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1、第8章 反渗透膜分离技术,Reverse Osmosis,8.1 反渗透分离技术的基本原理8.2 反渗透膜及其性能8.3 反渗透装置及其性能8.4 反渗透工艺流程8.5 反渗透工艺流程,2023/2/10,水污染控制工程,2,8.1 反渗透分离技术的基本原理,1.理想半渗透膜 只能允许溶剂分子通过，而不允许溶质的分子通过的膜，称为理想半透膜,2.渗透与渗透平衡,2023/2/10,水污染控制工程,3,2.反渗透的原理,渗透和反渗透原理示意图,半透膜,开始时两边液面相同,由于浓度差存在，半透膜又不允许溶质通过，所以水透过膜，使浓水一边液面升高，产生渗透压,在浓水边加压，当压力超过渗透压时，则水透
2、过半透膜，即反渗透，实现净化过程。,2023/2/10,水污染控制工程,4,一种只能透过溶剂而不能透过溶质的膜称为半透膜。当把溶剂和溶液(或把两种不同浓度的溶液)分别置于此膜的两侧时，纯溶剂将自然穿过半透膜而自发地向溶液(或从低浓度溶液向高浓度溶液)一侧流动，这种现象叫做渗透。此H称为该溶液的渗透压。,=iRTc,若在溶液的液面上再施加一个大于 的压力P时，溶剂将与原来的渗透方向相反，开始从溶液向溶剂一侧流动，这就是所谓的反渗透。,凡基于此原理所进行的浓缩或纯化溶液的分离方法，一般称之为反渗透工艺。反渗透是渗透的一种反向迁移运动，它主要是在压力推动下，借助半透膜的截留作用，迫使溶液中的济剂与溶
3、质分开。,2023/2/10,水污染控制工程,5,任何溶液都有渗透压，其值为:,范特霍夫系数；对电解质溶液，等于离解的阴阳离子总数；对非电解质溶液，=1,溶液的渗透压力，Pa；R理想气体常数，8.314J(molK)；ci溶质 i 的浓度，molm3；T绝对温度，K；,渗透压是选择操作压力和设计反渗透的重要依据,2023/2/10,水污染控制工程,6,例如：,25时，3.5%NaCI溶液的海水的渗透压力为2.8MPa,25时，0.1%NaCI苦咸水的渗透压力为0.08MPa,苦咸水和海水淡化，反渗透系统采用的压力为平衡渗透压的420倍，对海水的操作压力可达成10MPa,对苦咸水和废水的操作压力
4、可达4MPa。,a.在常温不发生相变化的条件下，可以对溶质和水进行分离，适用于对热敏感物质的分离、浓缩，与有相变化的分离方法相比，能耗较低。b.杂质去除范围广，不仅可以去除溶解的无机盐类，而且还可以去除各类有机物杂质。c.分离装置简单，容易操作、自控和维修。d.反渗透装置要在高压下运转，须配置高压泵和耐高压的管路。e.反渗透装置要求进水要达到一定的指标才能正常运行，原水在进反渗透膜器之前要采用一定的预处理措施。为了延长膜的使用寿命，还要定期对膜进行清洗，以清除污垢。,4.反渗透膜分离技术的特点,2023/2/10,水污染控制工程,8,（4）膜的水解作用和生物分解作用CA膜是一种酯，易于水解，水
5、解速率与pH值和水的温度有关。一般在碱性介质中的水解速率比在酸性介质中大，在pH4.55.2时最低。,3.芳香族聚酰胺类薄膜复合膜(TFC)膜,薄膜复合膜是将完全不同的材料浇铸在一多孔聚砜支撑层上制成。,特点：不易被压密；化学稳定性好、耐生物降解、操作压力低、高脱盐率、高通量等优点；不耐氯及其他氧化剂、抗污染和抗结垢的性能差。,1.对反渗透膜的性能要求选择性好，单位膜面积上透水量大，脱盐率高；机械强度好，能抗压、抗拉、耐磨；热和化学的稳定性好，能耐酸、碱腐蚀和微生物侵蚀，耐水解、辐射和氧化；结构均匀一致，尽可能地薄，寿命长，成本低。,8.2 反渗透膜的种类及性能,2.反渗透膜的分类,按成膜材料
