反渗透技术的应用发展与面临的问题

反渗透技术的应用发展与面临的问题摘要反渗透膜技术是20世纪60年代兴起的一门新型分离技术，是目前最为进的分离技术之一，应用广泛。能够去除可溶性的金属盐、有机物、细菌、胶体粒子、发热物质，也即能截留所有的离子，在生产纯净水、软化水、无离子水、产品浓缩、废水处理方面反渗透膜已应用广泛。然而反渗透技术还是存在本身的不足。本文主要介绍反渗透技术的应用与面临的问题。关键词反渗透膜应用发展面临问题正文膜是具有选择性分离功能的材料，利用膜的选择性分离实现料液的不同组分的分离、纯化、浓缩的过程称作膜分离。反渗透（RO）是利用反渗透膜只能让溶剂（通常是水）透过而截留离子物质或小分子物质的选择透过性，以膜两侧静压为推动力，而实现的对液体混合物分离的膜过程。当纯水和盐水被理想半透膜隔开，理想半透膜只允许水通过而阻止盐通过，此时膜纯水侧的水会自发地通过半透膜注入盐水一侧，这种现象称为浸透，若在膜的盐水侧施加压力，那么水的自发流动将会受到抑制而减慢，当施加的压力达到某一数值时，水通过膜的净流量等于零，这个压力称为渗透压力，当施加在膜盐水侧的压力大于渗透压力时，水的流向就会逆转，此时，盐水中的水将流入纯水侧，上述现象就是水的反浸透处理的基本原理。一、反渗透膜的应用1、用于海水、苦碱水淡化反渗透膜分离技术已被广泛应用于海水淡化。反渗膜法海水淡化工艺最高运转压力为5.6～7MPa,能耗为多段蒸发法的l/2～1/3,淡水水质好(反渗透膜对l价金属离子的阻止率99.4%,对2价金属离子的阻止率为99.9%,总溶解固体量阻止率99.6%)。在全世界海水淡化装置中约有30%用反渗透方式来实现,用反渗透膜可脱去海水中99%以上的盐离子。在全世界海水淡化装置中约有30%用反渗透方式来实现,用反渗透膜可脱去海水中99%以上的盐离子。国外已有日产水量10万吨级的反渗透海水淡化装置，目前正在运行的大型卷式膜海水淡化装置的单机能力为日产水量6000吨。国内目前已建和在建的反渗透海水淡化装置日产水量350-1000吨，国外单段反渗透海水淡化的水利用率最高达45％，国内目前多为35％，另外国内渔船上装载的反渗透海水淡化膜多用直径为2.5英寸的小型膜元件。目前国内批量生产海水淡化装置的公司不超过10家，在河北建设的日产水量18000吨的“亚海水”脱盐装置是国内最大的使用海水淡化膜的反渗透装置。2、用于处理重金属废水对于处理重金属废水,国内外均进行了广泛的研究。从20世纪70年代开始,反渗透已用于处理电镀废水,在具体工程中,反渗透法已大规模用于镀锌、镍、铬漂洗水和混合重金属废水的处理。据报道,用反渗透处理铜氰电镀漂洗水已获成功,截留率在99%以上。研究表明,反渗透法还可用于处理。3、用于纯水、超纯水制备采用反渗透技术可制取各种符合要求水质的脱盐水。通常以多级反渗透制取纯度较高的脱盐水,但此法水利用率较低。反渗透膜不仅可有效去除有机物、降低COD，且具有很好的脱盐效果，使得脱除COD、脱色、脱盐能在一步完成[1]。4、用于食品工业中由于反渗透对水中的无机盐、有机盐、微生物、热源、胶体的个有较好的去除效果，因此发展与推广很快，目前已经广泛应用于饮料、食品等领域[2]。二、反渗透膜的发展与发展趋势近些年来开发的一些新型反渗透膜，它是由很薄的而且致密的符合层与高空隙率的基膜复合而成的。醋酸纤维膜（CA膜）。CA膜又可以分为平膜、管式膜和中空纤维膜几类。CA膜具有渗透膜所需的三个基本性质：高透水性、对大多数水溶性组分的渗透性相当低、具有良好的成膜性能。聚酰胺膜（PA膜）聚酰胺膜又可以分为脂肪族聚酰胺膜、芳香聚酰胺膜（成膜材料为芳香聚酰胺、芳香聚酰胺-酰肼以及一些含氮芳香聚合物）。新型耐氯反渗透膜材料的研究方面，Jayarani等[3]报道了由聚酯制得的膜的耐氯性优于芳香聚酰胺膜。Kim等[4]用多元酚的水溶液（或多元酚与芳香胺的混合溶液）与TMC反应制备得到的膜具有较高耐氯性能和选择透过性能。