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1、2 0 0 6 海水淡化与水再利用西湖论坛 反渗透一纳滤组合工艺、特征方程 及潜在应用 陈益棠吴礼光 ( 国家海洋局杭州水处理技术研究开发中心) 】_ o - 一剐f 青 单一膜法分离脱盐受各种因素的影响，应用领域有很大的限制，尤其在化工、冶金、 食品和环保等领域难度就更大。以反渗透为例，在脱水浓缩方面效果很好，最适宜稀溶 液的浓缩。对浓度高的溶液处理受渗透压和膜本身耐压的限制，水回收率低。纳滤膜具 有半脱盐性能，可以让单价离子部分通过而截留二价以上的离子。如果把反渗透脱水和 纳滤的半脱盐性能结合起来组成新的工艺流程，强强联合就能充分发挥膜分离过程的优 势，扩大膜过程的应用领域。本文提出五种纳
2、滤和反渗透的组合新工艺，从物料平衡出 发，导出表达料液、透过液和浓缩液之间数学关系的特征方程。讨论了这五种膜组合形 式的特征，举例说明潜在的应用领域。 二组合工艺、特征方程及潜在应用 2 1 反渗透一纳滤浓水分级纳滤产水回流 2 1 1 特征方程 N F ) 图1R O ( N F ) - N F ( R O ) 浓水分级，N F t 2 0 ) 产水回流流程 - 1 0 4 2 0 0 6 海水淡化与水再利用西湖论坛 装置进水流量V f V = ! ! 二兰兰! 兰2 1 匕! Y l 装置浓水流量V 2 r ( 第二级浓水流量) 装置第一级进水流量V l f = 鲁 装置第一级浓水流量矿，
3、= y 2 ， 2 导 装置第二级产水流量V 2 p ( 内回流量) = 掣 装置回收率Y 与第1 、2 级回收率的关系 y2 赢 装置产水量V l p 矿t ，2 而Y l V m = Y 巧 第一级进水浓度C 盯 c 一，一忐 第二级进水浓度C I ， c 川圹搿c t ， 第三级进水浓度C 2 p ( 内回流浓度) c z ，= 号鬻等产c 一， 1 0 5 ( 1 0 ) 2 0 0 6 海水淡化与水再利用西湖论坛 装置第二级外排浓水浓度 c ：，：譬掣进导坐掣c 。， ( 11 ) 已严丁i 汀刁丽丁“P u u 装置产水浓度C l p c 旷石爿器坠Y 2 ( 1 端编Y l (
4、1 c ， ( 1 2 ) ，= - - _ _ _ _ _ _ - _ 。一， I J 。1 ， y l ( 1 一，I ) + 【l 一 一，2 ) 】【l 一一厂I ) 】。7 、一7 2 1 2 过程描述 第一级反渗透浓缩水供给第二级纳滤，纳滤产水回流与原水混合作为第一级反渗透 料液，纳滤浓缩液外排，反渗透产水为产品水。 2 1 3 过程特征 ， 把海水脱盐任务分成两部分，由反渗透承担单价离子的脱除任务，纳滤承担两价以 上离子的脱除。从而减缓了反渗透过程中渗透压的提升速度，为增加膜面积，提高产水 回收率创造条件，同时，也能再次利用反渗透操作压作为纳滤驱动压，起到能量回收的 效果。 2
5、1 4 潜在应用 反渗透过程受控于料液的渗透压。例如海水为料液时，海水含盐量高，硬度大，在 反渗透脱盐过程中，料液不断浓缩，渗透压不断升高，在膜耐压受限条件下，最终导致 脱盐过程终止，此时浓水出口端膜两侧的渗透压差为临界渗透压。此时达到的最大产水 回收率为该操作压力条件下的临界回收率。 现有R O 膜耐压6 9 M P a ，海水浓度3 4 0 0 0 m g L 条件下，传统一级反渗透的临界回 收率为6 0 ，而新工艺中纳滤截留率为2 5 5 5 ，临界回收率为7 0 ，如果纳滤膜耐压 也提高到6 9 M P a ，临界回收率可以达到8 5 以上。 潜在应用为海水淡化等高浓度料液脱盐，提高产
