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1、RO技术交流,RO技术简介,按孔径分类的分离膜,主要膜分离过程,反渗透发展史,人类发现渗透现象至今已有200多年的历史，通常认为1748年Abbe Nollet发表的通过动物膜的试验为始点，之后，Vant Hoff建立了稀浓液的完整理论。J.W.Gibbs提供了认识渗透压及它与其他热力学性能关系的理论。 1953年，C.E.Reid建议美国内务部，把反渗透的研究纳入国家计划。 1956年，S.T.Yuster提出从膜表面撇出所吸附的纯水作为脱盐过程的可能性。 1960年，S.Loeb和S.Sourirajan制得了世界上第一张高脱盐率、高通量的不对称乙酸纤维素反渗透膜。 1970年，美国Du
2、Pont公司推出由芳香族聚酰胺中空纤维制成的渗透器，与此同时Dow和东洋纺公司先后开发出三乙酸纤维素中空纤维反渗透器，UOP公司成功推出卷式反渗透元件。 1980年，Filmtec公司推出性能优异、实用的FT-30复合膜，80年代末高脱盐率的全芳香聚酰胺复合膜工业化。90年代中，超低压高脱盐全芳香聚酰胺复合膜开发进入市场。,反渗透的基本原理 渗透,只透过溶剂而不透过溶质的膜称 为理想半透膜。当把溶剂和溶液(或两 种不同浓度的溶液)分置于此膜的两侧 时，溶剂将自发地穿过半透膜向溶液 (或从低浓度向高浓度溶液)侧流动， 这种自然现象叫做渗透(Osmosis)，如 果上述过程中溶剂是纯水，溶质是盐
3、份，当用理想半透膜将它们分离开时， 纯水侧的水会自发地通过半透膜流入盐 水侧，此过程如左图所示：,反渗透的基本原理 渗透压,纯水侧的水流入盐水侧， 浓水侧的液位上升，当上升 到一定高度后，水通过膜的 净流量等于零，此时该过程 达到平衡，与该液位高度对 应的压力称为渗透压 （Osmotic pressure）， 该过程如左图所示：,反渗透的基本原理 渗透压,一般来说渗透压的大小，取决于溶液的种类、 浓度和温度，而与半透膜本身无关，通常可用下 式来计算渗透压： =CRT 渗透压，大气压 C浓度差，摩尔/升 R气体常数，等于0.08206升*大气压/摩尔*oK T绝对温度 OK 上式是应用热力学公式
4、推导出来的，因此只对稀溶液才是准 确的。C为水中离子浓度，若为非电解质则为分子的浓度。,反渗透的基本原理 反渗透,当在膜的盐水侧施加 一个大于渗透压的压力 时，水的流向就会逆转， 此时盐水中的水将流入 纯水侧，这种现象叫反 渗透（Reverse Osmosis, 简称RO），该过程如左 图所示：,膜性能表示法,通常所说的膜性能是指膜的化学稳定 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。 膜的分离透过性的主要指标是：脱盐率、产水率、流
5、量衰减系数。,膜性能表示法,Qw=Kw(P+)A/T 式中：Qw产水量 Kw系数 P膜两侧的压差 渗透压 A 膜面积 T 膜厚度 Kw与膜性质及水温有关， Kw越大，说明膜的透水 性能越好。,对于一张给定的膜，我们可以推导出产水量及盐透过量的计算公式：,Qs=Ks*C*A/T 式中：Qs盐透过量 Ks系数 c膜两侧盐浓度差 A 膜面积 T 膜厚度 Ks与膜性质、盐的种类及水温有关，Ks越大，说明膜的脱盐性能越好。,从以上两式可以看出，对膜来说Kw大Ks小则膜质量较好。相同面积和厚度的产水量与净驱动压力成正比，盐透过量只与膜两侧溶液浓度成正比，而与压力无关。,反渗透脱盐机理 溶解扩散模型,该模型
