 9 9 9 年瓶装饮用纯净水G B l 7 3 2 3 、瓶装纯净水卫生标准G B l 7 3 2 4 和饮用 纯净水质标准C J9 4 标准的颁布，使饮用纯净水水质和卫

50、生指标得到了有效的 控制，有力地促进了饮用纯净水产业的健康发展。 1 3 3 分离、提纯、浓缩 反渗透组合工艺广泛用于食品工业和医药工业的分离、提纯、浓缩，反渗透 主要用于料液的脱水。食品工业中糖类、果汁、蔬菜加工的脱水浓缩已达到先进 的工业化程度。从渗透压考虑，反渗透特别适于质量分数在1 0 以下的食品料液 的浓缩。与传统的蒸发法相比，反渗透的主要优点是降低能量消耗。每脱去lL 水 所需要的能量，包括锅炉和电动机的能量损失，反渗透能耗近似为1 1 0l ( J L ，最 先进的蒸汽压缩蒸发器则为7 0 0I O L 【1 2 】。牛奶脱水在欧洲已广泛采用反渗透工 艺。在医药工业方面，膜组合技

51、术成功地用于抗生素的提炼。抗生素相对分子 质量一般在2 0 0 , - - 10 0 0 之间，发酵液经超滤去除大分子后，用反渗透浓缩【l3 1 。 目前我国在中成药制造过程中，采用反渗透脱水浓缩也有不少实例。在医药辅料 甘露醇生产工艺中，将超滤净化的料液进入反渗透预浓缩，可将甘露醇含量由质 量分数1 3 1 5 浓缩到4 2 左右，再经电渗析脱盐、蒸发结晶制成成品【1 4 】 。节能、产品纯度高、便于开发高附加值的新产品是反渗透技术在分离、提纯、 浓缩工艺中迅速扩展应用的主要原因。过程在常温、无相变环境下进行，特别适 于热敏物质和p H 敏感物质的分离，能保持原料的固有香气和天然气味，反渗透

52、 透过水可以回用，节约水源，整个生产过程无环境污染。生体料液可能含有细菌、 9 第一章文献综述 固体颗粒、多肽、蛋白或者糖胶、鞣质等复杂成份，需优化前处理步骤。在反渗 透组合工艺的设计中，应合理分配各段的负担，保证系统的平衡运转。膜通量下 降是常见的运行障碍，使用耐污染的膜、选取或开发无毒高效清洗剂和清洗方式 是保证稳定运行的关键。 1 3 4 废水资源化 废水资源化具有开发淡水资源与保护环境双重目的。无机系废水处理与海水 淡化采用同类装置并具有较多共性工艺技术。反渗透可使废液中的铜、铅、汞、 镍、锑、铍、砷、铬、银、硒、铊、锌等离子脱除9 0 9 9 。用反渗透处理 胶片加工废水，银的回收率

53、可达9 9 。目前，反渗透在城市污水深度处理方面的 应用受到了高度重视，包括中水回用和污水处理厂二级出水的深度处理制取优质 淡水。中东不少缺水国家，在大量采用反渗透海水淡化技术的同时，引入反渗 透技术处理二级污水，一级反渗透出水水质含盐8 0 m g L ，二级反渗透出水达到 1 0m g L ，以扩大淡水水源。一个典型例子是1 9 9 9 年在新加坡裕廊工业区建成 的反渗透污水处理厂，以三级生化处理的城市废水为原水，用反渗透系统制取高 级工业用水【l5 1 。悉尼奥运会体育场馆的日产水2 2 0 0t 污水处理系统可供我们借 监 1 6 】。生活污水经S B R _ t 艺处理、雨水经沉降和

54、水生植物氧化塘处理后混合， 进入0 2 l x m 的微孔过滤系统，得到可冲厕所用的中水，中水再经过反渗透处理用于 场馆绿化。这样即节约了自来水，又减少了市政污水处理量，实现了绿色奥运。 1 4 反渗透预处理技术 1 4 1 反渗透预处理必要性 为了保持膜组件良好的设计性能和安全的运行，保证膜的使用寿命，必须对 原水进行适当的预处理。预处理可以降低清洗的次数( 清洗费用一般占总运行费 用的5 2 0 【1 刁) 、延长反渗透膜的使用寿命、降低淡化过程的能耗及维护费用， 同时可以减少化学药品的用量和污染物的排放量，保持环境的可持续发展。必须 根据水源的水质条件、膜组件的特性和对给水质量的要求，选