6、水回收率。 2 2 纳滤一反渗透浓水分级，反渗透产水回流 2 2 1 特征方程 特征方程与2 1 1 导出方程( 1 ) ( 1 2 ) 相同。 2 2 2 过程描述 第一级纳滤浓缩水作为第二级反渗透料液，反渗透产水回流与原料液混合作为第一 1 0 6 2 0 0 6 海水淡化与水再利用西湖论坛 级纳滤进料液，纳滤产水外排( 回用) ，反渗透浓缩水为产品液。 2 2 3 过程特征 溶液不断浓缩，浓缩过程中最大限度地减少溶质的流失。 2 2 4 潜在应用举例 主要应用于稀溶液的浓缩分离。例如电镀漂洗废水的浓缩回用。电镀漂洗水一般含 镍离子4 0 - - 3 0 0 m g L ，采用本工艺过程和
7、海水反渗透结合的三级脱水浓缩工艺可以使 N i 2 + 浓缩2 5 0 倍以上，达到5 0 9 L 以上。 2 3 纳滤一反渗透产水分级反渗透浓水回流工艺 2 3 1 特征方程 装置进水流量V f 图2N F R O 产水分级，R O 浓水回流 矿，= 堡Y = 上必Y l Y 2 矿z ， 装置的浓水流量V I r ：L 丑矿：， Y l Y 2 装置第二级浓水流量V 2 ， “ 等 1 0 7 ( 1 3 ) ( 1 4 ) ( 1 5 ) 2 0 0 6 海水淡化与水再利用西湖论坛 装置第一级进水沉量Vl f ”瓦1 y ：， ( 1 6 ) 装置回收率Y y ：堕；些丝弋 ( 1 7
8、) V = _ = 一 J ， ， y ， 1 一Y I ( 1 一J ，2 ) 。 装置产水浓度C 2 p c ：，= 警= 志鹊剖簖笺岛c 川8 ， 装置第一级产水浓度C l p ( 第二级进水浓度) c - ，= 鬲1 c ：P ( 1 9 ) 装置第一级进水浓度C l f c - ，2 再啬习c 和 ( 2 0 ) 鼗詈篇一级浓水浓度C l ， C I ，= d 嚣磊Y c 和 ( 2 1 ) ( 1 一，1 ) ( 1 一I ) ( 1 一，2 ) 。” 【z l J 2 3 2 过程描述 第一级纳滤产水作为第二级反渗透进料液。反渗透浓缩水回流与原料水混合后作为 第一级纳滤进料液。纳
9、滤浓缩液外排，反渗透产水为产品水。 2 3 3 过程特征 该工艺流程相当于二级反渗透海水淡化中的第一级反渗透用纳滤代替。膜透过液通 过二次处理可以提高产品水的水质。 2 3 4 潜在应用 主要用于高盐度溶液( 如海水) 脱盐制取淡水或从一般水制取淡水或从一般水制取 高品质纯水。 1 0 8 2 0 0 6 海水淡化与水再利用西湖论坛 2 4 纳滤一反渗透产水分级，反渗透产水回流工艺 2 4 1 特征方程 图3N F R O 产水分级，R O 产水回流 装置弟一缴迓水况萤V I f = 尚 装置第一级产水流量V l p ( 第二级进水) 2 志y ， 装置第一级浓水流量V l r 耻罴矿， 装置
10、第二级产水流量V p ( 内回流量) y ：，2 i 二Y y l Y 。J ，, ：V ， 装置第二级滚| 水流量V 2 ， y 打；掣y ， l Y l Y 2 装置第一级产水浓度C l p c 旷苦者黑c ， 1 0 9 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 2 0 0 6 海水淡化与水再利用西湖论坛 装置弟一级严水猥发C 2 p 【网到、侃冰厦， c z P = 高等等筹C ， 装置第一级进水浓度e l f a r 二而啬c ， 装置第一级排放浓水浓度C l f c 沪若孝意c ， 装置第二级排放浓水浓度C 2 ， c z ，=
