反滲透原理和反滲透膜

1、膜法分離簡介1748年，Nollet觀察到水可以通過覆蓋在盛有酒精溶液瓶口的豬膀胱進入瓶中發(fā)現(xiàn)；19世紀中葉發(fā)現(xiàn)了透析現(xiàn)象才重視；1864年，Moritz Traube制成了第一張人造合成膜 亞鐵氰化銅膜；1950年，W.Juda等試制成功第一張實用價值的離子交換膜；1960年，Loeb和Sourirajan創(chuàng)制了提高鹽截留率和水通量的不對稱二醋酸纖維素反滲透膜，制成了第一張高性能膜?？梢哉f，非對稱膜的研制成功，使反滲透過程從實驗室走向工業(yè)應(yīng)用。經(jīng)過200年的發(fā)展，形成了較為完整和系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論；近代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展為分離膜的研究和制造創(chuàng)造了良好的條件；例如：高分子學(xué)科、近代分析技術(shù)；現(xiàn)代工業(yè)的

2、需求；節(jié)能、低品位原材料再利用、消除環(huán)境污染的生產(chǎn)新技術(shù)等。膜分離技術(shù)特點（一）膜分離是一個高效的分離行為；90%的乙醇水溶液、N2和H2的分離,與萃取等的對比。能耗非常低；相比傳統(tǒng)分離： 蒸餾、蒸發(fā)、等多數(shù)分離過程的工作溫度在室溫；在醫(yī)藥工業(yè)、生物技術(shù)、食品加工等方面 膜分離技術(shù)特點（二）規(guī)模和處理能力可在很大范圍內(nèi)變化，而其效率、設(shè)備單價、運行費等變化不大；設(shè)備體積小、占地較少等；可以方便的插入現(xiàn)行生產(chǎn)工業(yè)，不必進行較大改變。膜分離設(shè)備本身沒有運動的部件，很少需要維護，可靠度很高；按膜的材料分： 醋酸纖維素膜、聚砜膜、聚砜酰胺等按膜的結(jié)構(gòu)分： 對稱膜、非對稱膜、液膜等按膜的用途分： 反滲透

3、、超濾、微濾電滲析等按膜的作用機理分： 多孔膜、致密膜等按孔徑分類的分離膜 主要膜分離過程 膜的種類膜的功能分離驅(qū)動力透過物質(zhì)被截留物質(zhì)微 濾多孔膜、溶液的微濾、脫微粒子壓力差水、溶劑、溶解物懸浮物、細菌類、微粒子超 濾脫除溶液中的膠體、各類大分子壓力差溶劑、離子和小分子蛋白質(zhì)、各類酶、細菌、病毒、乳膠、微粒子反滲透和納濾脫除溶液中的鹽類及低分子物壓力差水、溶劑無機鹽、糖類、氨基酸、BOD、COD等透 析脫除溶液中的鹽類及低分子物濃度差離子、低分子物、酸、堿無機鹽、尿素、尿酸、糖類、氨基酸 電滲析脫除溶液中的離子電位差離子無機、有機離子滲透氣化溶液中的低分子及溶劑間的分離壓力差、濃度差蒸汽液體

4、、無機鹽、乙醇溶液氣體分離氣體、氣體與蒸汽分離濃度差易透過氣體不易透過氣體膜的種類微濾膜: 0.1 到 10 微米細菌和微細的懸浮固體超濾膜: 0.005到0.05微米,乳化油, 顏色 , 膠體鈉濾膜: 0.0005到0.005微米 糖, 染料, 界面活性劑, 礦物質(zhì)反滲透: 0.0001到0.001微米, 鹽,金屬離子, 礦物質(zhì)純水膜透過操作方式 各類膜分子截留率微濾膜 0.1 - 1 微米超濾膜6K - 100K 分子截留率超薄濾膜 500 - 6,000 分子截留率鈉濾膜150 - 500 分子截留率反滲透膜 50 150 分子截留率 普遍應(yīng)用于化工、電子、輕工、紡織、冶金、電力、石油、

