第五章-膜技術(shù)處理工業(yè)給水2

5.6反滲透一、滲透與反滲透一種只透過(guò)溶劑而不透過(guò)溶質(zhì)的膜，通常稱為半透膜。將半透膜至于兩種不同濃度溶液的中間，在等溫條件下，溶劑會(huì)通過(guò)半透膜逐漸向高濃度溶液中轉(zhuǎn)移，這種現(xiàn)象叫滲透。第五章膜技術(shù)處理工業(yè)給水

1滲透：一種溶劑（水）通過(guò)半透膜進(jìn)入另一中溶液或者是溶劑（水）從一種稀溶液向另一種比較濃的溶液透過(guò)的現(xiàn)象。3/28/202312滲透壓：滲透平衡時(shí)，兩邊液面高度形成的壓力差稱滲透壓，。滲透壓由溶質(zhì)種類和濃度大小而定，還與溫度有關(guān)。3反滲透：向咸水一側(cè)施壓P則可阻止?jié)B透的進(jìn)行，如果P>,則咸水溶液中的水分子向純水一邊遷移,此過(guò)程稱反滲透。3/28/20232因此，反滲透過(guò)程必須具備的兩個(gè)條件：

一是必須有一種高選擇性和高滲透性的選擇性半透膜；

二是操作壓力必須高于溶液的滲透壓。3/28/20233常見溶液的滲透壓力值

1000mg/LNaCl水溶液的滲透壓為77KPa；

1000mg/L蔗糖溶液的滲透壓為7Kpa；

1000mg/LNaHCO3溶液的滲透壓91KPa；

1000mg/LMgCl2溶液的滲透壓為70KPa；

1000mg/LCaCl2溶液的滲透壓為56KPa

1000mg/LNa2SO4溶液的滲透壓為42KPa。

對(duì)于海水和苦咸水，反滲透系統(tǒng)采用的壓力為平衡滲透壓的4～20倍，對(duì)海水操作壓力可達(dá)10MPa，對(duì)苦咸水的操作壓力約4MPa。3/28/20234一、反滲透膜及透過(guò)機(jī)理1反滲透膜反滲透膜是一種只允許水通過(guò)而不允許溶質(zhì)透過(guò)的半透膜。用于水的淡化除鹽的膜。

按結(jié)構(gòu)可分為：對(duì)稱膜和非對(duì)稱膜。

對(duì)稱膜（均質(zhì)膜）：一般指膜的各部分具有相同的特性，其孔結(jié)構(gòu)不隨深度而變化的膜。膜的厚度范圍為10～200um。

非對(duì)稱膜（非均質(zhì)膜）：由同種材料制成的，一層為致密分離層，其厚度通常為0.1～0.5um另一層或多層(如無(wú)機(jī)膜)為支撐層(其厚度為5～10um)。

