03反滲透、納濾基礎(chǔ)知識(shí)全解

聲明:本文提及的技術(shù)方案均屬于海德能公司的專利范圍。除非來自海德能公司的書面保證，海德能公司對(duì)于本文供給的信息及本文供給的產(chǎn)品和系統(tǒng)性能沒有義務(wù)供給擔(dān)保。第三章反滲透、納濾根底學(xué)問分別膜與膜過程膜分別物質(zhì)世界是由原子、分子和細(xì)胞等微觀單元構(gòu)成的，然而這些微小的物質(zhì)單元總是雜居共生，熱力學(xué)其次定律提醒了微觀粒子都會(huì)傾向于無序的混合狀態(tài)。人們制造了過濾、蒸餾、萃取、電泳、層析和膜分別等分別技術(shù)來獵取純潔的物質(zhì)。膜分別技術(shù)的根底是分別膜。分別膜是具有選擇性透過性能的薄膜，某些分子〔或微?！晨梢酝高^薄膜，而其它的則被阻隔。這種分別總是要依靠于不同的分子〔或微?！持g的某種區(qū)分，最簡(jiǎn)潔的區(qū)分是尺寸，三維空間之中，什么都有大小巨細(xì)，而膜有孔徑。固然分子〔或微?！尺€有其它的特性差異可以利用，比方荷電性〔正、負(fù)電〕，親合性〔親油、親水〕，〔亞納米級(jí)〕〔納米級(jí)〕、超濾〔10納米級(jí)〕和微濾〔微米和亞微米級(jí)〕，另外還有氣體分別、滲透蒸發(fā)、電滲析、液膜技術(shù)、膜萃取、膜催化、膜蒸餾等膜分別過程。膜的種類膜的功能分別驅(qū)動(dòng)力膜的種類膜的功能分別驅(qū)動(dòng)力透過物質(zhì)被截留物質(zhì)微濾粒子壓力差水、溶劑、溶解物懸浮物、細(xì)菌類、微粒子超濾分子壓力差溶劑、離子和小分子蛋白質(zhì)、各類酶、細(xì)菌、病毒、乳膠、微粒子反滲透和納濾脫除溶液中的鹽類及低分子物壓力差水、溶劑無機(jī)鹽、糖類、氨基酸、BOD、COD等透析脫除溶液中的鹽類及低分子物濃度差離子、低分子物、酸、堿無機(jī)鹽、尿素、尿酸、糖類、氨基酸電滲析脫除溶液中的離子電位差離子無機(jī)、有機(jī)離子滲透氣化溶液中的低分子及溶劑間的分別差蒸汽液體、無機(jī)鹽、乙醇溶液氣體分別氣體、氣體與蒸汽分別濃度差易透過氣體不易透過氣體薄膜復(fù)合膜薄膜復(fù)合膜由超薄皮層〔活性分別層〕和多孔基膜構(gòu)成?；ひ话闶窃诙嗫卓椢镏误w上澆筑的微孔聚砜膜(即0.2mm厚)，超薄皮層是由聚酰胺和聚脲通過界面縮合反響技術(shù)形成的。薄膜復(fù)合膜的優(yōu)點(diǎn)與它們的化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，其最主要的特點(diǎn)是化學(xué)穩(wěn)定性，在中等壓力下操作就具有高水通量和鹽截0－40℃及pH2－l2物質(zhì)的性能差。過濾圖譜平膜構(gòu)造圖-1非對(duì)稱膜與復(fù)合膜構(gòu)造比較RO/NF(CPA,ESPA,SWC,ESNA,LFC)均是復(fù)合膜。CPA3-2撐層上形成褶皺狀的外表致密層。原水以與皮層平行方向進(jìn)入，通過加壓使其透過密致分別層，產(chǎn)水從支撐層流出。圖-2CPA3外表致密層構(gòu)造-3所示。図-3交鏈全芳香族聚酰胺構(gòu)造不同的外表致密層構(gòu)造的RO-4CPA3ESPA2TEM照片?？梢杂X察ESPA2膜的褶皺外形明顯高于CPA3。膜分別過程實(shí)際上是通過這些褶皺實(shí)現(xiàn)的，明顯褶皺越高，比外表積越大，產(chǎn)水量越大。