11、 告警寰揣c ， ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 3 0 ) ( 3 1 ) 2 4 2 过程描述 第一级纳滤产水作为第二级反渗透进水，反渗透产水回流到第一级纳滤前与料液混 合后作为纳滤的进水。 2 4 3 过程特征 该工艺用反渗透产水稀释高浓度料液，具有内部稀释功能，从而扩大了膜技术应用 领域。尤其是处于临界饱和溶解度溶液的膜法分离。 2 4 4 潜在应用 化工分离中广泛采用沉淀反应，除去料液中的某些离子。但仍含有浓度处于饱和溶 解度的溶解离子。采用膜过程除盐时，随水的平衡破坏，沉淀再次释出而污染膜。此外， 如湿法冶金浸取液等，因料液浓度很高，也限止了膜法分离除盐技术的应用。某些温泉 水
12、，因含有临近饱和溶解度的偏硅酸，氟离子和钙离子( 氟化钙) ，限止了用膜法除氟 技术的应用。利用本工艺流程，有可能解决这一难题。表l 是湿法冶金中V 斟a 分离及 温泉水除氟的模拟计算结果。结果表明，在离子析出界限前，可以采用膜技术使溶液中 的离子得以分离。 1 1 0 2 0 0 6 海水淡化与水再利用西湖论坛 表1 模拟计算示例 偏硅酸-氟偏硅酸氟 V s + , bN 矿 V 5 + N r 原液含量( r a g L ) 9 1 91 3 17 0 2 。 2 3 1 7 07 6 5 03 0 3 纳滤浓缩液 浓度( r a g L ) 1 5 8 7 71 3 7 4 5 21 1
13、 5 53 4 5 8 2 0 810 0 4 6 913 4 4 流量( 0 5 2 6 30 5 2 6 32 32 3 纳滤浓缩液总量 8 3 5 67 2 32 3 0 5 4 7 26 6 9 7 9 4 ( r a g h ) 反渗透浓缩液 浓度( m g L ) 1 7 2 91 2 3 8 3 l1 0 42 8 5 6 1 90 1 2 流量( L h ) 0 4 7 3 70 4 7 3 71 31 3 反渗透浓缩液总 7 1 95 8 71 15 2 79 5 2 0 6 量( r a g h ) 模拟条件：a y l = 0 9 ，y 2 = 0 9 ，氟脱除率r l
14、F = o 5 ，偏硅酸脱除率r l I - 1 2 s i 0 4 = 0 9 ，r 2 = 0 9 9 ； b y l = 0 5 ，y 2 = 0 5 ，钒脱除率r w = 0 5 ，偏硅酸脱除率r N 闩5 ，r 2 = 0 9 9 。 2 5 纳滤反渗透产水分级，反渗透产水稀释纳滤浓水 2 5 1 特征方程 V l r ，C l r V p ，C p 图4N F R O 产水分级，R O 稀释N F 浓水 2 0 0 6 海水淡化与水再利用西湖论坛 第一级产水流量( 第二级进水流量) V I ，= y 。v f ( 3 2 ) 第一级浓水流量 V ；，气l - y 。) ( 3 3
15、) 第二级产水流量 U = y ：Y 。 ， ( 3 4 ) 第二级浓水流量V 2 ， V 2 ，= y 。( 1 - y ：) v f( 3 5 ) 产品水流量 V p = 1 - y 。( 1 - y ：) 】 ( 3 6 ) 总回收率 y = l - y 。O - y 2 )( 3 7 ) 第一级产水浓度，C 。， c 。，= ( 1 嘎) C f(38) 第一级浓水浓度C 。， c 。，； 1 - y - , ( 一l - r 1 ) C f ( 3 9 ) 、 7 l - y l V 。7 第二级产水浓度C 卸 c 却2 盟掣c ， ( 4 0 ) 第二级浓水浓度C ， c 2 ，： 1 - y , ( ，l 。- r I ) 1 - y 2 ( 、1 - r 2 ) 1C f ( 4 1 ) h 一 ( 1 - y 1 ) ( 1 - y ：)： ”1 J 总产水浓度，C 。 c ，2 地案掣c r ( 4 2 ) 2 5 2 过程描述 第一级纳滤产水作为第二级反渗透进水，反渗透产水与第一级纳滤浓缩水混合作为 最终的产品水，反渗透浓缩外排。 1 12 2 0 0 6 海水淡化与水再利用西湖论坛 2 5 3 过程特征 纳滤浓缩水与反渗透产水混合。提高了水
