第四章 膜法水處理

第四章

膜法水處理

第一節(jié)電滲析第二節(jié)反滲透膜分離法是利用選擇性透過膜為分離介質(zhì)．當膜兩側(cè)存在某種推動力(如壓力差、濃度差、電位差)時，使溶劑(通常是水)與溶質(zhì)或微粒分離的方法。分類：包括電滲析、反滲透、超濾、擴散滲析等：其中的反滲透、超濾相當于過濾技術。用選擇性透過膜進行分離時，使溶質(zhì)通過膜的方法稱為滲析；而使溶劑通過膜的方法則稱為滲透。電滲析法是以電位差為推動力的膜分離法，用于從水溶液中脫除離子，主要用于苦咸水脫鹽或海水淡化。其膜是導電膜，即陽離子交換膜和陰離子交換膜。以壓力差為推動力的膜分離法，根據(jù)溶質(zhì)粒子的大小及膜的結(jié)構(gòu)性質(zhì)(超濾膜、納濾膜、反滲透膜等)，又可分為超濾、納濾、反滲透等。反滲透法可用于溶劑的純化和溶液濃縮。反滲透法大部分應用于水的純化．主要是苦咸水脫鹽或海水淡化。反滲透法的另一個重要應用為制備高純水。膜是分離技術的核心。膜材料的化學性能、結(jié)構(gòu)對膜分離法起著決定性的作用；一般是高分子材料制成的膜，有纖維素膜、芳香聚酰胺類膜、雜環(huán)類膜、聚砜類膜、聚烯烴類膜和含氟高分子膜等。

膜分離法的特點：不發(fā)生相變、常溫進行、適用范圍廣(有機物、無機物等)、裝置簡單、易操作和易控制等。膜法水處理具有適應性強、效率高、占地面積小、運行經(jīng)濟的特點。所以，國內(nèi)外已把電滲析法、反滲透法或膜分離法與離子交換相結(jié)合的方法應用于鍋爐水處理。第一節(jié)電滲析

電滲析是膜分離技術的一種，它是在直流電場作用下，以電位差為推動力，利用離子交換膜的選擇透過性，把電解質(zhì)從溶液中分離出來，從而實現(xiàn)溶液的淡化、濃縮、精制或純化的目的。

電滲析的進展對電滲析基本概念的研究始于20世紀初，采用動物皮、膀胱膜或人造纖維、羊皮紙等進行實驗室研究，但無工業(yè)應用價值。隨著合成樹脂的發(fā)展，1950年，朱達試制出具有高選擇性的陰、陽離子交換膜后，才奠定了電滲析技術的實用基礎。1954年美、英等國將電滲析首先用于生產(chǎn)實踐中，淡化苦咸水、制備工業(yè)用水和飲用水。此后，電滲析技術逐步引入中東和北非。1959年起，前蘇聯(lián)也開始研究和推廣應用。日本主要利用電滲析法濃縮制鹽，1969年日本國內(nèi)食鹽有30％是用離于交換膜電滲析法生產(chǎn)的，1970年才將電滲析技術用于苦咸水淡化。一、電滲析基本原理及過程1.滲析過程2.電滲析過程3.電滲析脫鹽的基本原理4.電滲析技術的特點1.滲析過程

滲析是最早被發(fā)現(xiàn)和研究的一種膜分離過程，它是一種自然發(fā)生的物理現(xiàn)象。當兩種不同濃度的鹽水用一張滲析膜（半透膜或離子交換膜)隔開時，濃鹽水中的電解質(zhì)離子就會穿過膜擴散到稀鹽水中去，這種過程稱為滲析過程，亦稱擴散滲析。滲析過程的推動力是濃度梯度，因此又稱濃差滲析。滲析過程是緩慢進行的，隨著鹽分濃度梯度的降低．鹽的擴散也逐漸減少，直到膜兩邊濃度相同，建立了平衡，鹽分的遷移也就完全停止。滲析的應用血液透析從酸堿廢液中回收酸堿。濃差滲析回收酸

料液中由于H2SO4

和FeSO4

的濃度高，其中Fe2+、H+、SO42-均有向滲析液H2O中擴散的趨勢，由于使用陰離子交換膜作滲析膜，因此理論上陰膜只允許SO42-

透過膜進入滲析液，而H+

離子由于水合離子半徑小，遷移速度快，故也能透過膜遷移到滲析液中。

H+和1/2SO42-等摩爾透過膜，以保持溶液的電中性。但是Fe2+

離子則不透過陰膜。經(jīng)過一段時間的滲析后，料液中的H2SO4即進入滲析液中，實現(xiàn)了FeSO4和H2SO4的分離，即可實現(xiàn)回收廢硫酸的目的。2.電滲析過程電滲析過程是電解和滲析擴散過程的組合。電滲析制取淡水的基本過程：利用離子交換膜的選擇透過性，即陽膜理論上只允許陽離子通過，陰膜理論上只允許陰離子通過，在外加直流電場作用下，陰、陽離子分別往陽極和陰極移動，它們最終會于離子交換膜，如果膜的固定電荷與離子的電荷相反，則離子可以通過，如果它們的電荷是相同的．則離子被排斥，從而可以制得淡水。電滲析運行時可能發(fā)生的過程(1)反離子遷移離子交換膜具有選擇透過性。反離子遷移是電滲析運行時發(fā)生的主要過程，也就是電滲析的除鹽過程，反離子遷移效應大于0.9。(2)同名離子遷移與膜上固定基團所帶電荷相同的離子穿過膜的現(xiàn)象。即濃水中陽離子穿過陰膜，陰離子穿過陽膜，進入淡室的過程，就是同名離子遷移。這是由于離子交換膜的選擇透過性不可能達到100％。當膜的選擇性固定后，隨著濃室鹽濃度增加，這種同名離子遷移影響加大。(3)電解質(zhì)濃差擴散由于膜兩側(cè)溶液濃度不同，在濃度差作用下，電解質(zhì)由濃室向淡室擴散，擴散速度隨濃度差的增高而增大。(4)水的滲透在電滲析過程中，由于淡室水濃度低，基于滲透壓的作用，會使淡室的水向濃室滲透。濃度差愈大，水的滲透量也愈大，這一過程會使淡水產(chǎn)量降低。(5)水的電滲透反離子和同名離子，實際上都是以水合離子形式存在，在遷移過程中攜帶一定數(shù)量的水分子遷移，這就是水的電滲透。隨著溶液濃度的降低，水的電滲透量急驟增加。(6)水的壓滲當濃室和淡室存在著壓力差時，溶液由壓力大的一例向壓力小的一側(cè)滲漏，稱為水的壓滲，因此操作時應保持兩側(cè)壓力基本平衡。(7)水的電離電滲析運行時，由于電流密度相液體流速不匹配，電解質(zhì)離子未能及時地補充到膜的表面，而造成淡室水的電離生成H+和0H-離子，它們可以穿過陽膜和陰膜。對電滲析各過程的評價

電滲析器在運行時，同時發(fā)生著多種復雜過程：反離子遷移是電滲析除鹽的主要過程,其它都是次要過程。這些次要過程會影響和干擾電滲析的主要過程：

同名離于遷移和電解質(zhì)濃差擴散與主過程相反，會影響除鹽效果；

水的滲透、電滲透和壓滲會影響淡室產(chǎn)水量，也會影響濃縮效果；

水的電離會使耗電量增加，導致濃室極化結(jié)垢，從而影響電滲析的正常遠行。因此必須選擇優(yōu)質(zhì)離子交換膜和最佳的電滲析操作條件，以便消除或改善這些次要過程的影響。3.電滲析法脫鹽的基本原理把陽離子交換膜和陰離子交換膜交替排列于正負兩個電極之間，并用特制的隔板將其隔開，組成脫鹽(淡化)和濃縮兩個系統(tǒng)。當向隔室通入鹽水后，在直流電場作用下，陽離子向陰極遷移，陰離子向陽極遷移，但由于離子交換膜的選擇透過性，而使淡室中的鹽水淡化，濃室中鹽水被濃縮，實現(xiàn)脫鹽目的。電滲析法原理示意圖電滲析上兩極的反應——以NaCl溶液為例

在陽極上：2Cl--2e→Cl2↑H2O→H++OH-4OH--4e→O2+2H2O

產(chǎn)生的氯氣又有一部分溶于水中：

Cl2+H2O→

HCl+HClO

HClO

→HCl+[O]

陽極反應有氧氣和氯氣產(chǎn)生，氯氣溶于水又產(chǎn)生HCl及初生態(tài)氧[O]，陽極呈酸性反應，應當注意陽極的氧化和腐蝕問題。

在陰極上：H2O--→H++OH-H++2e--→2H2↑Na++OH---→NaOH

在陰極室由于H+離子的減少，放出氫氣，極水呈堿性反應，當極水中含有Ca2+、Mg2+和CO32-等離子時，會生成CaCO3和Mg(OH)2等沉淀物，在陰極上形成結(jié)垢。在極室中應注意及時排除電極反應產(chǎn)物，以保證電滲析過程的安全運行，考慮到陰膜容易損壞，并為了防止Cl-離子透過陰膜進入陽極室，所以在陽極附近一般不用陰膜，而改用陽膜或惰性多孔保護膜。