ESPA系列產(chǎn)品是世界上性能最好的超低壓膜，明顯降低了反滲透運(yùn)行本錢，擴(kuò)大了反滲透的應(yīng)用范圍。圖-3CPA3ESPA2TEM卷式膜元件卷式膜元件是由多個(gè)膜袋纏繞在一開有孔洞的工程塑料中心集水管上制成(圖-5)。每個(gè)膜袋由兩張相背的膜片構(gòu)成，膜片中間夾一層聚酯纖維編織淡水網(wǎng)格，膜四周3條邊用環(huán)氧或聚氨酯粘合劑密封，第四邊留作產(chǎn)水通道與中心集水管連接。在相鄰兩膜袋之間鋪夾塑料隔網(wǎng)構(gòu)成進(jìn)水流道〔進(jìn)水網(wǎng)格〕。進(jìn)水沿膜袋外側(cè)的進(jìn)水網(wǎng)格從膜元件的一端進(jìn)入膜元件，局部作為產(chǎn)水透過膜，其余局部作為濃水從膜元件的另外一側(cè)排出。透過膜的產(chǎn)水進(jìn)入膜袋，沿產(chǎn)水網(wǎng)格呈螺旋狀向內(nèi)流淌，經(jīng)過中心管上的孔進(jìn)入中心集水管，通過產(chǎn)水排出口流出。全量過濾全量過濾也稱為直流過濾、死端過濾，與常規(guī)的濾布過濾類似，被處理物料進(jìn)入膜組件，等量透過液流出膜組件，截留物留在膜組件內(nèi)。為了保證膜性能的可恢復(fù)性，必需準(zhǔn)時(shí)從組件內(nèi)卸載截留物，因此需要進(jìn)展定時(shí)反沖洗〔過濾的反過程〕等措施來去除膜面沉積物、恢復(fù)膜通量。膜組件污染后不能拆開清洗，通常承受在線清洗方式〔CIP〕。超濾/微濾水處理過程一般承受全量過濾模式。錯(cuò)流過濾被處理料液以肯定的速度流過膜面，透過液從垂直方向透過膜，同時(shí)大局部截留物被濃縮液夾帶出膜組件。錯(cuò)流過濾模式減小了膜面濃度極化層的厚度，可以有效降低膜污染。反滲透、納濾均承受錯(cuò)流過濾方式。圖-5卷式膜元件構(gòu)造示意圖膜系統(tǒng)膜系統(tǒng)是指膜分別裝置單元。壓力驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)主要由預(yù)處理系統(tǒng)、升壓泵、膜組件〔壓力容器和膜元件〕、管道閥門和掌握系統(tǒng)構(gòu)成。膜污染各種原水中均含有肯定濃度的懸浮物和溶解性物質(zhì)。懸浮物主要是無機(jī)顆粒物、膠體和微生物、藻類等生物性顆粒。溶解性物質(zhì)主要是易溶鹽〔如氯化物〕和難溶鹽〔如碳酸鹽、硫酸鹽和硅酸鹽〕。在反滲透過程中，進(jìn)水的體積在減少，懸浮顆粒和溶解性物質(zhì)的濃度在增加。懸浮顆粒會(huì)沉積在膜上，堵塞進(jìn)水流道、增加摩擦阻力〔壓力降〕。難溶鹽會(huì)從濃水中沉淀出來，在膜面上形成結(jié)垢，降低RO膜的通量。這種在膜面上形成沉積層的現(xiàn)象叫做膜污染，膜污染的結(jié)果是系統(tǒng)性能的劣化。反滲透/納濾根本原理半透膜半透膜是具有選擇性透過性能的薄膜。當(dāng)液體或氣體通過半透膜時(shí)，一些組分透過，而另外一些組分被截留。實(shí)際上半透膜對(duì)于任何組分都有透過性，只是透過的速率相差很大。在反滲透過程中，溶劑〔水〕的透過速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于溶解在水中的溶質(zhì)〔鹽分〕。通過半透膜實(shí)現(xiàn)了溶劑和溶質(zhì)的分別，得到純水以及濃縮的鹽溶液。滲透滲透是當(dāng)流體在跨越半透膜屏障時(shí)的一種自然過程。