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溶劑而不透過溶質(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，溶劑會通過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）通過半透膜進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的現(xiàn)象。7/15/202312滲透壓：滲透平衡時，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透的進行，如果P>,則咸水溶液中的水分子向純水一邊遷移,此過程稱反滲透。7/15/20232因此，反滲透過程必須具備的兩個條件：

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。7/15/20233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，對海水操作壓力可達10MPa，對苦咸水的操作壓力約4MPa。7/15/20234一、反滲透膜及透過機理1反滲透膜反滲透膜是一種只允許水通過而不允許溶質(zhì)透過的半透膜。用于水的淡化除鹽的膜。

按結(jié)構(gòu)可分為：對稱膜和非對稱膜。

對稱膜（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(如無機膜)為支撐層(其厚度為5～10um)。

斷面為不對稱結(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、過渡層和支撐層三部分。7/15/20235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；機械強度好，耐壓密；化學穩(wěn)定性好，能耐酸堿和微生物的侵蝕，能耐污染；使用壽命長，性能衰降小；制膜容易，價格低廉，原料充沛，特殊場合要求耐溶劑、耐高溫等。7/15/202362反滲透的透過機理主要就不對稱反滲透膜透過機理和模型進行了研究，尚無統(tǒng)一的認識。存在如下一些機理觀點：氫鍵理論、優(yōu)先吸附－毛細孔流理論、溶解擴散理論。（1）氫鍵理論認為離子和分子是通過與膜內(nèi)氫鍵的結(jié)合而發(fā)生線性排列型的擴散來傳遞的。在壓力作用下，溶液中的水分子與醋酸纖維素的活化點－－羧基上氧原子形成氫鍵，而原來水分子之間形成的氫鍵被斷開，水分子解離出來并隨之轉(zhuǎn)移到下一個活化點，并形成新的氫鍵，通過這樣一系列的氫鍵傳遞，使水分子通過膜表面的致密活性層，進入膜的多孔層。多孔層內(nèi)含有大量的毛細管，水分子能暢通流出膜外。7/15/20237反滲透膜氫鍵傳遞模型7/15/20238（2）優(yōu)先吸附－毛細孔流理論由索里拉金等人提出。以氯化鈉水溶液為例，當鹽溶液與半透膜表面接觸時，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，且化合價越高的離子排斥越大。在壓力作用下，優(yōu)先吸附的水通過膜的毛細管作用流出，達到除鹽的目的。該理論闡述了膜表面必須有相應(yīng)大小的毛細孔，僅能使水分子在壓力下通過。而當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，鹽的水溶液就會泄漏，泄漏的順序是與離子價數(shù)成反比。此理論奠定了實用反滲透膜的發(fā)展基礎(chǔ)。7/15/202397/15/202310（3）溶解擴散理論由朗斯代爾和賴利等人提出。該理論假設(shè)反滲透膜是無缺陷的“完整的膜”，溶劑和溶質(zhì)都可以在膜中溶解，然后在化學位差（濃度差或壓力差）的推動下，從膜的一側(cè)向另一側(cè)面進行擴散，直至透過膜。此理論中，溶劑主要受壓力差影響透過膜，而溶質(zhì)主要受濃度差影響透過膜，反滲透推動力是壓力，隨著壓力升高，透水量增大；隨著進水側(cè)鹽濃度升高，透鹽率也上升，使純水側(cè)的濃度上升。膜的厚度與膜對水中鹽的脫除能力無關(guān)，這也為超薄膜開發(fā)和應(yīng)用奠定的基礎(chǔ)。7/15/2023113、反滲透對有機物和顆粒狀物去除機理

反滲透膜對水中有機物的去除和顆粒狀物的去除，一般屬于篩分機理。因此，膜的這種去除能力與有機物的分子質(zhì)量和顆粒物粒徑大小和形狀有關(guān)。7/15/202312二、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，用長螺栓固定，裝入密封耐壓容器中，按壓濾機形式制成板式反滲透器。

