反渗透技术介绍

1反渗透技术介绍一、概述反渗透是二十世纪后期迅速发展起来的膜法水处理方式，它是苦咸水处理、海水淡化、除盐水、纯水、高纯水等制备的最有效方法之一。它中心技术是反渗透膜，该膜是一种用特殊材料和加工方法制成的、具有半透性能的薄膜。它能够在外加压力的作用下使水溶液中的某些组分选择性透过，从而达到水体淡化、净化的目的。早在1748年就法国人AbbleNellet就发现了渗透现象。1950美国人Hassler提出了利用与渗透相反的过程进行海水淡化的设想。但是，只有当1960年LoebSourirajan用醋酸纤维素作材料、研制成第一张高分离效率和高透水量的反渗透膜以后，反渗透技术才从可能变为现实。1960年世界第一张不对称醋酸纤维膜的出现使反渗透膜应用于工业上制水成为可能。初期是板式膜、管式膜，在六十年代中、后期出现了卷式、中空纤维膜，七十年代初期又研制出海水淡化膜。在1972至1977的五年间，世界范围内的反渗透装置数量增加了15倍，制水容量增加了41倍，直至八十年代以后仍以14-30%的速度递增。反渗透除在苦咸水、海水淡化中使用外，还广泛应用于纯水制备、废水处理以及饮用水、饮料和化工产品的浓缩、回收工艺等多种领域。反渗透水处理工艺基本上属于物理方法，他在诸多方面具有传统的水处理方法所没有的优异特点：反渗透是在室温条件下，采用无相变的物理方法得以使水淡化、纯化；依靠水的压力作为动力，其能耗在众多处理方法中最低；化学药剂量少。无需酸、碱再生处理；无化学废液及废酸、碱排放，无酸碱中和处理过程，无环境污染；系统简单、操作方便，产水水质稳定，两级反渗透可取得高质量的纯水；适应于较大范围的原水水质，即适用于苦咸水、海水以至污水的处理，也适用于低含盐量的淡水处理。设备占地面积少，需要的空间也小；运行维护和设备维修工作量少。对锅炉补给水处理，反渗透法也具有常规的离子交换处理方式难以比拟的优异特色，如：产水中的二氧化硅少，去除率可达99.5%，有效的避免了发电机组随压力升高对SiO2的选择性携带所引起的硅垢，以及天然水中硅对离子交换树脂的污染，造成再生困难、运行周期短等问题，并影响除硅效果；2产水中有机物、胶体等物质，去除率可达到95%，避免了由于有机物分解所形成的有机酸对汽轮机尾部的酸性腐蚀的问题；反渗透水处理系统可连续产水，无运行中停止再生等操作，没有产水水质忽高忽低的波动，对发电机组的稳定运行，保证电厂的安全经济有着不可估量的作用。因而，反渗透在发电厂的锅炉补给水处理中的应用受到广泛的关注。我国自七十年代末采用反渗透除盐技术，至今已有几十个电厂相继应用。在世界范围内，至九十年代初，反渗透水处理容量已超过400万吨/天以上，其中海水淡化达52万吨/天，而且每年还在以18%的速度递增。目前，采用反渗透除盐方式占所有除盐方式的85%，离子交换除盐方式也在逐步为反渗透所代替，并且其投资会在较短时间回收。特别是新膜品种的出现（1977年出现TFC复合膜，1980年出现低压反渗透膜，1993年出现高脱盐率膜，其脱盐率达到99.7%），更有利于反渗透技术得发展。预言家认为：二十一世纪。反渗透技术的发展正在方兴未艾，且必将有更大的飞跃。二、反渗透的基本原理1、半透膜半透膜是广泛存在于自然界动植物体器官上的一种选择透过性膜。严格地说，是只能透过溶剂（通常指水）而不能透过溶质的膜。工业使用的半透膜多是高分子合成的聚合物产品。2、渗透、渗透压当把溶剂和溶液（或把两种不同浓度的溶液）分别置于此膜的两侧时，溶剂将自发地穿过半透膜向溶液（或从低浓度溶液向高浓度溶液）侧流动，这种现象叫渗透，如果上述过程中溶剂是纯水，溶质是盐份，当用理想半透膜将他们分隔开时，纯水侧会自发地通过半透膜流入盐水侧，此过程如图2.1（a）所示。纯水侧的水流入盐水侧，盐水侧的液位上升，当上升到一定程度后，水通过膜的净流量等于零，此时该过程达到平衡，与该液位高度差对应的压力称为渗透压。