Konagaya等[5]用3,3-二氨基二苯砜和对苯二甲酰氯及3,5-二氨基苯甲酸的共聚物制得到的膜具有优良的耐氯性能和选择透过性能。日本日东电工集团于1988年报道了磺化聚醚砜膜耐氯性能是目前最好的耐氯商品反渗透膜Freeman等[6-8]直接共聚的方法合成磺化双酚型聚芳香醚砜（BPS）。这种芳香型成膜共聚物易于控制磺化度，具有很好的耐氯性、抗水解性和机械稳定性。由BPS制得到的膜在pH4~10范围内具有很好的耐氯性能。例如，在活性氯浓度500ppm、pH=9.5下浸泡20h后，商品交联芳香聚酰胺膜的盐截留率下降了20%，而BPS膜（40%磺化度）的盐截留率没有明显变化。此外，由于具有较高的亲水性和荷电性，BPS膜的水通量较高，对油和蛋白质的抗污染性能较强，此外，Freeman等制得的交联BPS膜在盐截留率方面得到了进一步改善。芳香聚酰胺具有酰胺基团（-CO-NH-），亲水性好，且其机械稳定性、热稳定性及水解稳定性均很好，特别适用于反渗透过程。5-氧甲酰氯-异酞酰氯（CFIC）和5-异氰酸酯-异酞酰氯（ICIC）是两种新型的功能性单体，DuPont公司[9]采用这两种单体制出了高通量、高脱率的复合芳香聚酰胺反渗透膜；两种单体均含有两个甲酰氯，前者还有一个氧甲酰氯基，是一种氯代酸酯，后者还有一个异氰酸酯基，是一种异氰酸酯；三个功能基团的位置与均苯三甲酰氯的一样，处于1，3，5-位置上。CFIC最早用于聚碳酸酯的生产工艺[10]，1991年与新开发的ICIC同时用于反渗透膜的制备反渗透工程应用的一个发展方向是反渗透膜组器与超滤、微滤、纳滤、EDI等组器的有机地组合应用，充分发挥各种膜分离技术的特性，形成一个完整的系统工程，达到浓缩、分离、提纯的目的。三、反渗透膜面临的问题1、反渗透膜污染a悬浮颗粒与胶体污染。悬浮颗粒是指直径大于1pm,当水静置时,可以沉积下来的物质;胶体一般直径小于1微米,在水中不会自由沉降,始终保持悬浮状态的物质,成分可能是有机的或无机的单体或复合物,如硅酸化合物、硫化物、腐殖酸、絮凝剂、助凝剂等对于这类物质,通常用污染指数(SDl)来指示它的含量,反渗透进水SDI要小于5颗粒与胶体的污染一般发生在反渗透系统第一段的前几支,它将导致系统压力偏大,脱盐率降低b无机物沉积。进水在系统中被浓缩了四倍,即使进水中难溶盐的浓度很低,经过浓缩后,往往会达到饱和而析出在膜表面结垢。此外浓差极化作用会加剧这一现象的发生无机结垢主要发生在最后一段的最后几支膜常见的无机结垢有碳酸钙、硫酸钙、氟化钙、硫酸钡、硫酸鳃、磷酸钙等。无机结垢的主要症状为产水量下降,脱盐率降低,压差增大,膜元件称重增大。c有机物污染。国外学者研究发现[11]胞外聚合物、溶解性有机物及细微胶体对形成凝胶层导致通量下降有重要影响,溶解性的有机物浓缩吸附在膜的表面,随着时间的延长,吸附累积愈加严重,常常难以恢复。d微生物滋生。该类污染物主要为细菌、生物膜、藻类、真菌等[11-12],受微生物污染的元件解剖后在膜表面和进水流道附着有粘稠的物质并伴有臭味微生物污染后的症状主要表现为产水量低,脱盐率下降,压降增大.生物污染是威胁反渗透系统运行的最大障碍,先进的预处理工艺和合适的清洗方法可以降低生物污染脚。2、清洗中遇到的问题按照常规的方法用冲洗泵进行冲洗，药业无法进入膜元件内部，清洗速率慢,3天未能完成一只膜的离线清洗。清洗时由于膜堵塞严重，水流无法流通，故产生很大压力，多次发生气液爆炸现象，造成清洗设备的破坏与膜元件的损伤。3、运行费用反渗透膜深度净水处理系统的运行条件属于非稳定工况,而不同的运行工况对系统的运行费用影响很大。因此设计工况仅是实际运行工况范围中的一个点,只有在该点上,实际工况符合设计条件,系统可以处于最优运行工况;在其他条件下,不能保证运行工况最优,其运行费用也不可能始终最低。4、反渗透膜的适用寿命保证膜与主机本身完美结合，确保机器能够安全长久地使用而不产生故障，不仅仅是保障一两年，而是要八年十年乃至更长时间安全地使用。