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反渗透设计规范技术指南

文章来源:东北亚水网 作者:水处理设备网 时间:2013-03-07 09:43:17

  反渗透是在二十世纪后期迅速发展起来的膜法水处理方式,它是苦咸水处理、海水淡化、除盐水、纯水、高纯水等制备的有效方法之一。其中心技术是一种用特殊材料和加工方法制成的、具有半透性能的反渗透膜,它能够在外加压力的作用下使水溶液中的某些组分选择性透过,从而达到水体淡化、净化的目的。

  反渗透的基本原理

  1、半透膜

  半透膜是广泛存在于自然界动植物体器官上的一种选择透过性膜。严格地说,是只能透过溶剂(通常指水)而不能透过溶质的膜。工业使用的半透膜多是高分子合成的聚合物产品。

  2、渗透、渗透压

  当把溶剂和溶液(或把两种不同浓度的溶液)分别置于此膜的两侧时,溶剂将自发地穿过半透膜向溶液(或从低浓度溶液向高浓度溶液)侧流动,这种现象叫渗透,如果上述过程中溶剂是纯水,溶质是盐份,当用理想半透膜将他们分隔开时,纯水侧会自发地通过半透膜流入盐水侧,此过程如图2.1(a)所示。

  纯水侧的水流入盐水侧,盐水侧的液位上升,当上升到一定程度后,水通过膜的净流量等于零,此时该过程达到平衡,与该液位高度差对应的压力称为渗透压。

  (a)渗透 (b)反渗透

  一般来说,渗透压的大小取决也溶液的种类、浓度和温度而与半透膜本身无关。通常可用下式计算渗透压。

  △∏=△CRT

  △ ∏ 渗透压 R 气体常数

  △ C 浓度差 T 温度

  3、反渗透

  当在膜的盐水侧施加一个大于渗透压的压力时,水的流动向就会逆转,此时盐水中的水将流入纯水侧,这种现象叫做反渗透,该过程如图2.1(b)所示。

  4、反渗透系统流量和物料守衡

  原水(Q1,C1) 产水(Q2,C2)

  浓水(Q3,C3)

  Q1——原水流量 Q2——产水流量 Q3——浓水流量

  C1——原水中物质浓度 C2——产水中物质浓度 C3——浓水中物质浓度

  在反渗透系统中,水体流量和水体中的各项物质的量总是保持不变的,它存在着两个平衡方程:

  Q1=Q2+Q3 (2.1)

  Q1×C1=Q2×C2+Q3×C3 (2.2)

  从平衡方程2.1我们可以看出,在保持原水水量恒定的话,要提高产水,可以通过减少浓水来实现,反之亦然;同理,在流量不变的情况下,由平衡方程2.2可以看出,产水水质越好,浓水的水质就越差。

  二、反渗透膜

  1、反渗透膜的性能要求和指标

  1.1为符合反渗透设计规范的要求,反渗透膜必须具有在应用上的可靠性和形成工业规模的经济性,其一般要求是:

   对水的渗透性要大,脱盐率要高;

   具有一定的强度,不致因水的压力和拉力影响而变形、破裂。膜的被压实性尽可能小,水通量衰减小,保证稳定的产水量;

   结构要均匀,能制成所需要的结构;

   能适应较大的压力、温度和水质变化;

   具有好的耐温、耐酸碱、耐氧化、耐水解和耐生物侵蚀性能;

   使用寿命要长;

   成本要低。

  1.2 根据以上要求,膜的使用者在选择膜时或使用膜前应该了解并掌握如下膜的物理、化学稳定性和膜的分离特性指标。

   膜材质

   允许使用的最高压力

   允许使用的温度范围

   允许的最大给水量

   适用的PH范围

   耐O3和CL2等氧化性物质的能力

   抗微生物、细菌的侵蚀能力

   耐胶体颗粒及有机物的污染能力

  1.3膜的分离透过特性指标

  膜的分离透过特性指标包括脱盐率、回收率、水流通量及流量衰减系数(或膜通量保留系数)

