水處理-膜技術

2.3反滲透

反滲透借助半透膜對溶液中溶質(zhì)的截流作用，以壓力差為推動力，使溶劑透過半透膜，從而達到溶液脫溶質(zhì)的目的。一、反滲透1、原理（a）滲透：純水的化學位比鹽水的高，水分子自動從左側(cè)透過到右側(cè)；（b）滲透平衡：右側(cè)液面升高，靜壓力增加，右側(cè)水的化學位增加，直至與左側(cè)相等；此時，有滲透壓差：Δπ=ρgh（c）反滲透：右側(cè)外加壓力Δp＞Δπ，則水從右側(cè)向左側(cè)滲透，即為反滲透。2.3反滲透2.滲透壓的計算根據(jù)滲透平衡時膜兩側(cè)水的化學位相等的條件，得出滲透壓的計算公式，對于水的稀溶液，其計算式可近似為VantHoff方程（范托霍夫方程）：

Π=R·T·∑ci

式中：Π為滲透壓，Mpa；

R為氣體常數(shù)，0.008039MPa·L/(mol·K)；

T為水的絕對溫度，K；∑ci為水中各種溶質(zhì)的濃度之和，mol/L。滲透壓是選擇操作壓力和設計反滲透的重要依據(jù)。25℃時部分典型溶液的滲透壓數(shù)據(jù)組分濃度滲透壓組分濃度滲透壓mg/Lmol/LMPapsimg/Lmol/LMPapsiNaCl350000.602.8398MgSO410000.008310.0253.6海水32000--2.4340MgCl210000.01050.0689.7NaCl20000.03420.1622.8CaCl210000.0090.0588.3苦咸水2000-5000--0.105-0.2815-40蔗糖10000.002920.0071.05NaHCO310000.01190.0912.8葡萄糖10000.00550.0142.0Na2SO410000.007050.0426.02.3反滲透二、反滲透膜1.反滲透膜的性能要求和指標(1)膜的化學穩(wěn)定性(2)膜的耐熱性和機械強度(3)膜的理化指標(4)膜的分離透過特性指標2.膜運行條件的影響因素及膜表面的濃差極化(1)膜的水通量和脫鹽率(2)膜表面的濃差極化3.膜的材料和結(jié)構特點

2.3反滲透

1.反滲透膜的性能要求和指標（1）膜的化學穩(wěn)定性主要指膜的抗氧化性和抗水解性。膜材料都是高分子化合物，而水溶液中含有次氯酸鈉、溶解氧、雙氧水、六價鉻等氧化劑，這些氧化劑會造成膜的氧化，影響膜的性能和壽命。因此若分離含氧化劑的水溶液，應盡量避免用含鍵能很低的O-O鍵或N-N鍵的膜，以提高膜的抗氧化能力，如，芳香聚酰胺膜中因有一定的N－N鍵，在氧化劑含量較高時易斷裂，故其抗氧化性不如醋酸纖維膜。膜的水解和氧化是同時發(fā)生的。當制備膜的高分子化合物中含－CONH－、－COOR－、－CN－、－CN2O－等時，在酸或堿的作用下，易發(fā)生水解反應，使膜破壞，而聚砜、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚苯醚等材料的抗水解性能優(yōu)越，但由于其缺少親水基團，故透水性差，常用做制作膜表面有孔的超濾膜和微孔濾膜。(2)膜的耐熱性和機械強度耐熱性：反滲透膜有時需在較高溫度下使用，故需耐熱。機械強度：是高分子材料力學性質(zhì)的體現(xiàn)，其中包括膜的耐磨性。在壓力作用下，膜的壓縮和剪切蠕變以及表現(xiàn)出的壓密現(xiàn)象，會導致膜的透過速度下降。如能將膜直接制作在高強度的支撐材料上，會增加膜的機械強度。2.3反滲透-----1.反滲透膜的性能要求和指標(3)膜的理化指標膜材質(zhì)允許使用的壓力適用的pH范圍耐O2和Cl2等氧化性物質(zhì)的能力抗微生物、細菌的侵蝕能力耐膠體顆粒及有機物、微生物的污染能力2.3反滲透-----1.反滲透膜的性能要求和指標

(4)膜的分離透過特性指標①脫鹽率（SaltRejection）指給水中總?cè)芙夤腆w物（TDS）中的未透過膜部分的百分數(shù)。

脫鹽率＝（1－產(chǎn)品水中總?cè)芙夤腆w物/給水中總?cè)芙夤腆w物）×100％②產(chǎn)水率（PermeatFlowRate/Recovery）指滲透水流的比率，也可表示為回收率，即產(chǎn)水流量與給水流量之比。

