反滲透膜分離技術(shù)的發(fā)展及其在城市污水處理中的應(yīng)用[共16頁]

1、 反滲透膜分離技術(shù)的發(fā)展及其在城市污水處理中的應(yīng)用摘要：本文首先簡要地回顧了國內(nèi)外反滲透膜技術(shù)的 發(fā)展 概況,然后詳細(xì)論述了反滲透膜分離技術(shù)。通過介紹反滲透的基本原理、污染物去除機(jī)理、反滲透裝置型式、主要性能參數(shù)與運(yùn)行工況條件和基本流程,以美國和日本采用反滲透處理生活污水為例,探討了反滲透膜分離技術(shù)在城市污水處理中的 應(yīng)用 情況,最后就其發(fā)展方向作出了初步地歸納和展望。關(guān)鍵詞：城市污水處理 膜分離技術(shù) 反滲透膜 實(shí)際應(yīng)用 前景展望近來,物理化學(xué)處理技術(shù)、光照射技術(shù)及膜過濾技術(shù)已形成三大水處理技術(shù)。在這些技術(shù)中引人注目的是膜分離法污水處理技術(shù)1。膜分離是通過膜對混合物中各組分的選擇滲透作用的差異

2、,以外界能量或化學(xué)位差為推動力對雙組分或多組分混合物的氣體或液體進(jìn)行分離、分級、提純和富集的 方法 。而反滲透膜分離技術(shù)作為當(dāng)今世界水處理先進(jìn)的技術(shù),具有清潔、高效、無污染等優(yōu)點(diǎn),已在海水淡化、城市給水處理、純水和超純水制備、城市污水處理及利用、 工業(yè) 廢水處理、放射性廢水處理等方面得到廣泛的應(yīng)用膜分離技術(shù)作為新的分離凈化和濃縮方法,與傳統(tǒng)分離操作(如蒸發(fā)、萃取、沉淀、混凝和離子交換樹脂等)相比較,過程中大多無相變化,可以在常溫下操作,具有能耗低、效率高、工藝簡單、投資小等特點(diǎn)。膜分離技術(shù)應(yīng)用到污水處理領(lǐng)域,形成了新的污水處理方法,它包含微濾(MF)、超濾(UF)、滲析(D)、電滲析(ED)、

3、納濾(NF)、和反滲透(RO)等,本文僅對反滲透(RO)膜法對城市污水處理技術(shù)進(jìn)行探討1 反滲透膜發(fā)展概膜廣泛的存在于 自然 界中,特別是生物體內(nèi)。人類對于膜現(xiàn)象的 研究 源于 1748年,但是人類對它的認(rèn)識和研究則較晚。1748年,Abbe Nollet觀察到水可以通過覆蓋在裝有酒精溶液瓶口的豬膀肌進(jìn)入瓶中時(shí),發(fā)現(xiàn)了滲透現(xiàn)象。然而認(rèn)識到膜的效用并用于為人類服務(wù),卻經(jīng)歷了 200多年的漫長過程。人們對膜進(jìn)行 科學(xué) 研究則是近幾十年來的事。其發(fā)展的 歷史 大致為；30年代微孔過濾；40年代透析；50年代電滲析；60年代反滲透；70年代超濾和液膜；80年代氣體分離；90年代滲透汽化2在國外,其發(fā)展

4、概況為：1953年美國的 REid 提出從海水和苦鹽水中獲得廉價(jià)的淡水的反滲透研究方案,1960年美國的 Sourirajan 和 Leob 教授研制出新的不對稱膜,從此 RO作為 經(jīng)濟(jì) 的淡化技術(shù)進(jìn)入了實(shí)用和裝置的研究階段。20世紀(jì) 70年代初期開始用 RO法處理電鍍污水,首先用于鍍鎳污水的回收處理,此后又應(yīng)用于處理鍍鉻、鍍銅、鍍鋅等漂洗水以及混合電鍍污水。1965年英國首先發(fā)表了用半透膜處理電泳涂料污水的專利。此后美國P.P.G公司提出用 UF和 RO的組合技術(shù)處理電泳涂料污水,并且實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化。19721975年 J J .Porter 等人用動態(tài)膜進(jìn)行染色污水處理和再利用實(shí)驗(yàn)。1983

5、年 L.Tinghuis 等人發(fā)表了用 RO法處理染料溶液的研究結(jié)果。1969年美國的 J . C. V Smith 首先報(bào)道了處理城市污水的方法。30年來,反滲透(RO)技術(shù)先后在含油、脫脂廢水、纖維工業(yè)廢水、造紙工業(yè)廢水、放射性廢水等工業(yè)水處理、苦咸水淡化、純水和高純水制備、醫(yī)藥工業(yè)和特殊的化工過程和高層建筑廢水等各類污水處理中得到了廣泛的應(yīng)用。尤其是近幾年,一些新型的膜法污水處理技術(shù)逐一問世,如膜蒸餾、液膜、膜生化反應(yīng)器、控制釋放膜、膜分相、膜萃取等3在我國,膜技術(shù)的發(fā)展是從 1958年離子交換膜研究開始的。1958年開始進(jìn)行離子交換膜的研究,并對電滲析法淡化海水展開了試驗(yàn)研究；1965

