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1、1一一、反反渗渗透透膜膜工工作作原原理理1.渗透、渗透压和反渗透对透过的物质具有选择性的薄膜称为半透膜，一般将只能透过溶剂而不能透过溶质的薄膜称之为理想半透膜。当把相同体积的稀溶液（例如淡水）和浓溶液（例如盐水）分别置于半透膜的两侧时，稀溶液中的溶剂将自然穿过半透膜而自发地向浓溶液一侧流动，这一现象称为渗透（Osmosis）。当渗透达到平衡时，浓溶液侧的液面会比稀溶液的液面高出一定高度，即形成一个压差，此压差即为渗透压（Osmotic presssure）。若在浓溶液一侧施加一个大于渗透压的压力时，溶剂的流动方向将与原来的渗透方向相反，开始从浓溶液向稀溶液一侧流动，这一过程称为反渗透（ Rev
2、erse Osmosis,简称 RO）。反渗透是渗透的一种反向迁移运动，是一种在压力驱动下，借助于半透膜的选择截留作用将溶液中的溶质与溶剂分开的分离方法，它已广泛应用于各种液体的提纯与浓缩，其中最普遍的应用实例便是在水处理工艺中，用反渗透技术将原水中的无机离子、细菌、病毒、有机物及胶体等杂质去除，以获得高质量的纯净水。半透膜半透膜 半透膜半透膜渗透压溶质溶剂 溶 剂 溶质溶剂 溶 剂初始状态初始状态 渗透及渗透平衡状态渗透及渗透平衡状态半透膜半透膜加 压溶剂 溶剂溶质溶剂 溶 剂反渗透状态反渗透状态 渗透压的大小取决于溶液的固有性质，即与浓溶液的种类、浓度和温度有关而2与半透膜的性质无关。通常
3、可用下式计算渗透压。=CRT (1-1)渗透压，大气压C浓度差，摩尔 /升R气体常数，等于 0.08206*大气压 /摩尔*KT绝对温度 K上式是应用热力学推导出来的，因此只对稀薄溶液才是准确的。C为水中离子的溶度，若为非电解质则为分子的浓度。2 . . 反渗透膜的种类及其结构特点2.1 反渗透膜的种类反渗透膜的种类很多，分类方法也很多。按膜材料的化学组成大致可分为：醋酸纤维膜、芳香聚酰胺膜和复合膜。2.2 膜性能表示法通常所说的膜性能是指膜的物化稳定性和膜的分离透过特性。膜的物化稳定性的主要指标有：膜材料、膜允许使用的最高压力、温度范围、适用的 PH值范围以及对有机溶剂等化学药品的抵抗性，有
4、时尚需说明对某些物质如水中游离氯或氧化性物质的最高允许浓度。膜的分离透过特性的主要指标是：脱盐率、产水率及流量衰减系数。2.3 醋酸纤维膜（ CA）从化学上讲，醋酸纤维素（Cellulose Acetate简称CA）是一种羟基聚合物，它一般是用纤维素经酯化生成三醋酸纤维，再经过二次水解成一、二、三醋酸纤维的混合物。醋酸纤维膜的性能与其乙酰基含量有着密切的关系，作为膜材质的醋酸纤维中的乙酰基含量愈高，则脱盐性能愈好，但产水量愈小。为了均衡脱盐性能和透水性能，一般选择乙酰基含量为37.5-40.1%的醋酸纤维。由于醋酸纤维素是一种酯类，所以它会发生水解，水解的结果将降低乙酰基的含量，使膜的性能受到
5、损害，同时膜也更易受到生物的侵袭。2.4 芳香聚酰胺膜 (PA)以聚酰胺为材料制成的反渗透膜。聚酰胺膜的透水速度及抗压密能力比醋酸纤3维素膜强出许多。2.5 复合膜复合膜的特征是用两种以上膜材料复合而成。例如在超滤膜（作多孔支撑层）上生成表皮层，这种膜同样具有非对称结构。这里，超滤膜起增强机械强度作用，表皮层起脱盐作用。2.6复合膜与醋酸纤维膜的性能对比复合膜与醋酸纤维膜相比，其性能上的差异主要有：复合膜的化学稳定性好，醋酸纤维膜不可避免地会发生水解。复合膜的生物稳定性好，不受微生物侵袭，而醋酸纤维膜易受微生物侵袭。复合膜的产水量不随使用时间而改变，而醋酸纤维膜随时间的延长产水量不断下降。复合
6、膜的脱盐率不随时间而改变，而醋酸纤维膜由于不可避免的水解，脱盐率会不断下降。醋酸纤维膜的寿命一般仅三年，而复合膜有些已使用五年，性能仍完好如初。二、反渗透膜元件1、膜元件种类及主要特点1.1 膜元件种类及主要特点目前已经投入商业使用的膜元件主要有四种基本形式：管式、平板式、中空纤维式及卷式。在反渗透技术刚刚起步时，主要采用的是管式及平板式膜元件。但以这两种膜元件设计的反渗透系统初始投资高，而且膜的填充密度低（管式膜元件尤其低），也只因如此他们仅可用于高污染给水的处理。卷式膜元件是把两层膜背对背粘接起来形成一个膜袋，然后将多个膜袋卷绕到多孔产水管上形成的，利用该膜元件组成的系统具有投资少，耗电省
7、等优点。卷式膜元件是工业系统中应用最普遍的一种膜元件，而且研制发展速度很快。单个膜元件脱盐率最高已达 99.7%。2、卷式膜元件卷式膜元件是美国 Gulf General Atomic公司（ UOP的前身）受美国内务部盐水局（ OSW）委托于 1964年首先开发出来的一种新型的膜元件，它的基本结构4如图2所示，它的水流图如图 3所示。卷式膜元件中所采用的膜为平面膜，为了便于产品水在膜袋内流动，在信封状的半透膜袋之内夹有产品水通道织物层。RO系统运行时，原水中一部分水沿与膜垂直的方向通过膜，此时盐类和胶体物质将在膜表面浓缩，剩余一部分原水则沿与膜平行的方向将浓缩的物质带走。膜元件的水通量越大，回
