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1、反渗透和纳滤技术发展历史作者：莱特莱德 来源：东北亚水网反渗透和纳滤技术发展历史1.反渗透和纳滤技术发展历史自从上世纪五十年代未六十年代初期，反渗透(RO)和纳滤(NF)技术产品商品化投放市场，起初，反渗透主要用于海水和苦咸水脱盐，由于工业领域对保护水源、减少能耗、控制污染以及从废水中回收有价值物质的需求日益增加，反渗透和纳滤的新用途变得更有经济价值。此外，伴随着膜分离技术的发展，促进了生物技术和制药行业的技术进步，相对于传统蒸馏法，膜法分离浓缩技术更加节省能量消耗，同时也不会引起产品热分解变质。自从那时起，原有产品得到不断地改进，并不断地推出了新产品，提高了膜元件地产水水质，降低了水处理总成
2、本。现在反渗透膜能够在显著地降低运行压力的条件下，实现更高的脱盐率和产水量，纳滤膜也可在相对低的操作压力下提供对某些盐类或化合物的更高的分离选择性。2.反渗透和纳滤技术发展历史目前常规的过滤过程可以按照脱除颗粒的大小进行分类，传统的悬浮物的过滤是通过水流垂直流过过滤介质来实现的，全部的水量完全通过过滤介质，全部变成出水流出系统，类似的过滤过程包括：滤芯式过滤、袋式过滤、砂滤和多介质过滤。这种大颗粒过滤形式仅仅对粒径大于 1 微米的不溶性固体颗粒有效。为了除去更小的颗粒和可溶性盐类，必须使用错流式的膜过滤，错流式膜过滤对与膜表面平行的待处理流体施加压力，其中部分流体就透过了膜表面，流体中的颗粒等
3、被排除在浓水中，由于流体连续地流过膜表面，被排除的颗粒不会在膜表面上累积，而是被浓水从膜面上带走了，因此一股流体就变成两股流体，即透过液和浓缩液。膜法液体分离技术一般可分为四类：微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)和反渗透(RO)，它们的过滤精度按照以上顺序越来越高。微滤(MF)微滤能截留 0.11 微米之间的颗粒，微滤膜允许大分子有机物和溶解性固体(无机盐)等通过，但能阻挡住悬浮物、细菌、部分病毒及大尺度的胶体的透过，微滤膜两侧的运行压差(有效推动力)一般为0.7bar。超滤(UF)超滤能截留 0.0020.1 微米之间的颗粒和杂质，超滤膜允许小分子物质和溶解性固体(无机盐)等通过，但将
4、有效阻挡住胶体、蛋白质、微生物和大分子有机物，用于表征超滤膜的切割分子量一般介于1,000100,000 之间，超滤膜两侧的运行压差一般为 1-7bar。纳滤(NF)纳滤是一种特殊而又很有前途的分离膜品种，它因能截留物质的大小约为 1 纳米(0.001 微米)而得名，纳滤的操作区间介于超滤和反渗透之间，它截留有机物的分子量大约为 200400 左右，截留溶解性盐的能力为 2098%之间，对单价阴离子盐溶液的脱除率低于高价阴离子盐溶液，如氯化钠及氯化钙的脱除率为2080%，而硫酸镁及硫酸钠的脱除率为 9098%。纳滤膜一般用于去除地表水的有机物和色度，脱除井水的硬度及放射性镭，部分去除溶解性盐，
