反滲透內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及工作原理

1、關(guān)于反滲透內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理第1頁，共24頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)55分，星期四一、 反滲透脫鹽的原理 在一定的溫度下，用一張易透水而難透鹽的半透膜將淡水和鹽水隔開如圖(a)，淡水即透過半透膜向鹽水方向移動，隨著右室鹽水側(cè)液位升高，產(chǎn)生一定的壓力，阻止左室淡水向鹽水側(cè)移動，最后達(dá)到平衡，如圖(b)所示。此時的平衡壓力稱為溶液的滲透壓，這種現(xiàn)象稱為滲透現(xiàn)象。若在右室鹽水側(cè)施加一個超過滲透壓的外壓如圖(c)，右室鹽溶液中的水便透過半透膜向左室淡水中移動，使淡水從鹽水中分離出來，此現(xiàn)象與滲透現(xiàn)象相反，稱反滲透現(xiàn)象。 由此可知，反滲透脫鹽的依據(jù)是半透膜的選擇透過性，即有選擇地讓水透過而不允許鹽

2、透過；鹽水室的外加壓力大于鹽水室與淡水室的滲透壓力，提供了水從鹽水室向淡水室移動的推動力。一些溶液的典型滲透壓力見下表。第2頁，共24頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)55分，星期四 反滲透現(xiàn)象圖解 (a)滲透；(b)滲透平衡；(c)反滲透第3頁，共24頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)55分，星期四化合物濃度/(mg/L)滲透壓/kPa 化合物 濃度/(mg/L) 滲透壓/kPaNaCl 35000 2742.2 CaCl2 1000 57.19NaCl 1000 78.55 蔗糖 1000 7.23NaHCO3 1000 88.2 葡萄糖 1000 13.78Na2SO4 1000 41.34

3、 海水 32000 2400MgSO4 1000 24.80 苦咸水 25000 105280MgCl2 1000 66.83上述用于隔離淡水與鹽水的半透膜稱為反滲透膜。反滲透膜多用高分子材料制成，目前，用于火電廠的反滲透膜多為芳香聚酰胺復(fù)合材料制成。第4頁，共24頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)55分，星期四 RO（Reverse Osmosis）反滲透技術(shù)是利用壓力差為動力的膜分離過濾技術(shù)，其孔徑小至納米級（1納米=10-9米 ），在一定的壓力下，H2O分子可以通過RO膜，而源水中的無機(jī)鹽、重金屬離子、有機(jī)物、膠體、細(xì)菌、病毒等雜質(zhì)無法透過RO膜，從而使可以透過的純水和無法透過的濃縮水嚴(yán)格

4、區(qū)分開來。反滲膜的工作原理圖如下： 第5頁，共24頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)55分，星期四 二、反滲透膜的主要特性1 膜分離的方向性和分離特性 實(shí)用性反滲透膜均為非對稱膜，有表層和支撐層，它具有明顯的方向性和選擇性。所謂方向性就是將膜表面置于高壓鹽水中進(jìn)行脫鹽，壓力升高膜的透水量、脫鹽率也增高；而將膜的支撐層置于高壓鹽水中，壓力升高脫鹽率幾乎為0，透水量卻大大增加。由于膜具有這種方向性，應(yīng)用時不能反向使用。 反滲透對水中離子和有機(jī)物的分離特性不盡相同，歸納起來大致有以下幾點(diǎn)：（1）有機(jī)物比無機(jī)物容易分離。（2）電解質(zhì)比非電解質(zhì)容易分離。高電荷的電解質(zhì)更容易分離，其去除率順序一般如下： A