6、年開始對反滲透膜進(jìn)行探索,1966年上?；S聚乙烯異相離子交換膜正式投產(chǎn),為電滲析工業(yè)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。1967年海水淡化會戰(zhàn)對我國膜科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步起了積極的推動作用。1970年代相繼對電滲析、反滲透、超濾和微濾膜及組件進(jìn)行研究開發(fā),1980年代進(jìn)入推廣應(yīng)用階段。1980年代中期我國氣體分離膜的研究取得長足進(jìn)步,1985年 中國 科學(xué)院大連化物所,首次研制成功中空纖維 N2/H2分離器,主要性能指標(biāo)接近國外同類產(chǎn)品指標(biāo),現(xiàn)己投入批量生產(chǎn),每套成本僅為進(jìn)口裝置的 1/3。進(jìn)入 90年代以來,復(fù)合膜的制備取得了較大進(jìn)展22 反滲透膜分離技術(shù)基本 理論反滲透膜分離法的基本特點(diǎn)是其推動力為壓力差（11

7、0MPa）,傳質(zhì)機(jī)理一般認(rèn)為是溶劑的擴(kuò)散傳遞,透過膜的物質(zhì)是水溶劑,截留物為溶質(zhì)、鹽（懸浮物、大分子、離子）,膜的類型為非對稱膜或復(fù)合膜。反滲透的選擇透過性與組分在膜的溶解、吸附和擴(kuò)散有關(guān),因此除與膜孔大小結(jié)構(gòu)有關(guān)外,還與膜的化學(xué)、物理性質(zhì)有密切關(guān)系,即與組分和膜之間的相互作用密切相關(guān)42.1 反滲透原滲透現(xiàn)象早在 1748年已由 Abbe Nollet首次得到證明,直到 20世紀(jì) 50年代,科學(xué)家們才開始利用反滲透或超濾作為溶液中溶質(zhì)和溶劑的有效分離方法,并使其成為一種實(shí)驗(yàn)室技術(shù)滲透是指一種溶劑（即水）通過一種半透膜進(jìn)入一種溶液或是從一種稀溶液向一種比較濃的溶液的自然滲透。但是在濃溶液一邊加

8、上適當(dāng)?shù)膲毫?即可使?jié)B透停止,此時(shí)的壓力稱為該溶液的滲透壓。若在濃溶液一邊加上比自然滲透壓更高的壓力,扭轉(zhuǎn)自然滲透方向,把濃溶液中的溶劑（水）壓到半透膜的另一邊稀溶液中,這是和自然界正常滲透過程相反的,此時(shí)就稱為反滲透這就說明,當(dāng)對鹽水一側(cè)施加的壓力超過水的滲透壓時(shí),可以利用半透膜裝置從鹽水中獲取淡水。因此,反滲透過程必須具備兩個(gè)條件：一是必須有一種高選擇性和高滲透性（一般指透水性）的選擇性半透膜,二是操作壓力必須高于溶液的滲透壓2.2 反滲透膜的透過機(jī) 關(guān)于反滲透膜的透過機(jī)理,自 20世紀(jì) 50年代末以來,許多學(xué)者先后提出了各種不對稱反滲透膜的透過機(jī)理和模型,現(xiàn)介紹如下2.2.1 氫鍵理論3

9、這個(gè)理論是由里德（Ried）等人提出的,并用醋酸纖維膜加以解釋。這種理論是基于一些離子和分子能通過膜的氫鍵的結(jié)合而發(fā)生聯(lián)系,從而通過這些聯(lián)系發(fā)生線形排列型的擴(kuò)散來進(jìn)行傳遞。在壓力的作用下,溶液中的水分子和醋酸纖維素的活化點(diǎn)羰基上氧原子形成氫鍵,而原來的水分子形成的氫鍵被斷開,水分子解離出來并隨之轉(zhuǎn)移到下一個(gè)活化點(diǎn),并形成新的氫鍵,如是通過這一連串氫鍵的形成與斷開,使水分子離開膜表面的致密活化層,由于多孔層含有大量的毛細(xì)管水,水分子能暢通流出膜外2.2.2 優(yōu)先吸附-毛細(xì)孔流理論4索里拉金等人提出了優(yōu)先吸附毛細(xì)孔流理論。他們以氯化鈉水溶液為例,溶質(zhì)是氯化鈉,溶劑是水,膜的表面能選擇性吸水,因此水

10、被優(yōu)先吸附在膜表面上,而對氯化鈉排斥。在壓力作用下,優(yōu)先吸附的水通過膜,就形成了脫鹽的過程。這種模型同時(shí)給出了混合物分離和滲透性的一種臨界孔徑的概念。臨界孔徑顯然是選擇性吸著界面水層的兩倍?；谶@種模型在膜的表面必須有相應(yīng)大小的毛細(xì)孔,根據(jù)這種理論,索里拉金等研制出具有高脫鹽率、高脫水性的實(shí)用反滲透膜,奠定了實(shí)用反滲透膜的發(fā)展基礎(chǔ)2.2.3 溶液擴(kuò)散理論3朗斯代爾（Lonsdale）和賴?yán)≧iley）等人提出溶解擴(kuò)散理論。該理論假定膜是無缺陷的“完整的膜”,溶劑和溶質(zhì)透過膜的機(jī)理是由于溶劑與溶質(zhì)在膜中的溶解,然后在化學(xué)位差的推動力下,從膜的一側(cè)向另一側(cè)進(jìn)行擴(kuò)散,直至透過膜。溶劑和溶質(zhì)在膜中的