6、可分为有机膜和无机高聚物膜；按膜的形状可分为平板状、管状、中空纤维状膜；按膜结构可分为多孔性和致密性膜，或对称性(均匀性)和不对称性(各向异性)结构膜；按应用对象可分为海水淡化用的海水膜、咸水淡化用的咸水膜及用于废水处理、分离提纯等的膜。,3.醋酸纤维素膜的结构及性能,(1)膜的结构醋酸纤维素是没有强烈氢键的无定形链状高分子化合物。制膜过程是将其溶解在丙酮中并加入甲酰胺作添加剂，经混合调制、过滤、铸塑成型，然后再经蒸发、冷水浸渍、热处理，即可得到醋酸纤维素(cellulose acetate,CA)膜。外观为乳白色、半透明，有一定的韧性，膜厚l00250m。,2023/2/10,水污染控制工程
7、,12,这种膜有不对称结构，表面结构致密，孔隙很小，通称为表皮层或致密层、活化层；下层结构较疏松，孔隙较大，通称为多孔层或支撑层。示意CA膜是被水充分溶胀了的凝胶体。由于铸膜液中的所有添加剂及溶剂在制膜过程中先后被除去，膜中仅含水分。链接,醋酸纤维素膜的结构示意图,99,表皮层，孔径（810）1010m,过渡层，孔径2001010m,多孔层，孔径（10004000）1010m,1%,显微镜下膜的照片,在相对湿度为100时，膜的含水量高达60，其中表皮层只含1020，且主要是以氢键形式结合的所谓一级结合水和少量的二级结合水。多孔层中除上述两种结合水外，较大的孔隙中还充满着毛细管水，此层中含水率较
8、高。正由于膜中存在这几种不同性质的水，决定了CA膜具有良好的脱盐性能和适宜的透水性能。膜必须保存在水中。,(2)CA膜的性质,膜的方向性：由于CA膜是一种不对称膜，因此，在进行反渗透时，必须保持表层与待处理的溶液或废水接触，而决不能倒置，否则达不到处理的目的。选择透过性：CA膜对无机电解质和有机物具有选择透过性。,对电解质，离子价越高，或同价离子水合半径越大，脱除效果越好。阳离子的脱除顺序为：Sr2+Ba2+Li+Na+K+阴离子的脱除顺序为：柠檬酸根酒石酸根SO42-CH3COO-Cl-Br-NO3-I-SCN-,对有机物，一般是水溶性好的、非解离性的、分子量小的脱除效果较差。而解离性大的、
9、分子量大于200的有机物，脱除效果较好。对同一类有机物，随分子量增大，脱除效率增加。对同分子量有机物，随分子支链的增加，脱除效果变得更好。,2023/2/10,水污染控制工程,18,对有机物，一般是水溶性好的、非解离性的、分子量小的脱除效果较差。而解离性大的、分子量大于200的有机物，脱除效果较好。对同一类有机物，随分子量增大，脱除效率增加。对同分子量有机物，随分子支链的增加，脱除效果变得更好。,压密效应：CA膜在压力作用下，外观厚度一般减少2550，同时，透水性及对溶质的脱除率也相应降低，这种现象称为膜的压密效应。这种塑性变形是不可逆的，因此膜的性能在压力消失后不会恢复。膜的水解作用和生物分
10、解作用：CA膜是一种酯，易于水解，水解速率与pH值和水的温度有关。一般在碱性介质中的水解速率比在酸性介质中大，在 pH 4.55.2时最低。,2023/2/10,水污染控制工程,20,（3）反渗透膜的透过机理,1）氢键理论该理论认为，水透过膜是由于水分子和膜的活化点形成氢键及断开氢键的过程。即在高压作用下，溶液中水分子和膜表皮层活化点缔合，原活化点上的结合水解离出来，解离出来的水分子继续和下一个活化点缔合，又解离出下一个结合水。水分子通过一连串的缔合解离过程，依次从一个活化点转移到下一个活化点，直至离开表皮层，进入多孔层。,2023/2/10,水污染控制工程,21,2)优先吸附毛细管流理论该理