5、食品等行業(yè)。 微濾：35.71% 反滲透： 13.04% 超濾： 19.10% 電滲析： 3.42% 血液透析： 17.70% 氣體分離： 9.32% 其它:1.71% 主要工業(yè)主要工業(yè)汽車涂裝業(yè)汽車涂裝業(yè)飲飲用水用水主要工業(yè)主要工業(yè)發(fā)電業(yè)發(fā)電業(yè)半導(dǎo)體及微電子行業(yè)半導(dǎo)體及微電子行業(yè)主要工業(yè)主要工業(yè)飲飲料制品料制品制藥及醫(yī)療業(yè)制藥及醫(yī)療業(yè)反滲透系統(tǒng)膜組件部分基本原理分離機理反滲透膜、組件、裝置反滲透基本原理純水鹽溶液半透膜滲透壓(b) 滲透平衡純水鹽溶液半透膜(a) 滲透純水鹽溶液半透膜外加壓力(c) 反滲透滲透：水從稀溶液一側(cè)通過半透膜向濃溶液一側(cè)自發(fā)流動的過程。反滲透：當(dāng)在濃溶液上加壓力，且

6、該壓力大于于滲透壓時，濃溶液中的水就會通過半透膜流向稀溶液，使得濃溶液的濃度更大，這一過程是滲透的相反的程。反滲透分離機理氫鍵理論 Reid）等人提出的 ，基于一些離子和分子能夠通過膜的氫鍵的結(jié)合而發(fā)生聯(lián)系，從而通過這些聯(lián)系發(fā)生線形排列型的擴散來進行傳遞 優(yōu)先吸附毛細孔流理論 索里拉金等人提出了優(yōu)先吸附毛細孔流理論 溶解-擴散理論 Lonsdale和Riley 氫鍵理論膜的表面層OH2COCOC HH OC HOH2CH2COCOOHOHOCOH2CC H2H2CCHOCCOCC HOO HOH2COCOC HH OC HOH2CH2COCOOHOHOCOH2CC H2H2CCHOCCOCC

7、HOO HOH2COCOC HH OC HOH2CH2COCOOHOHOCOH2CC H2H2CCHOCCOCC HOO HOH2COCOC HH OC HOH2CH2COCOOHOHOCOH2CC H2H2CCHOCCOCC HOO HOOOOOHHOHHOHHOHHOHHOHHOHHH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2O膜的表面層雜質(zhì)等離子優(yōu)先吸附毛細孔流理論Na Cl膜元件H2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2O膜元件H2OH2OH2ONa ClNa ClNa ClNa ClNa ClH2ONa ClH2OH2OH2ONa ClNa

8、ClH2OH2OH2ONa ClNa ClNa ClH2OH2OH2ONa ClNa ClNa ClH2OH2ONa ClNa ClNa ClNa ClH2OH2OH2ONa ClNa ClNa ClH2OH2OH2ONa ClH2O純水界面主體溶液壓力反滲透反滲透膜、組件、裝置膜材料 醋酸纖維素類反滲透膜； 芳香含氮高分子反滲透膜； 聚哌嗪類復(fù)合膜；膜性能應(yīng)具備： 脫鹽率高、透水率大； 機械強度好，耐壓密； 化學(xué)穩(wěn)定性好； 使用壽命長、性能衰減小； 制膜容易，價格低廉，原料充沛； 還有其他耐溶劑、高溫、氯等 雙層復(fù)合膜結(jié)構(gòu)反滲透反滲透膜材料醋酸纖維素類反滲透膜 OOHHHCH2OHOHHHO