11、擴(kuò)散服從（Fick）定律,這種模型認(rèn)為溶劑和溶質(zhì)都可能溶于均質(zhì)或非多孔型膜表面,以化學(xué)位差為推動力（常用濃度差或壓力差來表示）,分子擴(kuò)散使它們從膜中傳遞到膜下部。因此,物質(zhì)的滲透能力不僅取決于擴(kuò)散系數(shù),而且取決于其在膜中的溶解度。溶質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)比水分子的擴(kuò)散系數(shù)小得越多,高壓下水在膜內(nèi)的移動速度就越快,因而透過膜的水分子數(shù)量就比通過擴(kuò)散而透過去的溶質(zhì)數(shù)量更多目前 一般認(rèn)為,溶解擴(kuò)散理論較好的說明膜透過現(xiàn)象,當(dāng)然氫鍵理論、優(yōu)先吸附毛細(xì)孔流理論也能夠?qū)Ψ礉B透膜的透過機(jī)理進(jìn)行解釋。此外還有學(xué)者提出擴(kuò)散細(xì)孔流理論,結(jié)合水-空穴有序理論以及自由體積理論等。也有人根據(jù)反滲透現(xiàn)象是一種膜透過現(xiàn)象,因此把它當(dāng)

12、作非可逆熱力學(xué)現(xiàn)象來對待?？傊?反滲透膜透過機(jī)理還在發(fā)展和完善中2.3有機(jī)物去除機(jī)對于有機(jī)溶質(zhì)的脫除機(jī)理最初認(rèn)為純屬篩網(wǎng)效應(yīng)其脫除率主子量大小和形狀有關(guān)。后來經(jīng)過大量的研究,發(fā)現(xiàn)膜與有機(jī)溶質(zhì)的電荷斥力對脫除率的 影響 有時(shí)不容忽視。近年來的研究證明,膜對有機(jī)溶質(zhì)的脫除主要受兩方面的影響：一是膜孔徑的機(jī)械篩除作用；二是膜與有機(jī)物間排斥力的作用,這種排斥作用的大小與膜材料和有機(jī)物的物理化學(xué)特征參數(shù) 有很大的關(guān)系。這些物理比學(xué)特征參數(shù)及其對分離度的影響(不考慮膜孔徑的機(jī)械篩除作用)介紹如下52.3.1 極性參數(shù)5極性效應(yīng)表征的是有關(guān)分子的酸性或堿性。以下參數(shù)中的任何一個(gè)均可以給出極性效應(yīng)以定量的量度

13、(1)Ms(酸性)或Ms(堿性)Ms(酸性)是溶質(zhì)(ROH)在 CC14和醚溶液中測得的紅外光譜中 OH譜帶最大值的相對位移,Ms(堿性)是溶質(zhì)(CH3OD)在苯中測得的紅外光譜中 OD譜帶最大值的相對位移Ms(酸性)或Ms(堿性)的數(shù)據(jù)分別與質(zhì)子給予體或質(zhì)子接受體的分子的相對氫鍵鍵合能力相聯(lián)系。氫鍵鍵合能力愈大,表示一種酸(如醇或酚)給予質(zhì)子的能力愈大或一種堿(如醛、酮)接受質(zhì)子的能力愈大。由于質(zhì)子給予能力與質(zhì)子接受能力表現(xiàn)出相反的趨勢,因此Ms(酸性)的增加值等于Ms(堿性)的減小值一般來說,有機(jī)溶質(zhì)的Ms(酸性)增加,表示有關(guān)分子與膜的氫鍵鍵合能力增強(qiáng),這種增強(qiáng)的結(jié)果就會減小膜與有機(jī)溶質(zhì)

14、間的排斥力。因此,隨著Ms(酸性)的增加,有機(jī)物的分離度減小?；蛘哒f,隨著Ms(堿性)的增加,有機(jī)溶質(zhì)與膜的氫鍵鍵合能力減小,因此膜與有機(jī)溶質(zhì)間的排斥力增大,有機(jī)物的分離度增加。但當(dāng)Ms(堿性)值超過隨某一化合物的種類而異的值時(shí),隨著Ms(堿性)的增加,溶質(zhì)分離度的增加甚微(2)解離常數(shù) Ka或 pKa (PKlogKa解離常數(shù)是水溶液中具有一定離解度的溶質(zhì)的的極性參數(shù)。離解常數(shù)給予分子的酸性或堿性以定量的量度,pKa減小,對于質(zhì)子給予體來說,其酸性增加；對于質(zhì)子接受體來說,其堿性增加對于酸性有機(jī)物來說,隨著 pKa的減小,一方面,有機(jī)溶質(zhì)與膜的氫鍵鍵合能力增強(qiáng),相當(dāng)于溶質(zhì)與膜間的吸引力增加,

15、因而分離度下降；另一方面,它離解成為離子的傾向增加,相當(dāng)于增強(qiáng)了該有機(jī)物與膜之間的靜電斥力,從而分離度升高。上述兩種作用的相伴相克,起主導(dǎo)作用的因素決定著分離度高低的走向。因此,對于酸性分子來說,酸性的大小和 pKa配合影響著溶質(zhì)分離度。與酸性有機(jī)物有所不同,對于堿性有機(jī)溶質(zhì)來說,隨著pKa的減小,有機(jī)溶質(zhì)與膜間的靜電斥力增加,去除率升高(3)Hammet數(shù)或 TaftHammet數(shù) 是表示芳香族間位或?qū)ξ蝗〈臉O性常數(shù),Taft數(shù) *是表示芳香族鄰位化合物或脂肪族化合物中取代基的極性常數(shù)。 和 *兩者定量表示取代基對有機(jī)分子的極性效應(yīng)的影響； 和 *具有加和性；取代基的 和 *值愈低,它的

