反滲透和納濾的基礎知識

第三章反滲透和納濾的原理反滲透和納濾基礎膜與膜過程膜在自然界中是廣泛存在的，尤其在生物體內。但是人類首次注意到由生物膜引起的滲透現(xiàn)象是在1748年，法國學者AbbeNollet（1700-1770）很偶然的發(fā)現(xiàn)包裹在豬膀胱里的水可以自己擴散到膀胱外側的酒精溶液中。法國植物學家HenriDutrochet（1776-1847）在1827年提出了Osmosis（滲透）一詞來定義AbbeNollet發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象。但是，這一現(xiàn)象并未能引起足夠的重視，直到1854年英國科學家ThomasGraham（1805-1869）在實驗中發(fā)現(xiàn)，放置在半透膜一側的晶體會比膠體更快的擴散到另一側，并提出了Dialysis（透析）的概念。這時人們才對半透膜產(chǎn)生了興趣，并由德國生物化學家MoritzTraube（1826-1894）在1864年制造出了人類歷史上第一張人造膜——亞鐵氰化銅膜。完整的滲透壓理論直到20世紀才由荷蘭物理化學家Van'tHoff（1852-1911）提出。后來，隨著各個學科的不斷發(fā)展，膜分離現(xiàn)象也不斷為人們發(fā)現(xiàn)并研究。1960年，人類終于實現(xiàn)了從苦咸水中制取淡水的夢想，工作于美國加利福尼亞大學洛杉磯分校（UCLA）的科學家SidneyLoeb（1917-）和SrinivasaSourirajan（1923-）共同研制出世界第一張非對稱醋酸纖維素反滲透膜。從那時起的近半個世紀以來，膜分離技術，包括反滲透和納濾，在世界范圍得到了廣泛的發(fā)展和應用。表3.1列出了膜分離技術發(fā)展簡史。表3,1膜分離技術發(fā)展史年代科學家成就1748AbbeNollet發(fā)現(xiàn)滲透現(xiàn)象1827HenriDutrochet引入名詞Osmosis1855Firch擴散定律1864MoritzTraube第一張人造膜一一亞鐵氰化銅膜1870-1920Preffer,Van'tHoff滲透壓力定律1917Kober引入名詞Pervaporation（滲透汽化）1920Mangold,Michaels,Mobain用賽璐珞和硝化纖維素膜觀察到反滲透現(xiàn)象1930Teorell,Meyer,Sievers膜電勢一一電滲析和膜電極的基礎1950Juda,Mcrae發(fā)明了電滲析1960Loeb,Sourirajan相轉化法制出反滲透非對稱膜1968N.N.Li發(fā)明液膜隨著膜材料、制膜方法以及膜應用的不斷發(fā)展，膜分離技術逐漸成為分離技術大家族中的重要成員。與傳統(tǒng)的分離技術（例如：過濾、蒸餾、萃取、電泳和層析等）相比，膜分離技術的分離精度高、易于操作和管理、在應用中對環(huán)境造成的二次污染小。正是由于這些優(yōu)點，膜分離技術在短短的半個世紀中就發(fā)展成為一種重要的單元分離工藝，并且發(fā)展出若干具有不同特點和應用領域的膜分離過程。主要的膜分離過程包括：微濾（MF）、超濾（UF）、納濾（NF）、反滲透（RO）、透析（DA）、電滲析（ED）、電脫鹽（EDI）、滲透汽化（PV）、膜萃?。∕E）、膜蒸餾（MD）、液膜技術（LM）和氣體分離（GS）等。表3.2將主要的膜分離過程做了分類和介紹。按照這些膜分離過程所能分離物質的不同物理尺寸，我們可以畫出分離譜圖，如圖3.1。滲透汽化（PV）卵清蛋白蔗糖膠體病毒各種乳膠油乳化液葡萄球菌大腸桿菌分離

方法圖滲透汽化（PV）卵清蛋白蔗糖膠體病毒各種乳膠油乳化液葡萄球菌大腸桿菌分離

方法圖3.1分離譜圖表3.2主要的膜分離過程膜過程驅動力用途微濾壓力差分離液體中的大顆粒物質超濾壓力差分離液體中的顆粒和溶解的大分子物質納濾壓力差脫除水中的硬度和小分子有機物反滲透壓力差脫除水中的鹽分透析濃度差脫除溶液中的鹽分及小分子物質電滲析電位差脫除水中的鹽分滲透汽化濃度差脫除液體中的有機物氣體分離濃度差分離、制備高純度氣體10-10 10-9 . 10-8 10|7 10-6 | 10-5m孔徑 11112510205010020050010002000500014m25104m反滲透和納濾基本原理當一張半透膜隔開溶液與純溶劑時，加在溶液上并使其恰好能阻止純溶劑進入溶液的額外壓力稱之為滲透壓，通常溶液中溶質的濃度越高滲透壓就越大。當溶液一側沒有加壓時，純溶劑會通過半透膜向溶液一側擴散，這一現(xiàn)象稱為滲透（Osmosis）。反之，如果加在溶液側所加壓力超過了滲透壓，則反而可以使溶液中的溶劑向純溶劑一側流動，這個過程就叫做反滲透（ReverseOsmosis），如圖3.2所示。反滲透膜分離技術就是利用反滲透原理分離溶質和溶劑的方法。反滲透膜分離技術具有以下特點：在常溫不發(fā)生相變化的條件下，可以對溶質和水進行分離，適用于對熱敏感物質的分離、濃縮，并且與有相變化的分離方法相比，能耗較低；雜質去除范圍廣，不僅可以去除溶解的無機鹽類，而且還可以去除各類有機物雜質；脫鹽率高；由于只是利用壓力作為膜分離的推動力，因此分離裝置簡單，易操作、控制和維護；反滲透膜對進水水質有一定的要求，如：濁度、污染密度指數(shù)（SDI1s相關論述請參見第二部分第三章3.2.2）和余氯等。