產(chǎn)水率＝（產(chǎn)品水流量/給水流量）×100％③水通量（Flux）又稱透水量，指單位面積膜的產(chǎn)品水流量，是設計和運行都要加以控制的重要指標，它取決于膜和原水的性質(zhì)、工作壓力、溫度。2.3反滲透-----1.反滲透膜的性能要求和指標（4)膜的分離透過特性指標④通量衰減系數(shù)（Fluxdeclinecoefficient）

指反滲透裝置在運行過程中水通量衰減的程度，即運行一年后水通量與初始運行水通量下降的比值。如，Hydranautics的膜以井水為原水時每年衰減4％～7％。⑤膜通量保留系數(shù)（MembraneFluxRetentionCoefficient）指運行一定時間后水通量與初始水通量的比值。⑥鹽透過率（SaltPassage）鹽透過率＝（1－脫鹽率）×100％2.3反滲透-----1.反滲透膜的性能要求和指標（4)膜的分離透過特性指標⑦最大給水流量、最大壓降、最低濃水流量設定最大給水流量用來保護容器中的第一個反滲透元件，使其給水與濃水壓力降不會太大，否則，壓力降高就可能使膜組件變形，損壞膜元件。設定最小的濃水流量以保證在容器末端的膜元件有足夠的橫向流速，從而減少了膠體在膜表面上的沉淀，并且減少濃差極化對膜表面的影響。濃差極化指在膜表面上的鹽濃度高于主體流體濃度的現(xiàn)象，易產(chǎn)生鹽濃縮，因為橫向流速低，膜表面的鹽的反向擴散速度就低，結(jié)果難溶鹽沉淀的機會增多，而且更多的鹽會透過膜表面，導致產(chǎn)水量和脫鹽率下降。2.3反滲透-----1.反滲透膜的性能要求和指標2.3反滲透-----1.反滲透膜的性能要求和指標（5）反滲透膜的除鹽分離特性1)有機物比無機物容易分離。2)電解質(zhì)比非電解質(zhì)易分離。對電解質(zhì)來說，電荷高的分離性好，例如去除率大小順序為：

Al3+＞Mg2+＞Ca2+＞Na+；PO43-＞SO42-＞Cl-3)無機離子的去除率受該離子的水合離子數(shù)及水合離子半徑的影響．水合離子半徑越大的離子(一般離子半徑小的離子，其水合離子半徑大)，則越容易被去除。例如，某些陽離子的去除率大小順序為：

Mg2+、Ca2+＞Li+＞Na+＞K+，而陰離子的去除率大小順序為：

F-＞C1-＞Br-＞NO3-。（5）反滲透膜的除鹽分離特性4)對非電解質(zhì)來說，分子愈大的愈易去除。5)氣體容易透過膜。例如：氨、氯、碳酸氣、硫化氫氧等氣體的去除率就很低。氨的分離性較差，但調(diào)pH值使之成為銨離子后，分離性就變好。6)對弱酸諸如硼酸、有機酸的去除率低。在有機化合物中，去除率大小順序為：檸檬酸＞酒石酸＞乙酸，乙醛＞乙醇＞胺＞酸。2.3反滲透-----1.反滲透膜的性能要求和指標2.3反滲透2.膜運行條件的影響因素及膜表面的濃差極化(1)膜的水通量和脫鹽率膜的水通量和脫鹽率是反滲透過程中關鍵的運行參數(shù)，這兩個參數(shù)將受到壓力、溫度、回收率、給水含鹽量、給水pH值等因素的影響。

壓力給水壓力升高使膜的水通量增大，壓力升高并不影響鹽透過量，在鹽透過量不變的情況下，水通量增大時產(chǎn)品水含鹽量下降，脫鹽率提高。

溫度在提高給水溫度而其他運行參數(shù)不變時，產(chǎn)品水通量和鹽透過量均增加。給水含鹽量給水含鹽量增加影響鹽透過量和產(chǎn)品水通量，使產(chǎn)品水通量和脫鹽量均下降?；厥章试龃螽a(chǎn)品水的回收率，則產(chǎn)品水通量稍有下降趨勢。因為濃水鹽濃度增大，鹽濃度高，則滲透壓增大，在給水壓力不變的情況下，用于水通過膜的壓力降低。給水pH值脫鹽率和水通量在一定的pH值范圍內(nèi)較為恒定，一般最大脫鹽率的pH為8.5左右。2.3反滲透

(2)膜表面的濃差極化反滲透過程中，水分子透過以后，膜界面中含鹽量增大，形成較高濃度的濃水層，此層與給水水流的濃度形成很大的濃度梯度，這種現(xiàn)象稱為膜的濃差極化。