16、 電子 收回能力(或質(zhì)子給予能力)愈小。因此對一給定的官能團(tuán), 和 *值的降低相當(dāng)于分子的酸性降低或堿性增加 一般來說,無論是酸還是堿,有機(jī)溶質(zhì)的分離度隨著 和 *值的減小而增加2.3.2 位阻參數(shù)（EsEs是表示有機(jī)物原子之間或原子與官能團(tuán)之間相互排斥力的常數(shù),Es為所有官能團(tuán)的Es之和。Es減小,表明有機(jī)溶質(zhì)的位阻障礙增大,因而去除率增加。Es正常用來表示對醚的分離度的影響。Es降低,溶質(zhì)的分離度趨于增加2.3.3 非極性參數(shù)（Small數(shù)或修正 Small數(shù)）6Small數(shù) S是表示非極性有機(jī)分子間凝聚力的常數(shù),又稱摩爾吸引常數(shù)：修正 Small數(shù)（S*）是表示非極性有機(jī)分子疏水程度相對

17、大小的常數(shù),它是松蒲和 Souriragan等利用溶質(zhì)的溶解度數(shù)據(jù)對凝聚力進(jìn)行修正后而得到的,故稱修正 Small數(shù)。Small數(shù)或修正Small數(shù)常用來表示對碳?xì)浠衔锓蛛x度的影響。碳?xì)浠衔锏牡娜芙舛仍礁?修正Small數(shù)越小溶質(zhì)的 Small數(shù)或修正 Small數(shù)增大,意味著疏水或非極性增強(qiáng)。松蒲等人通過大量的研究發(fā)現(xiàn),對于同一張膜來說,S*值增加,溶質(zhì)的分離度趨于增加2.4無機(jī)物去除機(jī)關(guān)于反滲透膜去除無機(jī)物的原理有多種理淪,現(xiàn)將幾種主要的介紹如下62.4.1 Scatchafd理該理論認(rèn)為溶質(zhì)的分離與膜及溶液的介電常數(shù)有關(guān),荷電離子在不同介電常數(shù)的介質(zhì)中具有不同的離子濃度,介電常數(shù)越低

18、,該離子濃度也越低。這里把溶液和膜分別記作為 I相和 II相,相應(yīng)的介電常數(shù)分別為和 II,并以“膜一溶液”兩相界面(記作 I)作為 計(jì)算距離的基準(zhǔn)。離子濃度是距離的函數(shù),因?yàn)?I,所以在液相中,距離 I界面越遠(yuǎn),離子濃度越高；在膜中,距離 III界面越遠(yuǎn),離子濃度越低Scatchard認(rèn)為,膜與溶液的介電常數(shù)差別越大,或者說膜的介電常數(shù)越小溶液的介電常數(shù)越大,則離子在膜表面處及膜內(nèi)的渡度越小。膜內(nèi)離子濃度越低,膜對溶質(zhì)的去除率越高。因此,為了提高膜的分離性能,應(yīng)選擇介電常數(shù)較低的膜材料。Scatchafd還發(fā)現(xiàn),溶液的濃度越高,膜的去除率越低2.4.2 Gluckauf理Gluckauf認(rèn)為

19、膜存在著細(xì)孔,細(xì)孔半徑為 r,如圖 6-2所示。由于膜與溶液的介電常數(shù)不同, 離子從溶液中進(jìn)入膜內(nèi)需要一定的能氫 E) 式中,4為離子電荷；是與 Debye -Huckel模型中的離子半徑( 1/K)和膜孔徑有關(guān)的常數(shù),為離子半徑?？字?B處離子濃度(C孔)服從 Boltzmann分布； C孔=Cexp（E/（K）式中,kc為 Boltzmann常數(shù)；T為溶液的溫度對比可得由上式可以看出,溶質(zhì)的去除率與膜的孔徑、膜的介電常數(shù)、離子的水化體積、離子所帶的電荷、離子的濃度以及溶液的溫度有關(guān)2.4.3 Bean理Bean在 Gluckauf理論的基礎(chǔ)上,利用 Parsegian的研究成果計(jì)算得到去除

20、率 R為式中, 為細(xì)孔內(nèi)溶液的粘度；D為水中溶質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)由上式可以看出,溶質(zhì)的去除率與操作壓力及膜孔徑有關(guān)2.4.4離子與溶劑的相互作松浦等人為了研究離子與溶劑的相互作用對膜透過性能的影響,提出了的G概念。G是離子從主體溶液進(jìn)入相界面所需要的自由焙差。G=GrG式中,G為相界面處離子與溶劑相互作用的自由烙差,由離子水化自由燴GB為主體溶液中離子與溶劑相互作用自由焙差,由反滲透實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推算G 0,表明離子從主體溶液遷移至膜表面為反自發(fā)過程,即膜排斥該離子；反之G 0,則離子從主體溶液遷移至膜表面為自發(fā)過程,即膜吸引該離子松浦等人根據(jù)醋酸纖維素膜對各電解質(zhì)分離的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和離子的水化自由焙,求出了

21、離子的G。發(fā)現(xiàn)有如下 規(guī)律(1) 陽離子的 G為負(fù)值,陰離子的 G為正值。這表明膜吸引陽離子而排斥陰離子,可以推測醋酸纖維素膜呈負(fù)電性(2) 1價(jià)陽離子的 G比 2價(jià)陽離子的 G更負(fù),這預(yù)示著 1價(jià)陽離子的分離效果比 2價(jià)陽離子的差(3) 對于鹵素離子,隨著離子半徑增加 G下降,因而去除率隨離子半徑增大而下降3 反滲透膜及膜裝置類 3.1 反滲透膜類一般來說,反滲透膜應(yīng)具備以下性能單位面積上透水量大,脫鹽率高機(jī)械強(qiáng)度好,多孔支撐層的壓實(shí)作用小化學(xué)穩(wěn)定性好,耐酸、堿腐蝕和微生物侵蝕結(jié)構(gòu)均勻,使用壽命長,性能衰降慢制膜容易,價(jià)格便宜,原料充足影響 膜性能因素7回收率/轉(zhuǎn)變率壓力壓密濃差極化據(jù)此,