（a）滲透 （b）滲透平衡 （c）反滲透圖3.2反滲透的原理納濾膜元件最早被稱為疏松反滲透，其截留特性介于超濾與反滲透之間，大約為100-1000道爾頓（Da代ons）。因此，納濾膜元件對水中溶解的小分子有機物，例如：三鹵甲烷（THM）有很高的脫除率；同時納濾膜元件對水溶液中的離子也有一定的脫除率（一般在10-90%之間）。反滲透膜的發(fā)展分為兩個階段：非對稱膜和復合膜。在反滲透膜發(fā)展的早期，主要的膜材料為三醋酸纖維素（CA）。這種膜材料對進水pH值的要求比較嚴格（一般在4-6之間），且工作壓力相對較高、脫鹽率相對較低，但是其具有耐生物污染和耐氧化性殺菌劑的優(yōu)點。近年來，隨著高分子材料科學的不斷發(fā)展。脫鹽率更高、水通量更大、工作壓力更低的芳香聚酰胺（結構見圖3.3）被用來制備反滲透膜。與CA非對稱膜不同的是，芳香聚酰胺反滲透膜是復合膜，即分離層與支撐層不是同一種材料，并且是通過界面聚合交聯(lián)在一起的。圖3.4顯示了非對稱膜和復合膜的區(qū)別。H HO OH HO ON^^\_^NP^^x^CVpN-^^^^xXN~C^^^CVCOOHCOOH圖3.3交鏈全芳香族聚酰胺結構①：表面密致層②：支撐層材質①：表面密致層②：支撐層材質①二②非對稱膜②：支撐層材質①#②復合膜圖3.4非對稱膜與復合膜結構比較芳香聚酰胺復合反滲透膜不但具有高脫鹽率、大水通量以及低運行壓力等優(yōu)點，由于其分離皮層是經(jīng)過后聚合而成，因此可以人為控制分離皮層的特征，從而達到制備不同用途反滲透膜的要求。其實納濾膜也正是這樣誕生的。美國海德能公司制造的反滲透和納濾膜（CPA，PROCtm，ESPA?，SWC?，LFC?和ESNA?）均是復合膜。但是膜的制備工藝不同，從而制造出了不同分離特性的反滲透和納濾膜元件。那么反滲透膜的工作原理到底是什么呢？如圖3,2所示，克服滲透壓是反滲透和納濾膜元件工作的關鍵因素之一。滲透壓的計算如公式（3.1）所示。一些典型物質的滲透壓列于表3.3。ncRT （3.1）式中：n——滲透壓，KPa；c 離子濃度，mol/L；R——氣體常數(shù)，8.314（LKPa）/（molK）；T——熱力學溫度，K。表3.325匕下典型物質的滲透壓數(shù)據(jù)組分濃度，mg/L滲透壓，MPaNaCl350002.8海水320002.4苦咸水50000.28Na2soi10000.042MgS。10000.025MgCl210000.068CaCl210000.009蔗糖10000.00292葡萄糖10000.0055反滲透脫鹽的機理到目前還沒有一個公認的統(tǒng)一解釋。目前存在兩種主要理論：毛細孔流模型和溶解擴散模型。毛細孔流理論認為水分子在膜表面形成純水層，而膜上存在非常細小的孔，純水可以通過這些孔透過膜；而溶解擴散理論認為水分子可以通過膜中的分子節(jié)點擴散到另一側。這兩個理論都認為水分子在固液界面上被優(yōu)先吸附并通過，相反鹽類和其他的物質被截留。水與膜表面之間有弱的化學結合力，使得水能夠在膜的結構中擴散。膜的物理和化學性質決定了在傳遞過程中水比鹽具有更快的擴散速率。水在膜中的透過量（即產(chǎn)水量）可以由式（3.2）確定。Qw=（AP—An）xKwxS （3.2）式中：Qw——水的透過量；AP——膜兩側壓力差；An——膜兩側的滲透壓差；Kw——膜的純水滲透系數(shù)；S 膜面積；d——膜分離層的厚度。式（3.2）通?？梢员缓喕癁椋篞w=Ax（NDP） （3.3）式中：A——膜的水透過常數(shù)；NDP——凈驅動力（NetDrivePressure，縮寫：NDP）。式（3.2）和（3.3）中的Kw和A兩個常數(shù)是與膜和溫度相關的常數(shù)。同樣，鹽在反滲透和納濾膜中也會有部分透過膜，而鹽在膜中的透過量可以使用式（3.4）來描述：Q=ACxKxS （3.4）ssd式中：Qs——膜的透鹽量；Ks——膜的鹽滲透系數(shù)；AC——膜兩側鹽濃度差；S為膜面積；d——為膜厚度。該方程可簡化為：Qs=Bx（AC） （3.5）式中：B——膜的鹽透過常數(shù)；AC——鹽濃度差（鹽的擴散驅動力）。從式（3.4）和（3.5）可以看出，對于一個已知的平膜來說：

