反滲透內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理

關(guān)于反滲透內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理第一頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日一、反滲透脫鹽的原理在一定的溫度下，用一張易透水而難透鹽的半透膜將淡水和鹽水隔開〔如圖(a)〕，淡水即透過半透膜向鹽水方向移動，隨著右室鹽水側(cè)液位升高，產(chǎn)生一定的壓力，阻止左室淡水向鹽水側(cè)移動，最后達(dá)到平衡，如圖(b)所示。此時的平衡壓力稱為溶液的滲透壓，這種現(xiàn)象稱為滲透現(xiàn)象。若在右室鹽水側(cè)施加一個超過滲透壓的外壓〔如圖(c)〕，右室鹽溶液中的水便透過半透膜向左室淡水中移動，使淡水從鹽水中分離出來，此現(xiàn)象與滲透現(xiàn)象相反，稱反滲透現(xiàn)象。由此可知，反滲透脫鹽的依據(jù)是①半透膜的選擇透過性，即有選擇地讓水透過而不允許鹽透過；②鹽水室的外加壓力大于鹽水室與淡水室的滲透壓力，提供了水從鹽水室向淡水室移動的推動力。一些溶液的典型滲透壓力見下表。第二頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日反滲透現(xiàn)象圖解(a)滲透；(b)滲透平衡；(c)反滲透第三頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日化合物 濃度/(mg/L) 滲透壓/kPa化合物濃度/(mg/L)滲透壓/kPaNaCl

35000

2742.2

CaCl2

1000

57.19NaCl

1000

78.55

蔗糖

1000

7.23NaHCO3

1000

88.2

葡萄糖

1000

13.78Na2SO4

1000

41.34

海水

32000

2400MgSO4

1000

24.80

苦咸水

2～5000

105～280MgCl2

1000

66.83

上述用于隔離淡水與鹽水的半透膜稱為反滲透膜。反滲透膜多用高分子材料制成，目前，用于火電廠的反滲透膜多為芳香聚酰胺復(fù)合材料制成。第四頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日RO（ReverseOsmosis）反滲透技術(shù)是利用壓力差為動力的膜分離過濾技術(shù)，其孔徑小至納米級（1納米=10-9米），在一定的壓力下，H2O分子可以通過RO膜，而源水中的無機(jī)鹽、重金屬離子、有機(jī)物、膠體、細(xì)菌、病毒等雜質(zhì)無法透過RO膜，從而使可以透過的純水和無法透過的濃縮水嚴(yán)格區(qū)分開來。反滲膜的工作原理圖如下：

第五頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日二、反滲透膜的主要特性

1膜分離的方向性和分離特性實用性反滲透膜均為非對稱膜，有表層和支撐層，它具有明顯的方向性和選擇性。所謂方向性就是將膜表面置于高壓鹽水中進(jìn)行脫鹽，壓力升高膜的透水量、脫鹽率也增高；而將膜的支撐層置于高壓鹽水中，壓力升高脫鹽率幾乎為0，透水量卻大大增加。由于膜具有這種方向性，應(yīng)用時不能反向使用。反滲透對水中離子和有機(jī)物的分離特性不盡相同，歸納起來大致有以下幾點(diǎn)：（1）有機(jī)物比無機(jī)物容易分離。（2）電解質(zhì)比非電解質(zhì)容易分離。高電荷的電解質(zhì)更容易分離，其去除率順序一般如下：Al3+>Fe3+>Ca2+>Na+PO43->SO42->Cl-對于非電解質(zhì)，分子越大越容易去除。（3）無機(jī)離子的去除率與離子水合狀態(tài)中的水合物及水合離子半徑有關(guān)。水合離子半徑越大，越容易被除去，去除率順序如下：Mg2+、Ca2+>Li+>Na+>K+；F->Cl->Br->NO3-（4）對極性有機(jī)物的分離規(guī)律：醛>醇>胺>酸，叔胺>仲胺>伯胺，檸檬酸>酒石酸>蘋果酸>乳酸>醋酸；第六頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日（5）對異構(gòu)體：叔（tert-）>異（iso-）>仲（sec-）>原（pri-）（6）有機(jī)物的鈉鹽分離性能好，而苯酚和苯酚的衍生物則顯示了負(fù)分離。極性或非極性、離解或非離解的有機(jī)溶質(zhì)的水溶液，當(dāng)它們進(jìn)行膜分離時，溶質(zhì)、溶劑和膜間的相互作用力，決定了膜的選擇透過性，這些作用包括靜電力、氫鍵結(jié)合力、疏水性和電子轉(zhuǎn)移四種類型。（7）一般溶質(zhì)對膜的物理性質(zhì)或傳遞性質(zhì)影響都不大，只有酚或某些低分子量有機(jī)化合物會使醋酸纖維素在水溶液中膨脹，這些組分的存在，一般會使膜的水通量下降，有時還會下降的很多。（8）硝酸鹽、高氯酸鹽、氰化物、硫代氰酸鹽的脫除效果不如氯化物好，銨鹽的脫除效果不如鈉鹽。（9）而相對分子質(zhì)量大于150的大多數(shù)組分，不管是電解質(zhì)還是非電解質(zhì)，都能很好脫除。此外，反滲透膜對芳香烴、環(huán)烷烴、烷烴及氯化鈉等的分離順序是不同的。在實際工作中，有許多工作是相互制約的。因此在理論指導(dǎo)的前提下，必須進(jìn)行試驗驗證，掌握物質(zhì)的特性或規(guī)律，正確運(yùn)用反滲透技術(shù)，這點(diǎn)是十分重要。第七頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日