22、目前 較常用的膜類型有醋酸纖維膜（CA膜CA膜又可以分為平膜、管式膜和中空纖維膜幾類。CA膜具有反滲透膜所需的三個(gè)基本性質(zhì)：高透水性、對大多數(shù)水溶性組分的滲透性相當(dāng)?shù)?、具有良好的成膜性能聚酰胺膜（PA膜聚酰胺膜又可以分為脂肪族聚酰胺膜、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復(fù)合這是近些年來開發(fā)的一種新型反滲透膜,它是由很薄的而且致密的符合層與高空隙率的基膜復(fù)合而成的,它的膜通量在相同的條件下比非對稱膜高約 50%100%。目前復(fù)合膜有以下幾種a.交聯(lián)芳香族聚酰胺復(fù)合膜（PA）b.丙烯-烷基聚酰胺和縮合尿素復(fù)合膜c.聚哌嗪酰胺復(fù)合膜 d.氧化鋯-聚丙烯酸復(fù)合膜

23、3.2反滲透裝置型3.2.1 板框式反滲透裝這種形式的裝置由 Aerojet通用公司 發(fā)展 起來的,教適合于小的和低壓工廠。膜支撐體在一種圓形平板上,這塊平板稱為多孔板,常見的有不銹鋼多孔板和聚氯乙烯多孔板,產(chǎn)水通過多孔板匯集起來。這種裝置存在以下缺點(diǎn)：安裝和維護(hù)費(fèi)用高,進(jìn)料分布不均勻,流槽窄,多級膜裝卸復(fù)雜,單位體積中膜的比表面積低,產(chǎn)水量少盡管有這些缺點(diǎn),但由于它的結(jié)構(gòu)簡單可靠,體積比管式裝置小,在小規(guī)模的生產(chǎn)場所還是有一定的優(yōu)勢的3.2.2 管式反滲透裝這種裝置在實(shí)際 應(yīng)用 中是很有意義的。它能夠處理含懸浮顆粒和溶解性物質(zhì)的液體,像沉淀一樣在管式裝置中把料液進(jìn)行濃縮,運(yùn)行期間系統(tǒng)處處都可

24、以保持良好的排水作用,適當(dāng)調(diào)節(jié)水力條件,常?？梢灶A(yù)防溶液的濃縮弄臟或堵塞膜。其主要優(yōu)缺點(diǎn)可以歸納如下優(yōu)點(diǎn)：能夠處理含懸浮固體的溶液,合適的流動狀態(tài)就可以防止?jié)獠顦O化和膜污染等,并容易調(diào)整缺點(diǎn)：設(shè)備端部用膜較多,裝置制造和安裝費(fèi)用較昂貴。單位體積中膜的比表面積小。必須把管子外部包起來。要使用支撐材3.2.3 螺旋式反滲透裝美國通用原子公司（Gulf General Atomic Co）發(fā)展了這種裝置。這種螺旋式結(jié)構(gòu)的中間為多孔支撐材料,兩邊是膜的“雙層結(jié)構(gòu)”,它的末端是沖孔的塑料管。雙層膜的邊緣與多孔支撐材料密封形成一個(gè)膜袋（收集產(chǎn)水）,在膜袋之間再鋪上一層隔網(wǎng),然后沿中心管卷繞這種多層材料（膜

25、/多孔支撐材料/膜/料液隔網(wǎng)）,就形成了一個(gè)螺旋式反滲透組件。將卷好的螺旋式組件,放入壓力容器中,就成為完整的螺旋式反滲透裝置。使用這種螺旋式反滲透裝置時(shí)應(yīng)注意：中心管主要褶皺處的泄露膜及支撐材料在粘結(jié)線上發(fā)生皺紋膠線太厚可能會產(chǎn)生張力或壓力不均勻支撐材料的移動會使膜的支撐不合理,導(dǎo)致平衡線移動膜上有小孔洞,這是由于膜的質(zhì)量不合格所致目前,美國制作螺旋式組件已實(shí)現(xiàn)機(jī)械化,采用一種 0.91m滾壓機(jī),連續(xù)噴膠將膜與支撐材料粘密封結(jié)在一起,并滾轉(zhuǎn)成螺旋式組件,牢固后不必打開即可使用螺旋式組件的主要優(yōu)缺點(diǎn)是優(yōu)點(diǎn)：單位體積中膜的表面積比率大壓力導(dǎo)管的設(shè)計(jì)簡單,具有擾性,安裝和更換容易,結(jié)構(gòu)可以緊密放在

26、一起 缺點(diǎn)：料液含懸浮固體時(shí)不適宜料液流動路線短壓力消耗高再循環(huán)濃縮困難3.2.4 中空纖維式反滲透裝美國杜邦公司和道斯化學(xué)公司提出用純中空纖維素作為反滲透膜,制造出中空纖維式反滲透裝置。這種裝置類似于一端封死的熱交換器,其中含有外徑 50m、內(nèi)徑 25m；裝成一種圓柱形耐壓容器中,或是將中空纖維彎成 U形裝入耐壓容器中,由于這種中空纖維極細(xì),通?？梢匝b填幾百萬根。高壓溶液從容器旁打進(jìn)去,經(jīng)過中空纖維膜的外壁,從中空纖維管束的另一端把滲透液收集起來,濃縮后的料液從另一端連續(xù)排掉中空纖維式反滲透裝置的主要優(yōu)缺點(diǎn)如下優(yōu)點(diǎn)：單位體積中膜的表面積比率高,一般可達(dá)到 1600030000m2/m3,因此

