反滲透(RO)教材課件

反滲透（RO）

（Reverseosmosis）

反滲透（RO）

（Reverseosmosis）

1、RO的發(fā)展2、反滲透的原理和相關(guān)概念3、反滲透的分離機(jī)理4、反滲透膜的性能要求和指標(biāo)5、反滲透膜的除鹽分離特性6、濃差極化危害及對(duì)策7、RO應(yīng)用1、RO的發(fā)展RO的發(fā)展1953年，佛羅里達(dá)大學(xué)的Reid教授明確提出了反滲透技術(shù)的概念。同年，在他的建議下反滲透被列入美國(guó)國(guó)家計(jì)劃。1960年L-S相轉(zhuǎn)化法制成的首張相轉(zhuǎn)化膜即為反滲透膜目前，RO技術(shù)已成為海水和苦咸水淡化中最經(jīng)濟(jì)的技術(shù)。RO的發(fā)展1953年，佛羅里達(dá)大學(xué)的Reid教授明確提出了反反滲透的原理和相關(guān)概念

半透膜定義：能夠讓溶液中一種或幾種組分通過(guò)而其他組分不能通過(guò)的選擇性膜滲透的定義：一種溶劑通過(guò)半透膜進(jìn)入另一種溶液或者一種稀溶液向一種濃溶液的自發(fā)流動(dòng)。滲透平衡：滲透發(fā)生后，單位時(shí)間內(nèi)從純?nèi)軇﹤?cè)通過(guò)半透膜進(jìn)入溶液側(cè)的溶劑分子數(shù)目多于從溶液側(cè)通過(guò)半透膜進(jìn)入溶劑側(cè)的溶劑分子數(shù)，使得溶液濃度降低。當(dāng)兩個(gè)方向通過(guò)半透膜的溶劑分子數(shù)目相等時(shí)，即達(dá)到滲透平衡。滲透壓定義：如果在溶液側(cè)加上一個(gè)外加的壓力，恰好能阻止純?nèi)軇﹤?cè)的溶劑分子通過(guò)半透膜進(jìn)入溶液側(cè)，則此壓力稱(chēng)為滲透壓。滲透壓是溶液的一個(gè)性質(zhì)，與膜無(wú)關(guān)。反滲透的原理和相關(guān)概念半透膜定義：能夠讓溶液中一種或幾種組反滲透原理圖反滲透原理圖反滲透所需具備的條件和特點(diǎn)反滲透過(guò)程必須具備兩個(gè)條件：1、必須有高選擇性和高滲透性（一般指透水性）的選擇性半透膜2、操作壓力必須高于溶液滲透壓。反滲透是一種高效節(jié)能技術(shù)，其特點(diǎn)如下：1、RO過(guò)程可在常溫下進(jìn)行，無(wú)相變、能耗低，可用于熱敏物質(zhì)的分離，濃縮；2、RO可以有效除去鹽和有機(jī)小分子雜質(zhì)反滲透所需具備的條件和特點(diǎn)反滲透過(guò)程必須具備兩個(gè)條件：反滲透的特點(diǎn)3、RO具有較高的脫鹽率和較高的水回用率4、膜分離裝置簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，便于實(shí)驗(yàn)自動(dòng)化；5、RO分離過(guò)程要在高壓下進(jìn)行，因此需配備高壓泵和耐高壓管路；6、RO分離裝置對(duì)進(jìn)水指標(biāo)有較高要求，需對(duì)原水進(jìn)行預(yù)處理7、分離過(guò)程易產(chǎn)生膜污染，為延長(zhǎng)膜使用壽命和提高分離效率，需定期對(duì)膜進(jìn)行清洗。