2、反滲透水處理裝置

反滲透水處理裝置是包括從保安過濾器的進(jìn)口法蘭至反滲透淡水出水法蘭之間的整套單元設(shè)備。包含保安過濾器、高壓泵、反滲透本體裝置、電氣、儀表及連接管線、電纜等可獨(dú)立運(yùn)行的裝置。此外包含化學(xué)清洗裝置和反滲透阻垢劑加藥裝置。2.1保安過濾器為保證反滲透本體的安全運(yùn)行，即使有良好的預(yù)處理系統(tǒng)，仍需要設(shè)置精密過濾設(shè)備，起安全保障作用，故稱之為保安過濾器（也有技術(shù)資料中稱精密過濾器）。在反滲透系統(tǒng)中，保安過濾器不應(yīng)作為一般運(yùn)行過濾器使用，僅應(yīng)作保安過濾使用，通常設(shè)在高壓泵之前。保安過濾器有多種結(jié)構(gòu)形式，常用如圖3-5所示，濾元固定在隔板上，水自中部進(jìn)入保安過濾器內(nèi)，隔板下部出水室引出，雜質(zhì)被阻留在濾元上。反滲透水處理系統(tǒng)選擇的過濾精度一般為5μm。這種濾元的優(yōu)點(diǎn)是過濾精度高，制造方便，價格便宜，使用安全，雜質(zhì)不易穿透，但反洗和化學(xué)清洗效果不明顯，只能一次性使用，當(dāng)運(yùn)行壓差達(dá)到0.2MPa左右時需要更換濾元。第八頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日進(jìn)水出水濾元出水室排污閥圖3-5保安過濾器第九頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日2.2高壓泵反滲透膜運(yùn)行時，需要經(jīng)高壓泵將水升至規(guī)定的壓力后送入，才能完成脫鹽過程。目前火電廠使用的高壓泵有離心式、柱塞式和螺桿式等多種形式，其中，多級離心式水泵使用最廣泛。這種泵的特點(diǎn)是效率較高，可以達(dá)到90%以上，節(jié)省能耗。2.3反滲透本體反滲透本體是將反滲透膜組件用管道按照一定排列方式組合、連接而成的組合式水處理單元。單個反滲透膜稱膜元件，將一只或數(shù)只反滲透膜元件按一定技術(shù)要求串接，與單只反滲透膜殼組裝構(gòu)成膜組件。（1）膜元件反滲透膜元件由反滲透膜和支撐材料等制成的具有工業(yè)使用功能的基本單元。目前在火電廠中應(yīng)用的主要是卷式膜元件。目前各膜制造商針對不同行業(yè)用戶，生產(chǎn)出多種用途的膜元件。在火電廠應(yīng)用的膜元件按照水源特點(diǎn)大致可分為：高壓海水脫鹽反滲透膜元件；低壓和超低壓苦咸水脫鹽反滲透膜元件；抗污染膜元件。下表中分別列出了這幾種膜的性能參數(shù)對比。第十頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日膜元件類型海水膜元件SW30HR系列低壓苦咸水膜元件（包含抗污染膜）BW30系列超低壓苦咸水膜元件XLE系列進(jìn)水壓力（(bar)25105脫鹽率(%)99.799.498.6測定條件膜通量30L/(m2.h)，2000mg/LNaCl溶液，25℃，pH7～8，回收率10%，4英寸長膜元件圖3-7卷式膜元件斷面圖進(jìn)水出水淡水淡水剛性支撐層超薄脫鹽層支撐織物進(jìn)水出水第十一頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日我廠所使用的膜元件型號為BW30-400/34i，30表示水流通道為30mil，400表示有效面積為400ft2，制造單位為陶氏，每套反滲透共有168根膜組件，每根1米，材料為聚丙烯酰胺。膜元件的基本要求是：A、盡可能高的膜裝填密度。B、不易濃差極化C、抗污染能力強(qiáng)D、清洗和更換膜方便E、價格便宜（2）膜殼反滲透本體裝置中用來裝載反滲透膜元件的承壓容器稱為膜殼，又稱“壓力容器”，制造單位為海德能，每根壓力容器長大約7米。膜殼的外殼一般由環(huán)氧玻璃鋼布纏繞而成，外刷環(huán)氧漆。也有部分生產(chǎn)商的產(chǎn)品為不銹鋼材質(zhì)的膜殼。由于玻璃鋼具有較強(qiáng)的耐腐蝕性能，目前，國內(nèi)大多數(shù)火電廠選用玻璃鋼材質(zhì)的膜殼。我廠壓力容器的材質(zhì)為玻璃鋼，英文縮寫為FRP。第十二頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日膜組件BW30（LE）—365（FR）抗污染膜元件膜元件有效面積(平方英尺)火電廠常用規(guī)格如下：BW30：365、400；SW：320、380；BW30LE：440LE：低壓低耗能(對應(yīng)BW)HR：高脫鹽率(對應(yīng)SW)FT30系列膜片TW：低含鹽量水膜元件BW：苦咸水膜元件SW：海水膜元件第十三頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日三、影響反滲透水處理系統(tǒng)性能的因素針對特定的系統(tǒng)條件，水通量和脫鹽率是反滲透膜的特性，而影響反滲透本體的水通量和脫鹽率因素較多，主要包括壓力、溫度、回收率、進(jìn)水含鹽量和pH值等影響因素。（1）壓力的影響反滲透進(jìn)水壓力直接影響反滲透膜的膜通量和脫鹽率。如圖所示，膜通量的增加與反滲透進(jìn)水壓力呈直線關(guān)系；脫鹽率與進(jìn)水壓力成線性關(guān)系，但壓力達(dá)到一定值后，脫鹽率變化曲線趨于平緩，脫鹽率不再增加。