濃差極化的危害由于界面層中的濃度很高，相應地會使?jié)B透壓升高，導致原來運行條件下的產(chǎn)水量下降。由于界面層中鹽的濃度升高，膜兩側(cè)的鹽濃度差增大，使產(chǎn)品水的鹽透過量增大。由于界面層的濃度升高，則易結(jié)垢的物質(zhì)增加了沉淀的傾向，從而導致膜的垢物污染。濃差極化也是促成膜表面膠體污染的重要原因（膠體擴散速度遠小于鹽）。消除濃差極化的措施嚴格控制膜的水通量;

嚴格控制回收率;

嚴格按照膜生產(chǎn)廠家的設計導則進行系統(tǒng)的運行。制造商對回收率的要求考慮了膜表面沖洗的流速，對水通量的規(guī)定考慮了膜表面濃縮鹽分應避免達到臨界濃度。2.3反滲透

3.膜的材料和結(jié)構特點

按反滲透膜的材質(zhì)、成膜工藝、結(jié)構和特性分類，主要有非對稱反滲透膜、復合反滲透膜，包括被人們關注的耐氯膜、耐污染膜、動力膜、荷電膜、無機膜等。非對稱反滲透膜最早實際使用的反滲透膜，其結(jié)構特征是二層結(jié)構，上面一層是致密脫鹽層，下面一層是多孔支撐層，真正起脫鹽作用的是致密層最上面厚約0.1～0.2微米的一部分，叫活化層。致密層和多孔支撐層是在膜制備過程中同時形成的。目前應用最廣泛的非對稱反滲透膜是醋酸纖維膜（CA）和芳香聚酰胺膜。醋酸纖維素膜（CA）有平膜和管式膜（中空纖維膜）通常膜的厚度為100～200μm，制膜時與空氣相接觸的丙酮蒸發(fā)面在外觀上有光澤，并有非常致密的構造，其厚度在0.25～1μm，這層稱為表面層或表面致密層，與除鹽作用有關。表面層下有一較厚的多孔海綿層，支持著表面層，稱為支持層。表面層含水率12％，支持層含水率60％。表面層的細孔在10nm以下，支持層的細孔在100nm以上。醋酸纖維素膜（CA）平膜制作程序醋酸纖維素膜優(yōu)點：價格便宜，制備簡單，透水性能好。膜在短時間內(nèi)抗氯氣的濃度可達20ppm。缺點：容易水解和生物降解，高分子的屈服壓力只有56kg/cm2，只能在較窄的pH值范圍（4～7）、較低的原水溫度（小于30度）和較低的操作壓力（低于50kg/cm2）下使用。應用：適用于苦咸水淡化、超純水制備和中性水溶液的濃縮分離等方面。三醋酸纖維素、醋酸丙酸纖維素、醋酸丁酸纖維素等都可做成纖維素類膜。返回芳香聚酰胺膜（PA）70年代以前研究的主要是脂肪族的聚酰胺膜，如尼龍-56、環(huán)氧乙烷接枝尼龍以及異氰酸酯處理的尼龍等。這些膜的透水性都較差，目前使用最多的是芳香聚酰胺膜，成膜材料為芳香聚酰胺、芳香聚酰胺-酰肼以及一些含氮芳香聚合物。優(yōu)點：具有較高的透水量和較高的脫鹽率，膜的化學穩(wěn)定性好，機械強度高，一般適用pH為4～10、較高的原水溫度和操作壓力。缺點：膜材料單體毒性大，制備復雜，價格昂貴，對氯氣比較敏感。應用：除適用于CA膜應用范圍外，還適用于一級海水淡化、工業(yè)污水凈化及酸性、堿性水溶液的濃縮分離。復合反滲透膜由于非對稱膜的致密層和支撐層是在制備中同時形成的，故非對稱膜的活化層很難做得比1000埃更薄，而活化層越厚，透水量越小，流量衰減系數(shù)越大。為克服此問題，發(fā)展了復合反滲透膜，其活化層和支持層分開形成，從結(jié)構上看，復合膜是兩層薄皮的復合體，活化層理論上可做成200埃厚。制法：將極薄的皮層刮制在一種預先制好的微細多孔支撐層上。復合膜具有比非對稱膜更大的透水量（比非對稱膜高80～100％）、更高的脫鹽率和更小的流量衰減系數(shù)，它的出現(xiàn)大大降低了反滲透的操作壓力，延長了膜的壽命，提高了反滲透的經(jīng)濟效益，促進了萬噸以上反滲透膜海水淡化工廠和十萬噸級反滲透苦咸水淡化工廠的建立。2.4電滲析一、原理在直流電場作用下，利用陰、陽離子交換膜對溶液中的陰、陽離子的選擇透過性，分離溶質(zhì)和水。

陰膜只讓陰離子通過；陽膜只讓陽離子通過。2.4電滲析陰極：還原反應：2H＋＋2e→H2↑

陰極室溶液呈堿性，結(jié)垢陽極：氧化反應：4OH－→O2↑＋2H2O