斷面為不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，主要有醋酸纖維素膜和芳香族聚酰胺膜兩大類。

醋酸纖維素膜(CA膜)的斷面可分成表皮層、過(guò)渡層和支撐層三部分。3/28/20235反滲透膜要求具有下列性能：

單位膜面積的透水速度快，脫鹽率高；機(jī)械強(qiáng)度好，耐壓密；化學(xué)穩(wěn)定性好，能耐酸堿和微生物的侵蝕，能耐污染；使用壽命長(zhǎng)，性能衰降??；制膜容易，價(jià)格低廉，原料充沛，特殊場(chǎng)合要求耐溶劑、耐高溫等。3/28/202362反滲透的透過(guò)機(jī)理主要就不對(duì)稱反滲透膜透過(guò)機(jī)理和模型進(jìn)行了研究，尚無(wú)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。存在如下一些機(jī)理觀點(diǎn)：氫鍵理論、優(yōu)先吸附－毛細(xì)孔流理論、溶解擴(kuò)散理論。（1）氫鍵理論認(rèn)為離子和分子是通過(guò)與膜內(nèi)氫鍵的結(jié)合而發(fā)生線性排列型的擴(kuò)散來(lái)傳遞的。在壓力作用下，溶液中的水分子與醋酸纖維素的活化點(diǎn)－－羧基上氧原子形成氫鍵，而原來(lái)水分子之間形成的氫鍵被斷開，水分子解離出來(lái)并隨之轉(zhuǎn)移到下一個(gè)活化點(diǎn)，并形成新的氫鍵，通過(guò)這樣一系列的氫鍵傳遞，使水分子通過(guò)膜表面的致密活性層，進(jìn)入膜的多孔層。多孔層內(nèi)含有大量的毛細(xì)管，水分子能暢通流出膜外。3/28/20237反滲透膜氫鍵傳遞模型3/28/20238（2）優(yōu)先吸附－毛細(xì)孔流理論由索里拉金等人提出。以氯化鈉水溶液為例，當(dāng)鹽溶液與半透膜表面接觸時(shí)，在膜的溶液側(cè)界面上選擇吸附一層水分子，而排斥鹽類溶質(zhì)分子，且化合價(jià)越高的離子排斥越大。在壓力作用下，優(yōu)先吸附的水通過(guò)膜的毛細(xì)管作用流出，達(dá)到除鹽的目的。該理論闡述了膜表面必須有相應(yīng)大小的毛細(xì)孔，僅能使水分子在壓力下通過(guò)。而當(dāng)反滲透膜孔徑增大至一定程度（臨界孔徑＝膜表面純水層厚度的一倍）時(shí)，鹽的水溶液就會(huì)泄漏，泄漏的順序是與離子價(jià)數(shù)成反比。此理論奠定了實(shí)用反滲透膜的發(fā)展基礎(chǔ)。3/28/202393/28/202310（3）溶解擴(kuò)散理論由朗斯代爾和賴?yán)热颂岢?。該理論假設(shè)反滲透膜是無(wú)缺陷的“完整的膜”，溶劑和溶質(zhì)都可以在膜中溶解，然后在化學(xué)位差（濃度差或壓力差）的推動(dòng)下，從膜的一側(cè)向另一側(cè)面進(jìn)行擴(kuò)散，直至透過(guò)膜。此理論中，溶劑主要受壓力差影響透過(guò)膜，而溶質(zhì)主要受濃度差影響透過(guò)膜，反滲透推動(dòng)力是壓力，隨著壓力升高，透水量增大；隨著進(jìn)水側(cè)鹽濃度升高，透鹽率也上升，使純水側(cè)的濃度上升。膜的厚度與膜對(duì)水中鹽的脫除能力無(wú)關(guān)，這也為超薄膜開發(fā)和應(yīng)用奠定的基礎(chǔ)。3/28/2023113、反滲透對(duì)有機(jī)物和顆粒狀物去除機(jī)理

反滲透膜對(duì)水中有機(jī)物的去除和顆粒狀物的去除，一般屬于篩分機(jī)理。因此，膜的這種去除能力與有機(jī)物的分子質(zhì)量和顆粒物粒徑大小和形狀有關(guān)。3/28/202312二、反滲透淡化裝置、工藝流程與布置系統(tǒng)1、反滲透裝置類型：扳框式、管式、卷式和中空纖維式（1）板框式反滲透裝置：在多孔透水板的單側(cè)或兩側(cè)貼上反滲透膜，即構(gòu)成板式反滲透元件。再將元件緊粘在用不銹鋼或環(huán)氧玻璃鋼制作的承壓板兩側(cè)。然后將幾塊或幾十塊元件成層疊合，用長(zhǎng)螺栓固定，裝入密封耐壓容器中，按壓濾機(jī)形式制成板式反滲透器。

這種裝置的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)牢固、能承受高壓、占地面積不大；其缺點(diǎn)是液流狀態(tài)差，易造成濃差極化、設(shè)備費(fèi)用較大、清洗維修也不太方便。