11、论把反渗透膜看作一种微细多孔结构物质，它有选择性吸附水分子而排斥溶质分子的化学特性。当水溶液同膜接触时，膜表面优先吸附水分子，在界面上形成一层不含溶质的纯水分子层，其厚度视界面性质而异，或为单分子层或为多分子层。在外压作用下，界面水层在膜孔内产生毛细管流连续地透过膜。,2023/2/10,水污染控制工程,22,3)溶解-扩散机理由于溶剂与溶质在膜中的溶解，然后在化学位差的推动力下，从膜的一侧向另一侧进行扩散，直至透过膜。溶剂（水）主要受压力差影响透过膜，溶质（盐）主要受浓度差影响透过膜，反渗透推动力是压力，随压力升高，透水量增大，随进水侧盐浓度升高，透盐率上升，纯水侧盐浓度上升。,2023/2
12、/10,水污染控制工程,23,4.反渗透膜的基本性能,透水率（或水通量，flux flow）单位时间、单位膜面积上纯水的透过量，用J w表示:25时：,A膜的水渗透系数，cm3/(cm2sMPa);P膜两测压力差，MPa;膜两测液体渗透压差，当用纯水进行试验时，=0，MPa；V试验装置透过液体积，cm3;S膜面积，cm2；t试验所用时间，s;,2023/2/10,水污染控制工程,24,透盐率（或盐通量，salt passage）和脱盐率（salt rejection ratio）盐通过反渗透膜的速度，用J s表示:,B膜的盐透过系数，C1膜高压侧膜面处水中盐的浓度g/L，;C2膜低压侧水中盐的
13、浓度g/L，;,而脱盐率为：,8.3 反渗透膜组件及性能,将膜和支撑材料以某种形式组成的一个基本单元设备，称为膜元件（membrane element)。一个或数个膜元件按一定的技术要求连接，装在单支承压膜壳（压力容器，pressure vessel),可以在外界压力下实现对水中各组分分离的器件称为膜组件（membrane modules）。反渗透膜组件有板框式（plate and frame)、管式(tubular modules)、螺旋卷式(spirals wound)和中空纤维式(hollow fiber)等四种。,1反渗透膜组件的分类,2反渗透膜组件的性能,1)对膜能提供适当的机械支撑
14、，以便承受一定的给水的压力；2)能使给水、浓水和产品水各行其道，不混合；3)使有一定压力的给水在通过膜面上时能均匀分布和有良好的流动状态，使浓差极化降至最低；4)膜本身具有的脱盐率和透水量能在构型中得到充分的利用；5)膜面积能得到最大限度的利用；6)便于贮存、运输、装卸和更换；7)制造、维护方便、牢固且安全可靠；8)价格有竞争力，,3反渗透系统的常用术语,淡水 又称渗透水、产水，是反渗透系统的净化水。供水 又称给水、是进入反渗透膜系统的供给水源。浓水 又称盐水，是反渗透膜系统的浓缩废液。半透膜 允许溶液中溶剂透过而溶质却不能透过的膜。产水量 膜元件、膜组件系列或系统每小时生产淡水的能力。段 膜
15、组件的浓水流经下一组膜组件处理，流经几组膜组件即为几段。,级 膜组件的产水流经下一组膜组件处理，产品水流经几组膜组件处理，即为几级。水通量 单位时间内透过膜元件（组件）单位膜面积的水量。回收率 淡水与供水之比脱盐率 表示反渗透装置或膜元件对盐分（或者特定组分）的脱盐能力，其计算公式为：,污泥密度指数 又称淤塞指数（SDI）、污染指数（FI）指在一定压力和标准间隔时间内，一定体积的水样通过微孔滤膜的阻塞率。TDS 水中总溶解固体，单位（mg/L)。,浓差极化 反渗透装置在运行过程中，淡水透过膜后膜界面层浓水中含盐量增大，和进水之间往往会产生浓度差，严重时会形成很高的浓度梯度的现象，成为浓差极化。
