技術講堂高壓膜過程的濃度主導傳質特性及ROTOWER工藝

技術講堂|高壓膜過程的濃度主導傳質特性及ROTOWER工藝的技術優(yōu)勢（一）本期內容由蘇伊士水務技術與方案ES產品全球應用技術總監(jiān)翟建文提供。為了適應工業(yè)廢水及物料濃縮市場對于高倍率濃縮的工藝需求，作為工業(yè)分離及高濃縮技術的先驅，SUEZ-WTS從2013年以來持續(xù)發(fā)力探索卷式高壓膜元件的制造技術難點突破和工藝系統(tǒng)優(yōu)化。2014年率先提出了將卷式高壓膜系統(tǒng)應用于工業(yè)廢水零排放等高倍率濃縮應用。推出了最高操作壓力80bar的高壓反滲透膜INDRO5及INDRO6系列產品。發(fā)明了以多種膜元件組合為主要特點的高效、高回收率高壓反滲透系統(tǒng)設計工藝ROTOWER。2015年推出了最高操作壓力120bar的INDROHP系列產品。2019年上市了INDROHP系列更新版本，進一步提高了通量、能效和濃縮終點TDS。為了幫助大家更為科學地理解高壓膜產品和濃縮過程，我們將通過兩篇文章向大家概括性介紹以下幾方面內容：第一期高壓膜過程濃度主導傳質的鮮明技術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的設計原理和應用方法。從制造成本、運行能耗、設備制造及管理控制等方面，對比分析工業(yè)廢水零排放典型預濃縮工況的三種常見工藝配置。高壓膜濃縮過程鮮明的特性：濃度主導透膜傳質按傳統(tǒng)的溶解擴散理論，反滲透膜的水通量可以用在過濾分離領域廣泛使用的達西定律描述：Jw=A(ΔP-Δπ)其中，A=透水系數(shù)或單位凈壓力（NDP）水通量ΔP=進水壓力Δπ=滲透壓高壓膜及其系統(tǒng)設備的設計目標是為了獲得盡量高濃度的濃縮液，而濃縮過程能夠成立就是要保證膜系統(tǒng)的有效透過液通量。按照達西定律的描述，我們可以通過改變公式右邊的任何一個因素來獲得所需要的通量，也就是說有三個途徑：?

采用透水性更好的膜（A值）?

提高壓力（ΔP）?

提高膜的鹽透過率降低滲透壓（Δπ）膜系統(tǒng)的理論濃縮終點為末端膜元件濃水出口位置的局部通量為零時的TDS，但從工業(yè)系統(tǒng)工程性能和經濟性的角度考慮，我們將末端膜元件最低有效通量定義為3-5LMH，相當于30m2有效面積膜元件產水量約90-150l/h。高壓膜過程主要針對在常規(guī)BWRO及SWRO膜濃縮液進行進一步的盡可能濃縮，膜進水側的TDS為20-150g/l（NaCl），遠遠超出了傳統(tǒng)反滲透膜的應用范圍。長期的實驗研究和工程實踐證明，由于操作壓力和進水TDS范圍的影響，高壓膜具有獨特的性能特點變化規(guī)律，與常規(guī)苦咸水和海水脫鹽反滲透過程差異較大。作者認為高壓膜過程屬于新的技術領域，常規(guī)反滲透理論無法對其進行近似的表征計算，需要對現(xiàn)有的RO機理解釋進行改進，或者推出新的理論模型。由于詳細的推導論證比較復雜，本文將分享我們研究結論的一些簡要總結。01高壓膜片的壓實變形當前大部分高壓膜元件所采用的平板膜材料，依然是以聚酯無紡布基材多孔聚砜膜為支撐材料的TFC復合膜，在80bar以上的超高操作壓力作用下，基礎多孔支撐體必然會發(fā)生不可逆的壓縮和形變，因此高壓膜元件中平板膜的實際結構是經過高壓操作后壓實變形的結果。如圖-1所示，膜片的微觀形態(tài)構造與其初始狀態(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更小，同時膜片隨著透水導流布支撐結構的形狀發(fā)生了明顯的拉伸形變。雖然說高壓膜的性能一定與其初始狀態(tài)有關，但已變?yōu)橥耆煌哪?，較低壓力下的平膜及膜元件測試數(shù)據(jù)都不再有效。圖-1高壓運行后膜片的變薄變形結論：簡單模仿成功的先導高壓膜產品硬件配置，對于深層次的技術細節(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、計算合理的系統(tǒng)設計。02高壓膜的濃度主導傳質特性：透水系數(shù)隨進水側TDS的增加快速下降A值的習慣單位為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)，計算公式為阿倫尼烏斯方程），但在高壓濃縮過程中A值會隨著進水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傳質特性。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值隨進水側平均NaCl濃度的變化趨勢：?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膜元件實測數(shù)據(jù)。?圖-2/c為120bar下不同進水濃度下產水量文獻數(shù)據(jù)的計算值。圖-2-a和圖-2-b兩種壓力下A值趨勢比較：?A值主要受進水側濃度的影響，兩個壓力下的測試數(shù)據(jù)基本上處于同一個趨勢線上。?100bar壓力下，INDRO7HP、INDRO5HP分別在約155g/l和105g/l時A值降到1×10-5cm/s/atm，膜元件的測試通量為3.5LMH和5LMH。?120bar壓力下,HPRO的操作數(shù)據(jù)就已經充分顯示了低透性膜在60g/l進水NaCl時A值就只有1×10-5cm/s/atm，繼續(xù)濃縮到120g/l時，A值已經降到了0.55×10-5cm/s/atm。圖-2-aINDRO7HP8040F實測通量Jw及特性透水系數(shù)A圖-2-bINDRO5HP8040F實測通量Jw及特性透水系數(shù)A圖-2-cHPRO8040F文獻通量Jw及特性透水系數(shù)A總結：從測試數(shù)據(jù)可以總結出特性透水系數(shù)A值隨濃度變化的幅度與膜片初始特性的基本相關規(guī)律：膜的初始透水性越低，A值隨進水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A值為1時，NDP=A(ΔP-Δπ)=10bar時，膜元件的通量為3.6LMH，一般系統(tǒng)設計中末端膜元件的最低通量設置為3-5LMH，如果膜元件有效面積為30m2，單支膜元件的產水量為90-150l/h，因此我們將A值等于1時的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