水處理-膜技術(shù)

2.3反滲透

反滲透借助半透膜對(duì)溶液中溶質(zhì)的截流作用，以壓力差為推動(dòng)力，使溶劑透過(guò)半透膜，從而達(dá)到溶液脫溶質(zhì)的目的。一、反滲透1、原理（a）滲透：純水的化學(xué)位比鹽水的高，水分子自動(dòng)從左側(cè)透過(guò)到右側(cè)；（b）滲透平衡：右側(cè)液面升高，靜壓力增加，右側(cè)水的化學(xué)位增加，直至與左側(cè)相等；此時(shí)，有滲透壓差：Δπ=ρgh（c）反滲透：右側(cè)外加壓力Δp＞Δπ，則水從右側(cè)向左側(cè)滲透，即為反滲透。2.3反滲透2.滲透壓的計(jì)算根據(jù)滲透平衡時(shí)膜兩側(cè)水的化學(xué)位相等的條件，得出滲透壓的計(jì)算公式，對(duì)于水的稀溶液，其計(jì)算式可近似為VantHoff方程（范托霍夫方程）：

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(duì)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(shè)計(jì)反滲透的重要依據(jù)。25℃時(shí)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10000.00550.0142.0Na2SO410000.007050.0426.02.3反滲透二、反滲透膜1.反滲透膜的性能要求和指標(biāo)(1)膜的化學(xué)穩(wěn)定性(2)膜的耐熱性和機(jī)械強(qiáng)度(3)膜的理化指標(biāo)(4)膜的分離透過(guò)特性指標(biāo)2.膜運(yùn)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(diǎn)

2.3反滲透

1.反滲透膜的性能要求和指標(biāo)（1）膜的化學(xué)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(jià)鉻等氧化劑，這些氧化劑會(huì)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(yīng)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(shí)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(shí)發(fā)生的。當(dāng)制備膜的高分子化合物中含－CONH－、－COOR－、－CN－、－CN2O－等時(shí)，在酸或堿的作用下，易發(fā)生水解反應(yīng)，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(tuán)，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(jī)械強(qiáng)度耐熱性：反滲透膜有時(shí)需在較高溫度下使用，故需耐熱。機(jī)械強(qiáng)度：是高分子材料力學(xué)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(huì)導(dǎo)致膜的透過(guò)速度下降。如能將膜直接制作在高強(qiáng)度的支撐材料上，會(huì)增加膜的機(jī)械強(qiáng)度。2.3反滲透-----1.反滲透膜的性能要求和指標(biāo)(3)膜的理化指標(biāo)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(xì)菌的侵蝕能力耐膠體顆粒及有機(jī)物、微生物的污染能力2.3反滲透-----1.反滲透膜的性能要求和指標(biāo)

(4)膜的分離透過(guò)特性指標(biāo)①脫鹽率（SaltRejection）指給水中總?cè)芙夤腆w物（TDS）中的未透過(guò)膜部分的百分?jǐn)?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(shè)計(jì)和運(yùn)行都要加以控制的重要指標(biāo)，它取決于膜和原水的性質(zhì)、工作壓力、溫度。2.3反滲透-----1.反滲透膜的性能要求和指標(biāo)（4)膜的分離透過(guò)特性指標(biāo)④通量衰減系數(shù)（Fluxdeclinecoefficient）

指反滲透裝置在運(yùn)行過(guò)程中水通量衰減的程度，即運(yùn)行一年后水通量與初始運(yùn)行水通量下降的比值。如，Hydranautics的膜以井水為原水時(shí)每年衰減4％～7％。⑤膜通量保留系數(shù)（MembraneFluxRetentionCoefficient）指運(yùn)行一定時(shí)間后水通量與初始水通量的比值。⑥鹽透過(guò)率（SaltPassage）鹽透過(guò)率＝（1－脫鹽率）×100％2.3反滲透-----1.反滲透膜的性能要求和指標(biāo)（4)膜的分離透過(guò)特性指標(biāo)⑦最大給水流量、最大壓降、最低濃水流量設(shè)定最大給水流量用來(lái)保護(hù)容器中的第一個(gè)反滲透元件，使其給水與濃水壓力降不會(huì)太大，否則，壓力降高就可能使膜組件變形，損壞膜元件。設(shè)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(duì)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?yàn)闄M向流速低，膜表面的鹽的反向擴(kuò)散速度就低，結(jié)果難溶鹽沉淀的機(jī)會(huì)增多，而且更多的鹽會(huì)透過(guò)膜表面，導(dǎo)致產(chǎn)水量和脫鹽率下降。2.3反滲透-----1.反滲透膜的性能要求和指標(biāo)2.3反滲透-----1.反滲透膜的性能要求和指標(biāo)（5）反滲透膜的除鹽分離特性1)有機(jī)物比無(wú)機(jī)物容易分離。2)電解質(zhì)比非電解質(zhì)易分離。對(duì)電解質(zhì)來(lái)說(shuō)，電荷高的分離性好，例如去除率大小順序?yàn)椋?/p>