反滲透的特點(diǎn)3、RO具有較高的脫鹽率和較高的水回用率反滲透過(guò)程可以分為三類(lèi)：高壓反滲透（5.6~10.5MPa），低壓反滲透（1.0~4.2MPa），納濾（0.3~1.0MPa）。反滲透膜上的微孔孔徑約為0.5nm，而無(wú)機(jī)鹽離子的直徑僅為0.1~0.3nm，水合離子的直徑為0.3~0.6nm，略小于孔徑，無(wú)法用分子篩分原理來(lái)解釋RO分離現(xiàn)象。反滲透過(guò)程可以分為三類(lèi)：反滲透的分離機(jī)理溶解擴(kuò)散理論（Lonsdale和Riley）該模型假設(shè)膜是完美無(wú)缺的理想無(wú)孔膜，高壓側(cè)濃溶液中各組分先溶于膜中，再以分子擴(kuò)散方式通過(guò)厚度為δ的膜，最后在低壓側(cè)進(jìn)入稀溶液。溶質(zhì)和溶劑在擴(kuò)散中服從Fick定律。該模型基本上可定量的描述水和鹽透過(guò)膜的傳遞，但推導(dǎo)中的一些假設(shè)并不符合真實(shí)情況，另外，傳遞過(guò)程中水、鹽和膜之間相互作用也沒(méi)有考慮。反滲透的分離機(jī)理溶解擴(kuò)散理論（Lonsdale和Riley）優(yōu)先吸附-毛細(xì)孔流動(dòng)模型優(yōu)先被吸附的組分在膜面上形成一層吸附層，吸附力弱的組分在膜上濃度急驟下降，在外壓作用下，優(yōu)先被吸附的組分通過(guò)膜毛細(xì)孔而透過(guò)膜。與膜表面化學(xué)性質(zhì)和孔結(jié)構(gòu)等多種因素有關(guān)。由Sourirajan于1963年建立。他認(rèn)為用于水溶液中脫鹽的反滲透膜是多孔的并有一定親水性，而對(duì)鹽類(lèi)有一定排斥性質(zhì)。在膜面上始終存在著一層純水層，其厚度可為幾個(gè)水分子的大小。在壓力下，就可連續(xù)地使純水層流經(jīng)毛細(xì)孔。優(yōu)先吸附-毛細(xì)孔流動(dòng)模型優(yōu)先被吸附的組分在膜面上形成一層吸附優(yōu)先吸附毛細(xì)孔流動(dòng)模型(a)膜表面對(duì)水的優(yōu)先吸附壓力主體溶液界面優(yōu)先吸附毛細(xì)孔流動(dòng)模型(a)膜表面對(duì)水的優(yōu)先吸附壓力主體溶液水在膜表面處的流動(dòng)如果毛細(xì)孔直徑恰等于2倍純水層的厚度，則可使純水的透過(guò)速度最大，而又不致令鹽從毛細(xì)孔中漏出，即同時(shí)達(dá)到最大程度的脫鹽。水在膜表面處的流動(dòng)如果毛細(xì)孔直徑恰等于2倍純水層的厚度，則可3、擴(kuò)散—細(xì)孔流理論此理論由Sherwood提出，介于溶解擴(kuò)散理論和優(yōu)先吸附-毛細(xì)孔流動(dòng)理論之間。該理論假設(shè)膜表面存在細(xì)孔，溶質(zhì)和溶劑在細(xì)孔和溶解擴(kuò)散的共同作用下透過(guò)膜；膜的透過(guò)特性，既取決于細(xì)孔流，也取決于溶質(zhì)、溶劑在膜表面的擴(kuò)散系數(shù)。通過(guò)細(xì)孔的溶液量與整個(gè)膜的透水量之比越??；溶劑比溶質(zhì)在膜中的擴(kuò)散系數(shù)越大，則膜的選擇性越好！3、擴(kuò)散—細(xì)孔流理論此理論由Sherwood提出，介于溶解擴(kuò)4、氫鍵理論（