9、HOOHHCH2OHOHHHOHOOHHOHCH2OHHHOHHOOHHOHCH2OHHHOHH反滲透反滲透膜材料芳香含氮高分子反滲透膜CCNHHNCCNHHNCOOOCOOOHNH*Oxy反滲透反滲透膜組件 板式組件： 系緊螺栓式、耐壓容器式 管式組件： 內(nèi)壓式、外壓式 螺旋卷式組件 中空纖維組件 各種組件性能比較卷式膜結(jié)構(gòu)中心管產(chǎn)品水濃水 ATD進水方向流道膜片膜片流道外殼材料收集通道膜的動畫效果反滲透原理反滲透的簡單流程圖給水產(chǎn)品水q V ,f ,c fq V ,b ,c b濃水q V ,p ,c p反滲透衡量膜性能的主要參數(shù) 水通量 溫度； pH； 壓力； 濃度； 透鹽率 電解度； 極

10、性； 離子電價； 水合程度； 分子量； 異構(gòu)體的支鏈程度； 通量衰減系數(shù)反滲透原理1、反滲透裝置重要指標(biāo)水的回收率 Y (以表示)：Y=q V,p100%q V,fq V ,f 給水流量， m3/ hq V ,p 產(chǎn)品水流量， m3/ h2、反滲透裝置重要指標(biāo)水的脫鹽率 SR (以表示)：SR=c f c p100%c fSR=c fA c p100%c fAc f ，c p 分別為給水和產(chǎn)品水的濃度，mol/ L或 c fA 平均給水濃度，mol/ LRO原理簡介給水產(chǎn)水濃水75回收率100 m3/ h75 m3/ h25 m3/ h90 脫鹽率100 mg/l 鈣離子13.3 mg/l 鈣

11、離子360 mg/l 鈣離子反滲透反滲透裝置的組合形式多級串聯(lián)式；多級組合式；帶有中間升壓泵的三段組合式；濃縮循環(huán)方式；典型反滲透系統(tǒng)設(shè)計典型反滲透系統(tǒng)設(shè)計膜 組 件保 安 過 濾 器活 性 炭 過 濾 器多 介 質(zhì) 過 濾 器阻垢劑絮凝劑圖 1、 典 型 反 滲 透 系 統(tǒng) 設(shè) 計典型反滲透系統(tǒng)設(shè)計典型反滲透系統(tǒng)設(shè)計軟化器絮凝劑多介質(zhì)過濾器活性炭過濾器保安過濾器膜組件圖2、典型反滲透系統(tǒng)設(shè)計典型多段反滲透系統(tǒng)產(chǎn) 水濃 水傳 感 器 代 號 ：壓 力 ，電 導(dǎo) 率 ，流 量 ，溫 度圖 3、 典 型 多 段 反 滲 透 系 統(tǒng)簡單多級反滲透給水一級產(chǎn)水一級濃水二級產(chǎn)水二級濃水膜分離技術(shù)近膜分離

12、技術(shù)近幾幾年來在中國電力行業(yè)的應(yīng)用概況年來在中國電力行業(yè)的應(yīng)用概況為什么膜分離技術(shù)近幾年得到了最快速的發(fā)展？不同水源（市政廢水、循環(huán)水排污水、地表水、地下水）所采用的膜處理工藝介紹近幾年來中國膜法水處理的典型工程介紹為什么膜分離技術(shù)近幾年得到了最快速的發(fā)展？為什么膜分離技術(shù)近幾年得到了最快速的發(fā)展？為什么膜分離技術(shù)近幾年得到了最快速的發(fā)展？為什么膜分離技術(shù)近幾年得到了最快速的發(fā)展？1.工業(yè)節(jié)水十五規(guī)劃。北京高井電廠關(guān)于循環(huán)排污水回用問題證實了超濾作為反滲透預(yù)處理的必要性和可行性；2.電廠環(huán)保的要求。山西古交電廠是我國第一個30萬千瓦以上機組采用EDI技術(shù)的電廠。自此，空冷機組和燃機電廠開始普遍