   脱盐率(Salt Rejection)指给水中总溶解固体物(TDS)中未透过膜部分的百分数。

  脱盐率=(1-产品水总溶解固形物/给水总溶解固形物)X100%

   回收率(Recovery)指产水流量与给水流量之比,以百分数表示。

  回收率=(产品水流量/给水流量)X100%

  一般影响回收率的因素,主要有进水水质,浓水的渗透压、易结垢物质的浓度、污染膜物质等因素。

   水通量(Flux)为单位面积膜的产水流量,与进水类型有关

  进水类型 一般复合膜的水通量(GFD)

  反渗透产品水

  20~30

  深井水 14~18

  地表水 8~14

  废水 8~12

   流量衰减系数 指反渗透装置在运行过程中产水量衰减的现象。即运行一年后产水流量与出水运行产水流量下降的比值(复合膜一般不超过3%)。

   膜通量保留系数 指运行一段时间后产水流量与初始运行产水流量的比值(一般三年可达到0.85以上)。

  2 、膜脱盐机理和迁移扩散方程

  膜脱除水中盐分并使水分子透过膜的机理说明,目前存在多种见解。基本上可以看作有孔和无空的两种解释,主要有氢键理论、选择吸附-毛细孔流动理论和溶解扩散理论。为了阐明其不同点,现简要加以说明:

  2.1 氢键理论是把醋酸纤维膜看作高度有序的矩阵结构的聚合物,膜的活性集团乙酰基(—C=O)具有与水分子形成氢键的能力,形成“结合水”,而水中溶解的其它粒子和分子则不能。在水的压力下第一个进入膜的水分子由于第一个氢键断裂下来,到下一个活性集团形成新的氢键……如此不断移位而使水及氢键传递通过膜层。而盐分则被分离出去。

  2.2 选择性吸附毛细孔理论是把膜看作一种微细多孔结构物质(5-10A),以Gibbs吸附方程为基础。膜的亲水性决定了选择吸附纯水而排斥盐分的特性,在固液表面上形成纯水层(约0.5nm)。在施加压力下,纯水层中的水分子不断通过毛细管流过膜。

  2.3 溶解扩散理论

  在反渗透水处理中是把膜视作无孔的,按溶解扩散方程计算的。这一理论是将膜当作溶解扩散场,认为水分子、溶质都可溶于膜内,并在推动力下进行扩散,淡水分子和盐分的溶解和扩散速度不同,因而表现了不同的透过性。定量的描述反渗透过程中的产水量和盐透过量是剂压差(ΔP)和浓度差(ΔC)为扩散传质作为推动力。其扩散方程是:

  QW =KW(ΔP-Δπ)A/τ

  式中:Qw-产水量

  Kw-系数

  ΔP-膜两侧的压差

  Δπ-渗透压

  A-膜的面积

  τ-膜的厚度

  Kw与膜的性质和水温有关,Kw越大,说明膜的渗水性能越好。

  Qs=Ks×ΔC×A/τ

  式中,Qs-产水量

  Ks-系数

  ΔC-膜两侧的浓度差

  A-膜的面积

  τ-膜的厚度

  Ks与膜的性质、盐的种类以及水温有关,Ks越小,说明膜的脱盐性能越好。

  从以上俩式可以看出,对膜来说,Kw大Ks小则质量较好。相同面积和厚度的膜,其产水量与净驱动压力成正比,盐透过量至于膜两侧浓度差成正比,而与压力无关。

  3 、膜的运行条件的影响及浓差极化

  3.1 膜的水通量和脱盐率是反渗透过程的关键的运行参数。

  这两个参数将受到一下因素的影响,主要有:

   压力

   温度

   回收率

   给水含盐量

  3.1.1 压力

  给水压力升高,水通量增大,产品水含盐量(TDG)下降,脱盐率提高。

  3.1.2 温度

  在提高给水温度而其它运行参数不变时,产品水通量和盐透过量均增加。温度升高,水的粘度减小,一般产水量可增大2-3%;但同时温度升高,膜的盐透过率系数Ks变大,因而盐透过量有所增加。

  3.1.3 回收率

  增大回收率,产品水通量下降,是因为浓水盐含量增大,导致渗透压升高,在给水压力不变的情况下,ΔP-Δπ变小,因而Qw减小。同时,与与浓水盐浓度升高,使ΔC增大,故盐透过量Qs增大,产品水含盐量升高。