4.電滲析技術的特點

(1)能量消耗低。

(2)藥劑耗量少．環(huán)境污染小。

(3)對原水含鹽量變化適應性強。

(4)操作簡單，易于實現(xiàn)機械化、自動化。

(5)設備緊湊耐用．預處理簡單。

(6)水的利用率較高。

(1)能量消耗低電滲析除鹽過程中，只是用電能來遷移水中的鹽分，而大量的水不發(fā)生相的變化，其耗電量大致與水中的含鹽量成正比，尤其是對含鹽量為數(shù)千mg/L的苦咸水，其耗電量更低。(2)藥劑耗量少．環(huán)境污染小常規(guī)的離子交換處理水時，樹脂失效后需用酸、堿進行再生，再生后生成大量酸、堿再生廢液，水洗時還要排放大量酸、堿性廢水。電滲析法處理水時，僅酸洗時需要少量的酸。因此電滲析法是耗用藥劑少，環(huán)境污染小的一種除鹽手段。(3)對原水含鹽量變化適應性強

電滲析除鹽可按需要進行調(diào)節(jié)。產(chǎn)水量可按需要從每日幾m3至上萬m3變化?？筛鶕?jù)設計一臺電滲析器中的段數(shù)、級數(shù)或多臺電滲析器的串聯(lián)、并聯(lián)或不同除鹽方式(直流式、循環(huán)式或部分循環(huán)式)來適應。

(4)操作簡單，易于實現(xiàn)機械化、自動化電滲析器一般是控制在恒定直流電壓下運行，不需要通過頻繁地調(diào)節(jié)流速、電流及電壓來適應水質(zhì)、溫度的變化。因此，容易做到機械化、自動化操作。

(5)設備緊湊耐用．預處理簡單電滲析器是用塑料隔板、離子交換膜及電極組裝而成，其抗化學污染和抗腐蝕性能均良好，隔板相膜多層更加在一起，運行時通電即可制得淡水，因此設備緊湊耐用。由于電滲析中水流是在膜面平行流過，而不需透過膜，因此進水水質(zhì)不像反滲透控制的那樣嚴格，一般經(jīng)砂濾即可，相對而言預處理比較簡單。(6)水的利用率較高

電滲析器運行時，濃水和極水可以循環(huán)使用，與反滲透相比，水的利用率較高，可達到70％～80％，國外可高達90％。廢棄的水量少，再利用和后處理都比較簡單。

電滲析的缺點電滲析只能除去水中的鹽分．而對水中有機物不能去除，某些高價離子和有機物還會污染膜。電滲析運行過程中易發(fā)生濃差極化而產(chǎn)生結(jié)垢(用頻繁倒極電滲析可以避免)，這些都是電滲析技術較難掌握而又必須重視的問題。與反滲透相比，由于它的脫鹽率較低，裝置比較龐大且組裝要求高，因此它的發(fā)展不如反滲透快。

二、電滲析器的結(jié)構(gòu)及設備電滲析器由交替排列的膜和隔板以及兩端電極組裝而成。在電滲析器中，一張陰膜、淡水隔板、陽膜、濃水隔板組成一個膜對，若干膜對組合成膜堆；一對電極之間的膜堆稱為一級，淡水水流方向相同的膜堆稱為段。根據(jù)對水量和水質(zhì)的要求，可采用一級一段、多級一段、一級多段和多級多段的不同組合方式。電滲析器的主要部件和輔助設備1.離子交換膜2.隔板3.極區(qū)4.壓緊裝置5.輔助設備：整流器、酸洗系統(tǒng)、水箱、水泵和監(jiān)測儀表。

1.離子交換膜

離子交換膜，又稱離子選擇透過性膜。它是由對離子具有選擇透過性的高分子材料制成的薄膜。

按膜中的活性基團可分為：陽離子交換膜(簡稱陽膜)：強酸性磺酸型陽膜，活性基團為-SO3H或-SO3Na等，其反離子為H+或Na+等；陰離子交換膜(簡稱陰膜)：強堿性季銨型陰膜，活性基團為-N(CH3)3OH或-N(CH3)3Cl等，其反離子為OH-和Cl-等。

離子交換膜是一種高聚物電解質(zhì)薄膜，當浸入電解質(zhì)溶液后，其中的活性集團在溶劑的作用下發(fā)生離解：產(chǎn)生的反離子進入水溶液，在膜上留下帶有一定電荷的固定基團。由于磺酸基團和季銨基團具有親水性，使膜在水中溶脹，膜體結(jié)構(gòu)變松，從而形成細微、彎曲和貫通膜兩面的通道，使通道中留下帶有一定電荷的固定基團而形成內(nèi)電場。在外電場作用下，由于內(nèi)電場存在．離子交換膜只允許與其內(nèi)電場電荷相反的離子通過，而與內(nèi)電場電荷相同的離子不能通過。離子交換膜的這種選擇透過性，是電滲析除鹽的基礎。(3)離子交換膜是電滲析器中的關鍵材料，故對離子交換膜的物理、化學和電化學性能有一定的要求：具有較高的選擇透過性溶液的濃度增高時，離子交換膜的選擇透過性下降。陽離子交換膜對陽離子的選擇性遷移數(shù)應大于0.9，對陰離子遷移數(shù)應小于0.1。較好的化學穩(wěn)定性耐化學腐蝕、耐氧化、耐一定溫度、耐輻射和抗水解的性能。離子的反擴散和滲水性較低無論是同名離子遷移，還是濃差擴散及水的各種滲透過程，都不利于水的脫鹽，或引起脫鹽率下降。具有較高的機械強度膜應光滑平整，無針孔，厚度均勻。在受到一定壓力或拉力時，不會發(fā)生變形裂紋，具有較高的機械強度和韌性。具有較低的膜電阻膜的電阻應小于溶液的電阻，否則由膜本身所引起的電壓降增大不利于最佳電流條件，使電滲析效率下降?？赏ㄟ^減少膜的厚度，提高膜的交換容量和降低膜的交聯(lián)度來降低膜電阻。膜的原料豐富、價格低廉、工藝簡單。

膜的處理中的注意事項：組裝前對膜的處理：將膜放在操作溶液中浸泡24～48小時，使之與膜外溶液平衡，然后才裁減打孔。膜的尺寸應比隔板周邊小1mm，比隔板水孔大1mm。停運后，應在電滲析器中充滿溶液，防止膜發(fā)霉變質(zhì)或干燥收縮變形甚至破裂。

2.隔板它置于陽膜、陰膜之間，起著分隔和支撐陽膜、陰膜的作用，并形成水流通道，構(gòu)成濃、淡水室。隔板上有進出水孔、配水槽和集水槽、流水道。隔板材料為聚氯乙烯、聚丙烯、合成橡膠等非導體材料，能耐酸堿腐蝕，尺寸穩(wěn)定具有一定的彈性，以便于密封。根據(jù)水流在隔板中的流動狀況，分為有回路和無回路兩類形式。a.有回路隔板：依靠彎曲而細長的通道，達到以較小流量提高平均流速的效果，并且在膜面引起攪動，產(chǎn)生紊流現(xiàn)象。一般只有一個進水孔和一個出水孔。水流從一個進水孔經(jīng)配水槽進入隔板，在流水道中來回流動，從另一出水孔流出，因此又稱為折流式隔板。它多用于水量少而除鹽要求較高的水處理中。b.無回路隔板：使液體沿整個膜面流動，利用不同形式的隔網(wǎng)使液流產(chǎn)生紊流。水流是由一個或多個進水口經(jīng)配布水槽直線地流過隔板，再由對應的出水口流山，又稱直流式隔板。它多用于水量大而除鹽要求不高的水處理場合。3.極區(qū)向電滲析器輸入直流電，并將濃淡水引入膜堆，以及送入和引出極水。極區(qū)由電極、導水板和極水室組成。電極：電極放在膜堆兩端，連接直流電源后，陽極與陰極間產(chǎn)生的電位差成為電滲析的推動力。電極材料有鈦涂釕、石墨、不銹鋼等。[Cl-]＜100mg/L時用1Cr18Ni9Ti；[Cl-]＞100mg/L時用鈦涂釕電極或經(jīng)過防腐處理過的細晶粒石墨電極。電極應具備的條件：化學和電化學穩(wěn)定性好導電性好，電阻小機械性能好，便于加工和裝卸價格便宜。導水板：引入和導出濃、淡水，也可作引入和導出極水用。極水室：由供極水流動的隔板構(gòu)成，對極水室的要求是極水暢通，并能及時排去電極反應產(chǎn)生的氣體和沉淀物，這也是電滲析過程進行的必要條件。