27、組件可以小型化；膜不需支撐材料,中空纖維本身可以受壓而不破裂缺點(diǎn)：膜表面去污困難,料液需經(jīng)嚴(yán)格預(yù)處理；中空纖維膜一旦損壞是無法更換的由此我們可以給優(yōu)質(zhì)反滲透裝置作出以下要求 對膜能提供合適的支 處理溶液在整個(gè)膜面上必須均勻分 在最小能耗情況下,對處理溶液提供良好的流動狀 單位體積中膜的有效面積比率 組件容易拆卸和更 便于膜的拆卸和組 在運(yùn)行壓力下,有效的工作時(shí)安全與可靠性 外部泄露能盡可能從壓力的變化上發(fā) 建造、維護(hù)費(fèi)用都是方便的目前流行的這四種裝置的一些主要特性比較見表 3-表 3-1 四種反滲透裝置的主要特性比注：原料液為 500mg/L NaCl,脫鹽率為 92%964 反滲透膜的主要性

28、能參數(shù)與運(yùn)行工況條4.1 反滲透的主要性能參數(shù)8 1) 透水率。是指單位時(shí)間透過單位膜面積的水量。主要取決于膜的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)等因素,但一定的反滲透膜其透水率則取決于運(yùn)行條件；a. 透水率隨溫度的升高而增加,隨工作壓力的增加成比例的上升;b. 透水率隨進(jìn)水濃度的增加而下降;c. 透水率隨回收率的增加而下降2) 回收率。即供水對滲透液的轉(zhuǎn)換率,直接影響除鹽系統(tǒng)的成本。對于苦鹽水的回收率大約為 90 %;高苦鹽水降為 60 %65 %; 工業(yè) 海水系統(tǒng)回收率是 35 %45 %3) 膜通量。是表明通過膜表面的一個(gè)特定區(qū)域的水流速度對于地表水是 8 GFD14 GFD(13 L/ m3h23 L/ m3

29、h) ;經(jīng)過反滲透出水是 14 GFD18GFD(23 L/ m3h30 L/ m3h) ;對于海水為 7 GFD8 GFD4.2 反滲透裝置的運(yùn)行工況條件8為了確保反滲透裝置安全可靠運(yùn)行,選擇一定適宜的工況條件是非常必要的。反滲透裝置的主要工況條件為進(jìn)水 pH值、進(jìn)水溫度與運(yùn)行壓力1) 進(jìn)水 pH 值。對于醋酸纖維膜運(yùn)行時(shí),水以偏酸性為宜,pH值一般控制在 47之間,在此范圍外加速膜的水解與老化。目前認(rèn)為 pH值在 56 之間最佳。膜的水解不僅會引起產(chǎn)水量的減少,而且會造成膜對鹽去除能力的持續(xù)性降低,直至膜損壞為止2) 進(jìn)水溫度對產(chǎn)水量有一定的影響,溫度增加 1 ,膜的透水能力增加約 2.7

30、 %。反滲透膜的進(jìn)水溫度底限為 58,此時(shí)的滲濾速率很慢。當(dāng)溫度從 11升至 25時(shí),產(chǎn)水量提高 50 %。但當(dāng)溫度高于 30時(shí),大多數(shù)膜變得不穩(wěn)定,加速水解的速度。一般醋酸纖維膜運(yùn)行與保管的最高溫度為 35,宜控制在 2535之間3) 運(yùn)行壓力。滲透壓與原水中的含鹽量成正比,與膜無關(guān)。提高運(yùn)行壓力后,膜被壓密實(shí),鹽透過率會減少,水的透過率會增加,提高水的回收率。但當(dāng)壓力超過一定限度時(shí)會造成膜的老化,膜的變形加劇,透水能力下降4.3 影響反滲透運(yùn)行參數(shù)的主要因素9膜的水通量和脫鹽率是反滲透過程中關(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值因素的影響（1）壓給水壓

31、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(shí)產(chǎn)品水含鹽量下降,脫鹽率提高了（2）溫溫度對反滲透的運(yùn)行壓力、脫鹽率、壓降影響最為明顯。溫度上升,滲透性能增加,在一定水通量下要求的凈推動力減少,因此實(shí)際運(yùn)行壓力降低。同時(shí)溶質(zhì)透過速率也隨溫度 升高而增加,鹽透過量增加,直接表現(xiàn)為產(chǎn)品水電導(dǎo)率升高溫度對反滲透各段的壓降也有一定的影響,溫度升高,水的粘度降低,壓降減少,對于膜的通道由于污堵而使湍流程度增強(qiáng)的裝置,粘度對壓降的影響更為明顯（3）回收回收率對各段壓降有很大的影響,在進(jìn)水總流量保持一定的條件下,回收率增加,由于流經(jīng)反滲透高壓側(cè)的濃水流量減少,總壓降降低