16、,2023/2/10,水污染控制工程,30,（1）板框式反渗透膜组件,装配图,3反渗透膜组件,进水,透过水,浓缩水,耐压容器,透水板,半透膜,板框式膜组件工作过程示意图,特点：结构简单，体积比管式的小。,缺点：装卸复杂，单位体积膜表面积小。,（2）管式反渗透膜组件,管式膜组件又分为内压式和外压式,内压式管式膜组件的内部结构示意图,特点:水力条件好，安装、清洗、维修比较方便。能耐高压，可以处理高粘度的原水。缺点是膜的有效面积小，装置体积大，而且两端要较多的联结装置。,淡水,淡水,膜表皮层,玻璃纤维管,进水,（3）螺旋卷式反渗透膜组件,密封,密封,密封,螺旋卷式膜组件一个膜叶结构示意图,多孔透水材
17、料,膜，上下两层,膜叶,透水网状材料,透过水,浓水,进水,螺旋卷式膜组件组合示意图,膜组件的组装示意图,进水口,耐压容器,连接器,膜组件,密封圈,端盖,透过液,浓缩液,螺旋卷式反溶透装置的特点：,结构紧凑，单位容积的膜面积大。处理能力高，占地面积小，操作方便。缺点是不能处理含有悬浮物的液体，原水流程短，压力损失大，浓水难于循环以及密封长度大，清洗、维修不方便，易堵塞。,（4）中空纤维式反渗透膜组件,中空纤维膜组件是由中空纤维膜制成的。中空纤维外径50200m，内径2542m。将数万至数十万根中空纤维制成膜束，膜束外侧覆以保护性格网，内部中间放置供分配原水用的多孔管，膜束两端用环氧树脂加固。将其
18、一端切断，使纤维膜呈开口状，并在这一侧放置多孔支撑板。将整个膜束装在耐压筒内。,（4）中空纤维式反渗透膜组件,中空纤维反渗透组件简图,进水,浓水,透过水,多孔进水管,浓水出口,淡水出口,密封,中空纤维膜外径50200内径2542,密封,耐压容器,中空纤维为U形的膜组件,中空纤维式膜组件的特点：,单位体积膜表面积大。制造和安装简单，不需要支撑物。缺点是不能用于处理含有悬浮物的废水，预处理必须经过滤处理。难以发现损坏的膜。,2023/2/10,水污染控制工程,45,4.四种反渗透装置的性能及操作特点,工业应用的反渗透装置,工业应用的反渗透装置的膜组件之间的连接,一级流程 指有效膜面积保持不变时，原
19、水一 次通过反渗透器便能达到要求的流程。,一级多段流程 反渗透处理水时，如果一次处 理水回收率达不到要求，可将浓水作为第二段给水，依此类推。,二级流程 当一级流程出水水质达不到要求时，可采用二级流程的方式。把一级流程得到的产水，作为二级的进水 进行再次淡化。,8.4 反渗透装置及其基本流程,一级一段的不同方式,一级一段连续式,一级一段循环式,可保证出水水质，但水回收率低,可以提高水的回收率，但出水水质有可能下降,一级多段连续式,水回收率高，浓缩液量少，浓度高，有利于回收其中的有用物质。但出水水质差。,一级多段循环式,浓缩液浓度高，出水水质较好。,二级五段连续式,第二级,第一级,膜组件排列组合的
20、原则：,必须限制膜元件的最高进水流量（速）防止膜元件的压降过大，损坏膜元件。,必须限制膜元件的最大透水流量（速）防止膜表面污染速度加快。,必须使浓水流量大于最低浓水流量（速）减少浓差极化。,最低浓水流量和浓水的最大防结垢浓度系统的回收率。,为提高系统回收率，同时维持每个膜组件的进水流量，每段压力容器的数量随水流方向递减，即系统呈多段锥形排列。,反渗透装置的配套件,高压泵：多级离心泵和柱塞泵（压水管路上设置止回阀和慢开阀),压力容器的选用：,多用玻璃钢，进水为端部和测部；设计压力：1501800psi(1psi=6894.7Pa),管路：,高压管路采用不锈钢材料，海水：SS3161不锈钢或双相不