13、采用EDI；3.地表水水質(zhì)的變化。江河湖泊水系工業(yè)和生活污染加重，華東、華南海水倒灌，影響原有水處理系統(tǒng)的可靠運行。4. 中國工業(yè)經(jīng)濟快速發(fā)展，特別是能源化工等基礎(chǔ)工業(yè)。帶來日益增長的項目機遇；5. 膜分離工藝的設(shè)計、應(yīng)用日趨成熟。膜法工藝高效、便捷、運行管理方便。不同水源所采用的膜處理工藝介紹不同水源所采用的膜處理工藝介紹市政污水市政污水工業(yè)廢水工業(yè)廢水除除COD，氨氮，氨氮超濾超濾+反滲透反滲透EDI / 混床混床超濾超濾+反滲透反滲透鍋爐補給水鍋爐補給水循環(huán)水排污循環(huán)水排污循環(huán)水系統(tǒng)循環(huán)水系統(tǒng)EDI / 混床混床廢水處理系統(tǒng)廢水處理系統(tǒng)不同水源所采用的膜處理工藝介紹不同水源所采用的膜處理

14、工藝介紹1、地下水：即井水，一般水質(zhì)穩(wěn)定，污染可能性低，水中溶解氧少，二價Fe、Mn、H2S等還原性物質(zhì)多，微生物和菌類較少。僅需簡單的預(yù)處理。例如：設(shè)置多介質(zhì)過濾、加阻垢劑、5um保安過濾器即可，也可能需要除鐵除錳。2、地表水：受季節(jié)的影響較大，有發(fā)生微生物和膠體兩方面高度污染的可能性。所需的預(yù)處理較復(fù)雜。包括：絮凝/助凝、澄清、多介質(zhì)過濾、超濾、脫氯、加酸、加阻垢劑等。3、工業(yè)和市政廢水：含有更復(fù)雜的有機和無機成分。有些有機物甚至?xí)乐赜绊懛礉B透產(chǎn)水量的下降甚至膜的降解。因此必須有更加周全的預(yù)處理。包括：酸堿中和、三級生化處理、加氯氧化、澄清多介質(zhì)過濾、超濾、脫氯、加酸、加阻垢劑等工藝。4

15、、循環(huán)排污水：高硬度、高堿度、高pH值，經(jīng)循環(huán)系統(tǒng)濃縮后已處于過飽和狀態(tài)；水中投加的藥劑量及藥劑種類很多，水質(zhì)成分復(fù)雜；有機物及細菌微生物的含量較高。預(yù)處理工藝的選擇要慎重。膜法的預(yù)處理工藝介紹膜法的預(yù)處理工藝介紹CODNH3N懸浮物膠體、鐵、鋁油（石灰）混凝澄清砂濾活性炭超濾有機污染物和膠體類物質(zhì)對高分子膜影響較大；含有特定污染物的工業(yè)廢水需要特別留意；各種常規(guī)預(yù)處理工藝常被用來提高系統(tǒng)的可靠性。脫鹽部分的工藝脫鹽部分的工藝一級反滲透二級反滲透EDI脫碳一級反滲透復(fù)床混床脫碳加堿近幾年來典型膜法工程近幾年來典型膜法工程1. 工業(yè)領(lǐng)域膜法水處理的工程市場約40億人民幣；2. 電力行業(yè)，目前已經(jīng)

16、簽約的超濾項目，日產(chǎn)水量100萬噸，占中國水處理用超濾市場的70。3. 鋼鐵行業(yè)，市場正在快速膨脹；4. 石化行業(yè)，節(jié)水減排的需求使得膜法市場處于起步階段。5. EDI市場，大型火電廠約占30的市場，熱電、化工等約占30，其余為電子超純水市場。近幾年來典型膜法工程近幾年來典型膜法工程循環(huán)排污水循環(huán)排污水1.大唐高井電廠，循環(huán)水排污水回用于鍋爐補給水工程系統(tǒng)產(chǎn)水規(guī)模150m3/hMMF高壓鍋爐用水循環(huán)排污水濃水外排1級ROUFEDI2級RO脫碳器濃水濃水電力系統(tǒng)第一個投運的循環(huán)水排污水回用工程，自此超濾作為反滲透預(yù)處理的工藝開始迅速推廣。高井電廠超濾系統(tǒng)火電廠循環(huán)水排污水回用第一套全膜工藝（超濾