32、,回收率減少,總壓降增大,實(shí)際運(yùn)行表明,回收率即使變化很小,如 1%,也會使總壓差產(chǎn)生 0. 02MPa左右的變化。回收率對產(chǎn)品水電導(dǎo)率的影響取決于鹽透過量和產(chǎn)品水量,一般說來,系統(tǒng)回收率增大,會增加濃水中的含鹽量,并相應(yīng)增加產(chǎn)品水的電導(dǎo)率（4）進(jìn)水含鹽對同一系統(tǒng)來說,給水含鹽量不同,其運(yùn)行壓力和產(chǎn)品水電導(dǎo)率也有差別,給水含鹽量每增加 l00ppm,進(jìn)水壓力需增加約 0.007MPa,同時(shí)由于濃度的增加,產(chǎn)品水電導(dǎo)率也相應(yīng)的增加（5）pH各種膜組件都有一個(gè)允許的 pH值范圍,即使在允許范圍內(nèi),pH值對產(chǎn)品水的電導(dǎo)率也有一定的影響,這是因?yàn)榉礉B透膜本身大都帶有一些活性基團(tuán),pH值可以影響膜表面的

33、電場進(jìn)而影響到離子的遷移,另一方面 pH值對進(jìn)水中雜質(zhì)的形態(tài)有直接影響,如對可離解的有機(jī)物,其截留率隨 pH值的降低而下降5 反滲透的流反滲透的流程是由反滲透的設(shè)計(jì)依據(jù)確定的5.1 反滲透的流程的設(shè)計(jì)依RO過程應(yīng)視為一個(gè)總的系統(tǒng),它包含各組成部分及依據(jù)。這些依據(jù)可作為設(shè)計(jì) RO系統(tǒng)時(shí)的入門指南。每一部分與每一交接處都將有合宜的操縱開關(guān)及連接,以保證系統(tǒng)的長期使用性能即可靠性。每一部分及每一系統(tǒng)均有可考慮滿足各個(gè)用戶需要的 經(jīng)濟(jì) /性能的折中辦法。我們沿與流程相反的方向來討論最終用途：首先的考慮是產(chǎn)品水的具體用途,它決定了為滿足用戶需要的水質(zhì)和水量。對飲用水,通常要求滿足大眾衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)或世界衛(wèi)生組

34、織標(biāo)準(zhǔn)。對超純 電子 工業(yè)用水,水電阻率需達(dá) 18Mcm。然而產(chǎn)品的性能并不嚴(yán)格的要超過所需值,因?yàn)楦哂谒璧漠a(chǎn)水量或產(chǎn)水水質(zhì)將增加產(chǎn)品水的費(fèi)用,產(chǎn)生明顯的負(fù)面影響后處理：在 RO透過液使用前,通常需要對其作些后處理。至少,需要脫氣以去除為控制結(jié)垢對進(jìn)料水酸化而產(chǎn)生的 CO2和進(jìn)行 pH調(diào)節(jié),以防止下游系統(tǒng)發(fā)生腐蝕。后處理的 要求取決于應(yīng)用,需按具體情況加以確定。對許多工業(yè)應(yīng)用,后處理包括采用樹脂除鹽和紫外線消毒。對城市應(yīng)用要附加 pH調(diào)節(jié)、脫氣及用氯消毒膜：膜為系統(tǒng)的心臟,其性能可受與膜本身及其構(gòu)型無關(guān)的一些因素的影響,例如預(yù)處理及系統(tǒng)的操作與維護(hù),然而,需根據(jù)進(jìn)料水的水質(zhì)及最終用途仔細(xì)考慮

35、選擇膜材料及膜構(gòu)型操作與維護(hù)：操作與維護(hù)是成功的系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。為了盡早的發(fā)現(xiàn)潛隱的 問題 ,須收集系統(tǒng)性能數(shù)據(jù)并定期 分析 。若發(fā)生了問題,應(yīng)該采用合宜的尋找故障的技術(shù),并與膜制造商和/或系統(tǒng)設(shè)計(jì)者切磋商量合宜的消除問題的措施。對不能控制的結(jié)垢、污染或堵塞,則需經(jīng)常清洗膜以保持膜的性能。在膜裝置中,這些物質(zhì)不可逆的積累將導(dǎo)致流體分布不均和產(chǎn)生濃差極化,這將造成膜通量與鹽截留率的減退,有時(shí)會使膜材料發(fā)生降解。這些導(dǎo)致了昂貴的膜單元的更換。已開發(fā)出的用于恢復(fù)因結(jié)垢或污染造成的不良的膜性能的技術(shù),若能及早的識別出膜需清洗,則這些技術(shù)是非常有效的。清晰劑可用以從膜裝置中將微粒、膠體、生物和有機(jī)物移出

36、。通常的做法是將清洗液按正向流動,低壓下通過膜裝置進(jìn)行循環(huán),直至污染物被去除。很少推薦進(jìn)行反洗高壓泵：高壓泵提供膜生產(chǎn)所需產(chǎn)水流量及水質(zhì)的壓力。常用泵的類型是單級、高速離心泵；柱塞泵；多級離心泵。通常單級離心泵效率最低,柱塞泵效率最高。對于小系統(tǒng)采用高速離心泵,對于大系統(tǒng)采用多級離心泵為佳預(yù)處理：預(yù)處理即垢的控制, 方法 有 pH值的調(diào)節(jié)、緩蝕劑軟化、微生物控制、氯化/脫氯,對懸浮固體、膠體、金屬氧化物、有機(jī)物等的去除5.2 預(yù)處理過總的來講反滲透系統(tǒng)是由預(yù)處理過程和膜分離過程組成的預(yù)處理過程是指被處理的料液在進(jìn)入膜分離過程前需采用的預(yù)先處理措施。預(yù)處理一般有物理處理、化學(xué)處理和光化學(xué)處理三種