5、l3+ Fe3+ Ca2+ Na+ PO43- SO42-Cl- 對于非電解質(zhì)，分子越大越容易去除。（3）無機(jī)離子的去除率與離子水合狀態(tài)中的水合物及水合離子半徑有關(guān)。水合離子半徑越大，越容易被除去，去除率順序如下： Mg2+、Ca2+ Li+ Na+ K+；F- Cl- Br-NO3-（4）對極性有機(jī)物的分離規(guī)律： 醛醇胺酸，叔胺仲胺伯胺，檸檬酸酒石酸蘋果酸乳酸醋酸；第6頁，共24頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)55分，星期四（5）對異構(gòu)體： 叔（tert-） 異（iso-） 仲（sec-） 原（pri-）（6）有機(jī)物的鈉鹽分離性能好，而苯酚和苯酚的衍生物則顯示了負(fù)分離。極性或非極性、離解或非

6、離解的有機(jī)溶質(zhì)的水溶液，當(dāng)它們進(jìn)行膜分離時，溶質(zhì)、溶劑和膜間的相互作用力，決定了膜的選擇透過性，這些作用包括靜電力、氫鍵結(jié)合力、疏水性和電子轉(zhuǎn)移四種類型。（7）一般溶質(zhì)對膜的物理性質(zhì)或傳遞性質(zhì)影響都不大，只有酚或某些低分子量有機(jī)化合物會使醋酸纖維素在水溶液中膨脹，這些組分的存在，一般會使膜的水通量下降，有時還會下降的很多。（8）硝酸鹽、高氯酸鹽、氰化物、硫代氰酸鹽的脫除效果不如氯化物好，銨鹽的脫除效果不如鈉鹽。（9）而相對分子質(zhì)量大于150的大多數(shù)組分，不管是電解質(zhì)還是非電解質(zhì)，都能很好脫除。 此外，反滲透膜對芳香烴、環(huán)烷烴、烷烴及氯化鈉等的分離順序是不同的。 在實(shí)際工作中，有許多工作是相互制

7、約的。因此在理論指導(dǎo)的前提下，必須進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，掌握物質(zhì)的特性或規(guī)律，正確運(yùn)用反滲透技術(shù)，這點(diǎn)是十分重要。第7頁，共24頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)55分，星期四 2、反滲透水處理裝置 反滲透水處理裝置是包括從保安過濾器的進(jìn)口法蘭至反滲透淡水出水法蘭之間的整套單元設(shè)備。包含保安過濾器、高壓泵、反滲透本體裝置、電氣、儀表及連接管線、電纜等可獨(dú)立運(yùn)行的裝置。此外包含化學(xué)清洗裝置和反滲透阻垢劑加藥裝置。2.1 保安過濾器 為保證反滲透本體的安全運(yùn)行，即使有良好的預(yù)處理系統(tǒng)，仍需要設(shè)置精密過濾設(shè)備，起安全保障作用，故稱之為保安過濾器（也有技術(shù)資料中稱精密過濾器）。在反滲透系統(tǒng)中，保安過濾器不應(yīng)作為

8、一般運(yùn)行過濾器使用，僅應(yīng)作保安過濾使用，通常設(shè)在高壓泵之前。保安過濾器有多種結(jié)構(gòu)形式，常用如圖3-5所示，濾元固定在隔板上，水自中部進(jìn)入保安過濾器內(nèi)，隔板下部出水室引出，雜質(zhì)被阻留在濾元上。 反滲透水處理系統(tǒng)選擇的過濾精度一般為5m。這種濾元的優(yōu)點(diǎn)是過濾精度高，制造方便，價(jià)格便宜，使用安全，雜質(zhì)不易穿透，但反洗和化學(xué)清洗效果不明顯，只能一次性使用，當(dāng)運(yùn)行壓差達(dá)到0.2MPa左右時需要更換濾元。第8頁，共24頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)55分，星期四進(jìn)水出水濾元出水室排污閥圖3-5 保安過濾器第9頁，共24頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)55分，星期四2.2高壓泵 反滲透膜運(yùn)行時，需要經(jīng)高壓