55、择合适的处理方式。 使进水达到反渗透给水的水质要求。 1 4 2 反渗透预处理方法概要1 9 J ( 1 ) C a S 0 4 、C a C 0 4 、B a S 0 4 、S r S 0 4 结垢物质 反渗透过程中是否会产生结垢需根据不同的参数来判断。是否生成C a C 0 4 ， 1 0 第一章文献综述 可通过浓水L S I 的值判断，L S I 为负值时水质稳定，否则应处理。C a S 0 4 、B a S 0 4 、 S r S 0 4 可通过I P b 判断，其值小于0 8 K s p 时稳定，否则应处理。可根据情况选择合 适的处理措施，如：l 、离子交换软化，加六偏磷酸钠或有机阻

56、垢剂：2 、氢离子 交换后脱C 0 2 ；3 、加酸稳定，加石灰进行沉淀处理。 ( 2 ) 水中颗粒物 砂、黏泥、S i 0 2 等粒径大于2 p m 可通过过滤方式处理，小于2 岬可通过凝聚、 双滤料过滤。 ( 3 ) 铁、锰、硫化物 水中溶有的铁、锰、硫化物，遇到空气或C 1 2 可能氧化和沉淀。 降低原水中大量铁，可以采用曝气一锰砂过滤 井水中存在H 2 S 时，如被氧化成硫磺，会污染膜表面可采用阳光下曝气氧化、 过滤脱硫。重金属经氧化或空气氧化后，通过过滤或直流混凝过滤除去。 ( 4 ) 管道、泵等锈蚀产物 采用耐腐蚀材料的管道和设备，低压部分采用塑料；注意管道系统的严密性， 以防止空

57、气进入系统而使铁氧化；采取过滤方式、过滤前需加絮凝剂；为了防垢 的加酸系统，及加酸后的水系统都要采用防腐蚀材料。 ( 5 ) 胶体物质 地面水含胶体物质较多，主要是铝类的黏土，这类胶体颗粒大小在O 3 一 1 0 岬范围，带负电荷，单用过滤无法除去，故采用凝聚、过滤或直流混凝方法， 使胶体颗粒增大至1 0 - - 2 0 1 a n 过滤除去。 当悬浮物、胶体含量过多时，还需要凝聚，澄清，过滤。 ( 6 ) 有机物 有机物对膜的污染是复杂的，凝聚澄清和活性炭过滤都仅能除去部分有机 物、也可以采用超滤除去有机物。 ( 7 ) 细菌 细菌会以醋酸纤维为食物，因而醋酸膜易受细菌的侵蚀；对于复合膜，虽

58、不 易被细菌侵害，但细菌黏膜会造成膜的污堵。杀菌一般采用氯。 ( 8 ) 氯 醋酸纤维膜要求给水中还有残留氯，以防细菌滋生，而氯含量过高又会破坏 膜，最大允许连续余氯含量为l m g L 。复合膜抗氯性差，不允许含有余氯。采用 加氯杀菌后需加亚硫酸氢钠或经过活性炭过滤来消除余氯。 ( 9 ) 油和脂 进入膜组件的水不允许含有油和脂。处理油和脂一般采用活性炭过滤，也可 采用超滤。 第一章文献综述 ( 1 0 ) S i 0 2 膜元件在运行中浓水不允许析S i 0 2 ，过饱和的S i 0 2 聚合形成不溶解的胶体 硅，胶体硅会引起结垢。 防止S i 0 2 结垢的措施： 控制系统回收率，这是一

59、种容易的防硅垢的方法，靠降低系统回收率使水中 的浓度降低到符合溶解度( 对给定的p H 值和温度) 的要求。 可采用石灰软化，一般可降低给水中5 0 的硅，或在澄清时加入氧化镁、氯 化铁和铝酸钠。 1 5 传统预处理技术 具体方法包括加氯杀菌、在线凝聚和絮凝、多介质过滤、加酸调p H 、加防 垢剂、加还原剂、滤：占过滤等【1 8 】。反渗透膜对进水水质要求较高，需去除水中存 在的悬浮微粒、细菌、大颗粒有机物质等，使污染指数达到2 3 。但传统的多介 质过滤器和筒式过滤器并不能完全去除胶体和悬浮物质，出水水质会产生波动。 1 5 1 混凝技术 混凝是加入混凝剂使水中的分散颗粒由于相互作用结合成聚集体而增大的 过程。它是当今众多水处理工艺技术中应用最为广泛、最普遍的单元操作技术。 混凝处理效果的好坏往往决定后续工艺流程的运行状况、最终出水质量和处 理成本。 人们在研究中通常把混凝分为两个过程：凝聚和絮凝。由于混凝剂的加入使 包围在胶体颗粒周围的双电层受到压缩而引起脱稳，并通过胶粒碰撞聚集而形成 尺寸较小的“微絮体”的过程称为凝聚；絮凝则指由于微絮体通过机械或水力搅拌 进一步聚集成肉眼可见的大絮体的过程。 凝聚与絮凝这两个阶段仅是人们在研究混凝机理时为解释胶体颗粒脱稳沉 降的现象，为便于定量定性描述分析而提出的。在实际水处理操作