21、锈钢，苦咸水或自来水SS304，低压管路产水管路ABS、PVC-U和PVDF（超纯水）材料，大管径采用钢衬胶管和不锈钢管。,阀门：,取样阀 在组件的进水、浓水和产水端流量控制法 在高压泵出口和浓水排放处止回阀 在高压泵出口，产水处设置止回阀产水侧设置产水排放阀，柱塞泵需设安全阀,仪表：,测量仪表 流量表、压力表、水质仪表、电导率、pH计、进水游离氯、进水温度等 控制仪表 低压开关、高压开关、液位开关、报警开关（高或低的pH值报警、高温报警、残余氯高报警、计量箱液位报警、流量报警和产水电导率报警）。,反渗透装置的辅助设备,停机冲洗系统：对海水和高盐度苦咸水，设产水冲洗管路。原因是：静态的海水对不
22、锈钢部件腐蚀，在停机时渗透回流，若无足够的产水补充将导致空气吸入而损坏，需设高位产水回路。对低度盐水，停机时用于处理水低压冲洗。,清洗装置 清洗箱、清洗泵和510um 过滤器。,能量回收装置：涡轮机、各种旋转泵、正位移式压力交换装置和水利涡轮增力器等,一级一段反渗透装置,产水,浓水,一级二段反渗透装置,二级三段反渗透装置,-第 段膜两侧的渗透压差，MPa；,-第 段膜两侧的压力差，MPa；,-第 段膜面积，m2；,-第 段膜组件的产水水量，m3/h；,6.反渗透装置的主要性能参数,(1)产水量(Qp),式中:,-膜的水渗透系数，m3/（m2hMPa)；,(2)水的回收率(recovery,Y)
23、,-给水流量，m3/h；,-浓水流量，m3/h；,(3)浓缩倍率(cycles of concentration,CF),(4)脱盐率(salt rejection,R)或盐分透过率Sp,中空纤维式,卷式,-进水含盐量，mg/L；,-浓水含盐量，mg/L。,-产水含盐量，mg/L；,8.5 反渗透给水水质指标,(1)淤塞指数（silt density index,SDI)或污染指数FI：测定方法：将被测进料液压力升至0.21MPa，让水通过有效直径42.7mm,孔径0.45m的膜过滤器,记录最初500mL的进料液的过滤时间(t0),继续过滤15min后,再记录500mL的进料液的过滤时间(t1
24、),计算SDI（FI）值:,中空纤维式组件要求FI 值在3左右，卷式组件要求FI 值在5左右,管式组件FI 值为15左右,悬浮颗粒和胶体,(2)预处理方法,二次混凝,细砂过滤,超滤,微滤,醋酸纤维素膜 47,聚酰胺膜 311,复合膜 211,pH值,微生物和氧化性物质 消毒、加还原性物质,降低水的回收率以避免过度浓缩的发生,采用离子交换软化法来去除水中的成垢离子,采用加酸的方法来降低水中的碳酸根离子,采用加阻垢剂的方法来阻碍结晶的发生和允许适当的过饱和,采用适当提高水温的方法来明显提高二氧化硅的溶解度,醋酸纤维素膜最高40,复合膜 45,最低 5,硬垢,给水温度,给水压力,(3)反渗透的后处理
25、,二级反渗透,离子交换,EDI,提高pH,消毒,加碱脱气,提高pH,消除腐蚀倾向,1.物理法,卷式或中空纤维式组件。将反向压力施加于支撑层，引起膜透过液的反向流动，以松动和去除膜进料侧活化层表面污染物。,内压管式组件。依靠水力冲击使直径稍大于管径的海棉球流经膜面，以去除膜表面的污染物。,正方向水力清洗 将RO产水用高压泵打入进水侧，将膜面上的污染物冲下来。,水气混合清洗 借助气液与膜面发生剪切作用。,逆流清洗,海棉球清洗,8.6 膜的清洗和再生,2.化学法,无机沉垢：柠檬酸钠水溶液用盐酸将pH值调至45。,胶体污染体系：高浓度盐水,蛋白质、多糖类及胶体污染物：加酶洗剂,氢氧化铁：1%2%的柠檬酸铵水溶液。,2023/2/10,水污染控制工程,77,1.电镀废水,8.6 反渗透在废水处理中的应用,2023/2/10,水污染控制工程,78,2.城市污水反渗透深度处理工艺流程,