①膜的水通量與總驅動壓力差成正比；②膜的透鹽量與膜兩側的濃度差成正比，與操作壓力無關。透過液的鹽濃度，％，取決于透過反滲透膜的鹽量和水量的比，見公式（3.6）。C=Qs （3.6）pQw由于水分子和鹽類物質在膜中的傳質系數(shù)不同，從而達到了水與鹽分離的目的。沒有什么理想的膜具有對鹽完全的脫除性能，實際上是傳質速率的差別造就了脫鹽率。公式（3.2）、（3.4）和（3.5）給出了設計反滲透系統(tǒng)必須考慮的一些主要因素。通常反滲透膜不會百分之百的截留水中的溶解性物質，因此各種鹽分均具有一定的透過率。原水中溶解性雜質透過膜的百分率可以采用下式計算：SP=px100% （3.7）Cfm式中：SP 透鹽率（SaltPassage），%；Cp——透過液鹽濃度；Cfm——料液的平均鹽濃度。將式（3.6）代入式（3.7），可得：SP=qQ）sx100% （3.8）QwCfm進一步將式（3.2）和式（3.5）代入式（3.8），可以得到式（3.9）。SP=B△SP=B△CA(NDP)Cfmx100%（3.9）由式（3.9）可以看出，凈驅動力NDP的增加可以降低透鹽率，這也就是為什么隨著壓力的升高，系統(tǒng)的脫鹽率也升高的原因。脫鹽率（Rej.）是由式（3.10）計算得出的:Rej.=100%-SP （3.10）式中：Rej. 脫鹽率（Rejection），%。除了上述幾個對反滲透具有影響的參數(shù)以及公式外，還有一些必須了解的概念。比如：產(chǎn)品水（透過液）、濃水（濃縮液）、回收率和濃差極化。下面就簡單對回收率和濃差極化做一個說明。

通常，將回收率定義為：進水轉化為產(chǎn)水的百分率?；厥章适欠礉B透系統(tǒng)設計和運行的重要參數(shù)，其計算公式為：QRec.=px100% （311）Qf其中：Rec. 回收率（Recovery），%；Qp——產(chǎn)水流量；Qf——進水流量?；厥章实拇笮≈苯佑绊懲耕}率和產(chǎn)水量?；厥章试黾訒r，濃水側的鹽濃度增加更快，致使透鹽率增加、滲透壓上升以及凈驅動壓力（NDP）降低、產(chǎn)水量減少。濃差極化是指，當水透過膜并截留鹽時，在膜表面會形成一個流速非常低的邊界層，邊界層中的鹽濃度比進水本體溶液鹽濃度高，這種鹽濃度在膜面增加的現(xiàn)象叫做濃差極化。濃差極化會使實際的產(chǎn)水通量和脫鹽率低于理論估算值。濃差極化效應如下：膜表面上的滲透壓比本體溶液中高，從而降低NDP；降低水通量Q）；增加透鹽量（Qs）；增加難溶鹽的濃度，超過其溶度積并結垢。濃差極化因子（⑶被定義為膜表面鹽濃度（Q）與本體溶液鹽濃度（品）的比值：B=Cs （3.12）Cb那么哪些參數(shù)會影響濃差極化因子（⑶呢？通常產(chǎn)水通量的增加會增加邊界層的鹽濃度，從而增加Cs；而給水流量的增加會增大膜表面流速，削減邊界層的厚度。因此B值與產(chǎn)水流量（Qp）成正比，與平均進水流量（Qfa噌）成反比：（3.13）（3.13）B=KeQfavg

p式中：Kp——比例常數(shù)，其值取決于反滲透系統(tǒng)的構成方式。平均進水流量采用進水量和濃縮液流量的算術平均值，6值可以進一步表達為膜元件透過液回收率的函數(shù)：2Rec.P=Ke2-Rec. （3.14）美國海德能公司推薦的一級反滲透系統(tǒng)濃差極化因子極限值為1.20，對于一支40英寸長的膜元件來說，大約相當于18%的回收率。對于雙級反滲透系統(tǒng)的第二級，由于其進水含鹽量已經(jīng)顯著降低，因此其6值可以適當放寬到1.40，在某些情況下可以容忍到1.70。3.1.3影響膜性能的主要因素納濾和反滲透膜的性能主要由水通量（透過速度）和脫鹽率（分離效果）來決定。水通量和脫鹽率受操作壓力、濃度、溫度、流量、pH值以及回收率等因素的影響。在本小節(jié)就對這些影響因素進行簡要說明。操作壓力的影響水通量的增加與壓力成正比。理論上說，如果為了得到足夠產(chǎn)水量，在不增加膜面積的情況下，只需要增加進水的壓力即可。但是在實際的運行中，這必然帶來能源的大量消耗。因此選擇適當?shù)哪ぴ?shù)量（膜面積）才是經(jīng)濟的。脫鹽率同樣和壓力成正比，但是不同用途膜元件的脫鹽率隨壓力的變化趨勢是不同的。原則上說，膜元件的分離層越致密，脫鹽率隨操作壓力的正比變化越不顯著，這時脫鹽率基本保持一個定值（例如：海水淡化反滲透膜元件SWC?系列），當膜元件的分離層比較疏松時，操作壓力對于脫鹽率的影響較大（例如：超低壓大通量反滲透膜元件ESPA?系列）。從圖2.1，2.9，2.13，2.16，2.24，2.31，2.35以及2.39可以很容易的發(fā)現(xiàn)上述規(guī)律。給水流量的影響給水流量對產(chǎn)水量和脫鹽率同樣存在影響，只是這種影響比較緩和，并不劇烈。圖2.2，2.10，2.17，2.25，2.32,2.36和2.40所示為不同反滲透膜元件的脫鹽率和水通量隨給水流量的變化。如圖所示，隨著給水流量的增加，膜表面的流速也增大了，這使得壓力隨之上升，同時由于流速的升高減少了膜表面的濃差極化，從而提高了脫鹽率。