在此基础上，在外观和附加功能上再进行创新，以满足消费者个性化需求。四、个人对反渗透膜的一些疑问1、反渗透利用的能量从哪里来？2、反渗透膜一次使用时间长短，经济吗？3、金属离子、细菌、微生物等对膜有影响吗？4、膜对进水水质有要求吗？5、怎样防止膜受到破坏，怎样知道到膜处在良好的状态？6、膜清洗后对脱盐率、产品水量等有影响吗？7、给水浓度，PH，温度，流量对其有影响吗？结语总之，反渗透法除在水处理方面有着广泛的用途外，在化学工业、食品工业、医药工业以及气体分离等许多学科和领域都有着极其广泛的应用，特别是随着膜技术的发展。其潜在应用领域将会不断扩大，这门新兴的反渗透将会在今后的科学技术发展中大显身手，发挥更大的作用。如何克服反渗透技术存在的问题，使其更好地为我们所用，还是一个任重而道远的工作。引用[1]FERSIC，GZARAL，DHAHBIM.Treatmentoftextileeffluentsbymembranetechnologies[J].Desalination，2005，181399-409.[2]HuldS,KennedyK,rosteDrosteJ,catal,Low-pressurreverseosmosistreamntoflandfillleachateJournalofSlidewastechnologyandManagement,2001,27(1):1[3]M.M.Jayarani,S.S.Kulkami,Thin-filmcompositepoly(esteramide)-basedmembrane,Desalination,2000,130:17-30[4]J.Kim,S.Kwak,C.Kim,Compositereverseosmosismembrane-comprisingpolymericporoussupport,withanultrathinaromaticpolyesterorpolyester-polyamidecopolymerlayer,1997-1-14,USPatent5,593,588[5]S.Konagaya,M.Tokai,H.Kuzumoto,Reverseosmosisperformanceandchlorineresistanceofnewternaryaromaticcopolyamidescomprising3,4-diaminodiphenylsulfoneandacomonomerwithacarboxylgroup,J.Appl.Poly.Sci.2001,80:505-513[6]H.B.Park,B.D.Freeman,Z.B.Zhang,etal.WaterandSaltTransportBehaviorthroughHydrophilic-HydrophobicCopolymerMembranesandTheirRelationstoReverseOsmosisMembranes,PMSEPreprints,2006,95:889-891[7]Z.B.Zhang,G.Y.Fan,M.Sankir,H.B.Park,B.D.Freeman,J.E.McGrath,SynthesisofDi-sulfonatedPoly(aryleneethersulfone)RandomCopolymersasNovelCandidatesforChlorine-ResistantReverseOsmosisMembranes,PMSEPreprints,2006,95:887-888[8]M.Paul,H.B.Park,B.D.Freeman,etal.Synthesisandcrosslinkingofpartiallydisulfonatedpoly(aryleneethersulfone)randomcopolymersascandidatesforchlorineresistantreverseosmosismembran