Reid）該模型認(rèn)為，膜的表層很致密，其上有大量的活化點(diǎn)，鍵合一定數(shù)目的結(jié)合水，這種水已經(jīng)失去溶劑化能力，鹽水中的鹽不能溶于其中。進(jìn)料液中的水分子在壓力下可與膜上的活化點(diǎn)形成氫鍵而締合，使該活化點(diǎn)上其他結(jié)合水締解下來(lái)，并與膜內(nèi)部的活化點(diǎn)進(jìn)一步締合，使該點(diǎn)原有的結(jié)合水締解下來(lái)，此過(guò)程不斷從膜面向內(nèi)部進(jìn)行，以這種順序擴(kuò)散的方式，水分子從膜面進(jìn)入膜內(nèi)，最后從底層解脫，成為產(chǎn)品水。而鹽是通過(guò)高分子鏈間空穴，以空穴型擴(kuò)散，從膜面逐漸到產(chǎn)品水中的。4、氫鍵理論（Reid）5、自由體積理論（Yasuda安田）該理論認(rèn)為：膜的自由體積包括聚合物的自由體積和水的自由體積。聚合物的自由體積指無(wú)水溶脹的由無(wú)規(guī)則高分子線(xiàn)團(tuán)堆積而成的膜中，未被高分子占據(jù)的空間。水的自由體積指水溶脹的膜中，純水所占據(jù)的空間。該理論假設(shè)：水可以在整個(gè)膜的自由體積中遷移，而鹽只能在水的自由體積中遷移，從而使膜具有選擇透過(guò)性。5、自由體積理論（Yasuda安田）該理論認(rèn)為：膜的自由體積反滲透過(guò)程中的濃度分布穩(wěn)定條件下的反滲透過(guò)程反滲透過(guò)程中的濃度分布穩(wěn)定條件下的反滲透過(guò)程25℃時(shí)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10000.00550.0142.0Na2SO410000.007050.0426.025℃時(shí)部分典型溶液的滲透壓數(shù)據(jù)濃度滲透壓組分濃度滲透壓mg反滲透過(guò)程中的濃差極化濃差極化在反滲透過(guò)程中，大部分溶質(zhì)被截留并在膜的表面積累，故從料液主體到膜表面建立一層有溶質(zhì)濃度梯度的邊界層，溶質(zhì)在膜表面的濃度高于在料液主體的濃度，這種現(xiàn)象叫濃差極化。邊界層lⅠⅡ膜透過(guò)液側(cè)料液側(cè)溶質(zhì)濃度變化反滲透過(guò)程濃差極化示意圖反滲透過(guò)程中的濃差極化邊界層lⅠⅡ膜透過(guò)液側(cè)料液側(cè)溶濃差極化的度量—濃差極化比

濃差極化比越大，濃差極化越嚴(yán)重。濃差極化的度量—濃差極化比濃差極化比越大，濃差極化越嚴(yán)重。二、反滲透膜1.反滲透膜的性能要求和指標(biāo)(1)膜的化學(xué)穩(wěn)定性(2)膜的耐熱性和機(jī)械強(qiáng)度(3)膜的理化指標(biāo)(4)膜的分離透過(guò)特性指標(biāo)2.膜運(yùn)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(gòu)特點(diǎn)二、反滲透膜1.反滲透膜的性能要求和指標(biāo)(1)膜的化學(xué)穩(wěn)定性膜的化學(xué)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(jià)鉻等氧化劑，這些氧化劑會(huì)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(yīng)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(shí)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(shí)發(fā)生的。當(dāng)制備膜的高分子化合物中含－CONH－（酰胺基）、－COOR（酯基）、－CN等時(shí)，在酸或堿的作用下，易發(fā)生水解反應(yīng)，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(tuán)，故透水性差，常用做制作膜表面有孔的超濾膜和微孔濾膜。(1)膜的化學(xué)穩(wěn)定性膜的化學(xué)穩(wěn)定性主要指膜的抗氧化性和抗反滲透膜有時(shí)需在較高溫度下使用，故需耐熱。膜的機(jī)械強(qiáng)度是高分子材料力學(xué)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(huì)導(dǎo)致膜的透過(guò)速度下降。如能將膜直接制作在高強(qiáng)度的支撐材料上，會(huì)增加膜的機(jī)械強(qiáng)度。(2)膜的耐熱性和機(jī)械強(qiáng)度反滲透膜有時(shí)需在較高溫度下使用，故需耐熱。(2)膜的耐熱性膜材質(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(xì)菌的侵蝕能力耐膠體顆粒及有機(jī)物、微生物的污染能力(3)膜的理化指標(biāo)膜材質(zhì)(3)膜的理化指標(biāo)膜的分離特性指標(biāo)包括脫鹽率（或鹽透過(guò)率）、產(chǎn)水率（或回收率）、水通量及流量衰減系數(shù)（或膜通量保留系數(shù)）等。(4)膜的分離透過(guò)特性指標(biāo)膜的分離特性指標(biāo)包括脫鹽率（或鹽透過(guò)率）、產(chǎn)水率（或回收率）脫鹽率（SaltRejection）指給水中總?cè)芙夤腆w物（TDS）中的未透過(guò)膜部分的百分?jǐn)?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％脫鹽率（SaltRejection）水通量（Flux）又稱(chēng)透水量，指單位面積膜的產(chǎn)品水流量，是設(shè)計(jì)和運(yùn)行都要加以控制的重要指標(biāo)，它取決于膜和原水的性質(zhì)、工作壓力、溫度。④通量衰減系數(shù)（Fluxdeclinecoefficient）指反滲透裝置在運(yùn)行過(guò)程中水通量衰減的程度，即運(yùn)行一年后水通量與初始運(yùn)行水通量下降的比值。水通量（Flux）⑤膜通量保留系數(shù)（MembraneFluxRetentionCoefficient）指運(yùn)行一定時(shí)間后水通量與初始水通量的比值。⑥鹽透過(guò)率（SaltPassage）鹽透過(guò)率＝（1－脫鹽率）×100％⑤膜通量保留系數(shù)（MembraneFluxRetent最大給水流量、最大壓降、最低濃水流量設(shè)定最大給水流量用來(lái)保護(hù)容器中的第一個(gè)反滲透元件，使其給水與濃水壓力降不會(huì)太大，否則，壓力降高就可能使膜組件變形，損壞膜元件。設(shè)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(duì)膜表面的影響。濃差極化易產(chǎn)生鹽濃縮，因?yàn)闄M向流速低，膜表面的鹽的反向擴(kuò)散速度就低，結(jié)果難溶鹽沉淀的機(jī)會(huì)增多，而且更多的鹽會(huì)透過(guò)膜表面，導(dǎo)致產(chǎn)水量和脫鹽率下降。最大給水流量、最大壓降、最低濃水流量1)電解質(zhì)比非電解質(zhì)易分離。對(duì)電解質(zhì)來(lái)說(shuō)，電荷高的分離性好，例如去除率大小順序?yàn)椋?/p>