給水含鹽量的影響給水含鹽量對產(chǎn)水量和截留率的影響如圖2.3,2.11,2.14,2.18,2.26,2.37和2.41所示。在一定的壓力下，當給水中的含鹽量增高時產(chǎn)水量就會減少。這是因為給水的滲透壓變高，有效壓力隨之降低的緣故。脫鹽率受含鹽量影響也非常大，對除海水淡化膜以外的反滲透膜來說，通常當含鹽量增高時脫鹽率會下降。當進水含鹽量在非常的一個范圍時，隨著含鹽量的增加，脫鹽率會稍許增加。海水淡化反滲透膜元件不同，由于海水淡化反滲透膜更加致密，在給水含鹽量高時，脫鹽率會下降得非常緩慢。溫度的影響溫度對脫鹽率和產(chǎn)水量的影響非常大。對全部類型的反滲透膜元件來說，當溫度升高時，由于水的粘度降低，產(chǎn)水量也隨之增加。通常在相同的壓力下，溫度每上升或下降1℃,產(chǎn)水量可增大或降低3-4%。另一方面溫度對于脫鹽率的影響根據(jù)膜材質的不同而表現(xiàn)的大相徑庭。一般來講溫度增高脫鹽率降低。這是由于當溫度上升時，鹽的擴散速度就會增大。圖3,5所示為反滲透給水溫度對溶液粘度以及產(chǎn)水量的影響。表3.4以ESPA1超低壓反滲透元件為例，列出了溫度校正系數(shù)。30530522051086420862ECToaRvsoce^vrorwaeYlae數(shù)系正校度溫和度粘對相溫度校正系數(shù)相對1MScosity35 40 45 50水溫It妒perature,C圖3.5反滲透膜元件進水溫度變化的影響回收率回收率是指產(chǎn)水量和進水流量的比值。在壓力一定時，回收率提高，膜表面的濃差極化現(xiàn)象也更加嚴重，有效壓力則相對減小，這導致產(chǎn)水量下降，脫鹽率降低。反

滲透系統(tǒng)在設計和調試時，選擇回收率的確定與原水水質密切相關?；厥章试龈?，溶解于溶液中的鹽會更加接近飽和狀態(tài)，有可能析出后在膜表面沉淀并結垢，會對膜性能帶來很大的危害。pH值的影響pH值對納濾和反滲透膜元件的影響有兩個方面：①正常運行時對脫鹽率的影響；②清洗時不同pH值的清洗效果以及清洗時pH值的范圍。表3.4ESPA1超低壓反滲透膜元件的溫度校正系數(shù)溫度，℃0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.951.9191.9121.9061.8991.8921.8861.8791.8731.8661.86061.8531.8471.8411.8341.8281.8221.8151.8091.8031.79771.7901.7841.7781.7721.7661.7601.7541.7481.7421.73681.7301.7241.7181.7121.7071.7011.6951.6891.6831.67891.6721.6661.6611.6551.6501.6441.6381.6331.0271.622101.6161.6111.6061.6001.5951.5891.5841.5791.5471.566111.5631.5581.5531.5471.5421.5371.5321.5271.5221.517121.5121.5071.5021.4971.4921.4871.4821.4771.4721.467131.4361.4581.4531.4481.4431.4391.4341.4291.4251.420141.4151.4111.4061.4011.3971.3921.3881.3831.3791.374151.3701.3651.3611.3561.3521.3481.3431.3391.3351.330161.3261.3221.3171.3131.3091.3051.3011.2961.2921.288171.2841.2801.2761.2721.2661.2641.2601.2551.2511.247181.2441.2401.2361.2321.2281.2241.2201.2161.2121.208191.2051.2011.1971.1931.1891.1861.1821.1781.1751.171201.1671.1641.1601.1561.1531.1491.1451.1421.1381.135211.1311.1281.1241.1211.1171.1141.1101.1071.1031.100221.0971.0931.0901.0861.0831.0801.0761.0731.0701.066231.0631.0601.0571.0531.0501.0471.0441.0401.0371.034241.0311.0281.0251.02221.0181.0151.0121.0091.0061.003251.0000.9970.9940.9910.9880.9850.9820.9790.9760.973260.9700.9670.9640.9610.9590.9560.9530.9500.9470.944270.9410.9390.9360.9330.9300.9270.9250.9220.9190.916280.9140.9110.9080.9060.9030.9000.8970.8950.8920.890290.8870.8840.8820.8790.8760.8740.8710.8690.8660.864300.8610.8570.8560.8540.8510.8490.84860.8440.8410.839310.8360.8340.8310.8290.8270.8240.8220.8190.8170.815320.8120.8100.8080.8050.8030.8010.7980.7960.7940.791330.7890.7870.7850.7820.7800.7780.