9、泵將水升至規(guī)定的壓力后送入，才能完成脫鹽過程。目前火電廠使用的高壓泵有離心式、柱塞式和螺桿式等多種形式，其中，多級離心式水泵使用最廣泛。這種泵的特點(diǎn)是效率較高，可以達(dá)到90%以上，節(jié)省能耗。2.3反滲透本體 反滲透本體是將反滲透膜組件用管道按照一定排列方式組合、連接而成的組合式水處理單元。單個反滲透膜稱膜元件，將一只或數(shù)只反滲透膜元件按一定技術(shù)要求串接，與單只反滲透膜殼組裝構(gòu)成膜組件。（1）膜元件 反滲透膜元件由反滲透膜和支撐材料等制成的具有工業(yè)使用功能的基本單元。目前在火電廠中應(yīng)用的主要是卷式膜元件。 目前各膜制造商針對不同行業(yè)用戶，生產(chǎn)出多種用途的膜元件。在火電廠應(yīng)用的膜元件按照水源特點(diǎn)大

10、致可分為：高壓海水脫鹽反滲透膜元件；低壓和超低壓苦咸水脫鹽反滲透膜元件；抗污染膜元件。下表中分別列出了這幾種膜的性能參數(shù)對比。 第10頁，共24頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)55分，星期四膜元件類型海水膜元件SW30HR系列低壓苦咸水膜元件（包含抗污染膜）BW30系列超低壓苦咸水膜元件XLE系列進(jìn)水壓力（(bar)25105脫鹽率(%)99.799.498.6測定條件膜通量30L/(m2.h)，2000mg/L NaCl溶液，25，pH 78，回收率10%，4英寸長膜元件圖3-7 卷式膜元件斷面圖進(jìn)水出水淡水淡水剛性支撐層超薄脫鹽層支撐織物進(jìn)水出水第11頁，共24頁，2022年，5月20日，

11、2點(diǎn)55分，星期四 我廠所使用的膜元件型號為BW30-400/34i，30表示水流通道為30mil，400表示有效面積為400ft2，制造單位為陶氏，每套反滲透共有168根膜組件，每根1米，材料為聚丙烯酰胺。膜元件的基本要求是：A、盡可能高的膜裝填密度。B、不易濃差極化C、抗污染能力強(qiáng)D、清洗和更換膜方便E、價(jià)格便宜（2）膜殼 反滲透本體裝置中用來裝載反滲透膜元件的承壓容器稱為膜殼，又稱“壓力容器”，制造單位為海德能，每根壓力容器長大約7米。 膜殼的外殼一般由環(huán)氧玻璃鋼布纏繞而成，外刷環(huán)氧漆。也有部分生產(chǎn)商的產(chǎn)品為不銹鋼材質(zhì)的膜殼。由于玻璃鋼具有較強(qiáng)的耐腐蝕性能，目前，國內(nèi)大多數(shù)火電廠選用玻璃

12、鋼材質(zhì)的膜殼。我廠壓力容器的材質(zhì)為玻璃鋼，英文縮寫為FRP。 第12頁，共24頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)55分，星期四膜組件BW 30（LE） 365（FR）抗污染膜元件膜元件有效面積(平方英尺)火電廠常用規(guī)格如下：BW30：365、400；SW：320、380；BW30LE：440LE：低壓低耗能(對應(yīng)BW)HR：高脫鹽率(對應(yīng)SW)FT30系列膜片TW：低含鹽量水膜元件BW：苦咸水膜元件SW：海水膜元件第13頁，共24頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)55分，星期四三、影響反滲透水處理系統(tǒng)性能的因素 針對特定的系統(tǒng)條件，水通量和脫鹽率是反滲透膜的特性，而影響反滲透本體的水通量和脫鹽率因

13、素較多，主要包括壓力、溫度、回收率、進(jìn)水含鹽量和pH值等影響因素。（1）壓力的影響 反滲透進(jìn)水壓力直接影響反滲透膜的膜通量和脫鹽率。如圖所示，膜通量的增加與反滲透進(jìn)水壓力呈直線關(guān)系；脫鹽率與進(jìn)水壓力成線性關(guān)系，但壓力達(dá)到一定值后，脫鹽率變化曲線趨于平緩，脫鹽率不再增加 。第14頁，共24頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)55分，星期四（2）溫度影響 如圖所示，脫鹽率隨反滲透進(jìn)水溫度的升高而降低。而產(chǎn)水通量則幾乎呈線性地增大。主要是因?yàn)?，溫度升高，水分子的粘度下降，擴(kuò)散能力強(qiáng)，因而產(chǎn)水通量升高；隨著溫度的提高，鹽分透過反滲透膜的速度也會加快，因而脫鹽率會降低。原水溫度是反滲透系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個重要參考