5、浓缩食品以及分离药品中的有用物质等,纳滤膜两侧运行压差一般为 3.516bar。反渗透(RO)反渗透是最精密的膜法液体分离技术，它能阻挡所有溶解性盐及分子量大于 100 的有机物，但允许水分子透过，醋酸纤维素反渗透膜脱盐率一般可大于 95%，反渗透复合膜脱盐率一般大于 98%。它们广泛用于海水及苦咸水淡化，锅炉给水、工业纯水及电子级超纯水制备，饮用纯净水生产，废水处理及特种分离等过程，在离子交换前使用反渗透可大幅度地降低操作费用和废水排放量。反渗透膜两侧的运行压差当进水为苦咸水时一般大于 5bar，当进水为海水时，一般低于 84bar。3.反渗透和纳滤原理渗透我们知道渗透是指稀溶液中的溶剂(水
6、分子)自发地透过半透膜(反渗透膜或纳滤膜)进入浓溶液(浓水)侧的溶剂(水分子)流动现象。渗透压定义为某溶液在自然渗透的过程中，浓溶液侧液面不断升高，稀溶液侧液面相应降低，直到两侧形成的水柱压力抵销了溶剂分子的迁移，溶液两侧的液面不再变化变化，渗透过程达到平衡点，此时的液柱高差称为该浓溶液的渗透压。反渗透原理即在进水(浓溶液)侧施加操作压力以克服自然渗透压，当高于自然渗透压的操作压力施加于浓溶液侧时，水分子自然渗透的流动方向就会逆转，进水(浓溶液)中的水分子部分通过膜成为稀溶液侧的净化产水(请参见下图)纳滤原理纳滤与反渗透没有明显的界限。纳滤膜对溶解性盐或溶质不是完美的阻挡层，这些溶质透过纳滤膜
7、的高低取决于盐份或溶质及纳滤膜的种类，透过率越低，纳滤膜两侧的渗透压就越高，也就越接近反渗透过程，相反，如果透过率越高，纳滤膜两侧的渗透压就越低，渗透压对纳滤过程的影响就越小。反渗透和纳滤过程根据反渗透和纳滤原理可知，渗透和反渗透及纳滤必须与具有允许溶剂(水分子)透过的半透膜(反渗透膜或纳滤膜)联系在一起才有意义，才会出现渗透现象和反渗透或纳滤操作。反渗透膜：允许溶剂分子透过而不允许溶质分子透过的一种功能性的半透膜称为反渗透膜纳滤膜：允许溶剂分子或某些低分子量溶质或低价离子透过的一种功能性的半透膜称为纳滤膜膜元件：将反渗透或纳滤膜膜片与进水流道网格、产水流道材料、产水中心管和抗应力器等用胶粘剂
8、等组装在一起，能实现进水与产水分开的反渗透或纳滤过程的最小单元称为膜元件膜组件：膜元件安装在受压力的压力容器外壳内构成膜组件膜装置：由膜组件、仪表、管道、阀门、高压泵、保安滤器、就地控制盘柜和机架组成的可独立运行的成套单元膜设备称为膜装置，反渗透和纳滤过程通过该膜装置来实现膜系统：针对特定水源条件和产水要求设计的，由预处理、加药装置、增压泵、水箱、膜装置和电气仪表连锁控制的完整膜法水处理工艺过程称为系统。待处理的进水经过高压泵被连续升压泵入膜装置内，在膜元件内进水被分成浓度低的或更纯的产水，称为透过液和浓度高的浓水。浓水调节阀控制成为产水和浓水的比例即装置回收率。待处理的进水经过高压泵被连续升
9、压泵入膜装置内，在膜元件内进水被分成浓度低的或更纯的产水，称为透过液和浓度高的浓水。浓水调节阀控制成为产水和浓水的比例即装置回收率。4.影响反渗透和纳滤膜性能的因素产水通量和脱除率是反渗透和纳滤过程中的关键参数，针对特定系统条件，水通量和脱除率是膜的本征特性，而膜系统的水通量和脱除率则主要受压力、温度、回收率、进水含盐量和 pH 值影响。本文将对这些关键术语给出定义并扼要介绍影响反渗透和纳滤膜性能的因素，如操作压力、温度、进水含盐量、产水回收率和系统 pH 值。定义回收率：指膜系统中给水转化成为产水或透过液的百分率。膜系统的设计是基于预设的进水水质而定的，设置在浓水管道上的浓水阀可以调节并设定