7760.7730.7710.769340.7670.7650.7620.7600.7580.7560.7540.7520.7490.747350.7450.7430.7410.7390.7370.7350.7330.7300.7280.726360.7240.7220.7200.7180.7160.7140.7120.7100.7080.706370.7040.7020.7000.6980.6960.6940.6920.6900.6890.687380.6850.6830.6810.6790.6770.6750.6730.6720.6700.668390.6660.6640.6620.6600.6590.6590.6550.6530.6510.650400.6480.6460.6440.6420.6410.6390.6370.6350.6340.632對第一點來說，正常運行時的pH值應該接近中性，即pH值7左右。這是由兩個因素決定的：①反滲透膜在pH值7.5-7.8時脫鹽率最高，圖3.6所示為透鹽率隨pH值的變化曲線。透鹽率（SP）與脫鹽率（Rej.）的關系請參見下式：TDS「“—TDSdRej.= FfeDs PermFeed二1-TDSPermTDSpdFeed=1-SPSP=1-Rej. （3.15）②碳酸鹽體系的平衡關系。我們都知道在水溶液中，碳酸根（CO32-）、碳酸氫根（HCO3-）和二氧化碳（CO2）存在如下的平衡：H2CO3CH++HCO3-C2H++CO32-這個平衡隨著pH值得變化而移動，如圖3,7所示。當pH值小于8時，水中的CO32-和HCO3-開始部分轉化為CO2，當pH值小于4時，水中全部。。32-和HCO3-都轉化為CO2。反滲透膜元件對溶解在水中的CO2是不能脫除的，這些CO2透過膜元件到達產(chǎn)水側后，會重新在水中轉化為HCO3-，使得產(chǎn)水電導率升高，因此反滲透膜元件在低pH值條件下運行時表現(xiàn)出的脫鹽率不高。但是，也不能為了排除CO2的干擾而不加限制的提高批pH值，這是因為pH值得升高會降低碳酸鹽的溶解度，導致結垢。因此控制適當?shù)膒H值范圍才能確保反滲透和納濾膜元件的正常運行。%，>§<率鹽透圖%，>§<率鹽透圖3?6透鹽率隨pH值的變化曲線從第二點來說，在清洗時反滲透膜元件正常的耐受pH值范圍在2.0-12.0。通常采用酸性溶液來清洗無機鹽垢，采用堿性溶液清洗有機污染。當然反滲透膜元件除了分離皮層以外還有很多組成部分，比如：進水隔網(wǎng)、產(chǎn)水隔網(wǎng)、無紡織布、粘接劑等，在清洗過程中，除了要考慮清洗劑對反滲透膜分離層的影響，還要考慮其對這些輔助材料的影響。在清洗中，反滲透膜元件所能耐受的pH值范圍還和溫度有關，相關的論述以及數(shù)據(jù)請參見第三部分第八章8.3.5。總之，過高或過低的pH值會加速膜元件分離層的老化，降低膜元件的壽命。圖3.7水溶液中的碳酸鹽體系的平衡關系3.2水化學及水質分析水化學在膜法水處理中，水所具有的種種性質和狀態(tài)會對膜的分離特性產(chǎn)生影響，因此為了得到穩(wěn)定的、符合要求的產(chǎn)水水質，被處理原水的水質特性就成為必不可少的條件。表征酸堿性的pH值、離子成分和有機物等代表水特性和狀態(tài)的指標都和膜法處理緊密相關。表3.5列出了全部的水質分析指標，在設計反滲透系統(tǒng)前應該取得這些數(shù)據(jù)，這樣可以使得系統(tǒng)設計更加合理、準確。表3.5在設計反滲透系統(tǒng)前應做的水質分析項目陽離子，mg/LCa2+其它檢測項目pH值Mg2+水溫，℃Na+總鐵（TFe），mg/LK+錳（Mn），mg/LNH4+硼（B），mg/LBa2+膠體硅，mg/LSr2+活性硅，mg/L陰離子，mg/LHCO]-總硬度3CO2-總堿度3Cl-總溶解固體（TDS），mg/LSO.2-懸浮物，mg/L4NO〕-濁度，NTU3F-COD，mg/L3.2.1.1水溫隨著溫度升高，水的粘度（粘性系數(shù)）則降低。在相同操作壓力的下，水溫每相差1℃,產(chǎn)水量就會有3%左右的波動。由此可以看出，在為了確保穩(wěn)定的產(chǎn)水量，系統(tǒng)設計中溫度的設定是非常重要的。在處理硅和難溶解硫酸鹽含量較高的水體時，由于溫度降低可以導致這些無機物的溶解度降低。在冬季低溫運行時，如果不對溫度進行控制，就會導致硅和/或難溶解硫酸鹽結垢。在這種情況下，可以采用熱交換器升高水溫。而在溫度控制比較困難時，需要采取加入阻垢劑或者適當降低回收率的方法來調整系統(tǒng)的運行。pH值水中的氫離子濃度的負對數(shù)值被稱為水的pH值，水里氫離子濃度和氫氧根離子濃度相等時，水顯中性。水溫的不同會導致兩種離子的濃度也會發(fā)生變化。在室溫附近pH值約為7,顯中性；煮沸的水，pH值約為6.2。因此從pH值變化也可看出溫度管理的重要性。一般的水基本上顯中性（pH值約等于7），當水中含有酸性物質或者堿性物質時則pH值就會偏離中性。pH值還會受二氧化碳（CO2）的影響，稍顯酸性。電導率水的導電性（S；西門子）可以用電極間阻抗（m）的倒數(shù)來表示。