假設(shè)將一箱純水用一張半透膜垂直分為兩局部，純水與抱負(fù)半透膜的兩面以一樣的溫度和壓力接觸，在這樣的條件下沒有跨越半透膜的水的流淌產(chǎn)生，由于在膜兩側(cè)的化學(xué)勢(shì)完全相等。假設(shè)在其中一側(cè)參加溶解性鹽，鹽溶液一邊的化學(xué)勢(shì)降低了。純水便會(huì)向鹽溶液一側(cè)滲透，從而產(chǎn)生一個(gè)滲透流，直到化學(xué)勢(shì)的平衡重建立為止〔圖－6a〕。滲透壓依據(jù)科學(xué)術(shù)語，在半透膜的兩邊存在一個(gè)“化學(xué)勢(shì)”〔離子或溶質(zhì)分子的濃度差〕的差值，通過溶液的滲透過程對(duì)化學(xué)勢(shì)差進(jìn)展補(bǔ)償。當(dāng)平衡重建立時(shí)，在半透膜的兩側(cè)形成了一個(gè)水位差即靜壓差，這個(gè)壓力差便是滲透壓。滲透壓是溶液本身的性質(zhì)，取決于溶液濃度，與半透膜沒有關(guān)系。滲透壓與溶質(zhì)濃度之間的關(guān)系為：Posm=1.19(T+273)*Σ(mi)(1)Posm＝滲透壓〔psi〕，T〔℃〕,Σ(mi)是溶液中全部溶質(zhì)的總摩爾濃度。TDS1000ppm11psi(0.76bar)。反滲透在圖－6a的箱子中，水通過滲透作用流向鹽溶液一側(cè)，直到到達(dá)的平衡建立。在鹽溶液一邊施加一個(gè)額外的壓力與滲透壓相等，原有的平衡會(huì)受到影響〔圖－6b〕。外加壓力將會(huì)使鹽溶液一邊的化學(xué)勢(shì)增加，使溶劑流向純水一邊。這種現(xiàn)象便是反滲透。反滲透過程的驅(qū)動(dòng)力是外加壓力，反滲透分別所需能量與溶液的難度直接相關(guān)。因此，從鹽溶液中生產(chǎn)同樣體積的水，鹽的濃度越高，所需能耗也越高。圖-6反滲透原理對(duì)于反滲透過程分別水和鹽的機(jī)理還沒有一個(gè)公認(rèn)的統(tǒng)一解釋。目前一般推舉兩種傳遞模型：毛細(xì)孔流模型和溶解擴(kuò)散模型。水通過膜有兩種方式，一種是通過膜上存在的孔，另外一種是通過膜中的分子節(jié)點(diǎn)之間的集中。依據(jù)理論，膜的化學(xué)性質(zhì)是，在固液界面上水優(yōu)先吸附并通過，鹽被截留。水與膜外表之間有弱的化學(xué)結(jié)合力，使得水能夠在膜的構(gòu)造中分散。膜的物理和化學(xué)性質(zhì)打算了在傳遞過程中水比鹽的優(yōu)先地位。水的傳遞水通過半透膜的速率由方程〔2〕確定。Qw=(ΔP-ΔPosm)×Kw×S/d(2)其中Qw為蘇水透過膜的速率，ΔPΔPosm為膜兩側(cè)的滲透壓差，Kw為膜的純水滲透系數(shù)，S〔2〕式通常被簡(jiǎn)化為：Qw=A×(NDP)(3)其中ANDP鹽的傳遞透過膜的鹽流量定義為：Qs=ΔC×Ks×S/d(4)Qs為膜的透鹽量，Ks為膜的鹽滲透系數(shù)，ΔCSdQs=B×(ΔC)(5)BΔC從方程〔4〕和〔5〕可以看出。對(duì)于一個(gè)的膜來說：膜的水通量與總驅(qū)動(dòng)壓力差成比例；膜的透鹽量與膜兩側(cè)的濃度差成比例，與操作壓力無關(guān)。透過液的鹽濃度Cp，取決于透過反滲透膜的鹽量和水量的比：Cp=Qs/Qw(6)膜對(duì)水和鹽的傳質(zhì)系數(shù)不同，所以才有脫鹽率。沒有什么抱負(fù)的膜具有對(duì)鹽完全的脫除性能，實(shí)際上是傳質(zhì)速率的差別早就了脫鹽率。