第十四頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日（2）溫度影響如圖所示，脫鹽率隨反滲透進(jìn)水溫度的升高而降低。而產(chǎn)水通量則幾乎呈線性地增大。主要是因為，溫度升高，水分子的粘度下降，擴(kuò)散能力強(qiáng)，因而產(chǎn)水通量升高；隨著溫度的提高，鹽分透過反滲透膜的速度也會加快，因而脫鹽率會降低。原水溫度是反滲透系統(tǒng)設(shè)計的一個重要參考指標(biāo)。如某電廠在進(jìn)行反滲透工程技改時，設(shè)計時原水水溫按25℃計算，計算出來的進(jìn)水壓力為1.6MPa，而系統(tǒng)實際運(yùn)行時水溫只有8℃，進(jìn)水壓力必須提高至2.0MPa才能保證淡水的設(shè)計流量。導(dǎo)致的后果是，系統(tǒng)運(yùn)行能耗增加，反滲透裝置膜組件內(nèi)部密封圈壽命變短，增大了設(shè)備的維護(hù)量。第十五頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日（3）含鹽量的影響水中鹽濃度是影響膜滲透壓的重要指標(biāo)，隨著進(jìn)水含鹽量的增加，膜滲透壓也增大。圖3-18所示，在反滲透進(jìn)水壓力不變的情況下，進(jìn)水含鹽量增加，因滲透壓的增加抵銷了部分進(jìn)水推動力，因而通量變低，同時脫鹽率也變低。第十六頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日（4）回收率的影響反滲透系統(tǒng)回收率的提高，會使膜元件進(jìn)水沿水流方向的含鹽量更高，從而導(dǎo)致膜滲透壓增大，這將抵消反滲透進(jìn)水壓力的推動作用，從而使降低了產(chǎn)水通量。膜元件進(jìn)水含鹽量的增大，使淡水中的含鹽量隨之增加，從而降低了脫鹽率。如圖3-19回收率對膜通量和脫鹽率影響的趨勢。含鹽量產(chǎn)水通量(壓力一定)圖3-18含鹽量對膜通量和脫鹽率影響趨勢圖圖3-19回收率對膜通量和脫鹽率影響趨勢圖圖3-20pH值對膜通量和脫鹽率影響趨勢圖脫鹽率(壓力一定)脫鹽率(壓力一定)脫鹽率(壓力一定)產(chǎn)水通量(壓力一定)脫鹽率(壓力一定)產(chǎn)水通量(壓力一定)回收率pH值在系統(tǒng)設(shè)計中，反滲透系統(tǒng)最大回收率并不取決于取決于滲透壓的限制，往往取決于原水中的鹽分的成分和含量大小，因為隨著回收率的提高，微溶鹽類如碳酸鈣、硫酸鈣和硅等在濃縮過程中會發(fā)生結(jié)垢現(xiàn)象。第十七頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日（5）pH值的影響不同種類的膜元件適用的pH值范圍差別較大，如醋酸纖維膜在pH值4～8的范圍內(nèi)產(chǎn)水通量和脫鹽率趨于穩(wěn)定，在pH值低于4或高于8的區(qū)間內(nèi)，受影響較大。目前工業(yè)水處理使用的膜材料絕大多數(shù)為復(fù)合材料，適應(yīng)的pH值范圍較寬（連續(xù)運(yùn)行情況下pH值可以控制在3～10的范圍），在此范圍內(nèi)的膜通量和脫鹽率相對穩(wěn)定，如圖3-20所示。第十八頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日四、反滲透膜預(yù)處理方法反滲透膜過濾方式與濾床式過濾器過濾不同，濾床是全過濾方式，即原水全部通過濾層。而反滲透膜過濾是橫流過濾方式（如圖3-21反滲透膜橫向過濾示意圖），即原水中的一部分水沿與膜垂直方向透過膜，此時鹽類和各種污染物被膜截流下來，并被沿膜與膜面平行方向流動的剩余的另一部分原水?dāng)y帶出，但污染物并不能完全帶出，隨著時間的推移，殘留的污染物會會使膜元件污染加重，而且原水污染物及回收率越高，膜污染越快。第十九頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日1結(jié)垢控制當(dāng)原水中的難溶鹽在膜元件內(nèi)不斷被濃縮且超過其溶解度極限時，它們就會在反滲透膜表面上沉淀，我們稱之為“結(jié)垢”。當(dāng)水源確定后，隨著反滲透系統(tǒng)的回收率的提高，結(jié)垢的風(fēng)險就越大。目前出于水源短缺或排放廢水對環(huán)境影響考慮，提高回收率是一種習(xí)慣做法，在這種情況下，考慮周全的結(jié)垢控制措施尤為重要。在反滲透系統(tǒng)中，常見的難溶鹽為CaCO3、CaSO4和SiO2，其他會產(chǎn)生結(jié)垢的化合物為CaF2、BaSO4、SrSO4和Ca3(PO4)2。常用的阻垢方法是加阻垢劑。我車間用的阻垢劑為納爾科的PC191，歐美的NP200。2膠體和固體顆粒污染的控制膠體和顆粒污堵會嚴(yán)重影響反滲透膜元件的性能，如大幅度降低淡水產(chǎn)量，有時也會降低脫鹽率，膠體和顆粒污染的初期癥狀是反滲透膜組件進(jìn)出水壓差增加。判斷反滲透膜元件進(jìn)水膠體和顆粒最通用的辦法是測量水中的SDI值，有時也稱FI值（污染指數(shù)），它是監(jiān)測反滲透預(yù)處理系統(tǒng)運(yùn)行情況的重要指標(biāo)之一。