通常選取25℃下，單位長度的電導率數(shù)值表征溶液的導電性（“/cm）。無機離子或者電解質含量較多的水中電導率顯示較大的值，可以作為表示電解質總量的指標。又因為電導率的測定可以在現(xiàn)場比較簡單完成，相比于總溶解固體的測定簡單很多，因此電導率經(jīng)常被用來替代總溶解固體表征反滲透和納濾系統(tǒng)的脫鹽性能。在大多數(shù)情況下，采用電導率計算的系統(tǒng)脫鹽率要低于采用總溶解固體計算的系統(tǒng)脫鹽率。懸浮物所謂水中的懸浮物，就是指在水濾過的同時，在過濾材料表面殘留下的物質，以粒子成分為主體。懸浮物含量高會導致反滲透和納濾系統(tǒng)很快發(fā)生嚴重的堵塞，影響系統(tǒng)的產(chǎn)水量和產(chǎn)水水質。根據(jù)光線或者激光的散射，可以把懸浮物用濁度定量化并讀取出來。不僅可以取樣在實驗室分析，還可以在現(xiàn)場進行在線監(jiān)控。離子成分存在于自然界的水一般含有鈉離子（Na+）、鉀離子（K+）、鈣離子（Ca2+）、鎂離子（Mg2+）、氯離子（Cl-）、硫酸根（SO42-）、重碳酸根（HCO3-）以及硅（Si）。其中陽離子和陰離子在水中的摩爾濃度是平衡的。在某些水質分析報告中，我們曾發(fā)現(xiàn)陽離子和陰離子的物質的量不能平衡，這是就說明這份水質分析報告不夠準確，有可能對系統(tǒng)的設計以及今后的運行帶來影響。還有一些名詞被用來描述水體中某些離子的含量或狀態(tài)：①硬度把鈣、鎂離子的合計量換算成與之對應的碳酸鈣來表示的量叫做硬度。②堿度堿度就是中和溶解在水中的OH-、。032-和HCO3-所需要的酸的量。pH值在8.3以下時，采用甲基橙作為指示劑并用酸中和至pH值4.2時，需要的酸的量稱為甲基橙堿度；pH在8.3以上時，采用酚酞作為指示劑并用酸中和至pH值8.2時，需要的酸的量被稱為酚酞堿度。甲基橙堿度乘以系數(shù)0.82就可以計算出HCO3-在水中的大致濃度。3.2.1.6金屬成分鐵、錳、銅和銀等金屬物質在水中的含量雖然很少，但是作為可能導致氧化反應進而造成膜性能劣化的觸媒，也是需要注意的成分。特別需要指出的是，具有觸媒機能的膠體狀不溶解物質是無法用分析可溶解離子的方法檢出的。因此鐵、錳等具有催化氧化的金屬物質必須在預處理過程中盡量去除。特別是在使用次氯酸鈉之類的強氧化劑時，就必須更加嚴格的限制給水中鐵和錳的含量，通常我們希望給水中的具有氧化性的三價鐵（Fe3+）的濃度不高于20的/L,在特殊的場合也應盡量避免超過0.1mg/L。有時我們進行原水水質分析時，并未發(fā)現(xiàn)過量的鐵和錳，但是反滲透膜元件卻發(fā)生了劣化，這時往往都是由于預處理系統(tǒng)采用了投加絮凝劑的工藝，過量的含鐵絮凝劑會在水中殘留，進而進入反滲透系統(tǒng)破壞膜元件。這時就必須對加藥系統(tǒng)進行調整，控制加藥量避免過量的鐵進入反滲透系統(tǒng)。類似的事情還經(jīng)常發(fā)生在投加含鋁絮凝劑時，鋁是一種兩性金屬，在堿性條件下以氫氧化物的形式存在，氫氧化鋁不易溶于水，這時殘留在原水中的鋁就會污染反滲透膜元件。因此不論加入何種絮凝劑，都必須結合進水的水質嚴格控制加藥量，以免人為帶入對反滲透和納濾膜有影響的化學物質。另外，水中的鋇和鍶同鈣一樣，也屬于易結垢物質。在某些地域的地下水中會出現(xiàn)鋇，鍶含量很高的情況。原水中發(fā)現(xiàn)有鋇和鍶存在的，就必須采用用反滲透設計軟件（如：美國海德能公司提供的IMSDesign?）進行模擬計算，來尋找不會發(fā)生結垢的運行條件。有機成分水體中的有機成分主要有：細菌、油脂、腐殖酸、表面活性劑、農藥或/和其它人為排放出的化學物質。通常用總有機炭、BOD和COD等指標對有機物成分進行表征。表示單位水中所含物質的量通常用以下的單位進行表示。①質量濃度水中物質的成分含量一般用單位體積的重量（mg/L，〃g/D來表示。②比率重量/重量或體積/體積表示時，因為分母和分子的單位相同可以約去，就能表示成重量比或者體積比。百萬分之一（ppm：partspermillion）在表示水的成分濃度時經(jīng)常被使用。溶液和溶質的重量比在比重看作是1的稀溶液中，濃度單位使用ppm或者mg/L表示，代表的是一樣的值，但是在溶質濃度比較大，比重不能看作1的時候，就必須把ppm和mg/L區(qū)別使用了。成分的濃度要在更低的數(shù)量級時，可以用十億分之一(ppb：partsparbillion)，一兆分之一(ppt：partspertrillion)來表示，一般的水處理中用ppm級就足夠了，半導體生產(chǎn)線上被使用的超純水的水中成分都達到了ppt數(shù)量級。需要注意的是，ppm、ppb和ppt均不是國際單位制，在正式的文件、報告以及論文中不能使用，可以采用質量濃度來替代。例如：采用mg/L替代ppm，采用〃g/L替代ppb。③當量和摩爾濃度在水質分析報告中，這種方法往往在不需要考慮離子平衡或堿度等指標時使用，單位為meq/L(當量濃度)和mol/L(摩爾濃度)表示。