4.壓緊裝置用來夾極室、保護室極膜堆的裝置，其作用是使電滲析器在運行時，不致于產(chǎn)生水的內(nèi)漏和外漏現(xiàn)象。有鋼板或槽鋼組合板或鑄鐵壓板兩種。鋼板或槽鋼組合板用螺桿鎖緊；鑄鐵壓板也可用液壓鎖緊。5.電滲析器的輔助設備(1)電滲析器的直流電源采用無級調(diào)壓硅整流器或可控硅整流器，直流輸出應有正、負極開關，或自動倒電極裝置。整流器容量(輸出電壓和電流的額定值)是根據(jù)電滲析器所需操作參數(shù)選定，并要有一定裕度，一般直流輸出電壓和電流比正常工作時大兩倍左右。(2)酸洗系統(tǒng)、水箱、水泵酸洗系統(tǒng)包括酸箱、循環(huán)泵和管道，均應耐腐蝕。(3)監(jiān)測儀表應設置濃、談、極水進出口的流量計和壓力表；電流、電壓表及電導儀、pH計等。有條件時，可安裝在線檢測儀器自動測量、記錄和控制、報警等系統(tǒng)。新型的頻繁倒極電滲析器(EDR)，對水流和電流都安裝了控制和保護系統(tǒng)，可以定時自動倒換電極極性，同時相應地切換濃、淡水的閥門，并在發(fā)生故障時發(fā)出信號，將其停運。

三、電滲析法水處理除鹽工藝系統(tǒng)

電滲析法水處理除鹽工藝系統(tǒng)可以分兩種：1.電滲析器本體的工藝系統(tǒng)；2.電滲析器和其他水處理設備的組合系統(tǒng)。1.電滲析器本體的工藝系統(tǒng)

選擇經(jīng)濟合理的電滲析工藝系統(tǒng)(即除鹽方式)，是設計電滲析除鹽水處理工藝的一個重要部分。一般應根據(jù)原水水質(zhì)、用水水量、用水水質(zhì)要求等，通過技術經(jīng)濟比較后確定。常用的除鹽方式有直流式、循環(huán)式和部分循環(huán)式三種。（1）直流式除鹽：原水流經(jīng)一臺或多臺串聯(lián)的電滲析器后，即能達到要求的水質(zhì)。適用于產(chǎn)水量和原水濃度恒定的條件。該法的優(yōu)點是可連續(xù)制水、管道簡單；缺點是定型設備的出水水質(zhì)隨原水含鹽量而變。（2）循環(huán)式除鹽：將原水在電滲析器和水箱中多次循環(huán)，以達到所需出水的水質(zhì)。優(yōu)點是不論原水濃度如何變化，都可以將原水處理到要求的任一水平，且流速大，除鹽速度快，電滲析器體積小。其缺點是需設置循環(huán)水泵和水箱，只能間歇供水，電耗大。適用于制水量小，原水含鹽量高，出水水質(zhì)要求高的小型裝置。（3）部分循環(huán)式除鹽:

是直流式和循環(huán)式除鹽相結(jié)合的一種方式。在部分循環(huán)式除鹽工藝系統(tǒng)中，電滲析器的出口淡水分成兩路，一路連續(xù)出水供用戶使用；另一路返回電滲析器與水相中水相混，繼續(xù)進行除鹽。其特點是用定型設備，可適應不同水質(zhì)和水量的要求。在原水含鹽量變化時，可調(diào)節(jié)循環(huán)量去保持出水水質(zhì)穩(wěn)定，但系統(tǒng)較復雜，電耗大。適用于大規(guī)模的水處理系統(tǒng)。2.電滲析器與其他水處理設備的組合除鹽系統(tǒng)電滲析一般用于含鹽量較高的苦咸水、高硬度水的部分除鹽，以作深度除鹽的頂處理。由于電滲析法除鹽有其適用范圍，在應用中，應根據(jù)原水水質(zhì)和除鹽水水質(zhì)要求，與離子交換水處理技術等相結(jié)合，使其在水處理工藝中各自發(fā)揮其優(yōu)勢，以達到合理的技術經(jīng)濟效果，并能穩(wěn)定運行。其常用的組合除鹽水處理系統(tǒng)如下。（1）預處理-電滲析-離子交換（2）預處理-離子交換-電滲析（3）預處理-離子交換(軟化)-電滲析-離子交換(軟化）（1）預處理-電滲析-離子交換這種將電滲析器和離子交換器組合使用的系統(tǒng)在國內(nèi)外應用較早，也較廣泛。其組合原理是根據(jù)電滲析制水時，當其水的電阻率為20×104Ω·cm以上時，電滲析器易極化而無法繼續(xù)適應；反之，離子交換卻能適應處理低含鹽量的水，可以制取高純水。所以在這種組合水處理系統(tǒng)中，電滲析作為離子交換水處理的前級處理，用以去除原水中的絕大部分(60％～90％)鹽分，剩下的少部分鹽份再由離子交換進一步去除，即可制取除鹽水。根據(jù)對除鹽水用水的水質(zhì)要求，離子交換可以是單床、復床、混合床或其他不同的組合形式。這種系統(tǒng)特點是保證出水水質(zhì)高，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，再生劑耗用少．對原水含鹽量變化的適應性強，適用于苦咸水或沿海地區(qū)受海水倒灌影響的情況。這種組合除鹽水處理系統(tǒng)已廣泛應用于電力、化工、輕工、電子等領域。（2）預處理一離子交換一電滲析這種組合除鹽系統(tǒng)在電滲析器之前設置離子交換器(鈉型離子交換器)，其目的是去除原水中易結(jié)垢的硬度離子(鈣、鎂)，防止在電滲析器內(nèi)產(chǎn)生沉淀結(jié)垢，降低除鹽率，而影響正常運行。（3）預處理一離子交換(軟化)一電滲析一離子交換(軟化)

這種組合系統(tǒng)中，在電滲析前后均有離子交換軟化處理，這是因為預軟化可以防止電滲析器中的結(jié)垢、堵塞，提高電滲析的除鹽效率；電滲析后的離子交換軟化處理，可進一步降低水中的硬度和相對堿度，以保證中、低壓鍋爐給水的水質(zhì)。電滲析在水處理方面的應用苦咸水及海水淡化海水濃縮制鹽純水的制備工業(yè)廢水的處理

A.電鍍廢水；B.造紙工業(yè)廢水；C.重金屬廢水放射性廢水離子隔膜電解在其它方面四、電滲析器的運行1.電滲析器運行的工藝參數(shù)2.極化和極限電流密度3.極化的危害4.穩(wěn)定運行的措施1.電滲析器運行的工藝參數(shù)運行工藝參數(shù)符號單位物理意義計算公式淡水產(chǎn)量Q淡水m3/h單位時間的淡水產(chǎn)量除鹽量ε%原水與淡水含鹽量之差占原水含鹽量的百分率(Cj

–Cp)/Cj原水利用率η水%淡水產(chǎn)量占原水總用量的百分率Q淡水/Q原水操作電流IA電滲析器的工作電流操作電壓VV供給電滲析器的直流電壓水流壓降ΔpMpa電滲析器進出口水流壓力差電流效率η%通入電滲析器電流在脫鹽過程中得到有效利用的百分率26.8Q淡水（Cj-Cc)/(nI)電耗WkW·h/m3單位淡水產(chǎn)量的耗電量VI*10-3/(Q淡水η)濃縮倍數(shù)K--濃水與原淡水含鹽量之比(q+Qε)/q2.極化和極限電流密度有離子交換膜的極化和電極的極化膜的極化：在電滲析運行過程中，由于反離子在膜內(nèi)遷移速度大于在溶液中的遷移速度，因而淡水室膜面的溶液濃度下降，并與主體溶液形成濃度梯度。當工作電流增至一定值時，淡水室膜面的溶液濃度幾乎下降為零，致使水分子大量電離，使H+和OH-一起傳遞電流的作用，這一現(xiàn)象稱為極化。當?shù)夷っ娴娜芤簼舛葹榱?，則此時的工作電流稱為極限電流。極限電流與膜的有效面積之比值稱為極限電流密度(ilim)，計算如下：式中：ilim--極限電流密度，A/cm2；t--離子在膜中的遷移數(shù)；

t--離子在溶液中的遷移數(shù)；c--淡水室中水的對數(shù)平均含鹽量,mmol/L；

δ--膜面擴散層厚度，cm；D--離子擴散系數(shù)，cm2/s；

F--法拉第常數(shù)，96500C/mol。

電滲析器的極限電流密度(ilim)與淡水室中的水流速度有關:

ilim=k·vm·cc=(cj–cc)/[2.3lg(cj/cc)]式中:v--淡水室中的水流速度，cm/s；

c--淡水室中水的對數(shù)平均含鹽量，mmol/L；

m--流速指數(shù)(在0.33-0.90之間)；

k--水力學系數(shù)(隔板特性綜合系數(shù))；

cj

--淡水室進水的含鹽量，mmol/L；

cc--淡水室出水的含鹽量，mmol/L。

m與k可通過試驗求得。有關試驗表明，在設備、水溫、水質(zhì)確定時，v在5～20cm/s范圍內(nèi)，m與k是常數(shù)。在使用同種離子交換膜時，m、k值越大的電滲析裝置可獲得較高的除鹽率。電極極化：主要包括電極表面存在的濃差極化和電化學反應。電極的濃差極化，是由于電極反應放電時放電離子在電極表面層的濃度低于電極液中的濃度。