6、假设膜是完美无缺的理想膜，高压侧浓溶液中各组分先溶于膜中，再以分子扩散方式通过膜，最后在低压侧进入稀溶液，任意组分（水或盐）的通量主要取决于化学位梯度，水和盐传质的推动力有两部分：浓度梯度和压力梯度。 该模型基本上可定量地描述水和盐透过膜的传递，但推导中的一些假设并不符合真实情况，另外传递过程中水、盐和膜之间相互作用也没有考虑。,反渗透脱盐机理 优先吸附-毛细空流动模型,溶液界面张力和溶质（活度）在界面的吸附Gibbs方程，预示了在界面处存在着急剧的浓度梯度，也就是说在膜的表面形成水分子薄层，在外力的作用下，优先通过反渗透膜。,反渗透脱盐机理 形成氢键模型,膜的表面很致密，其上有大量的活化点，
7、键合一定数目的结合水，这种水已失去溶剂化能力，盐水中的盐不溶于其中。进料中的水分子在压力下可与膜上的活化点形成氢键而缔合，使该活化点上其他结合水解缔下来，该解缔的结合水又与下面的活化点缔合，使该点原有的结合水解缔下来，此过程不断地从膜面向下层进行，就是以这种顺序型扩散，水分子从膜面进入膜内，最后从底层解脱下来成为产品水。而盐是通过高分子链间空穴，以空穴型扩散，从膜面逐渐到产品水中的，但该模型缺乏更多的关于传质的定量描述。,反渗透脱盐机理 Donnan平衡模型,膜为固定负电荷型，据电中性原理及膜和溶液中离子化学位平衡，一般认为借助于排斥同离子的能力，荷电膜可用于脱盐，一般只有稀溶液，在压力下通过
8、荷电膜时，有较明显的脱盐作用，随着浓度的增加，脱盐率迅速下降。二价同离子的脱除比单价同离子好，单价同离子的脱除比二价反离子的好。该理论以Donnan平衡为基础来说明荷电膜的脱盐，但Donnan平衡是平衡状态，而对于在压力下透过荷电膜的传质，还不能从膜、进料及传质过程等多方面来定量描述。,反渗透脱盐机理 其他分离模型,除上述模型，许多学者还提出不小另外的模型，如脱盐中心模型，表面力-孔流模型，有机溶质脱盐机理等。,反渗透膜的种类,反渗透膜的种类多，分类方法也很多， 但大体上可按膜材料的化学组成和膜材料 的物理结构外型结构及来区分。 按膜材料的化学组成大致可分为： 醋酸纤维膜、芳香聚酰胺膜等 按膜
9、材料的物理结构大致可分为： 非对称膜、复合膜等 按外型结构大致可分为： 管式、平板式、中空纤维式及涡管式,按膜元件结构种类概述,在反渗透技术刚起步时，主要采用管式和平 板式膜元件。但这两种膜元件初始投资高、膜的 填充密度低，因此常用于高污染给水处理。 卷式膜元件是把两层膜背对背粘结成膜袋， 之后将多个膜袋卷绕到多孔产水管上形成的。该 膜元件组成的系统投资低、耗电省，它是工业系 统中应用普遍的膜元件。其研制发展速度快，单 个膜元件的脱盐率高达99.7%。 中空纤维膜元件组成的反渗透系统有填充密 度高的特点，因而要求其对给水进行更严格的预 处理，以减少污堵的可能性。,四种结构膜元件的特点比较,系统
10、费用: 管式、平板式 中空纤维式、涡卷式 设计灵活性: 涡卷式中空纤维式平板式管 清洗方便性: 平板式管式涡卷式中空纤维式 系统占地面积: 管式平板式涡卷式中空纤维式 污堵可能性: 中空纤维式涡卷式平板式管式 耗 能: 管式平板式中空纤维式涡卷式,涡卷式膜元件,涡卷式膜元件是美国UOP公司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膜元件。涡卷式膜元件中所采 用的膜为平面膜，为了使产品水在膜袋中流动，在信封状的半透膜 之内夹有产品水通道织物层。 RO系统运行时，原水中一部分水盐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，剩余一部分原水沿与膜平行的 方向将浓
11、缩的物质带走。膜元件的水通量越大、回收率越高，则其 在膜表面浓缩程度越高。膜表面的物质浓度与主体水流中物质浓度 不同，这种情况称为浓差极化。增大等不良后果，因此在涡卷式膜 元件中装有给水通道隔网，以增加给水浓缩通道的紊乱程度，进 而减少浓差极化的发生。 涡卷式膜元件的主要规格参数有：外型尺寸、有效膜面积、产水 量、脱盐率、操作及最高操作压力、最高使用温度和进水水质要求。,醋酸纤维素膜,从化学上讲，醋酸纤维素膜(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、三醋酸纤维的混和物。 作为膜材料的醋酸纤维素中的乙酰基含量