④代用單位硬度或者堿度有時用當量單位(meq/L)來表示，但更經(jīng)常采用以碳酸鈣記的質量濃度表示(mg/LasCaCO3)。以上時部分常用的表征濃度或含量的單位，在不同機構提供的水質分析報告中，可能采用了不同的單位體系，這時在向計算軟件中輸入數(shù)據(jù)時，就必須考慮不同單位之間的換算關系，以避免計算的錯誤。水的種類膜法水處理的給水千差萬別，正確理解不同水源的水質特點就顯得尤為重要。①河川水由于降雨而落在地表的水，通過地表或者經(jīng)由地下匯入河流。流經(jīng)地表的水通常含有較多的懸濁物質；而流經(jīng)地下的水則含有較多的溶解性無機鹽。特別是大雨過后，大量的水流入河流時，河水中的懸濁物質會變的非常得多。到了雨少的季節(jié)就會變得相對清澄。河水中的懸濁物質變化幅度非常之大。河水的溫度隨季節(jié)變化也十分的明顯。由于水生生物的存在，因此河流中的有機物含量也很多。這些污染物都會對反滲透和納濾系統(tǒng)造成污染。當河流被市政污水和/或工業(yè)廢水污染時，其含有的污染物成分就更為復雜。這時需要對水質進行足夠的調查，更要對于處理系統(tǒng)的設計做必要的考慮。②湖泊水和水庫水河川水在湖泊或者水庫中發(fā)生長時間的滯留后懸濁物質因為沉降其含量會變少，但一方面又容易受微生物的影響。湖泊水和水庫水容易發(fā)生富營養(yǎng)化，致使藻類過度繁殖，有時可能會造成反滲透于處理系統(tǒng)的堵塞。更會因為消耗水中的溶解二氧化碳，造成湖水的pH值升高。湖泊內部形成水的分層時，水的地層由于處于缺氧的狀態(tài)會形成嫌氣性氛圍，還有硫化氫的生成、包括引起鐵、錳的再溶解等等。由此，在引用湖泊或者水庫水作為原水的時候，必須深入調查水質狀況并對預處理方式慎重選擇。③地下水地下水在地層內的流速極為緩慢，由于自然的濾過作用，在水中幾乎不含有懸濁物質，但受流經(jīng)地層的影響十分明顯。比如，流經(jīng)石灰鹽帶的水中鈣的濃度就非常高，通過火山地帶的地下水中，硅的濃度也會變高。通常地下水由于含氧量不足，略顯還原性，地層的影響可能還會導致硫化氫、鋇和鍶等成分的變化。地下水的懸濁物質較少，全年的水溫也比較穩(wěn)定，作為反滲透系統(tǒng)的原水時，須考慮在前處理中除去的硬度和硅等物質。④市政給水自來水廠經(jīng)過處理產(chǎn)出的用于飲用的自來水，會因為自來水廠的水源不同、采取的處理工藝不同，水質狀況也會有所不同。有時由于自來水廠在原水中添加部分絮凝或助凝藥劑，導致反滲透系統(tǒng)發(fā)生污染。此外，市政管網(wǎng)的材質也可能對原水造成二次污染。因此不能因為反滲透或納濾的給水是市政自來水，據(jù)放松對預處理的要求。還需要注意的是，芳香族聚酰胺反滲透膜的耐氯性有限，雖然美國海德能公司的技術文件公布的耐受余氯上限為500-1000mg/L?h（耐受余氯的表征單位通常采用濃度和時間的乘積），但是這并不表明芳香聚酰胺反滲透膜元件可以接觸大量的余氯或類似氧化劑。為了保證市政供水不會在管網(wǎng)中比細菌和微生物污染，通常要求自來水管網(wǎng)的末梢要保持一定的余氯濃度，這些氧化性物質會對芳香聚酰胺反滲透和納濾膜元件造成不可恢復的傷害。在預處理中必須采用活性炭或者亞硫酸氫鈉（SBS）對殘余的氧化性物質進行去除。⑤海水標準海水中NaCl的含量在3.5%左右，還含有鎂、鈣、鉀、硫酸、碳酸、澳、硼和氟等10種成分。不同區(qū)域的海水含鹽量由于入?？?、降水、潮汐和水溫影響有所不同。表3.6列出了不同海域海水的典型含鹽量數(shù)據(jù)。中國是海洋大國，海域面積約為473萬平方千米，分布著5400多個島嶼，海岸線總長約3.2萬千米，其中大陸海岸線長約1.8萬千米。這些數(shù)據(jù)表明，在中國不同海域的海水水質有很大的不同。目前我國大陸已經(jīng)建成投運的大型海水淡化工廠給水的含鹽量主要集中在25000-30000mg/L范圍內，低于外海的平均含鹽量，這主要是由于很多取水點離河流入海口較近，河水將近海的海水稀釋了。從一些角度來說，這是有利的，比如我們可以用更低的能耗獲取淡水、海水淡化系統(tǒng)的回收率也可以適當提高，這些都可以降低海水淡化的成本。但是河流在稀釋海水的同時會帶入大量的泥沙，這對海水淡化的預處理系統(tǒng)的要求就更加嚴格。表3.6不同海域的海水典型含鹽量海域大西洋太平洋地中海紅海波斯灣取樣地區(qū)加納利群島加利福尼亞塞浦路斯沙特阿拉伯阿聯(lián)酋含鹽量，mg/L3850034000405004100043000平均水溫，℃20-2312-2818-2820-2822-36⑥市政污水和工業(yè)廢水市政污水和工業(yè)廢水等伴隨生產(chǎn)、生活產(chǎn)生的排水越來越多的成為膜法水處理的給水，這是受全球水資源短缺的大趨勢影響的。在反滲透和納濾系統(tǒng)的預處理中去除污染物是一個嚴峻的課題。某些工業(yè)廢水中甚至含有導致膜材料降解的化學成分。膜法水處理，包括微濾、超濾、納濾和反滲透，并不是包治百病的良藥，并不是所有的水源水質都可以直接采用膜法進行處理。當進水水源是市政污水和/或工業(yè)廢水時，應該對水質成分有詳細的分析，并進行恰當?shù)念A處理。即使這樣也不是所有的工業(yè)廢水可以采用反滲透或納濾來脫鹽。3.2.2水質分析水質的成分分析作為分析手段已經(jīng)被確立，日本的JIS(JapaneseIndustrialStandard)K0101和美國的ASTM(AmericanSocietyforTestandMaterials)^StandardMethods(byAPHA,AWWA,WPCF)已被作為公認的標準方法。在本小節(jié)中介紹部分分析方法及其注意事項。水溫、pH值和電導率