3.極化的危害電阻增大而增加電耗淡室中的水電離而消耗電能，且電流效率下降引起結(jié)垢4.穩(wěn)定運行的措施（1）原水的預處理（2）確定合理的操作參數(shù)（1）原水的預處理原水預處理的目的是為了避免因電滲析設備堵塞和膜污染而引起的電滲析器脫鹽率下降、產(chǎn)水量降低和能耗增大。為此應對進水采取相應的預處理措施，控制電滲析器的進水水質(zhì)指標達到下列要求：(1)濁度隔板厚度1.5～2.0mm，＜3mg/L,

隔板焊度0.5～0.9mm，＜O.3mg/L；(2)耗氧量＜3mg/L(高錳酸鉀煮沸法測定，以O2計)；(3)游離性余氯含量＜0.2mg/L；(4)鐵、錳含量鐵含量＜0.3mg/L,錳含量＜0.1mg/L；(5)水溫5～40℃；(6)淤塞密度指數(shù)(SDI)頻繁倒極電滲析(EDR)，SDI＜7，

電滲析(ED)，SDI＜3～5。一般應根據(jù)陰板厚度和倒極時間實測出適宜的SDI，一般＜10。（2）確定合理的操作參數(shù)

電滲析器運行中的操作參數(shù)包括流速、壓力、電壓、電流、進水水質(zhì)、倒極時間間隔和酸洗周期等。如果濃水是循環(huán)利用的，還要確定濃水的循環(huán)比例。為了保證電滲析器合理、安全、有效地運行，確定合理的操作參數(shù)是非常重要的。①流速和壓力②電壓和工作電流③確定倒極周期④確定酸洗周期⑤濃水循環(huán)的濃縮倍率確定

①流速和壓力淡水室流速過低，會造成微量懸浮物沉積，阻力損失增大，各隔室配水不均，膜和水流界面處的擴散層過厚，易產(chǎn)生局部極化。但流速也不可過大，這樣會造成設備漏水和變形，出水水質(zhì)下降，動力消耗增大。一般流速5～10cm/s，進水壓力不超過0.3MPa為宜。進水壓力過高，會使膜對變形、漏水；進水壓力過低，水流速度就降低；②電壓和工作電流在確定適當?shù)牧魉傧拢枰_定在什么直流電壓下運行。這個電壓參數(shù)的選取，應為與其相對應的工作電流為極限電流的70%～90%時的電壓為宜，使其能防止產(chǎn)生極化而造成電流效率降低和結(jié)垢。當原水含鹽量、硬度和有機物含量高時取低值，反之則取高值。電滲析器運行時是控制直流電壓而不是控制工作電流。電滲析器有一個電壓的限值，它是由水溫、濃度、膜對尺寸和內(nèi)管道面積確定的。電壓超過限值，將有過大電流由電極通過鄰近的膜傳到濃水管道，產(chǎn)生足夠的熱面損壞電極附近的隔板和膜。另一方面由于隨運行時間的增加，膜對電阻會有所上升，使電流下降，若為控制一定電流，必定要升高電壓．這樣易超過電壓的限值。③確定倒極周期定期切換電極，即定期改變電極的極性，使?jié)狻⒌仪袚Q。此時由于極性的交換，離子遷移方向也改變了，這樣在原陰膜濃水側(cè)生成的少量水垢在變換成淡水室后，會逐漸溶解，而在另一面沉積起來。定期倒換電極，造成了沉淀水垢的不穩(wěn)定狀態(tài)，可起到減輕結(jié)垢的作用。應根據(jù)水質(zhì)和工藝操作條件，確定定時倒換電極的時間間隔，一般倒換電極的周期為l～4h。倒極操作時，要防止?jié)馑M入淡水箱而污染水質(zhì)。頻繁倒極電滲析是每15～30min自動倒換電極一次，并自動地操作進出水口閥門使?jié)?、淡水流自動切換。④確定酸洗周期當脫鹽率下降5%以后，應停機進行酸洗。采用倒極后，一般能使下降的除鹽率得到恢復，但運行一斷時間后，除鹽率仍有下降趨勢，可能是由于局部極化、有機物污染和泥漿沉積等原因。對于這種情況應輔以酸洗和反沖洗去消除這種影響。酸洗通常用1%～2%鹽酸進行循環(huán)清洗0.5～1h，再用水清洗至出水呈中性。⑤濃水循環(huán)的濃縮倍率確定用電滲析法淡化、脫鹽時，要排掉幾乎和淡水體積相等的濃水和少量的極水。為了提高水的利用率，通常采用濃水循環(huán)的方法。所謂濃縮倍率就是濃水含鹽量與原水含鹽量之比。由物料平衡原理，可得濃縮倍率公式如下：

K=(q+Qε）/qK值的確定應以保證濃水系統(tǒng)不形成碳酸鹽和硫酸鹽垢為原則,同時也不顯著降低電流效率，應根據(jù)原水水質(zhì)和所用的膜，通過試驗確定。濃縮倍率的控制是通過改變給水的補充量來達到的。我國濃縮倍率一般為4～5，水的利用率為75%～85%。五、常見故障

l.漏水

2.水流阻力上升、進水流量下降

3.淡水水質(zhì)下降

4.膜出現(xiàn)脹縮1.漏水原因：a.隔板、夾緊板、導水板或膜厚度不均、變形；

b.一級膜對數(shù)太多，不易緊固；

c.未夾緊或鎖緊時用力不均勻；

d.運行中濃水、淡水、極水壓力不平衡等。解決方法：重視電滲析器各部件的選材和加工，組裝時應裝齊裝平。鎖緊時要用力均勻，對于膜對數(shù)較多的裝置可采用分次組裝或分次壓緊的辦法。運行時應嚴格操作規(guī)程。對已變形部件和不合格部件要更換。2．水流阻力上升、進水流量下降產(chǎn)生原因：原水中懸浮物和膠體物質(zhì)大量沉積在配水槽和離子交換膜面；嚴重極化產(chǎn)生沉淀解決方法：應設置必要的預處理裝置和反沖洗系統(tǒng)，在進水管道中設排污閥，防止啟動時將管道內(nèi)的雜質(zhì)帶入電滲析器中；運行時應采取防止極化的措施。3．淡水水質(zhì)下降一般電滲析器正常運行中，淡水水質(zhì)有一定的下降傾向，通過倒極和定期酸洗可使除鹽率回升。而運行中水質(zhì)突然下降，或除鹽率明顯降低則應視為故障，水質(zhì)下降的主要原因如下：

(1)工作電壓過高或倒極、酸洗周期太長，致使嚴重極化，造成膜面沉積水垢，膜堆電阻增加，工作電流下降；

(2)預處理不當，進水帶入的沉積物會使水流阻力上升，膜電阻增加．從而影響水質(zhì)，進水中有機物對膜的污染以及細菌微生物的生長也會造成類似的結(jié)果；

(3)離子交換膜使用時間過長，或由于其他原因，如進水中氧化物質(zhì)的作用，膜已老化，膜電阻增加；

(4)組裝時膜與隔板裝錯，運行中膜的損壞造成濃、淡水互漏，同時電流效率也下降；

(5)電極損壞，電路系統(tǒng)等發(fā)生電氣故障。4．膜出現(xiàn)脹縮電滲析器運行后，由于膜的質(zhì)量原因，膜會出現(xiàn)脹縮，通常是陽膜縮短，陰膜變長，脹縮差異不大，可用1％～2％鹽酸溶液浸泡、洗凈后．再行組裝。脹縮太大，則可用純水浸泡陽膜使其伸展：陰膜可用稍濃鹽水浸泡使其收縮后，再行組裝。六、電滲析法適用范圍適用范圍含鹽量單位含鹽量變化范圍耗電量，kWh/m3備注進水出水海水淡化mg/L25000～

35000500～

100013～

25適用于海船或海島，因耗電量大，只采用中小容量的電滲析器苦咸水淡化mg/L1000～

10000500～

10001～5適用于苦咸水和沿海地區(qū)自來水初級除鹽mg/L500～

1000500～

1000約1制備初級純水代替蒸餾水，適于作低壓鍋爐用水較高硬度鹽水的除鹽總硬度mmol/L電導率μS/cm3～

8700～10000.015～0.031約1適用于水源硬度較高的低壓鍋爐用水及化學分析用水制備高純水電導率μS/cm10000～

170000.2～

0.31～2適用于電站高壓鍋爐用水及電子工業(yè)用水。制備方法：電滲析-一級復床-混床；離子交換-電滲析七、電滲析的最新研究進展

1.倒極電滲析

2.填充床電滲析

3.高溫電滲析

1.倒極電滲析70年代以來，美國Ionics公司推出了倒極電滲析，簡稱EDR。我國從1985年也發(fā)展了自己的EDR系統(tǒng)．1988年我國還引進了美國Ionics