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

7/15/202313板框式反滲透裝置結(jié)構(gòu)圖7/15/202314（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，透過膜的淡水通過管壁上的小孔流出。2)外壓管式：將膜鑄在管的外壁，透過膜的淡水通過管壁上小孔由管內(nèi)引出。這種裝置的優(yōu)點是水力條件好，適當調(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。它的缺點是：單位體積的膜面積小、裝置體積大、制造的費用較高。7/15/202315管式反滲透裝置組件結(jié)構(gòu)圖7/15/202316（3）卷式反滲透裝置：把導流隔網(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流隔網(wǎng)，從另一端流出，透過膜的淡化水沿多孔支撐材料流動，由中間集水管引出。繞管卷成螺旋卷筒便形成一個卷式反滲透膜組件。最后把幾個組件串聯(lián)起來，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)點是單位體積內(nèi)膜的裝載面積大、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積?。蝗秉c是容易堵塞，清洗困難，因此，對原液的預處理要求嚴格。

7/15/202317卷式反滲透裝置組件結(jié)構(gòu)圖7/15/202318（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。透過纖維管壁的淡化水沿空心通道湊個開口端引出。這種裝置的優(yōu)點是單位體積的膜表面積大，裝備緊湊；缺點是原液預處理要求嚴，難以發(fā)現(xiàn)損壞了的膜。

7/15/202319中空纖維式反滲透裝置組件結(jié)構(gòu)圖7/15/2023202、工藝流程反滲透法工藝流程由預處理、膜分離以及后處理3部分組成。預處理要求進水水質(zhì)達到規(guī)定指標，并且應(yīng)加酸調(diào)節(jié)進水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)水量大的場合。7/15/2023217/15/202322三、反滲透工藝參數(shù)1、水與溶質(zhì)通量在給定條件下，透過膜的水通量與壓力差成正比，而透過的溶質(zhì)通量則主要與分子擴散有關(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)的含鹽濃度差與進水含鹽量的比率。3、淡化水含鹽率近似法進行計算，醋酸纖維淡化苦咸水計算時，其脫鹽率可初估90%4、回收率等于產(chǎn)淡水量Qp與（進水水量Qf＋濃水水量Qr）的比值。7/15/202323四、濃差極化1、濃差極化定義在反滲透過程中，由于膜的選擇滲透性，溶劑從高壓側(cè)透過膜，而溶質(zhì)則被膜截留，其濃度在膜表面處升高；同時發(fā)生從膜表面向本體的回擴散，當這兩種傳質(zhì)過程達到動態(tài)平衡時，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。C1C2C37/15/2023242、濃差極化對反滲透的影響和降低濃度極化的途徑（1）濃差極化對反滲透的影響降低水通量；2)降低脫鹽率；3)導致膜上沉淀污染；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一步降低。（2）降低濃差極化的途徑反滲透過程中的濃差極化現(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)適當控制操作流速，改善流動狀態(tài)，使膜－－溶液相界面層的厚度減至適當程度，降低濃差極化度。7/15/202325五、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)生物理化學作用，或因濃差極化使某些溶質(zhì)在膜表面濃度超過其溶解度及機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)生透過流量與分離特征的衰減變化想象。2、膜污染物種類無機物（CaSO4、CaCO3、鐵鹽、無機膠體、凝膠）；有機物（蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物、微生物、有機膠體）。3、膜的清洗與再生在長期運行中，膜的透水量隨運行時間增長而下降，即膜污染問題必然產(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，達到恢復透水量。7/15/202326（1）污染膜的清洗方法1)分類：物理、化學、物理－化學方法。物理清洗是用機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)水用高壓打入進水側(cè)，將膜面上污染物沖下來；

變方向沖洗：沖洗時改變方向。

反壓沖洗：將淡水側(cè)水加壓，反向壓入膜進水側(cè)，同時進水側(cè)繼續(xù)進水到濃水排放，以帶走膜面上脫落下來的污染物。振動；排氣充水法；CO2清洗化學清洗：用化學清洗劑對反滲透膜進行清洗。清洗劑包括：稀酸、稀堿、表面活性劑和氧化劑等。使用的化學清洗劑必須與膜材料相容。7/15/2023275.7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)可透過膜。oo7/15/2023281、超濾膜種類：醋酸纖維素膜、聚砜膜以及聚酰胺膜