17、ROROEDI） 用戶名稱：大唐北京高井電廠 規(guī)模： 45m3/h（一期），150m3/h（二期） 投運時間： 2003年8月， 2004年10月電廠循環(huán)水補充水為永定河河水；循環(huán)水排污水濁度1020NTU，COD-Mn約10ppm，電導(dǎo)率1600S/cm；經(jīng)預(yù)過濾超濾反滲透后作為循環(huán)水補水，部分經(jīng)EDI處理后作為鍋爐補給水；高井電廠RO-EDI系統(tǒng)2.托克托電廠托克托電廠200m3/h循環(huán)水排污水回用工程循環(huán)水排污水回用工程循環(huán)排污水機械加速澄清池多介質(zhì)超濾反滲透離子交換系統(tǒng)2004年7月份投運。原水電導(dǎo)率20003000 S/cm。近幾年來典型膜法工程近幾年來典型膜法工程循環(huán)排污水循環(huán)排污

18、水3.包頭第二熱電廠循環(huán)水排污水回用用于鍋爐補給水工程（MMF）+UF+RO+（離子交換系統(tǒng)） 2004年10月投運，產(chǎn)水量300t/hr。4.包頭第一熱電廠循環(huán)水排污水回用工程MMF+UF+ACF+RO+離子交換系統(tǒng) 產(chǎn)水量180t/hr。近幾年來典型膜法工程近幾年來典型膜法工程循環(huán)排污水循環(huán)排污水混凝、澄清、多介質(zhì)過濾、活性炭等工藝，根據(jù)水質(zhì)情況設(shè)置和采用。1.山西古交電廠2x300MW機組亞臨界鍋爐MMF+UF+RO+RO+EDI2005年10月投運，產(chǎn)水量120t/hr。該項目是我國第一個30萬千瓦以上機組的全膜法工程，自此EDI開始進入我國電力系統(tǒng)。近幾年來典型膜法工程近幾年來典型膜

19、法工程全膜法全膜法近幾年來典型膜法工程近幾年來典型膜法工程全膜法全膜法內(nèi)蒙上都電廠，2x600MW，180t/hr（第一個600MW機組）山西兆光（霍州）電廠，2x300MW大連泰山熱電廠，120t/hr惠州深能源豐達電力， 70t/hr深圳東部電廠、青島黃島電廠、上海石洞口燃機電廠1.太鋼太鋼1400m3/h污水回用工程污水回用工程曝氣曝氣+沉淀沉淀+臭氧氧化臭氧氧化+MMF+1級級RO+2級級RO（部分）（部分）2.邯鋼邯鋼30000m3/d污水回用工程污水回用工程浸沒式浸沒式UF+RO4.首鋼首鋼130m3/h污水回用工程污水回用工程（石灰沉淀（石灰沉淀+砂濾）砂濾） +盤濾盤濾+UF+

20、RO3.安鋼安鋼500m3/h污水回用工程（規(guī)劃污水回用工程（規(guī)劃2000m3/h）（石灰沉淀（石灰沉淀+砂濾）砂濾）+MMF+RO5.石鋼污水回用工程石鋼污水回用工程（石灰沉淀（石灰沉淀+砂濾）砂濾） +MMF+UF+RO4. 浙江玉環(huán)電廠30000m3/d海水淡化工程浸沒式UF+SWRO+RO3. 大連石化5600m3/d海水淡化工程MMF+ACF+SWRO+RO+RO6. 天津開發(fā)區(qū)150000m3/d海水淡化工程混凝澄清+UF+SWRO1.大唐王灘電廠10000m3/d海水淡化工程 自清洗過濾+UF+SWRO+RO+（離子交換系統(tǒng)）5.山東昌邑柳瞳亞海水淡化工程150m3/h海水淡化工