方程〔2〕、〔4〕和〔5〕給出了設(shè)計(jì)反滲透系統(tǒng)必需考慮的一些主要因素。比方操作壓力的增加會(huì)提高水通量，但對(duì)鹽的透過沒有影響，所以透過液的鹽度會(huì)更低。透鹽率原水中溶解性雜質(zhì)透過膜的百分率，計(jì)算公式為：SP=100%×(Cp/Cfm)(7)SP〔％〕，Cp為透過液鹽濃度，Cfm為料液的平均鹽濃度。水通量和透鹽率的根本關(guān)系式是反滲透的根本原理?？梢钥闯?，透鹽率隨操作壓力增加而降低，其緣由是水通量隨壓力增加，但鹽的透過速率在壓力變化狀況下保持不變。脫鹽率通過反滲透膜從原水中脫除總可溶性雜質(zhì)濃度或特定溶質(zhì)濃度的百分率。計(jì)算公式為：SR=100%-SP(8)SR〔％〕，SP〔7〕。產(chǎn)水-透過液反滲透、納濾膜的透過液為凈化水，因此也稱為系統(tǒng)產(chǎn)水。濃水-濃縮液未透過膜的溶液，原水中的溶質(zhì)在其中被濃縮。在水處理反滲透系統(tǒng)中濃水作為廢水排出?；厥章省厕D(zhuǎn)化率〕料液轉(zhuǎn)化為透過液的百分率?；厥章适欠礉B透系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行的重要參數(shù)，計(jì)算公式為：R=100%×(Qp/Qf)(9)其中R為回收率〔％〕，Qp為產(chǎn)水流量，Qf為原水流量?；厥章视绊懲耕}量和產(chǎn)水量?；厥章试黾訒r(shí)料液側(cè)中的鹽濃度也會(huì)增加，致使透鹽量增加、滲透壓上升以及NDP濃差極化比〔b〕膜透過水并截留鹽時(shí)，在膜外表四周會(huì)形成一個(gè)邊界層，邊界層中的鹽濃度比本體溶液濃度高，這種鹽濃度在膜面附近的增加叫做濃差極化。濃差極化會(huì)使實(shí)際的產(chǎn)水通量和脫鹽率低于理論估算值。濃差極化效應(yīng)如下：膜面上的滲透壓比本體溶液中高，從而降低NDP〔凈驅(qū)動(dòng)壓力〕；降低水通量〔Qw〕；增加透鹽量〔Qs〕；增加難溶鹽在膜面上超過其溶度積形成沉淀結(jié)垢的可能性。濃差極化因子〔CPF〕被定義為膜面濃度〔Cs〕與本體濃度〔Cb〕的比：CPF=Cs/Cb(10)水通量的增加會(huì)增加離子向膜面的輸送量，從而增加Cs。料液流速的增加加劇了紊流效果，削減了膜面高濃度層的厚度。因此CPF〔Qp〕成正比，與平均料液流量〔Qfavg〕成反比：CPF=Kp×exp〔Qp/Qfavg〕(11)其中Kp是取決于系統(tǒng)構(gòu)造的比例常數(shù)。料液平均流量承受料液和濃縮液的算術(shù)平均數(shù)，CPF可以表達(dá)為膜元件透過液回收率〔r)的函數(shù)：CPF=Kp×exp［2R/(2-R)］(12)海德能推舉的濃差極化因子極限值為1.20，對(duì)于4018％的回收率。納濾膜及其主要應(yīng)用抱負(fù)的反滲透膜只對(duì)水有透過性能，任何溶質(zhì)都會(huì)被阻留。納濾膜早期稱為松散反滲透(LooseRO)膜，納濾膜可以讓局部溶質(zhì)透過，依據(jù)膜和溶質(zhì)的種類不同，溶質(zhì)的透過率也不同。納濾膜的一個(gè)很大特征是膜本體帶有電荷性。這是它在很低壓力下仍具有較高脫鹽性能和截留分子量為數(shù)百的膜也可脫除無機(jī)鹽的重要緣由。納濾主要應(yīng)用于以下幾個(gè)介面：軟化水處理對(duì)苦咸水進(jìn)展軟化、脫鹽是納濾膜應(yīng)用的最大市場(chǎng)。