3/28/202313板框式反滲透裝置結(jié)構(gòu)圖3/28/202314（2）管式反滲透裝置：這種裝置是把膜裝在（或者將鑄膜液直接涂在）耐壓微孔承壓管內(nèi)側(cè)或外側(cè)，制成管狀膜元件，然后再裝配成管束式反滲透器。分：內(nèi)壓管式和外壓管式。1)內(nèi)壓管式：將膜鑲在管的內(nèi)壁，含鹽水在壓力作用下在管內(nèi)流動(dòng)，透過(guò)膜的淡水通過(guò)管壁上的小孔流出。2)外壓管式：將膜鑄在管的外壁，透過(guò)膜的淡水通過(guò)管壁上小孔由管內(nèi)引出。這種裝置的優(yōu)點(diǎn)是水力條件好，適當(dāng)調(diào)節(jié)水流狀態(tài)就能防止膜的玷污和堵塞，能夠處理含懸浮物的溶液，安裝，清洗、維修都比較方便。它的缺點(diǎn)是：?jiǎn)挝惑w積的膜面積小、裝置體積大、制造的費(fèi)用較高。3/28/202315管式反滲透裝置組件結(jié)構(gòu)圖3/28/202316（3）卷式反滲透裝置：把導(dǎo)流隔網(wǎng)、膜和多孔支撐材料依次疊合，用粘合劑沿三邊把兩層膜粘結(jié)密封，另一開放邊與中間淡水集水管連接，再卷繞一起。含鹽水由一端流入導(dǎo)流隔網(wǎng)，從另一端流出，透過(guò)膜的淡化水沿多孔支撐材料流動(dòng)，由中間集水管引出。繞管卷成螺旋卷筒便形成一個(gè)卷式反滲透膜組件。最后把幾個(gè)組件串聯(lián)起來(lái)，裝入圓筒形耐壓容器中，便組成螺旋卷式反滲透器。這種反滲透器的優(yōu)點(diǎn)是單位體積內(nèi)膜的裝載面積大、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積??；缺點(diǎn)是容易堵塞，清洗困難，因此，對(duì)原液的預(yù)處理要求嚴(yán)格。

3/28/202317卷式反滲透裝置組件結(jié)構(gòu)圖3/28/202318（3）中空纖維式反滲透裝置：中空纖維式裝置是把一束（幾十萬(wàn)根）外徑50～100um，壁厚12~25um的中空纖維彎成U形，裝于耐壓管內(nèi)，纖維開口端固定在環(huán)氧樹脂管板中，并露出管板。透過(guò)纖維管壁的淡化水沿空心通道湊個(gè)開口端引出。這種裝置的優(yōu)點(diǎn)是單位體積的膜表面積大，裝備緊湊；缺點(diǎn)是原液預(yù)處理要求嚴(yán)，難以發(fā)現(xiàn)損壞了的膜。

3/28/202319中空纖維式反滲透裝置組件結(jié)構(gòu)圖3/28/2023202、工藝流程反滲透法工藝流程由預(yù)處理、膜分離以及后處理3部分組成。預(yù)處理要求進(jìn)水水質(zhì)達(dá)到規(guī)定指標(biāo)，并且應(yīng)加酸調(diào)節(jié)進(jìn)水pH值到5.5～6.2，以防止某些溶解固體沉積膜面而影響產(chǎn)水量。根據(jù)生產(chǎn)用水的使用要求，后處理方法有pH調(diào)整、殺菌、終端混床、微孔過(guò)濾或超濾等工序。3、反滲透布置系統(tǒng)（1）單程式：原水一次經(jīng)過(guò)反滲透器處理，水的回收率較低。（2）循環(huán)式：有部分濃水回流重新處理，可提高水的回收率，但淡水的水質(zhì)會(huì)受到影響。（3）多段式：膜組件數(shù)逐段減少，能有效提高水的回收率，用于產(chǎn)水量大的場(chǎng)合。3/28/2023213/28/202322三、反滲透工藝參數(shù)1、水與溶質(zhì)通量在給定條件下，透過(guò)膜的水通量與壓力差成正比，而透過(guò)的溶質(zhì)通量則主要與分子擴(kuò)散有關(guān)，因而只與濃度差成正比。因此，提高反滲透器的操作壓力不僅使淡化水產(chǎn)量增加，而且可降低淡化水中溶質(zhì)濃度。另一方面，在操作壓力不變的情況下，增大進(jìn)水的溶質(zhì)濃度使水通量減少，溶質(zhì)通量增大。2、脫鹽率

