技術(shù)講堂高壓膜過(guò)程的濃度主導(dǎo)傳質(zhì)特性及ROTOWER工藝

技術(shù)講堂|高壓膜過(guò)程的濃度主導(dǎo)傳質(zhì)特性及ROTOWER工藝的技術(shù)優(yōu)勢(shì)（一）本期內(nèi)容由蘇伊士水務(wù)技術(shù)與方案ES產(chǎn)品全球應(yīng)用技術(shù)總監(jiān)翟建文提供。為了適應(yīng)工業(yè)廢水及物料濃縮市場(chǎng)對(duì)于高倍率濃縮的工藝需求，作為工業(yè)分離及高濃縮技術(shù)的先驅(qū)，SUEZ-WTS從2013年以來(lái)持續(xù)發(fā)力探索卷式高壓膜元件的制造技術(shù)難點(diǎn)突破和工藝系統(tǒng)優(yōu)化。2014年率先提出了將卷式高壓膜系統(tǒng)應(yīng)用于工業(yè)廢水零排放等高倍率濃縮應(yīng)用。推出了最高操作壓力80bar的高壓反滲透膜INDRO5及INDRO6系列產(chǎn)品。發(fā)明了以多種膜元件組合為主要特點(diǎn)的高效、高回收率高壓反滲透系統(tǒng)設(shè)計(jì)工藝ROTOWER。2015年推出了最高操作壓力120bar的INDROHP系列產(chǎn)品。2019年上市了INDROHP系列更新版本，進(jìn)一步提高了通量、能效和濃縮終點(diǎn)TDS。為了幫助大家更為科學(xué)地理解高壓膜產(chǎn)品和濃縮過(guò)程，我們將通過(guò)兩篇文章向大家概括性介紹以下幾方面內(nèi)容：第一期高壓膜過(guò)程濃度主導(dǎo)傳質(zhì)的鮮明技術(shù)特征不同類型反滲透膜的濃縮極限第二期SUEZ-WTS專利高壓膜系統(tǒng)工藝ROTOWER的設(shè)計(jì)原理和應(yīng)用方法。從制造成本、運(yùn)行能耗、設(shè)備制造及管理控制等方面，對(duì)比分析工業(yè)廢水零排放典型預(yù)濃縮工況的三種常見工藝配置。高壓膜濃縮過(guò)程鮮明的特性：濃度主導(dǎo)透膜傳質(zhì)按傳統(tǒng)的溶解擴(kuò)散理論，反滲透膜的水通量可以用在過(guò)濾分離領(lǐng)域廣泛使用的達(dá)西定律描述：Jw=A(ΔP-Δπ)其中，A=透水系數(shù)或單位凈壓力（NDP）水通量ΔP=進(jìn)水壓力Δπ=滲透壓高壓膜及其系統(tǒng)設(shè)備的設(shè)計(jì)目標(biāo)是為了獲得盡量高濃度的濃縮液，而濃縮過(guò)程能夠成立就是要保證膜系統(tǒng)的有效透過(guò)液通量。按照達(dá)西定律的描述，我們可以通過(guò)改變公式右邊的任何一個(gè)因素來(lái)獲得所需要的通量，也就是說(shuō)有三個(gè)途徑：?

采用透水性更好的膜（A值）?

提高壓力（ΔP）?