Al3+＞Mg2+＞Ca2+＞Na+；PO43-＞SO42-＞Cl-3)無(wú)機(jī)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(yáng)離子的去除率大小順序?yàn)椋?/p>

Mg2+、Ca2+＞Li+＞Na+＞K+，而陰離子的去除率大小順序?yàn)椋?/p>

F-＞C1-＞Br-＞NO3-。（5）反滲透膜的除鹽分離特性4)對(duì)非電解質(zhì)來(lái)說(shuō)，分子愈大的愈易去除。5)氣體容易透過(guò)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(duì)弱酸諸如硼酸、有機(jī)酸的去除率低。在有機(jī)化合物中，去除率大小順序?yàn)椋簷幟仕幔揪剖幔疽宜?，乙醛＞乙醇＞胺＞酸?.3反滲透-----1.反滲透膜的性能要求和指標(biāo)2.3反滲透2.膜運(yùn)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膜的水通量和脫鹽率是反滲透過(guò)程中關(guān)鍵的運(yùn)行參數(shù)，這兩個(gè)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(guò)量，在鹽透過(guò)量不變的情況下，水通量增大時(shí)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(yùn)行參數(shù)不變時(shí)，產(chǎn)品水通量和鹽透過(guò)量均增加。給水含鹽量給水含鹽量增加影響鹽透過(guò)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(shì)。因?yàn)闈馑}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(guò)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。2.3反滲透

(2)膜表面的濃差極化反滲透過(guò)程中，水分子透過(guò)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(yīng)地會(huì)使?jié)B透壓升高，導(dǎo)致原來(lái)運(yùn)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(guò)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(dǎo)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(kuò)散速度遠(yuǎn)小于鹽）。消除濃差極化的措施嚴(yán)格控制膜的水通量;

嚴(yán)格控制回收率;

嚴(yán)格按照膜生產(chǎn)廠家的設(shè)計(jì)導(dǎo)則進(jìn)行系統(tǒng)的運(yùn)行。制造商對(duì)回收率的要求考慮了膜表面沖洗的流速，對(duì)水通量的規(guī)定考慮了膜表面濃縮鹽分應(yīng)避免達(dá)到臨界濃度。2.3反滲透

3.膜的材料和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

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(duì)稱反滲透膜、復(fù)合反滲透膜，包括被人們關(guān)注的耐氯膜、耐污染膜、動(dòng)力膜、荷電膜、無(wú)機(jī)膜等。非對(duì)稱反滲透膜最早實(shí)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(guò)程中同時(shí)形成的。目前應(yīng)用最廣泛的非對(duì)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(shí)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(guān)。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(xì)孔在10nm以下，支持層的細(xì)孔在100nm以上。醋酸纖維素膜（CA）平膜制作程序醋酸纖維素膜優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格便宜，制備簡(jiǎn)單，透水性能好。膜在短時(shí)間內(nèi)抗氯氣的濃度可達(dá)20ppm。缺點(diǎn)：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(yīng)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(diǎn)：具有較高的透水量和較高的脫鹽率，膜的化學(xué)穩(wěn)定性好，機(jī)械強(qiáng)度高，一般適用pH為4～10、較高的原水溫度和操作壓力。缺點(diǎn)：膜材料單體毒性大，制備復(fù)雜，價(jià)格昂貴，對(duì)氯氣比較敏感。應(yīng)用：除適用于CA膜應(yīng)用范圍外，還適用于一級(jí)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(fù)合反滲透膜由于非對(duì)稱膜的致密層和支撐層是在制備中同時(shí)形成的，故非對(duì)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(wèn)題，發(fā)展了復(fù)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(fù)合膜是兩層薄皮的復(fù)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(yù)先制好的微細(xì)多孔支撐層上。復(fù)合膜具有比非對(duì)稱膜更大的透水量（比非對(duì)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(zhǎng)了膜的壽命，提高了反滲透的經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)了萬(wàn)噸以上反滲透膜海水淡化工廠和十萬(wàn)噸級(jí)反滲透苦咸水淡化工廠的建立。2.4電滲析一、原理在直流電場(chǎng)作用下，利用陰、陽(yáng)離子交換膜對(duì)溶液中的陰、陽(yáng)離子的選擇透過(guò)性，分離溶質(zhì)和水。

陰膜只讓陰離子通過(guò)；陽(yáng)膜只讓陽(yáng)離子通過(guò)。2.4電滲析陰極：還原反應(yīng)：2H＋＋2e→H2↑

陰極室溶液呈堿性，結(jié)垢陽(yáng)極：氧化反應(yīng)：4OH－→O2↑＋2H2O