（a）渗透（b）反渗透图2.1盐水膜淡水压力盐水膜淡水3一般来说，渗透压的大小取决也溶液的种类、浓度和温度而与半透膜本身无关。通常可用下式计算渗透压。△∏＝△CRT△∏渗透压R气体常数△C浓度差T温度3、反渗透当在膜的盐水侧施加一个大于渗透压的压力时，水的流动向就会逆转，此时盐水中的水将流入纯水侧，这种现象叫做反渗透，该过程如图2.1（b）所示。4、反渗透系统流量和物料守衡反渗透的简单流程图如图2.2所示原水（Q1，C1）产水（Q2，C2）浓水（Q3，C3）4图2.2Q1——原水流量Q2——产水流量Q3——浓水流量C1——原水中物质浓度C2——产水中物质浓度C3——浓水中物质浓度在反渗透系统中，水体流量和水体中的各项物质的量总是保持不变的，它存在着两个平衡方程：Q1=Q2+Q3（2.1）Q1×C1=Q2×C2+Q3×C3（2.2）从平衡方程2.1我们可以看出，在保持原水水量恒定的话，要提高产水，可以通过减少浓水来实现，反之亦然；同理，在流量不变的情况下，由平衡方程2.2可以看出，产水水质越好，浓水的水质就越差。三、反渗透膜1反渗透膜的性能要求和指标1.1为适应水处理应用的需求，反渗透膜必须具有在应用上的可靠性和形成工业规模的经济性，其一般要求是：对水的渗透性要大，脱盐率要高；具有一定的强度，不致因水的压力和拉力影响而变形、破裂。膜的被压实性尽可能最小，水通量衰减小，保证稳定的产水量；结构要均匀，能制成所需要的结构；能适应较大的压力、温度和水质变化；具有好的耐温、耐酸碱、耐氧化、耐水解和耐生物侵蚀性能；使用寿命要长；成本要低。1．2根据以上要求，膜的使用者在选择膜时或使用膜前应该了解并掌握如下膜的物理、化学稳定性和膜的分离特性指标。膜材质允许使用的最高压力允许使用的温度范围允许的最大给水量适用的PH范围耐O3和CL2等氧化性物质的能力抗微生物、细菌的侵蚀能力5耐胶体颗粒及有机物的污染能力1．3膜的分离透过特性指标膜的分离透过特性指标包括脱盐率、回收率、水流通量及流量衰减系数（或膜通量保留系数）脱盐率（SaltRejection）指给水中总溶解固体物（TDS）中未透过膜部分的百分数。脱盐率=（1-产品水总溶解固形物/给水总溶解固形物）X100%回收率（Recovery）指产水流量与给水流量之比，以百分数表示。回收率=（产品水流量/给水流量）X100%一般影响回收率的因素，主要有进水水质，浓水的渗透压、易结垢物质的浓度、污染膜物质等因素。水通量（Flux）为单位面积膜的产水流量，与进水类型有关进水类型一般复合膜的水通量（GFD）反渗透产品水20~30深井水14~18地表水8~14废水8~12流量衰减系数指反渗透装置在运行过程中产水量衰减的现象。即运行一年后产水流量与出水运行产水流量下降的比值（复合膜一般不超过3%）。膜通量保留系数指运行一段时间后产水流量与初始运行产水流量的比值（一般三年可达到0.85以上）。2膜脱盐机理和迁移扩散方程膜脱除水中盐分并使水分子透过膜的机理说明，目前存在多种见解。基本上可以看作有孔和无空的两种解释，主要有氢键理论、选择吸附-毛细孔流动理论和溶解扩散理论。为了阐明其不同点，现简要加以说明：2.1氢键理论是把醋酸纤维膜看作高度有序的矩阵结构的聚合物，膜的活性集团乙酰基（—C=O）具有与水分子形成氢键的能力，形成“结合水”，而水中溶解的其它粒子和分子则不能。在水的压力下第一个进入膜的水分子由于第一个氢键断裂下来，到下一个活性集团形成新的氢键……如此不断移位而使水及氢键传递通过膜层。而盐分则被分离出去。2.2选择性吸附毛细孔理论是把膜看作一种微细多孔结构物质（5-10A）,以Gibbs吸附方程为基础。膜的亲水性决定了选择吸附纯水而排斥盐分的特性，在固液表面上形成纯水层（约0.5nm）。在施加压力下，纯水层中6的水分子不断通过毛细管流过膜。2.3溶解扩散理论在反渗透水处理中是把膜视作无孔的，按溶解扩散方程计算的。