反滲透的脫鹽率（溶質(zhì)去除率）表示為膜兩側(cè)的含鹽濃度差與進(jìn)水含鹽量的比率。3、淡化水含鹽率近似法進(jìn)行計(jì)算，醋酸纖維淡化苦咸水計(jì)算時(shí)，其脫鹽率可初估90%4、回收率等于產(chǎn)淡水量Qp與（進(jìn)水水量Qf＋濃水水量Qr）的比值。3/28/202323四、濃差極化1、濃差極化定義在反滲透過(guò)程中，由于膜的選擇滲透性，溶劑從高壓側(cè)透過(guò)膜，而溶質(zhì)則被膜截留，其濃度在膜表面處升高；同時(shí)發(fā)生從膜表面向本體的回?cái)U(kuò)散，當(dāng)這兩種傳質(zhì)過(guò)程達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，膜表面處的濃度C2高于主體溶液濃度C1，這種現(xiàn)象稱為濃差極化。C2/C1稱為濃差極化度。C1C2C33/28/2023242、濃差極化對(duì)反滲透的影響和降低濃度極化的途徑（1）濃差極化對(duì)反滲透的影響降低水通量；2)降低脫鹽率；3)導(dǎo)致膜上沉淀污染；4)增加流道阻力。由于膜表面濃度增加，使那些水中的微溶鹽（CaCO3和CaSO4等）沉淀，增加膜的透水阻力和流道壓力降，使膜的水通量和脫鹽率進(jìn)一步降低。（2）降低濃差極化的途徑反滲透過(guò)程中的濃差極化現(xiàn)象不可能消除只能采取降低措施。1)合理設(shè)計(jì)和精心制作反滲透基本單元－－膜組件，使之流體分布均勻。2)適當(dāng)控制操作流速，改善流動(dòng)狀態(tài)，使膜－－溶液相界面層的厚度減至適當(dāng)程度，降低濃差極化度。3/28/202325五、反滲透膜污染及防治1、膜污染定義

膜污染是指因處理水中的微粒、膠體粒子或溶質(zhì)分子與膜發(fā)生物理化學(xué)作用，或因濃差極化使某些溶質(zhì)在膜表面濃度超過(guò)其溶解度及機(jī)械作用而引起的在膜表面或膜孔內(nèi)吸附、沉積，造成膜孔徑變小或堵塞，使膜產(chǎn)生透過(guò)流量與分離特征的衰減變化想象。2、膜污染物種類無(wú)機(jī)物（CaSO4、CaCO3、鐵鹽、無(wú)機(jī)膠體、凝膠）；有機(jī)物（蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物、微生物、有機(jī)膠體）。3、膜的清洗與再生在長(zhǎng)期運(yùn)行中，膜的透水量隨運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)而下降，即膜污染問(wèn)題必然產(chǎn)生，因此必須采取一定的清洗方法，使膜面或膜孔內(nèi)污染物去除，達(dá)到恢復(fù)透水量。3/28/202326（1）污染膜的清洗方法1)分類：物理、化學(xué)、物理－化學(xué)方法。物理清洗是用機(jī)械方法從膜面上脫除污染物，具體方法有：

正方向沖洗：將RO產(chǎn)水用高壓打入進(jìn)水側(cè)，將膜面上污染物沖下來(lái)；

變方向沖洗：沖洗時(shí)改變方向。

反壓沖洗：將淡水側(cè)水加壓，反向壓入膜進(jìn)水側(cè)，同時(shí)進(jìn)水側(cè)繼續(xù)進(jìn)水到濃水排放，以帶走膜面上脫落下來(lái)的污染物。振動(dòng)；排氣充水法；CO2清洗化學(xué)清洗：用化學(xué)清洗劑對(duì)反滲透膜進(jìn)行清洗。清洗劑包括：稀酸、稀堿、表面活性劑和氧化劑等。使用的化學(xué)清洗劑必須與膜材料相容。3/28/2023275.7超濾

超濾是一種介于納濾與微濾之間的膜分離技術(shù)。其膜的截留分子量范圍為500～500000道爾頓左右。，相應(yīng)孔徑大小的近似值約50A～1000A。用于截留水中膠體大小的顆粒，而水和低分子溶質(zhì)可透過(guò)膜。oo3/28/2023281、超濾膜種類：醋酸纖維素膜、聚砜膜以及聚酰胺膜