公司的兩套50m3/h的EDR。EDR的出現(xiàn)是電滲析技術的一次重大突破，大大推動了電滲析技術的發(fā)展，擴展了它的應用領域。

EDR原理ED法由于結(jié)垢問題，因此發(fā)展速度緩慢。EDR的原理和BD法基本是相同的，只是在運行過程中，EDR每隔一定的時間(一般為15～20min)，正負電被極性相互倒換一次(國內(nèi)電滲析器一般2～4h倒換一次)，因此稱現(xiàn)行的倒極電滲行為頻繁倒極電滲析。它能自動清洗離子交換膜和電極表面形成的污垢，確保離子交換膜效率的長期穩(wěn)定性及淡水的水質(zhì)相水量。

2.填充床電滲析又稱電脫離子法(Electrodeio-nizationo簡稱EDI)．它是將電滲析法與離子交換法結(jié)合起來的一種新型水處理方法。利用電滲析過程中極化現(xiàn)象對離子交換填充床進行電化學再生，它巧妙地集中了電滲析與離子交換這兩種方法的優(yōu)點，并且克服了它們的缺點，即電滲析過程的極化現(xiàn)象和離子交換的化學再生過程。一般水中含鹽量為50～15000mg/L時都可使用，而對含鹽量低的水更為適宜。這種方法基本上能夠除去水中全部離子，所以它在制備高純水及處理放射性廢水方面有著廣泛的用途。填充床電滲析原理簡單的三隔室電滲析器，中間淡水室裝有混合陰、陽離子交換樹脂或裝填離子交換纖維等．兩邊是濃室(與極室在一起)。它的作用原理有以下幾個過程。a．電滲析過程：在外電場作用下，水中電解質(zhì)通過離子交換膜進行選擇性遷移，從而達到去除離子的作用。b．離子交換過程：此過程靠離子交換樹脂對水中電解質(zhì)離子的交換作用，達到去除水中的離子。c．電化學再生過程：利用電滲析的極化過程產(chǎn)生的H+離子和0H-離子及樹脂本身的水解作用對樹脂進行電化學再生。填充床電滲析的原理3.高溫電滲析

高溫電滲析的優(yōu)點在于能使溶液的粘度下降，提高擴散速度，溶液和膜的電導增大，從而可以提高允許電流密度，提高設備的生產(chǎn)能力，或者降低動力消耗，從而降低處理費用。

電滲析的應用水處理方面的應用首先用于苦咸水淡化，逐漸擴大到海水淡化及制取飲用水和工業(yè)純水的給水處理中，在重金屬廢水處理、放射性廢水處理等工業(yè)廢水處理中部巳得到應用。

第二節(jié)反滲透一、反滲透原理二、反滲透膜三、反滲透膜組件四、反滲透膜污染因素及其防止五、反滲透脫鹽系統(tǒng)的設計六、反滲透脫鹽系統(tǒng)的運行七、反滲透與其它除鹽設備的組合系統(tǒng)一、反滲透的原理

滲透的定義：一種溶劑通過一種半透膜進入一種溶液或一種稀溶液向一種比較濃的溶液的自然滲透。滲透壓：當稀溶液向濃溶液的滲透停止時的壓力反滲透的定義：在濃液一邊加上比自然滲透壓更高的壓力，扭轉(zhuǎn)自然滲透方向，把濃溶液中的溶劑壓到半透膜的另一邊稀溶液中，這和自然界正常滲透過程相反。反滲透的條件：高選擇性和高滲透性的選擇性半透膜高于溶液滲透壓的操作壓反滲透原理圖滲透壓的計算根據(jù)滲透平衡時膜兩側(cè)水的化學位相等的條件，得出滲透壓的計算公式，對于水的稀溶液，其計算式可近似為VantHoff方程：Π=R·T·∑ci

式中：Π為滲透壓，Mpa；

R為氣體常數(shù)，0.008039MPa·L/(mol·K)；

T為水的絕對溫度，K；∑ci為水中各種溶質(zhì)的濃度之和，mol/L。滲透壓是選擇操作壓力和設計反滲透的重要依據(jù)。25℃時部分典型溶液的滲透壓數(shù)據(jù)組分濃度滲透壓組分濃度滲透壓mg/Lmol/LMPapsimg/Lmol/LMPapsiNaCl350000.602.8398MgSO410000.008310.0253.6海水32000--2.4340MgCl210000.01050.0689.7NaCl20000.03420.1622.8CaCl210000.0090.0588.3苦咸水2000-5000--0.105-0.2815-40蔗糖10000.002920.0071.05NaHCO310000.01190.0912.8葡萄糖10000.00550.0142.0Na2SO410000.007050.0426.0二、反滲透膜1.反滲透膜的性能要求和指標(1)膜的化學穩(wěn)定性(2)膜的耐熱性和機械強度(3)膜的理化指標(4)膜的分離透過特性指標2.膜運行條件的影響因素及膜表面的濃差極化(1)膜的水通量和脫鹽率(2)膜表面的濃差極化3.膜的材料和結(jié)構(gòu)特點

(1)膜的化學穩(wěn)定性

膜的化學穩(wěn)定性主要指膜的抗氧化性和抗水解性。膜材料都是高分子化合物，而水溶液中含有次氯酸鈉、溶解氧、雙氧水、六價鉻等氧化劑，這些氧化劑會造成膜的氧化，影響膜的性能和壽命。因此若分離含氧化劑的水溶液，應盡量避免用含鍵能很低的O-O鍵或N-N鍵的膜，以提高膜的抗氧化能力，如，芳香聚酰胺膜中因有一定的N－N鍵，在氧化劑含量較高時易斷裂，故其抗氧化性不如醋酸纖維膜。膜的水解和氧化是同時發(fā)生的。當制備膜的高分子化合物中含－CONH－、－COOR－、－CN－、－CN2O－等時，在酸或堿的作用下，易發(fā)生水解反應，使膜破壞，而聚砜、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚苯醚等材料的抗水解性能優(yōu)越，但由于其缺少親水基團，故透水性差，常用做制作膜表面有孔的超濾膜和微孔濾膜。(2)膜的耐熱性和機械強度反滲透膜有時需在較高溫度下使用，故需耐熱。膜的機械強度是高分子材料力學性質(zhì)的體現(xiàn)，其中包括膜的耐磨性。在壓力作用下，膜的壓縮和剪切蠕變以及表現(xiàn)出的壓密現(xiàn)象，會導致膜的透過速度下降。如能將膜直接制作在高強度的支撐材料上，會增加膜的機械強度。(3)膜的理化指標膜材質(zhì)允許使用的壓力適用的pH范圍耐O2和Cl2等氧化性物質(zhì)的能力抗微生物、細菌的侵蝕能力耐膠體顆粒及有機物、微生物的污染能力(4)膜的分離透過特性指標

膜的分離特性指標包括脫鹽率（或鹽透過率）、產(chǎn)水率（或回收率）、水通量及流量衰減系數(shù)（或膜通量保留系數(shù)）等。①脫鹽率（SaltRejection）

指給水中總?cè)芙夤腆w物（TDS）中的未透過膜部分的百分數(shù)。

脫鹽率＝（1－產(chǎn)品水中總?cè)芙夤腆w物/給水中總?cè)芙夤腆w物）×100％②產(chǎn)水率（PermeatFlowRate/Recovery）

指滲透水流的比率，也可表示為回收率，即產(chǎn)水流量與給水流量之比。產(chǎn)水率＝（產(chǎn)品水流量/給水流量）×100％③水通量（Flux）

又稱透水量，指單位面積膜的產(chǎn)品水流量，是設計和運行都要加以控制的重要指標，它取決于膜和原水的性質(zhì)、工作壓力、溫度。④通量衰減系數(shù)（Fluxdeclinecoefficient）

指反滲透裝置在運行過程中水通量衰減的程度，即運行一年后水通量與初始運行水通量下降的比值。如，Hydranautics的膜以井水為原水時每年衰減4％～7％。⑤膜通量保留系數(shù)（MembraneFluxRetentionCoefficient）

指運行一定時間后水通量與初始水通量的比值。⑥鹽透過率（SaltPassage）

鹽透過率＝（1－脫鹽率）×100％⑦最大給水流量、最大壓降、最低濃水流量設定最大給水流量用來保護容器中的第一個反滲透元件，使其給水與濃水壓力降不會太大，否則，壓力降高就可能使膜組件變形，損壞膜元件。設定最小的濃水流量以保證在容器末端的膜元件有足夠的橫向流速，從而減少了膠體在膜表面上的沉淀，并且減少濃差極化對膜表面的影響。濃差極化指在膜表面上的鹽濃度高于主體流體濃度的現(xiàn)象，易產(chǎn)生鹽濃縮，因為橫向流速低，膜表面的鹽的反向擴散速度就低，結(jié)果難溶鹽沉淀的機會增多，而且更多的鹽會透過膜表面，導致產(chǎn)水量和脫鹽率下降。反滲透膜的除鹽分離特性1)有機物比無機物容易分離。2)電解質(zhì)比非電解質(zhì)易分離。對電解質(zhì)來說，電荷高的分離性好，例如去除率大小順序為：