第二十頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日

SDI（淤泥密度指數(shù)）是以單位時間內(nèi)水濾過速度的變化來表示水質(zhì)的污染性。水中膠體和顆粒物的多少會影響SDI大小。SDI值可用SDI儀來測定。3膜微生物污染控制原水中微生物主要包括：細(xì)菌、藻類、真菌、病毒和其他高等生物。反滲透過程中，微生物伴隨水中溶解性營養(yǎng)物質(zhì)會在膜元件內(nèi)不斷濃縮和富集，成為形成生物膜的理想環(huán)境與過程。反滲透膜元件的生物污染，將會嚴(yán)重影響反滲透系統(tǒng)的性能，出現(xiàn)反滲透組件間的進(jìn)出口壓差迅速增加，導(dǎo)致膜元件產(chǎn)水量下降，有時產(chǎn)水側(cè)會出現(xiàn)生物污染，導(dǎo)致產(chǎn)品水受污染。如某些火電廠反滲透裝置在檢修時發(fā)現(xiàn)，膜元件及淡水管側(cè)長滿綠青苔，這是一種典型的微生物污染。膜元件一旦出現(xiàn)微生物污染并產(chǎn)生生物膜，對膜元件的清洗就非常困難。此外，沒有徹底清除的生物膜將引起微生物的再次快速的增長。因此微生物的防治也是預(yù)處理的最主要任務(wù)之一，尤其是對于以海水、地表水和廢水作為水源的反滲透預(yù)處理系統(tǒng)。第二十一頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日防止膜微生物的方法主要有：加氯、微濾或超濾處理、臭氧氧化、紫外線殺菌、投加亞硫酸氫鈉。在火電廠水處理系統(tǒng)常用的方法是加氯殺菌和在反滲透前采用超濾水處理技術(shù)。氯作為一種滅菌劑，它能夠使許多致病微生物快速失活。氯的效率取決于氯的濃度、水的pH值和接觸時間。在工程應(yīng)用中，水中余氯一般