  3.1.4 给水含盐量

  给水含盐量增加,产品水通量和脱盐率都下降。由于给水TDS增加,ΔC增加,故Qs增加,即盐透过量增加;而且,渗透压也增加,在给水压力不变的情况下,ΔP-Δπ变小,故Qw减小。

  3.2 膜表面的浓差极化

  3.2.1 反渗透过程中,水分子透过后,膜界面层中含盐量增大,形成浓度较高的浓水层,此层与给水水流的浓度形成很大的浓度梯度,这种现象称为膜的浓差极化.浓差极化会对运行产生极为有害的影响.

  3.2.2浓差极化的危害

   由于界面层中的浓度很高,相应的会使渗透压升高.当渗透压升高后,势必使原来的运行条件的产水量下降.为欲达到原来所需的产水量,就要提高给水压力,增加电能消耗.

   由于界面层的浓度升高,膜两侧的ΔC增大,使产品的盐透过量增大.

   由于界面层的浓度升高,对易结垢的物质增加了沉淀结垢倾向,造成膜的污垢污染.为了恢复膜的性能,要频繁的清洗,并可能造成膜性能的下降.

   由于形成的浓度梯度,会以一定措施使盐分的扩散离开膜表面,但胶体物质的扩散要比盐分的扩散速度小数百数千倍,因而浓度极化是促成膜表面胶体污染的重要原因.

  3.2.3 消除浓差极化的措施

   要严格控制膜的水通量

   严格控制回收率

   严格按照膜生产厂家的设计导则设计RO系统

  4、 膜的种类及其结构形态分类

  4.1 反渗透膜的类别

  4.1.1 按膜本身的结构形态分类

   均质膜 为同一种材质、厚度均一的膜。为了增加强度以便耐压,膜的厚度较厚,整个膜厚都起着屏蔽层的作用,因而透水性较差。

   非对称膜 为同一种材质,制作成致密的表皮层和多孔支持层。表皮层很薄,起盐分离作用,厚约0.1~0.2μm,因为阻力较小,膜的水通量较均质膜高。

   复合膜 为不同材质制成的几层膜的复合体,如图1-3-5。表层为致密屏蔽表皮(起阻止并分离盐分的作用),厚约为0.2μm,表皮敷在强度较高的多孔层上,多孔层厚约40μm,最底层为无纺织物支撑层,厚约120μm,起支持整个膜的作用。

  4.1.2 按膜加工外形分类

   平面膜 由平面膜作为中间原材料,可以加工成板式、管式或卷式反渗透膜。

   中空纤维膜 以熔融纺丝经过中空纤维的纺丝、热处理等工艺制成的很细很细的非对称结构的中空纤维膜。

  4.1.3 按膜的材质分类

   醋酸纤维素膜 一般是用纤维素经脂化生成三醋酸纤维素,再经过两次水解,成一、二、三醋酸纤维素的混合物制成的膜。

   芳香聚酰胺膜 一般是高交联芳香聚酰胺作为膜表皮的致密脱盐层。

  4.2芳香聚酰胺超薄复合膜与醋酸纤维素膜性能对比

  (1) 复合膜的化学稳定性好,醋酸纤维素膜不可避免地会发生水解。

  (2) 复合膜的生物稳定性好,不易受微生物侵袭,而醋酸纤维素膜易受微生物侵袭。

  (3) 复合膜的传输性好。

  (4) 复合膜在运行中不会被压紧,因此产水量随使用时间改变小,而醋酸纤维膜在运行中会被压紧,因而产水量不断下降。

  (5) 复合膜的脱盐率随时间改变小,而醋酸纤维素膜由于不可避免的水解,脱盐率不断下降。

  (6) 复合膜由于Kw大,其工作压力低,反渗透给水泵用电量与醋酸纤维膜相比几乎减少一半。

  (7) 醋酸纤维膜的寿命一般仅为三年,而复合膜可使用五年。

  (8) 复合膜的缺点是抗氯性较差,价格较贵。

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