10、回收率。回收率常常希望最大化以便获得最大的产水量，但是应该以膜系统内不会因盐类等杂质的过饱和发生沉淀为它的极限值。脱盐率：通过反渗透膜从系统进水中除去总可溶性的杂质浓度的百分率，或通过纳滤膜脱除特定组份如二价离子或有机物的百分数。透盐率：脱盐率的相反值，它是进水中溶解性的杂质成份透过膜的百分率。渗透液：经过膜系统产生的净化产水。流 量：流量是指进入膜元件的进水流率，常以每小时立方米(m3/h)或每分钟加仑表示(gpm)。浓水流量是指离开膜元件系统的未透过膜的那部分的“进水”流量。这部分浓水含有从原水水源带入的可溶性的组份，常以每小时立方米(m3/h)或每分钟加仑表示(gpm)。通 量：以单位膜
11、面积透过液的流率，通常以每小时每平方米升(l/m2h)或每天每平方英尺加仑表示(gfd)。稀溶液：净化后的水溶液，为反渗透或纳滤系统的产水。浓溶液：未透过膜的那部分溶液，如反渗透或纳滤系统的浓缩水。压力的影响进水压力影响 RO 和 NF 膜的产水通量和脱盐率，我们知道渗透是指水分子从稀溶液侧透过膜进入浓溶液侧的流动，反渗透和纳滤技术即在进水水流侧施加操作压力以克服自然渗透压。当高于渗透压的操作压力施加在浓溶液侧时，水分子自然渗透的流动方向就会被逆转，部分进水(浓溶液)通过膜成为稀溶液侧的净化产水。透过膜的水通量增加与进水压力的增加存在直线关系，增加进水压力也增加了脱盐率，但是两者间的变化关系没
12、有线性关系，而且达到一定程度后脱盐率将不再增加。由于 RO 和 NF 膜对进水中的溶解性盐类不可能绝对完美地截留，总有一定量的透过量，随着压力的增加，因为膜透过水的速率比传递盐分的速率快，这种透盐率的增加得到迅速地克服。但是，通过增加进水压力提高盐分的排除率有上限限制，正如图 1 脱盐率曲线的平坦部分所示那样，超过一定的压力值，脱盐率不再增加，某些盐分还会与水分子耦合一同透过膜。温度的影响膜系统产水电导对进水温度的变化非常敏感，随着水温的增加，水通量几乎线性地增大，这主要归功于透过膜的水分子的粘度下降、扩散能力增加。增加水温会导致脱盐率降低或透盐率增加，这主要是因为盐分透过膜的扩散速率会因温度
13、的提高而加快所致。膜元件能够承受高温的能力增加了其操作范围，这对清洗操作也很重要，因为可以采用更强烈和更快的清洗程序，FILMTECtm FT30 超薄复合膜和醋酸纤维素(CA)膜的允许 pH 和温度范围比较详见图 3。盐浓度的影响渗透压是水中所含盐分或有机物浓度和种类的函数，盐浓度增加，渗透压也增加，因此需要逆转自然渗透流动方向的进水驱动压力大小主要取决于进水中的含盐量。图 4 表明，如果压力保持恒定,含盐量越高，通量就越低，渗透压的增加抵销了进水推动力，同时如图 4 所示，水通量降低，增加了透过膜的盐通量(降低了脱盐率)。回收率的影响原水浓度通过对进水施加压力当浓溶液和稀溶液间的自然渗透流动方向被逆转时，实现反渗透过程。如果回收率增加(进水压力恒定)，残留在原水中的含盐量更高，自然渗透压将不断增加直至与施加的压力相同，这将抵销进水压力的推动作用，减慢或停止反渗透过程，使渗透通量降低或甚至停止(参见图 5)。RO 系统最大可能回收率并不一定取决于渗透压的限制，往往取决于原水中的含盐量和它们在膜面上要发生沉淀的倾向，最常见的微溶盐类是碳酸钙、硫酸钙和硅，应该采用原水化学处理方法阻止盐类因膜的浓缩过程引发的结垢。