8、收率越高则其膜表面浓缩的程度越高，膜表面处的物质浓度与主体水流中物质浓度不同，这种现象称为浓差极化，由于浓差极化的发生。从而导致渗透压增大，产水量下降，盐透过率增大等一系列不良后果。因而在卷式膜元件中装有给水通道隔网以增加给水浓水通道的紊乱程度，进而减少浓差极化的发生。5卷式膜元件的主要规格参数有外形尺寸、有效膜面积、产水量、脱盐率、操作压力及最高操作压力、最高使用温度和进水水质要求等。3、常用膜元件的型号及其意义 3.1 FILMTEC膜元件的型号及其意义6TW 30365有效膜面积 (平方英尺 )FT30膜元件系列TW：自来水BW：苦咸水SW：海水3.2 常用膜元件的主要性能及规格型 号膜
9、面积ft2(m2)产水量(M3/D)最低脱盐率（%）BW30365365（33.9）31-1799.5% BW30400400（37.2）35-1999.5%三、影响反渗透膜性能的因素 产水通量和脱除率是反渗透过程中的关键参数，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。1.概念回回收收率率 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
10、水阀可以调节并设定回收率。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。脱脱盐盐率率 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 。透透盐盐率率 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。渗渗透透液液 经过膜系统产生的净化产水。流流量量流量是指进入膜元件的进水流率，常以每小时立方米数 (m3/h)或每分钟加仑数表示 (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，常以每小时立方米数(m3/h)或每分钟加仑数表示 (gpm)。通通量量单
11、位膜面积上透过液的流率，通常以每小时每平方 米升数 (L/m2h)或每天7每平方英尺加仑数表示 (gfd)。浓浓水水未透过膜的那部分 溶液，如 反渗透 系统的 浓缩水。2.压力的影响进水压力影响 RO 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。正如图 21 所示，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有线性关系，而且达
12、到一定程度 后脱盐率将不再增加。由于 RO 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 21 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。图 21 进水压力对通量和脱盐率的作用 图 22 进水温度对通量和脱盐率的作用3.温度的影响如图 22 所示，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
13、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的提高而加快所致。8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 。4.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 23 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23 所示，水通量降低，增加了透过膜的盐通量(降低了脱盐率)。5.回收率的影响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
14、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 25)。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。96.pH 值的影响各种反渗透膜 元件适用的 pH 值范围相差很大，象FILMTECFT30 这样的超薄复合反渗透 膜与醋酸纤维素 反渗透 膜相比，在更宽广的pH 值范围
15、内 更稳定，因而，具有更 宽的操作范围 (请见图 23)。膜脱盐率特性取决于pH 值，水通量也会受到影响，图26 表明FILMTECFT30 膜在宽广的 pH 范围内水通量和脱盐率相当稳定。正如图23 所示的那样，与醋酸纤维素膜相比，FT30 在很宽的 pH 范围内所具有的稳定性允许我们采用更强烈、更快和更有效的化学清洗程序。增 加产水量透盐率有效压力 温度回收率 进水含盐量 注注 表表示示增增加加； 表表示示降降低低。 四、反渗透装置的安装1、压力容器1.1 压力容器的构造无论何种膜元件都必须装入压力容器中方可使用，由于每种膜元件本身的尺寸大小是不一样的，因而用于装填膜元件的压力容器尺寸也就不一样。以压力容器的直径为例，常见的就有 2.5英寸、 4英寸、 8英寸等种类，但是每种压力容器的构造却都大同小异。图 4为8”压力容器的内部示意图：10图4 反渗透压力容器内部示意图 在每一个压力容器内，既可以只安装一个膜元件，也可以安装几个膜元件，以FILMTEC公司的压力容器为例，在每个压力容器中就可以安装1-6个膜元件。在膜元件与膜元件之间采用内连接件连接，膜元件与压力容器端口采用支承板、密封板、锁环等支承密封。图5是压力容器部件图：112、膜元件安装的大致程序：A 膜元件的安装检查容器内部有无划伤或不完善