12、越高，脱盐性能 越好，但产水量越小。为了平衡脱盐性能和透水性能，一 般选择乙酰基含量为37.540.1%的醋酸纤维。 醋酸纤维是一种酯类，会发生水解，水解的结果将降 低乙酰基的含量，使膜的性能受到损害，同时膜也更易受 到生物的侵袭。 醋酸纤维素膜的水解出和温度有关以外，还于PH值有 关。为增加膜的使用寿命，一般控制原水的PH在5-6之间。,复合膜,从结构来讲，复合膜 （Thin Film Composite简 TFC）是若干层薄皮的复 合体，此膜的最大特点是 抗压实性较高、透水率较 大和盐透率较小。,复合膜与醋酸纤维膜的性能比较,复合膜的化学稳定性较好，而醋酸纤维膜将会发生水解。 复合膜的生物
13、稳定性好，复合膜不受生物侵袭，而醋酸纤维膜易受微生物的侵袭。 复合膜的输性能好。即Kw大而KS小。 复合膜在运行中不会被压紧，因此产水量不随使用时间改变；而醋酸纤维膜在运行中会被压紧，因而产水量下降。 复合膜的脱盐率不随时间而改变；而醋酸纤维膜由于会发生水解，脱盐率将会不断下降。 复合膜由于Kw大，其工作压力低，反渗透给水泵用电量是醋酸纤维膜给水泵用电量的一半。 醋酸纤维膜的使用寿命一般仅为3年，而复合膜 的使用寿命大于三年。 复合膜的缺点为抗氯性较差，价格较贵。,反渗透膜电镜照片,膜透过操作方式,反渗透基本原理,反渗透膜元件构造,集水管,膜,浓水,膜透过水,原水 流道网,原水,透过水 流道网
14、,原水,膜元件的结构示意图,反渗透卷制图,反渗透膜剥面图,反渗透组装图,反渗透装置图,反渗透一段进水,反渗透一段浓水进二段,反渗透浓水,反渗透产水,RO操作与维护,反渗透膜元件的进水条件,最高使用温度： 113F（45） 最大给水浊度： 4.0ppm 允许游离氯： 0.1ppm PH范围： 连续运行： 3-10 短时运行： 2-11 最大给水流量： 75GPM（17.0m3/h） 给水最大SDI值： 4.0 单个膜元件回收率：15%,*氯的耐受力计算建立在无铁存在的基础上。,各项进水指标对 设备安全运行 的意义,余氯,醋酸纤维膜要求给水中含有残余氯，可防止细菌滋生，但含氯量过高会破坏膜，最大允
15、许连续余氯的含量为1毫克/升。 复合膜抗氯性差，一般不允许余氯，采用加氯杀菌后，需加亚硫酸氢钠或经活性炭过滤消除余氯。 使用压力硫酸氢钠除余氯的反应如下： Na2S2O5+ H2ONaHSO3 NaHSO3+HCLOHCL+NaHSO4 理论上1.34公斤的Na2S2O5可以去除1公斤余氯，但在有溶解氧的情况下，对苦咸水去除1公斤余氯需投加3公斤Na2S2O5。Na2S2O5在干爽条件下储存，有效期为4-6个月，溶液的有效期与浓度变化有关。 溶液浓度（重量%） 2% 10% 20% 30% 最长有效期 3天 1星期 1月 6月 使用活性炭过滤清除余氯的反应如下：C+2CL2+2H2O4HCL+
16、CO2,铁（Fe）,当RO给水在进行氯化及脱氯工程中，或在水中溶解氧含量高于5毫克/升时水中的2价铁离子转化为3价铁离子，生成不溶于水的胶体物质，对反渗透造成污染。即使水中SDI值小于5、铁离子含量小于0.1毫克/升，仍可能发生铁的污染问题。 铁的氧化速度取决于铁含量、水中的溶解氧浓度和PH值，其关系如下： 氧含量（毫克/升） PH 允许铁含量（毫克/升） 7.0 0.05 降低RO给水中铁的含量可以采用曝气-锰砂过滤的方法完成。,硅（Si）,浓水中不允许析出SiO2，当SiO2过饱和则可能聚合而形成不溶解的胶体硅或有机硅胶而引起结垢。 纯水25时，无定形硅的溶解度约为100毫克/升（以SiO2计），溶解度随温度呈直线变化，在0时为0，到40时为160毫克/升。在中性溶液中，溶解的只有硅酸；在碱性溶液中，无定形硅的溶解度较大。溶液中除铝之外，其余各种