Al3+＞Mg2+＞Na+；PO43-＞SO42-＞Cl-反滲透膜的除鹽分離特性1)電解質(zhì)比非電解質(zhì)易分離。反滲透膜的除鹽分離特性2)無(wú)機(jī)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(yáng)離子的去除率大小順序?yàn)椋?/p>

Mg2+＞Ca2+＞Li+＞Na+＞K+，而陰離子的去除率大小順序?yàn)椋?/p>

F-＞C1-＞Br-＞NO3-。2)無(wú)機(jī)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3)對(duì)非電解質(zhì)來(lái)說(shuō)，分子愈大的愈易去除。4)氣體容易透過(guò)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。5)對(duì)弱酸諸如硼酸、有機(jī)酸的去除率低。在有機(jī)化合物中，去除率大小順序?yàn)椋簷幟仕幔揪剖幔疽宜?，乙醛＞乙醇＞胺＞酸?)對(duì)非電解質(zhì)來(lái)說(shuō)，分子愈大的愈易去除。反滲透膜對(duì)正離子的脫鹽率

反滲透膜對(duì)正離子的脫鹽率反滲透膜對(duì)負(fù)離子的脫鹽率

反滲透膜對(duì)負(fù)離子的脫鹽率反滲透膜對(duì)其他物質(zhì)的脫除率

反滲透膜對(duì)其他物質(zhì)的脫除率膜運(yùn)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)膜表面的濃差極化膜運(yùn)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(1)膜的水通量和脫鹽率膜的水通量和脫鹽率是反滲透過(guò)程中關(guān)鍵的運(yùn)行參數(shù)，這兩個(gè)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(guò)量，在鹽透過(guò)量不變的情況下，水通量增大時(shí)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(yùn)行參數(shù)不變時(shí)，產(chǎn)品水通量和鹽透過(guò)量均增加。(1)膜的水通量和脫鹽率膜的水通量和脫鹽率是反滲透過(guò)程給水含鹽量給水含鹽量增加,將影響鹽透過(guò)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(shì)。因?yàn)闈馑}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(guò)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。給水含鹽量給水含鹽量增加,將影響鹽透過(guò)量和產(chǎn)品水通量，使?jié)獠顦O化的危害由于界面層中的濃度很高，相應(yīng)地會(huì)使?jié)B透壓升高，導(dǎo)致原來(lái)運(yùn)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(guò)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(dǎo)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(kuò)散速度遠(yuǎn)小于鹽）。濃差極化的危害由于界面層中的濃度很高，相應(yīng)地會(huì)使?jié)B透壓升高，減輕濃