14、指標(biāo)。如某電廠在進(jìn)行反滲透工程技改時，設(shè)計(jì)時原水水溫按25計(jì)算，計(jì)算出來的進(jìn)水壓力為1.6MPa，而系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時水溫只有8，進(jìn)水壓力必須提高至2.0MPa才能保證淡水的設(shè)計(jì)流量。導(dǎo)致的后果是，系統(tǒng)運(yùn)行能耗增加，反滲透裝置膜組件內(nèi)部密封圈壽命變短，增大了設(shè)備的維護(hù)量。第15頁，共24頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)55分，星期四（3）含鹽量的影響 水中鹽濃度是影響膜滲透壓的重要指標(biāo)，隨著進(jìn)水含鹽量的增加，膜滲透壓也增大。圖3-18所示，在反滲透進(jìn)水壓力不變的情況下，進(jìn)水含鹽量增加，因滲透壓的增加抵銷了部分進(jìn)水推動力，因而通量變低，同時脫鹽率也變低。第16頁，共24頁，2022年，5月20日，2

15、點(diǎn)55分，星期四（4）回收率的影響 反滲透系統(tǒng)回收率的提高，會使膜元件進(jìn)水沿水流方向的含鹽量更高，從而導(dǎo)致膜滲透壓增大，這將抵消反滲透進(jìn)水壓力的推動作用，從而使降低了產(chǎn)水通量。膜元件進(jìn)水含鹽量的增大，使淡水中的含鹽量隨之增加，從而降低了脫鹽率。如圖3-19回收率對膜通量和脫鹽率影響的趨勢。含鹽量產(chǎn)水通量(壓力一定)圖3-18含鹽量對膜通量和脫鹽率影響趨勢圖圖3-19回收率對膜通量和脫鹽率影響趨勢圖圖3-20pH值對膜通量和脫鹽率影響趨勢圖脫鹽率(壓力一定)脫鹽率(壓力一定)脫鹽率(壓力一定)產(chǎn)水通量(壓力一定)脫鹽率(壓力一定)產(chǎn)水通量(壓力一定)回收率pH值 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，反滲透系統(tǒng)最大回收

16、率并不取決于取決于滲透壓的限制，往往取決于原水中的鹽分的成分和含量大小，因?yàn)殡S著回收率的提高，微溶鹽類如碳酸鈣、硫酸鈣和硅等在濃縮過程中會發(fā)生結(jié)垢現(xiàn)象。第17頁，共24頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)55分，星期四（5）pH值的影響 不同種類的膜元件適用的pH值范圍差別較大，如醋酸纖維膜在pH 值48的范圍內(nèi)產(chǎn)水通量和脫鹽率趨于穩(wěn)定，在pH值低于4或高于8的區(qū)間內(nèi)，受影響較大。目前工業(yè)水處理使用的膜材料絕大多數(shù)為復(fù)合材料，適應(yīng)的pH值范圍較寬（連續(xù)運(yùn)行情況下pH值可以控制在310的范圍），在此范圍內(nèi)的膜通量和脫鹽率相對穩(wěn)定，如圖3-20 所示。第18頁，共24頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)5

17、5分，星期四四、反滲透膜預(yù)處理方法 反滲透膜過濾方式與濾床式過濾器過濾不同，濾床是全過濾方式，即原水全部通過濾層。而反滲透膜過濾是橫流過濾方式（如圖3-21 反滲透膜橫向過濾示意圖），即原水中的一部分水沿與膜垂直方向透過膜，此時鹽類和各種污染物被膜截流下來，并被沿膜與膜面平行方向流動的剩余的另一部分原水?dāng)y帶出，但污染物并不能完全帶出，隨著時間的推移，殘留的污染物會會使膜元件污染加重，而且原水污染物及回收率越高，膜污染越快。第19頁，共24頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)55分，星期四1 結(jié)垢控制 當(dāng)原水中的難溶鹽在膜元件內(nèi)不斷被濃縮且超過其溶解度極限時，它們就會在反滲透膜表面上沉淀，我們稱之為