這三個指標若在取樣后停留一段時間再測量，會產(chǎn)生很大的誤差。因此水溫、pH值和電導率這三個參數(shù)最好能在取樣現(xiàn)場馬上測定。目前各類便攜式儀器很多，完全可以滿足現(xiàn)場測定這三個參數(shù)的需要。由于電導率的數(shù)值受溫度影響，因此推薦采用帶有溫度補償?shù)碾妼蕛x來測定。pH測定儀的電極和電導率測定儀的探頭容易變臟，需要定期進行沖洗并同時用標準溶液進行校對。需要注意的是，電導率和總溶解固體之間沒有固定的換算關系，但不同離子成分的濃度和其對應電導率可以采用換算因子估算，表3.7中列出了常見離子濃度與電導率的換算因子，采用離子的濃度乘以換算因子就可以估算出25℃時的電導率數(shù)據(jù)。表3,7不同離子的濃度和電導率的換算因子陽離子換算因子陰離子換算因子Ca2+3.0OH-42Mg2+4.4CON2.4Na+2.23HCO〕-0.7K+1.93SO,2-1.7NH4+4.34Cl-2.2H+350no3-1.23.2.2.2懸浮物懸浮物是指在水中不溶解的體成分。它的數(shù)量可以通過濾紙濾前后的重量變化得到。使用這重量法的操作重點在于使用前后濾紙必須保持十分干燥并經(jīng)過恒重。秤量所使用的天秤最好是高度類型，并需要定期校正。反滲透給水要求中的SDI值評價不溶解物質的量的另一個方法。SDI的測定方法是依據(jù)ASTMD4189-95，采用直徑47米，過濾孔徑45微米的微濾膜片，在0.21MPa的恒壓下進行的。如圖3,8所示。測定時，將過圖3.8SDI測試儀器濾出第一個500毫升所需的時間記為T0，過濾15分鐘后，再測定一個過濾500毫升所需時間，記為T15。最后按照公式（3.16）即可求出$口115的數(shù)值。$口115的下標數(shù)字15是表示該SDI值是在過濾15分鐘后測定的結果。有時由于給水水質惡劣、污染成分多，導致在過濾15分鐘后過濾速度極慢，甚至已經(jīng)停止，這時SDI15的數(shù)值就無法計算。遇到這樣的情況，說明該水源不具備直接進入反滲透或納濾系統(tǒng)的條件，需要進行嚴格的預處理。過SDI=1-（T0T15）X100 （3.16）15 15從公式（3.16）可以看出，SDI15存在一個最大值，即當T0/T15等于零時，SDI15最大，約等于6.67。反滲透系統(tǒng)允許的最大進水SDI15為5.0，從實際工程經(jīng)驗出發(fā)，SDI15小于3.0可以更好的保證反滲透系統(tǒng)的運行。當然控制水質的指標很多，SDI并不能涵蓋全部問題。國內外也經(jīng)常發(fā)現(xiàn)SDI15數(shù)值低于5.0，甚至3.0，但是反滲透系統(tǒng)運行仍不穩(wěn)定的實例。況且SDI本身還有很多不準確的因素，比如表3.8列出的數(shù)據(jù)。表3.8不同SDI數(shù)值的比較T0，sT15，ssdi15例一20t5403.33例二20302.22例三1002003.33例四1101200.56從表中我們可以看到，例一和例二基本正常，說明了15分鐘后過濾500毫升水所需時間越短，SDI15的數(shù)值就越小。但是觀察例三就會發(fā)現(xiàn)，它的SDI15數(shù)值與例一一樣，都是3.33,而T0卻相差很大，從正常的理解可以知道T0和T15數(shù)值越大，說明水中的污染物越多。因此例三中的給水水質一定不如例一的給水，可是它們的SDI15卻相等。進而觀察例四，我們首先可以看到它的SDI15最小，只有0.56,但它的T0卻最大，從SDI15的角度說，它的給水水質最好，但是從接取500毫升水所需時間來說，它的給水水質最差。這就有了矛盾，這是由SDI15的計算方法決定的。將SDI數(shù)值作為一個有價值的參考的可以的，但不能迷信SDI15數(shù)值。從實際經(jīng)驗出發(fā)，我們發(fā)現(xiàn)T0的數(shù)值高于60秒時，SDI15的計算就失去了普遍意義，這說明即使很小的SDI15數(shù)值也不能說明給水水質良好。濁度也是表征水中懸浮物多少的指標，ASTM定義的濁度單位是NTU（NephelometricTurbidutyUnit）。反滲透對進水的濁度要求是小于1.0NTU。使用濁度計可以進行高精度的測定。過去用的大多是鴇光源散射濁度計。目前市場上已經(jīng)有用He-Ne激光或者半導體激光類型的高精度濁度計，可以在短時間內測定懸濁物質的等級。不僅可以用于測定供給水，也可以用于超濾和反