Al3+＞Mg2+＞Ca2+＞Na+；PO43-＞SO42-＞Cl-3)無機離子的去除率受該離子的水合離子數(shù)及水合離子半徑的影響．水合離子半徑越大的離子(一般離子半徑小的離子，其水合離子半徑大)，則越容易被去除。例如，某些陽離子的去除率大小順序為：

Mg2+、Ca2+＞Li+＞Na+＞K+，而陰離子的去除率大小順序為：

F-＞C1-＞Br-＞NO3-。4)對非電解質(zhì)來說，分子愈大的愈易去除。5)氣體容易透過膜。例如：氨、氯、碳酸氣、硫化氫氧等氣體的去除率就很低。氨的分離性較差，但調(diào)pH值使之成為銨離子后，分離性就變好。6)對弱酸諸如硼酸、有機酸的去除率低。在有機化合物中，去除率大小順序為：檸檬酸＞酒石酸＞乙酸，乙醛＞乙醇＞胺＞酸。2.膜運行條件的影響因素及膜表面的濃差極化

(1)膜的水通量和脫鹽率

(2)膜表面的濃差極化膜的水通量和脫鹽率是反滲透過程中關鍵的運行參數(shù)，這兩個參數(shù)將受到壓力、溫度、回收率、給水含鹽量、給水pH值等因素的影響。

壓力給水壓力升高使膜的水通量增大，壓力升高并不影響鹽透過量，在鹽透過量不變的情況下，水通量增大時產(chǎn)品水含鹽量下降，脫鹽率提高。

溫度在提高給水溫度而其他運行參數(shù)不變時，產(chǎn)品水通量和鹽透過量均增加。(1)膜的水通量和脫鹽率給水含鹽量給水含鹽量增加影響鹽透過量和產(chǎn)品水通量，使產(chǎn)品水通量和脫鹽量均下降?；厥章试龃螽a(chǎn)品水的回收率，則產(chǎn)品水通量稍有下降趨勢。因為濃水鹽濃度增大，鹽濃度高，則滲透壓增大，在給水壓力不變的情況下，用于水通過膜的壓力降低。給水pH值脫鹽率和水通量在一定的pH值范圍內(nèi)較為恒定，一般最大脫鹽率的pH為8.5左右。(2)膜表面的濃差極化

反滲透過程中，水分子透過以后，膜界面中含鹽量增大，形成較高濃度的濃水層，此層與給水水流的濃度形成很大的濃度梯度，這種現(xiàn)象稱為膜的濃差極化。

濃差極化的危害由于界面層中的濃度很高，相應地會使?jié)B透壓升高，導致原來運行條件下的產(chǎn)水量下降。由于界面層中鹽的濃度升高，膜兩側(cè)的鹽濃度差增大，使產(chǎn)品水的鹽透過量增大。由于界面層的濃度升高，則易結(jié)垢的物質(zhì)增加了沉淀的傾向，從而導致膜的垢物污染。濃差極化也是促成膜表面膠體污染的重要原因（膠體擴散速度遠小于鹽）。消除濃差極化的措施嚴格控制膜的水通量;

嚴格控制回收率;

嚴格按照膜生產(chǎn)廠家的設計導則進行系統(tǒng)的運行。制造商對回收率的要求考慮了膜表面沖洗的流速，對水通量的規(guī)定考慮了膜表面濃縮鹽分應避免達到臨界濃度。3.膜的材料和結(jié)構(gòu)特點

按反滲透膜的材質(zhì)、成膜工藝、結(jié)構(gòu)和特性分類，主要有非對稱反滲透膜、復合反滲透膜，包括被人們關注的耐氯膜、耐污染膜、動力膜、荷電膜、無機膜等。非對稱反滲透膜最早實際使用的反滲透膜，其結(jié)構(gòu)特征是二層結(jié)構(gòu)，上面一層是致密脫鹽層，下面一層是多孔支撐層，真正起脫鹽作用的是致密層最上面厚約0.1～0.2微米的一部分，叫活化層。致密層和多孔支撐層是在膜制備過程中同時形成的。目前應用最廣泛的非對稱反滲透膜是醋酸纖維膜（CA）和芳香聚酰胺膜。醋酸纖維素膜（CA）有平膜和管式膜（中空纖維膜）通常膜的厚度為100～200μm，制膜時與空氣相接觸的丙酮蒸發(fā)面在外觀上有光澤，并有非常致密的構(gòu)造，其厚度在0.25～1μm，這層稱為表面層或表面致密層，與除鹽作用有關。表面層下有一較厚的多孔海綿層，支持著表面層，稱為支持層。表面層含水率12％，支持層含水率60％。表面層的細孔在10nm以下，支持層的細孔在100nm以上。CA平膜制作程序優(yōu)點：價格便宜，制備簡單，透水性能好。膜在短時間內(nèi)抗氯氣的濃度可達20ppm。缺點：容易水解和生物降解，高分子的屈服壓力只有56kg/cm2，只能在較窄的pH值范圍（4～7）、較低的原水溫度（小于30度）和較低的操作壓力（低于50kg/cm2）下使用。應用：適用于苦咸水淡化、超純水制備和中性水溶液的濃縮分離等方面。三醋酸纖維素、醋酸丙酸纖維素、醋酸丁酸纖維素等都可做成纖維素類膜。返回芳香聚酰胺膜（PA）70年代以前研究的主要是脂肪族的聚酰胺膜，如尼龍-56、環(huán)氧乙烷接枝尼龍以及異氰酸酯處理的尼龍等。這些膜的透水性都較差，目前使用最多的是芳香聚酰胺膜，成膜材料為芳香聚酰胺、芳香聚酰胺-酰肼以及一些含氮芳香聚合物。優(yōu)點：具有較高的透水量和較高的脫鹽率，膜的化學穩(wěn)定性好，機械強度高，一般適用pH為4～10、較高的原水溫度和操作壓力。缺點：膜材料單體毒性大，制備復雜，價格昂貴，對氯氣比較敏感。應用：除適用于CA膜應用范圍外，還適用于一級海水淡化、工業(yè)污水凈化及酸性、堿性水溶液的濃縮分離。復合反滲透膜由于非對稱膜的致密層和支撐層是在制備中同時形成的，故非對稱膜的活化層很難做得比1000埃更薄，而活化層越厚，透水量越小，流量衰減系數(shù)越大。為克服此問題，發(fā)展了復合反滲透膜，其活化層和支持層分開形成，從結(jié)構(gòu)上看，復合膜是兩層薄皮的復合體，活化層理論上可做成200埃厚。制法：將極薄的皮層刮制在一種預先制好的微細多孔支撐層上。復合膜具有比非對稱膜更大的透水量（比非對稱膜高80～100％）、更高的脫鹽率和更小的流量衰減系數(shù)，它的出現(xiàn)大大降低了反滲透的操作壓力，延長了膜的壽命，提高了反滲透的經(jīng)濟效益，促進了萬噸以上反滲透膜海水淡化工廠和十萬噸級反滲透苦咸水淡化工廠的建立。三、反滲透膜組件的幾種形式1.板框式2.管式3.螺旋式4.中空纖維式1.板框式反滲透裝置有系緊螺栓式和耐壓容器式反滲透器系緊螺栓式由幾塊或幾十塊承壓板組成。承壓板兩側(cè)覆蓋微孔支撐板和反滲透膜。將這些貼有膜的板多層間隔迭合，用長螺栓固定后，裝入密封耐壓容器中。高壓鹽水以湍流狀態(tài)通過反滲透膜表面，淡化水由承壓板中流出。板框式反滲透器的優(yōu)點為：裝置牢固，能承受高壓，占地面積不太大。其缺點是液流狀態(tài)差，容易造成濃差極化，設備費用較大。1-O型密封環(huán)；2-膜；3-多孔板耐壓容器式是將多層脫鹽板堆積組裝放入耐壓容器中而成。

2.管式管式反滲透器有內(nèi)壓式、外壓式、單管式和管束式等幾種。在管式膜滲透過程：在壓力下料液通過具有內(nèi)壁膜的管子，穿過半透膜的產(chǎn)水從支撐管上的小孔流出，管內(nèi)濃縮的鹽水從管子的另一端流出。

3.螺旋卷式（簡稱卷式）螺旋卷式反滲透膜的組成是在二層反滲透膜中間夾入一層多孔支撐材料，并密封膜的二面邊緣(使鹽水與透過膜的淡化水隔開)，再在膜的下面鋪上一層隔網(wǎng)，然后沿著鉆有孔的中心管卷繞這一依次選好的多層材料(膜／多孔支撐材料／膜／進料液隔網(wǎng))，就形成一個卷式反滲透膜組件。4.中空纖維式美國杜邦公司和道斯化學公司提出用純中空纖維素作為反滲透膜，制造出一種中空纖維式反滲透裝置。這種裝置類似于一端封死的熱交換器，其中含有外徑50μm、內(nèi)徑25μm；裝成一種圓柱形中空纖維管束，一端敞開，另一端用環(huán)氧樹脂封死，放入一種圓筒形耐壓容器中，或者將中空纖維彎曲成U形裝入耐壓容器中，由于這種中空纖維極細，通?？梢匝b填幾百萬根。高壓溶液從容器旁的打進去。經(jīng)過中空纖維膜的外壁，從中空纖維管束的另一端把滲透液收集起來，濃縮后的料液從另一端連續(xù)排掉。中空纖維膜組件