飲用水中有害物質(zhì)的脫除。傳統(tǒng)的飲用水處理主要通過絮凝、沉降、砂濾和加氯消毒來去除水中的懸濁物和細(xì)菌，而對(duì)各種溶解性化學(xué)物質(zhì)的脫除作用很低。納濾膜可用于脫除河水及地下水中含有的三鹵甲烷中間體THM〔加氯消毒時(shí)的副產(chǎn)物為致癌物質(zhì)〕子有機(jī)物、農(nóng)藥、異味物質(zhì)、硝酸鹽、硫酸鹽、氟、硼、砷等有害物質(zhì)。中水、廢水處理。食品、飲料、制藥行業(yè)。各種蛋白質(zhì)、氨基酸、維生素、奶類、酒類、醬油、調(diào)味品等的濃縮、精制?；すに囘^程水溶液的濃縮、分別。膜性能的影響因素反滲透以及納濾過程的主要指標(biāo)是產(chǎn)水通量和脫鹽率。對(duì)于肯定的膜元件，產(chǎn)水量和脫鹽率受到給水水質(zhì)條件和系統(tǒng)〔濃度〕pH值等，運(yùn)行參數(shù)有壓力、給水流量和回收率等。下面就關(guān)于對(duì)產(chǎn)水量和脫鹽率產(chǎn)生影響的各操作因子做一般論述。給水濃度濃度對(duì)產(chǎn)水量和截留率的影響如圖-7所示?？隙▔毫ο庐?dāng)供給的原水濃度增高時(shí)，產(chǎn)水量就會(huì)削減。這是由于供給水的滲透壓變高，有效壓力降低的原因。脫鹽率受濃度影響格外大。通常濃度提高，產(chǎn)水量就會(huì)降低的同時(shí)，脫鹽率也會(huì)降低。但是當(dāng)格外低的濃度下，起初濃度增加，脫鹽率率也會(huì)稍許增加。隨后，隨著濃度的不斷增加脫鹽率就變的低下。圖-7原水濃度對(duì)透水量及脫鹽率的影響膜元件CPA3-80401500mg/L1.55MPa25℃溫度的影響溫度對(duì)脫鹽率和產(chǎn)水量的影響如圖-8所示。溫度變高，水的粘度降低，水的集中性增加，產(chǎn)水量也隨著溫度上升而增加。在同一壓力下，溫度上升一攝氏度，產(chǎn)水量可增大3～4％。另一方面對(duì)于不同類型的膜，溫度對(duì)于脫鹽率率的影響的差異較大。一般來講溫度增高脫鹽率降低。這是由于溫度上升，鹽的集中速度就會(huì)增大的緣由。pH進(jìn)水pH值對(duì)膜分別性能有較大影響，但對(duì)于不同的膜材質(zhì)和原水水質(zhì)有肯定差異。承受氯化鈉測(cè)試溶液，CPA3pH-9〔－NH2〕和羧基〔－COOH〕pH膜面電位比等電點(diǎn)〔膜電位圖-8給水溫度對(duì)透水量及脫鹽率的影響膜元件CPA3-8040操作壓力1.55MPa15%圖-9pHCPA3-80401500mg/L1.55MPa15%25℃圖-10操作壓力對(duì)透水量及脫鹽率的影響膜元件CPA3-80401500ppm回收率15%圖-11濃水流量對(duì)透水量及脫鹽率的影響CPA3-80401500mg/L1.55MPa25℃＝0〕要高，氨基吸取質(zhì)子〔-NH2+H+=-NH3+〕，pH值時(shí)，膜面電位比等電點(diǎn)要低,羧基失去質(zhì)子〔COOHCOO-H+〕表現(xiàn)為陰性。由于通常聚酰胺系列反滲透膜的等電點(diǎn)在酸性范圍，因此在中性〔pH=7〕四周，聚酰胺膜表現(xiàn)負(fù)電荷性。原水的濃度淡薄的時(shí)候，表現(xiàn)負(fù)電荷性的膜相對(duì)于〔Cl-〕陰離子比較，陽離子(Na＋)的脫除率就相對(duì)降低。在高濃度