这一理论是将膜当作溶解扩散场，认为水分子、溶质都可溶于膜内，并在推动力下进行扩散，淡水分子和盐分的溶解和扩散速度不同，因而表现了不同的透过性。定量的描述反渗透过程中的产水量和盐透过量是剂压差（ΔP）和浓度差（ΔC）为扩散传质作为推动力。其扩散方程是：QW=KW(ΔP-Δπ)A/τ式中：Qw-产水量Kw-系数ΔP-膜两侧的压差Δπ-渗透压A-膜的面积τ-膜的厚度Kw与膜的性质和水温有关，Kw越大，说明膜的渗水性能越好。Qs=Ks×ΔC×A/τ式中，Qs-产水量Ks-系数ΔC-膜两侧的浓度差A-膜的面积τ-膜的厚度Ks与膜的性质、盐的种类以及水温有关，Ks越小，说明膜的脱盐性能越好。从以上俩式可以看出，对膜来说，Kw大Ks小则质量较好。相同面积和厚度的膜，其产水量与净驱动压力成正比，盐透过量至于膜两侧浓度差成正比，而与压力无关。3膜的运行条件的影响及浓差极化3.1膜的水通量和脱盐率是反渗透过程的关键的运行参数。这两个参数将受到一下因素的影响，主要有：压力7温度回收率给水含盐量3.1.1压力给水压力升高，水通量增大，产品水含盐量（TDG）下降，脱盐率提高。3.1.2温度在提高给水温度而其它运行参数不变时，产品水通量和盐透过量均增加。温度升高，水的粘度减小，一般产水量可增大2-3%；但同时温度升高，膜的盐透过率系数Ks变大，因而盐透过量有所增加。3.1.3回收率增大回收率，产品水通量下降，是因为浓水盐含量增大，导致渗透压升高，在给水压力不变的情况下，ΔP-Δπ变小，因而Qw减小。同时，与与浓水盐浓度升高，使ΔC增大，故盐透过量Qs增大，产品水含盐量升高。3.1.4给水含盐量给水含盐量增加，产品水通量和脱盐率都下降。由于给水TDS增加，ΔC增加，故Qs增加，即盐透过量增加；而且，渗透压也增加，在给水压力不变的情况下，ΔP-Δπ变小，故Qw减小。3.2膜表面的浓差极化3.2.1反渗透过程中,水分子透过后,膜界面层中含盐量增大,形成浓度较高的浓水层,此层与给水水流的浓度形成很大的浓度梯度,这种现象称为膜的浓差极化.浓差极化会对运行产生极为有害的影响.3.2.2浓差极化的危害由于界面层中的浓度很高,相应的会使渗透压升高.当渗透压升高后,势必使原来的运行条件的产水量下降.为欲达到原来所需的产水量,就要提高给水压力,增加电能消耗.由于界面层的浓度升高,膜两侧的ΔC增大,使产品的盐透过量增大.由于界面层的浓度升高,对易结垢的物质增加了沉淀结垢倾向,造成膜的污垢污染.为了恢复膜的性能,要频繁的清洗,并可能造成膜性能的下降.由于形成的浓度梯度,会以一定措施使盐分的扩散离开膜表面,但胶体物质的扩散要比盐分的扩散速度小数百数千倍,因而浓度极化是促成膜表面胶体污染的重要原因.3.2.3消除浓差极化的措施要严格控制膜的水通量严格控制回收率8严格按照膜生产厂家的设计导则设计RO系统4膜的种类及其结构形态分类4.1反渗透膜的类别4.1.1按膜本身的结构形态分类均质膜为同一种材质、厚度均一的膜。为了增加强度以便耐压，膜的厚度较厚，整个膜厚都起着屏蔽层的作用，因而透水性较差。非对称膜为同一种材质，制作成致密的表皮层和多孔支持层。表皮层很薄，起盐分离作用，厚约0.1～0.2μm，因为阻力较小，膜的水通量较均质膜高。复合膜为不同材质制成的几层膜的复合体，如图1-3-5。表层为致密屏蔽表皮（起阻止并分离盐分的作用），厚约为0.2μm，表皮敷在强度较高的多孔层上，多孔层厚约40μm，最底层为无纺织物支撑层，厚约120μm，起支持整个膜的作用。4．1．2按膜加工外形分类平面膜由平面膜作为中间原材料，可以加工成板式、管式或卷式反渗透膜。中空纤维膜以熔融纺丝经过中空纤维的纺丝、热处理等工艺制成的很细很细的非对称结构的中空纤维膜。4．1．3按膜的材质分类醋酸纤维素膜一般是用纤维素经脂化生成三醋酸纤维素，再经过两次水解，成一、二、三醋酸纤维素的混合物制成的膜。芳香聚酰胺膜一般是高交联芳香聚酰胺作为膜表皮的致密脱盐层。4．2芳香聚酰胺超薄复合膜与醋