中空纖維式的優(yōu)點是單位體積內(nèi)的膜裝載面積大，無須承壓材料，裝備緊湊。缺點是容易堵塞、清洗困難。因此對原液的預處理要求很嚴。各種反滲透器的單位體積產(chǎn)水量各種反滲透器的優(yōu)點四、反滲透膜污染因素及其防止

1.反滲透膜的污染

2.膜的防垢技術措施

3.反滲透膜的清洗1.反滲透膜的污染導致膜性能降低的膜污染因素：（1）膜本身發(fā)生化學變化，包括芳香聚酰胺膜的胺基受氯和其他氧化性因素的作用而破壞；醋酸纖維素膜的酯基受溫度和pH值影響而水解；膜受強酸、強堿的溶解等。（2）顆粒物的沉積（膠體污染）：由于進水中常含有大量的硅酸膠體，前端的過濾處理無法脫除，增加了溶質(zhì)的傳質(zhì)阻力，且有形成硅酸鹽垢的不利因素。

（3）無機物的沉積（結(jié)垢）：膜表面鹽濃度升高（濃差極化現(xiàn)象），當成垢鹽的濃度超過其飽和濃度時就會發(fā)生結(jié)垢，使得消耗的能量增大。（4）微生物的粘附及生長（生物污染）：進水中含有微生物和膜的較大的表面積。（5）有機分子的吸附（有機污染）：水中有機大分子如油和烴類對膜的污堵或小分子有機物對膜的吸附污染。

膜的懸浮物和膠體顆粒污染膜受懸浮物和膠體顆粒污染的表現(xiàn)給水中淤泥膠體的來源污染因素的表征去除天然水中懸浮顆粒及膠體的常規(guī)處理方法

膜受懸浮物和膠體顆粒污染的表現(xiàn)表現(xiàn)在產(chǎn)品水流量降低，有時也影響脫鹽率，初期標志是反滲透系統(tǒng)的給水/濃水壓差增大。給水中淤泥膠體的來源:細菌、黏土、大分子有機物、膠體硅不溶解的金屬鐵的腐蝕產(chǎn)物給水預處理使用的混凝劑，如鋁鹽、鐵鹽或帶正電荷的聚電解質(zhì)在澄清和過濾中未能有效地除去的物質(zhì)預處理所加入的帶正電荷聚合物的凝聚劑與加入的帶負電荷的阻垢劑產(chǎn)生的沉淀顆粒污染因素的表征水中膠體和懸浮顆粒的污染因素以淤泥密度指數(shù)SDI量度表征，對于卷式反滲透膜，進水要求小于5，中空纖維膜小于3。SDI作為反滲透給水重要的指標，在反滲透運行中應每天測3次。用直徑為47mm，孔徑為0.45微米的過濾膜，保持2.1MPa壓力，開始記錄過濾500mL水樣所用時間t0，在同樣壓力下連續(xù)過濾15min，15min后再測量過濾500mL水樣所用時間t15，則：

SDI＝（1－t0/t15）×100/15。測定方法詳見ASTMD189－82。去除天然水中懸浮顆粒及膠體的方法:

混凝澄清、直接凝聚過濾、介質(zhì)過濾、濾芯過濾、氧化（除鐵、錳）過濾的深度過濾。近年來，微濾、超濾的膜分離方法引入了反滲透給水預處理領域，并可望成為代替常規(guī)處理方法的新技術。膜的有機物污染:反滲透給水中有機物的允許值，就目前所掌握的信息認為有機物污染尚難于預測。從SDI的測定可知，大于0.45微米的有機物大分子會引起污染威脅，可能包括腐殖質(zhì)、腐殖質(zhì)與黏土及金屬離子相結(jié)合的復合物、具有膠體性質(zhì)的有機物蛋白質(zhì)、病毒、細菌、纖維素等多糖類化合物。不能被0.45微米膜阻留的有機物是否會對膜造成污染尚難以簡單地確定，只能靠試驗來檢驗。溶解性有機物的去除原水中的有機物呈懸浮、膠體和溶解三種形態(tài)，懸浮、膠體形態(tài)的有機物可通過前述的方法除去或降低，這里僅指溶解性有機物。有機物不僅是微生物的養(yǎng)料，而且當其濃縮到一定程度后，還可以溶解膜材料，使膜件能劣化；有機物的種類較多，有些低分子有機物如乙醇等可透過膜，因此對膜無影響；腐殖酸分子量大，不透過膜，對膜的污染也較少；而丹寧酸易吸附在膜上，是強污染物：除去溶解性有機物的方法有：①用陽離子混凝劑除去負電性大分子有機物；②投加氧化劑如Cl2、Cl02等氧化、分解有機物；③采用活性炭吸附；④用超濾除去一定分子量的有機物等。膜的微生物污染

微生物主要是隨著原水進入系統(tǒng)的。進入反滲透系統(tǒng)的微生物會在膜元件及管道內(nèi)繁殖生長，形成生物粘泥，造成膜的生物污染，從而嚴重影響膜的性能，其表現(xiàn)特征主要為：①水通量逐漸下降，運行壓差逐漸增加；②對于CA膜，微生物(如細菌)的侵蝕會使醋酸纖維素高分子中的乙?；茐?，引起膜脫鹽率的下降；③對于復合膜，雖然不會被細菌侵蝕，但細菌粘泥會造成膜元件的污堵。④由于生物粘泥的附著力較大，具有保護微生物不受水流剪切力的作用。一旦發(fā)生生物污染就較難進行清洗。⑤微生物黏膜也不怕化學消毒藥物的影響，由于總是不能徹底清除因而加速黏膜的再生。生物黏膜的預測

水通量下降、脫鹽率下降、進水/濃水壓力差增加并非生物污染的防止指標。①測定原水入水口－預處理各環(huán)節(jié)－反滲透給水、濃水以及產(chǎn)品水細菌總數(shù)（TBC），觀察細菌變化數(shù)值。當發(fā)現(xiàn)濃水中的TBC明顯增加，說明反滲透膜尚可能有粘泥形成。②給水中的有機物含量除可造成膜的污染外，還可作為細菌生存的營養(yǎng)，故應對有機物（以總有機碳表示，TOC）的含量進行監(jiān)測。2mg/LTOC大致相當于5mg/L的總有機生物量，TOC和TBC之間有一定的相應關系，可以間接地監(jiān)視生物膜的發(fā)展。③定期檢查反滲透前的濾芯過濾器及給水管、濃水管內(nèi)部的清潔程度，當發(fā)現(xiàn)有黏狀物或臭味即為產(chǎn)生生物粘泥的征兆。④為反滲透系統(tǒng)裝上有代表性的模擬膜元件的監(jiān)控系統(tǒng)。生物黏膜的控制（1）采取沖擊式消毒或清洗，使反滲透膜上的生物污染物受到控制，維持在一個可以承受的水平。（2）如果膜的污染超過允許值時，膜的阻力上升，產(chǎn)水量下降，必須果斷停止運行，進行清洗，如有延誤，則清洗將更困難。實踐證明，當產(chǎn)水量下降至原產(chǎn)水量的50％時，則清洗難以奏效。

反滲透膜的消毒殺菌方式氯化加氯、次氯酸鈉或二氧化氯均可以，但應注意，對于聚酰胺膜給水必須脫氯，可采用活性炭吸附脫氯或加入亞硫酸鈉或焦亞硫酸鈉化學脫氯。異噻唑啉酮殺菌紫外線殺菌，常用于小型反滲透系統(tǒng)臭氧消毒滅菌2.膜的防垢技術措施

按照結(jié)垢的順序有：碳酸鈣、硫酸鈣、二氧化硅絡合物、硫酸鋇、硫酸鍶、氟化鈣。而鋁、鐵或錳的氫氧化物一般應在預處理時沉淀析出，因而不會在膜上結(jié)晶。（1）鈉離子軟化（5）加入阻垢劑（2）弱酸性陽離子交換樹脂脫堿（6）硅垢的防止（3）石灰軟化法（7）進料水的預處理（4）加酸（1）鈉離子軟化采用鈉離子交換樹脂軟化，可有效除去鈣離子、鍶離子、鋇離子，可有效防止碳酸鹽垢和硫酸鹽垢，這種處理方法不改變水的pH值，適于中小型苦咸水反滲透處理。