提高膜的鹽透過(guò)率降低滲透壓（Δπ）膜系統(tǒng)的理論濃縮終點(diǎn)為末端膜元件濃水出口位置的局部通量為零時(shí)的TDS，但從工業(yè)系統(tǒng)工程性能和經(jīng)濟(jì)性的角度考慮，我們將末端膜元件最低有效通量定義為3-5LMH，相當(dāng)于30m2有效面積膜元件產(chǎn)水量約90-150l/h。高壓膜過(guò)程主要針對(duì)在常規(guī)BWRO及SWRO膜濃縮液進(jìn)行進(jìn)一步的盡可能濃縮，膜進(jìn)水側(cè)的TDS為20-150g/l（NaCl），遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)反滲透膜的應(yīng)用范圍。長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)研究和工程實(shí)踐證明，由于操作壓力和進(jìn)水TDS范圍的影響，高壓膜具有獨(dú)特的性能特點(diǎn)變化規(guī)律，與常規(guī)苦咸水和海水脫鹽反滲透過(guò)程差異較大。作者認(rèn)為高壓膜過(guò)程屬于新的技術(shù)領(lǐng)域，常規(guī)反滲透理論無(wú)法對(duì)其進(jìn)行近似的表征計(jì)算，需要對(duì)現(xiàn)有的RO機(jī)理解釋進(jìn)行改進(jìn)，或者推出新的理論模型。由于詳細(xì)的推導(dǎo)論證比較復(fù)雜，本文將分享我們研究結(jié)論的一些簡(jiǎn)要總結(jié)。01高壓膜片的壓實(shí)變形當(dāng)前大部分高壓膜元件所采用的平板膜材料，依然是以聚酯無(wú)紡布基材多孔聚砜膜為支撐材料的TFC復(fù)合膜，在80bar以上的超高操作壓力作用下，基礎(chǔ)多孔支撐體必然會(huì)發(fā)生不可逆的壓縮和形變，因此高壓膜元件中平板膜的實(shí)際結(jié)構(gòu)是經(jīng)過(guò)高壓操作后壓實(shí)變形的結(jié)果。如圖-1所示，膜片的微觀形態(tài)構(gòu)造與其初始狀態(tài)有很大區(qū)別，膜片變得更薄，支撐體的孔隙尺寸和孔隙率都會(huì)更小，同時(shí)膜片隨著透水導(dǎo)流布支撐結(jié)構(gòu)的形狀發(fā)生了明顯的拉伸形變。雖然說(shuō)高壓膜的性能一定與其初始狀態(tài)有關(guān)，但已變?yōu)橥耆煌哪ぃ^低壓力下的平膜及膜元件測(cè)試數(shù)據(jù)都不再有效。圖-1高壓運(yùn)行后膜片的變薄變形結(jié)論：簡(jiǎn)單模仿成功的先導(dǎo)高壓膜產(chǎn)品硬件配置，對(duì)于深層次的技術(shù)細(xì)節(jié)缺乏研究理解，并不能制造出性能良好的高壓膜元件，更勿論性能可靠、計(jì)算合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。02高壓膜的濃度主導(dǎo)傳質(zhì)特性：透水系數(shù)隨進(jìn)水側(cè)TDS的增加快速下降A(chǔ)值的習(xí)慣單位為10-5cm/s/atm，換算為更為直觀的特性通量，即單位壓力通量值。10-5cm/s/atm=0.36LMH/bar在傳統(tǒng)意義下，膜特性透水系數(shù)A值通常被視為主要受溫度影響的近似常數(shù)（TCF，溫度矯正系數(shù)，計(jì)算公式為阿倫尼烏斯方程），但在高壓濃縮過(guò)程中A值會(huì)隨著進(jìn)水TDS和操作壓力的增加而明顯下降，TDS的增加影響尤大，我們稱之為濃度主導(dǎo)傳質(zhì)特性。圖-2-a/b/c是三種膜元件在不同壓力下的通量及透水系數(shù)A值隨進(jìn)水側(cè)平均NaCl濃度的變化趨勢(shì)：?INDRO7HP、INDRO5HP和HPRO平膜分別采用高透性膜、中透性膜和低透性膜，三種膜元件的最高耐受壓力均為120bar。?圖-2/a和圖-2/b為8040膜元件實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。?圖-2/c為120bar下不同進(jìn)水濃度下產(chǎn)水量文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算值。圖-2-a和圖-2-b兩種壓力下A值趨勢(shì)比較：?A值主要受進(jìn)水側(cè)濃度的影響，兩個(gè)壓力下的測(cè)試數(shù)據(jù)基本上處于同一個(gè)趨勢(shì)線上。?100bar壓力下，INDRO7HP、INDRO5HP分別在約155g/l和105g/l時(shí)A值降到1×10-5cm/s/atm，膜元件的測(cè)試通量為3.5LMH和5LMH。?120bar壓力下,HPRO的操作數(shù)據(jù)就已經(jīng)充分顯示了低透性膜在60g/l進(jìn)水NaCl時(shí)A值就只有1×10-5cm/s/atm，繼續(xù)濃縮到120g/l時(shí)，A值已經(jīng)降到了0.55×10-5cm/s/atm。圖-2-aINDRO7HP8040F實(shí)測(cè)通量Jw及特性透水系數(shù)A圖-2-bINDRO5HP8040F實(shí)測(cè)通量Jw及特性透水系數(shù)A圖-2-cHPRO8040F文獻(xiàn)通量Jw及特性透水系數(shù)A總結(jié)：從測(cè)試數(shù)據(jù)可以總結(jié)出特性透水系數(shù)A值隨濃度變化的幅度與膜片初始特性的基本相關(guān)規(guī)律：膜的初始透水性越低，A值隨進(jìn)水TDS下降越快，其濃縮上限TDS越低。03膜元件的濃縮極限定義：A值≮1當(dāng)A值為1時(shí)，NDP=A(ΔP-Δπ)=10bar時(shí)，膜元件的通量為3.6LMH，一般系統(tǒng)設(shè)計(jì)中末端膜元件的最低通量設(shè)置為3-5LMH，如果膜元件有效面積為30m2，單支膜元件的產(chǎn)水量為90-150l/h，因此我們將A值等于1時(shí)的TDS定義為濃縮極限。從圖-2-c數(shù)據(jù)可以看出，在120bar操作壓力下，HPRO膜的A值均低于1，能效非常之低。表-1常規(guī)RO膜片的