18、“結(jié)垢”。當(dāng)水源確定后，隨著反滲透系統(tǒng)的回收率的提高，結(jié)垢的風(fēng)險(xiǎn)就越大。目前出于水源短缺或排放廢水對環(huán)境影響考慮，提高回收率是一種習(xí)慣做法，在這種情況下，考慮周全的結(jié)垢控制措施尤為重要。在反滲透系統(tǒng)中，常見的難溶鹽為CaCO3、CaSO4和SiO2，其他會產(chǎn)生結(jié)垢的化合物為CaF2、BaSO4、SrSO4和Ca3(PO4)2。常用的阻垢方法是加阻垢劑。我車間用的阻垢劑為納爾科的PC191，歐美的NP200。2 膠體和固體顆粒污染的控制 膠體和顆粒污堵會嚴(yán)重影響反滲透膜元件的性能，如大幅度降低淡水產(chǎn)量，有時也會降低脫鹽率，膠體和顆粒污染的初期癥狀是反滲透膜組件進(jìn)出水壓差增加。 判斷反滲透膜元件進(jìn)

19、水膠體和顆粒最通用的辦法是測量水中的SDI值，有時也稱FI值（污染指數(shù)），它是監(jiān)測反滲透預(yù)處理系統(tǒng)運(yùn)行情況的重要指標(biāo)之一。 第20頁，共24頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)55分，星期四 SDI（淤泥密度指數(shù)）是以單位時間內(nèi)水濾過速度的變化來表示水質(zhì)的污染性。水中膠體和顆粒物的多少會影響SDI大小。SDI值可用SDI儀來測定。3 膜微生物污染控制 原水中微生物主要包括：細(xì)菌、藻類、真菌、病毒和其他高等生物。反滲透過程中，微生物伴隨水中溶解性營養(yǎng)物質(zhì)會在膜元件內(nèi)不斷濃縮和富集，成為形成生物膜的理想環(huán)境與過程。反滲透膜元件的生物污染，將會嚴(yán)重影響反滲透系統(tǒng)的性能，出現(xiàn)反滲透組件間的進(jìn)出口壓差迅速增

20、加，導(dǎo)致膜元件產(chǎn)水量下降，有時產(chǎn)水側(cè)會出現(xiàn)生物污染，導(dǎo)致產(chǎn)品水受污染。如某些火電廠反滲透裝置在檢修時發(fā)現(xiàn)，膜元件及淡水管側(cè)長滿綠青苔，這是一種典型的微生物污染。 膜元件一旦出現(xiàn)微生物污染并產(chǎn)生生物膜，對膜元件的清洗就非常困難。此外，沒有徹底清除的生物膜將引起微生物的再次快速的增長。因此微生物的防治也是預(yù)處理的最主要任務(wù)之一，尤其是對于以海水、地表水和廢水作為水源的反滲透預(yù)處理系統(tǒng)。第21頁，共24頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)55分，星期四 防止膜微生物的方法主要有：加氯、微濾或超濾處理、臭氧氧化、紫外線殺菌、投加亞硫酸氫鈉。在火電廠水處理系統(tǒng)常用的方法是加氯殺菌和在反滲透前采用超濾水處理技術(shù)。 氯作為一種滅菌劑，它能夠使許多致病微生物快速失活。氯的效率取決于氯的濃度、水的pH值和接觸時間。在工程應(yīng)用中，水中余氯一般控制在0.51.0mg/L以上，反應(yīng)時間控制在2030min，氯的加藥量需要通過調(diào)試確定，因?yàn)樗杏袡C(jī)物也會耗氯。采用加氯