（2）弱酸性陽離子交換樹脂脫堿只能除去鈣離子、鍶離子、鋇離子的碳酸氫鹽（暫時硬度），因此只是部分軟化，同時水的pH值降至4～5，適于含高碳酸鹽的水。應注意：此種方法處理后的水的pH值變化范圍為3.5～6.5，pH值的變化使脫鹽率難以控制，當pH小于4.2時，無機酸的透過量會增大，產(chǎn)品水TDS（總?cè)芙夤腆w物）變高。為避免產(chǎn)品水pH值過低，可在脫二氧化碳后加入氫氧化鈉。（3）石灰軟化法此法可除去鈣、鎂的碳酸鹽硬度，但并不徹底，水中的非碳酸鹽硬度可用碳酸鈉進一步除去。石灰－蘇打處理也可降低二氧化硅濃度約60～70％，同時可大量減少鋇、鍶及有機物。石灰軟化法處理的給水在進入反滲透前需經(jīng)凝聚過濾與pH調(diào)整。（4）加酸加酸可防止碳酸鈣垢的析出。加酸根據(jù)LSI指數(shù)進行：多數(shù)天然水的LSI為正值，如果不使用阻垢劑，濃水的LSI必須調(diào)為負值，如果采用阻垢劑則允許LSI稍高，加酸量可降低；若采用高效阻垢劑，則往往使加酸量降到很低，甚至不需加酸，如現(xiàn)在有的阻垢劑允許LSI到2.8。由于反滲透對硫酸根離子的脫除率高于氯離子，且硫酸更經(jīng)濟，因此因首選硫酸。加酸以后可防止碳酸鈣垢，但是否需加阻垢劑還要看硫酸鈣、鍶、鋇等的離子積是否超過其溶度積。（5）加入阻垢劑阻垢劑具有溶限效應，加入較少的量即可達到較好的阻垢效果。如，SHMP（六偏磷酸鈉）是一種常用的阻垢劑，但使用時要防止水解，加入到給水中的劑量一般為5mg/L，濃水中可達20mg/L。現(xiàn)在多使用有機阻垢劑，可在LSI超過2時使用。但應注意有機阻垢劑可能與預處理所使用的用于凝聚的陽離子聚電解質(zhì)或多價陽離子產(chǎn)生沉淀，一旦產(chǎn)生這種沉淀，則較難從膜上除去，因此應避免超劑量使用。（6）硅垢的防止原水中的二氧化硅由于條件不同會以不同的形態(tài)存在，即可能以溶解態(tài)和膠態(tài)存在，甚至形成無定形或石英晶體沉淀。在反滲透給水預處理中，為了防止膜的硅垢污染，常采用下列方式：加鎂劑澄清過濾；加硅垢的阻垢劑及超濾膜分離法（常用）。反滲透預處理系統(tǒng)3.反滲透膜的清洗（1）需要進行清洗的標志和污垢的判別需要進行清洗的標志：產(chǎn)品水流量減小膜的脫鹽率下降給水/濃水的壓力差增加污垢的判別根據(jù)下列分析結(jié)果判別污垢：給水成分分析以前清洗的檢驗結(jié)果

SDI測定的過濾膜上的污物分析

5μm過濾器濾芯上沉積物的分析檢查給水管道內(nèi)表面，打開壓力容器端部觀察在膜元件的進水端污垢的外觀（如紅棕色可能是鐵污垢，生物污垢或有機物通常為黏性膠狀物）（2）常用清洗劑鹽酸：鹽酸可清除碳酸鈣水垢和多數(shù)金屬氧化物。常用濃度為0.2％，清洗溫度不超過45度。磷酸：對碳酸鈣和金屬氧化物有效，常用濃度0.5％。氨基磺酸：有機強酸，60度以下使用。檸檬酸：清洗pH值一般控制在2.5～4.5，溫度盡可能高一些，但不可超過45度。EDTA：主要是絡和清洗，在清洗二氧化硅和微生物黏膜時，清洗液中常加入EDTA，并在堿液條件下配合剝離微生物黏膜。堿液（氫氧化鈉或磷酸鈉）：堿液主要是為了去除微生物膜、有機物和二氧化硅，其使用濃度一般0.1％。硫代硫酸鈉：硫代硫酸鈉清洗對于金屬氧化物來說屬于還原性溶解，如將高價鐵還原成低價鐵，增加其溶解性去除。表面活性劑：應使用陰離子表面活性劑，避免使用陽離子表面活性劑，因其可能發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的污堵。清洗用化學品構(gòu)成覆蓋層的物質(zhì)清洗劑條件含鈣結(jié)垢金屬氫氧化物無機膠質(zhì)檸檬酸1%～2%，用氨水調(diào)節(jié)pH為4含鈣結(jié)垢EDTA1%～2%，氨水或NaOH調(diào)節(jié)pH為7有機污垢、細菌陰離子表面活性劑0.1%～1%，H2SO4或NaOH調(diào)節(jié)pH為7細菌甲醛0.1%-1%五、反滲透脫鹽系統(tǒng)的設計反滲透脫鹽系統(tǒng)的設計是依據(jù)原水水質(zhì)、產(chǎn)水水質(zhì)及水量要求、排放水量的要求及場地情況等原始資料．選擇合理的水處理工藝流程，選擇適當?shù)哪ぴ?，確定膜元件數(shù)員及組件的排列方式等。設計工作是水處理系統(tǒng)建造的重要環(huán)節(jié)，往往對工程質(zhì)量、投資、制水成本控制等起著決定性作用。

1.設計依據(jù)的資料

2.基本流程

3.進水的預處理

4.反滲透裝置的設計1.設計依據(jù)的資料水源水質(zhì)資料是反滲透系統(tǒng)設計的重要依據(jù)，它決定了反滲透系統(tǒng)選用的膜類型及所要求的預處理工藝系統(tǒng)。在進行反滲透系統(tǒng)設計時，不僅要有正確的水源水質(zhì)分析數(shù)據(jù)，還要對水源水質(zhì)可能的變化趨勢資料進行分析，使設計的水處理系統(tǒng)能適應可能的水源水質(zhì)的變化。產(chǎn)水水質(zhì)的要求則是進行反滲透脫鹽系統(tǒng)膜的選型、組件的排列方式以及后處理系統(tǒng)設計的依據(jù)。2.反滲透的基本流程

3.進水的預處理根據(jù)原水水質(zhì)及其水質(zhì)特點，確定預處理方案。原水經(jīng)預處理后的水質(zhì)應達到反滲透膜元件對給水(進水)水質(zhì)的要求。卷式反滲透元件對進水水質(zhì)的要求

項目膜類型懸浮物含量，mg/L淤塞密度指數(shù)SDIpH值化學需氧量，mg/L(KMnO4法，以O2計）游離氯含量，mg/L(以Cl2計）鐵含量，mg/L(以Fe計）醋酸纖維膜＜0.3＜45.0～6.0＜1.50.2～1＜0.05復合膜＜1＜53～11＜1.5＜0.1＜0.05

4.反滲透裝置的設計（1）反滲透裝置的設計程序（2）反滲透裝置的性能參數(shù)（3）膜類型的選擇（4）水通量的選取

(5)膜組件的排列方式（6）高壓泵的選型（7）儀表、控制設備等配件的設置（1）反滲透裝置的設計程序(1)根據(jù)水源及水質(zhì)確定使用膜元件的類型；(2)根據(jù)對產(chǎn)水量和產(chǎn)水水質(zhì)的要求，確定膜元件的數(shù)量、膜組件的排列方式和反滲透裝置的回收率；(3)根據(jù)計算出的膜組件所需的推動壓力進行高壓泵的選型；(4)配置儀表、閥門等配件。反滲透裝置的基本組成有筒式過濾器(通常稱作保安過濾器，)、升高進水壓力的高壓泵(簡稱高壓泵)、膜組件及管道、閥門、儀表等配件；一級二段反滲透脫鹽裝置(2)反滲透裝置的性能參數(shù)參數(shù)計算公式說明給水、濃縮水和透過水的流量Qf=Qb+Qp

Qf、Qb、Qp分別為給水、濃縮水和透過水的流量，m3/hF0、Ft分別為運行初期和時間t時所對應的反滲透膜的水通量，m3/(m2h);m為膜由于受壓致密或受到污染而引起水通量減少的斜率值。

cb、cp、cf分別為濃縮水、透過水和給水的含鹽量，mg/L。

SP為透過水與給水的含鹽量之比，%；

y為透過水與給水的流量之比，%;處理能力lgFt=mlgt+lgF0鹽透過率（SP）SP=(cp/cf)*100脫鹽率（截留率）RR=(1-cp/cf)*100回收率yy=(Qp/Qf)*100濃縮倍數(shù)KK=(100-SP*y)/(100-y)K=100/(100-y)=cb/cf（3）膜類型的選擇原水的水質(zhì)特點及對產(chǎn)品水的水質(zhì)要求基本決定了膜的選型。CA膜的脫鹽率較低(95％～98％)，化學穩(wěn)定性較差，易水解。膜性能衰減較快，操作壓力較高；但CA膜表面光滑、不帶電荷，因此其抗污染物沉積的能力較強，微生物不易在膜表面粘滯；CA膜耐氧化能力較強，要求進水中維持0.3～

1.0mog/L的游離氯，這部分游離氯可持續(xù)保護反滲透裝置中的CA膜不受細菌侵蝕．還可防止由微生物和藻類的生長而引起的污堵。因此在處理污染較為嚴重的地表水及廢水的場合，常選用CA膜。復合膜的脫鹽率高(＞99％