37、。在預(yù)處理過程中可使用各種單元操作,也可以將幾種方法組合使用,預(yù)處理過程的好壞是反滲透膜的分離過程成敗的關(guān)鍵,因此必須嚴(yán)格認(rèn)真的做好預(yù)處理工作目前流行的方法主要有以下幾種（1）物理物理方法包括沉淀法或氣浮分離法,砂過濾、預(yù)涂層（助濾劑）過濾、濾筒過濾、精過濾等,活性炭吸附法,冷卻或加熱（2）化學(xué)化學(xué)方法包括氧化法：利用臭氧、空氣、氧、氯等氧化劑進(jìn)行氧化,還原法,pH值調(diào)節(jié) （3）光化學(xué)光化學(xué)預(yù)處理方法主要指紫外線照射采用哪一種預(yù)處理方法,不僅取決于料液的物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì),而且還要根據(jù)在膜分離過程中所用組件的類型構(gòu)造作出判斷。實(shí)際運(yùn)行中的故障,一方面是由于膜表面上的分離所帶來的直接污染；另

38、一方面與膜組件本身的構(gòu)造有關(guān)。預(yù)處理所需要達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)所用的膜件的不同也不一致5.3 反滲透膜分離常見的流反滲透膜分離工藝設(shè)計(jì)中常見的流程有如下幾種一級一段這種方式是料液進(jìn)入膜組件后,濃縮液和產(chǎn)水被連續(xù)引出,這種方式水的回收率不高,工業(yè)應(yīng)用較少。另一種形式是一級一段循環(huán)式工藝,它是將濃水一部分返回料液槽,這樣濃溶液的濃度不斷提高,因此產(chǎn)水量大,但產(chǎn)水水質(zhì)下降一級多段當(dāng)用反滲透作為濃縮過程時(shí),一次濃縮達(dá)不到要求時(shí),可以采用這種多步式方式,這種方式濃縮液體體積可減少而濃度提高,產(chǎn)水量相應(yīng)加大兩級一段當(dāng)海水除鹽率要求把 NaCl從 35000 mg/L降至 500mg/L時(shí),則要求除鹽率高達(dá) 9

39、8.6%如一級達(dá)不到時(shí),可分為兩步進(jìn)行。即第一步先除去 NaCl 90%,而第二步再從第一步出水中去除 NaCl 89%,即可達(dá)到要求。如果膜的除鹽率低,而水的滲透性又高時(shí),采用兩步法比較經(jīng)濟(jì),同時(shí)在低壓低濃度下運(yùn)行時(shí),可提高膜的使用壽命多級反滲透流在此流程中,將第一級濃縮液作為第二級的供料液,而第二級濃縮液再作為下一級的供料液,此時(shí)由于各級透過水都向體外直接排出,所以隨著級數(shù)增加水的回收率上升,濃縮液體體積減少濃度上升。為了保證液體的一定流速,同時(shí)控制濃差極化,膜組件數(shù)目應(yīng)逐漸減少當(dāng)然,在選擇流程時(shí),對裝置的整體壽命、設(shè)備費(fèi)、維護(hù)管理、技術(shù)可靠性也必須考慮。例如,需將高壓一級流程改為兩級時(shí),

40、那么就有可能在低壓下運(yùn)行,因而對膜、裝置、密封、水泵等方面均有益處6 反滲透技術(shù)在城市污水的應(yīng) 反滲透技術(shù)是 20世紀(jì) 60年代初發(fā)展起來的以壓力為驅(qū)動力的膜分離技術(shù)。該技術(shù)是從海水、苦咸水淡化而發(fā)展起來的,通常稱為“淡化技術(shù)”。由于反滲透技術(shù)具有無相變、組件化、流程簡單、操作方便、占地面積小、投資省、耗電低等優(yōu)點(diǎn),因此在水處理中得到了大量的運(yùn)用。目前反滲透技術(shù)已廣泛應(yīng)用于海水苦咸水淡化,純水、超純水制備,化工分離、濃縮、提純等領(lǐng)域。工程遍布電力、電子、化工、輕工、煤炭、環(huán)保、醫(yī)藥、食品等行業(yè)6.1 在美國反滲透法生活污水處理1在美國,反滲透法曾作為生活污水是一種深度處理方法而進(jìn)行 研究 。過

41、去深度處理一般是將污水的二級處理的排水(活性污泥生化處理后的出水)再進(jìn)行混凝、過濾、活性炭吸附處理等,但對除鹽過程卻一直未予考慮。目前由于全球性水源緊張,各國都在大力推行節(jié)約用水,在大型工業(yè)城市,將城市污水處理后再回用于工業(yè)是今后的發(fā)展方向?；?qū)⒊鞘形鬯疃忍幚砗笞鳛榇笮徒ㄖ?、家庭洗刷的用水、灌溉及綠化用水,即“中水”來源。以往的除鹽方法主要有離子交換樹法和電滲析法,但這些方法不能去除水中的有機(jī)物及不溶性雜質(zhì),把反滲透法作為彌補(bǔ)這一不足的一種方法,并進(jìn)行研究,其中加里福尼亞的波莫納(Pomona) 的試驗(yàn)是與聯(lián)邦污水管理局(FWPCA)進(jìn)行協(xié)作,主要是確定反滲透的脫鹽效果、對有機(jī)物及富營養(yǎng)化成分的去除程度,還對運(yùn)行中防止污染的方法及經(jīng)濟(jì)性作出評價(jià),波莫納的試驗(yàn)流程如圖 1所示。試驗(yàn)分兩組進(jìn)行,第一組用 85個(gè)膜組件,第二組用 68個(gè)膜組件,