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1、第三章 反渗透、纳滤基础知识1 分离膜与膜过程膜分离物质世界是由原子、分子和细胞等微观单元构成的，然而这些微小的物质单元总是杂居共生，热力学第二定律揭示了微观粒子都会倾 向于无序的混合状态。人们发明了过滤、蒸馏、萃取、电泳、层析和膜分离等分离技术来获取纯净的物质。膜分离技术的基础是分离膜。分离膜是具有选择性透过性能的薄膜，某些分子（或微粒）可以透过薄膜，而其它的则被阻隔。这种分 离总是要依赖于不同的分子（或微粒）之间的某种区别，最简单的区别是尺寸，三维空间之中，什么都有大小巨细，而膜有孔径。当 然分子（或微粒）还有其它的特性差别可以利用，比如荷电性（正、负电），亲合性（亲油、亲水），深解性，等
2、等。按照阻留微粒 的尺寸大小，液体分离膜技术有反渗透（亚纳米级）、纳滤（纳米级）、超滤（10 纳米级）和微滤（微米和亚微米级），另外还有气 体分离、渗透蒸发、电渗析、液膜技术、膜萃取、膜催化、膜蒸馏等膜分离过程。表-1 主要的膜分离过程膜的种类膜的功能分离驱动力透过物质被截留物质微滤多孔膜、溶液的微滤、脱微粒子压力差水、溶剂、溶 解物悬浮物、细菌类、 微粒子薄膜复合膜超滤脱除溶液中的 胶体、各类大分 子压力差溶剂、离子和 小分子蛋白质、各类酶、 细菌、病毒、乳胶、 微粒子反渗透和纳滤脱除溶液中的 盐类及低分子 物压力差水、溶剂无机盐、糖类、氨 基酸、BOD、COD等透析脱除溶液中的 盐类及低分
3、子 物浓度差离子、低分子 物、酸、碱无机盐、尿素、尿 酸、糖类、氨基酸电渗析脱除溶液中的 离子电位差离子无机、有机离子渗透气化溶液中的低分 子及溶剂间的 分离压力差、浓度差蒸汽液体、无机盐、乙 醇溶液气体分离气体、气体与蒸 汽分离浓度差易透过气体不易透过气体薄膜复合膜由超薄皮层（活性分离层）和多孔基膜构成。基膜一般是在多孔织物支撑体上浇筑的微孔聚砜膜（即 0.2mm 厚），超薄皮层 是由聚酰胺和聚脲通过界面缩合反应技术形成的。薄膜复合膜的优点与它们的化学性质有关，其最主要的特点是化学稳定性，在中等压力下操作就具有高水通量和盐截留率及抗生物侵蚀。它们能在温度0 40C及PH2-12间连续操作。像
4、芳香聚酰胺一样，这些材料的抗氯及其他氧化性物质的性能差。过滤图谱孔径108cm1A 2107cm510A2010%m10-5cm10-4cm50100A 200500 1000A 2000 5000 1p,m 2分离对象(2.3)。2(2.9) CO (3.1)H2O(3. 4)卵清蛋白蔗糖- - - 。OHHNaca2葡萄球菌 大肠菌I乳胶油乳化液 胶体层亠厂各种 r病奉微滤(MF)超 滤 （MF）分离法气体分离液体分离 反渗透（RO）平膜结构分离膜的种类I纳滤（NF） |反渗透膜I离子交换膜iEM |超滤膜(UF)000 ：表面監致层 ：支撑层 材质工 复合膜I：表面密致层：支撑层 材質二
5、 非对称膜图-1 非对称膜与复合膜结构比较美国海德能公司的RO/NF膜(CPA, ESPA, SWC, ESNA, LFC)均是复合膜。CPA3的断面结构如图-2所示。可以看出在支撑层上形成褶皱 状的表面致密层。原水以与皮层平行方向进入，通过加压使其透过密致分离层，产水从支撑层流出。表面致密层构造图-2 CPA3 的断面结构根据膜种类不同，制作平膜的表面致密层材质也有差异。大多数都是采用交链全芳香族聚酰胺。其构造如图-3 所示。COOH図-3 交链全芳香族聚酰胺结构不同的表面致密层构造的RO膜的性能有较大的差异。图-4是CPA3与ESPA2断面透射电镜TEM照片。可以发现ESPA2膜的褶皱形状
6、明 显高于CPA3。膜分离过程实际上是通过这些褶皱实现的，显然褶皱越高，比表面积越大，产水量越大。通过膜表面微观结构的精确控 制来改善膜性能，这是海德能对于膜工业的重要贡献。ESPA系列产品是世界上性能最好的超低压膜，明显降低了反渗透运行成本，扩 大了反渗透的应用范围。图-3 CPA3 与 ESPA2 的皮层断面 TEM 照片卷式膜元件卷式膜元件是由多个膜袋缠绕在一开有孔洞的工程塑料中心集水管上制成（图-5）。每个膜袋由两张相背的膜片构成，膜片中间夹一层 聚酯纤维编织淡水网格，膜周围 3 条边用环氧或聚氨酯粘合剂密封，第四边留作产水通道与中心集水管连接。在相邻两膜袋之间铺夹 塑料隔网构成进水流
7、道（进水网格）。进水沿膜袋外侧的进水网格从膜元件的一端进入膜元件，部分作为产水透过膜，其余部分作为浓水从膜元件的另外一侧排出。透过膜的产水进入膜袋，沿产水网格呈螺旋状向内流动，经过中心管上的孔进入中心集水管，通过产 水排出口流出。全量过滤全量过滤也称为直流过滤、死端过滤，与常规的滤布过滤类似，被处理物料进入膜组件，等量透过液流出膜组件，截留物留在膜组件 内。为了保证膜性能的可恢复性，必须及时从组件内卸载截留物，因此需要进行定时反冲洗（过滤的反过程）等措施来去除膜面沉积 物、恢复膜通量。膜组件污染后不能拆开清洗，通常采用在线清洗方式（CIP）。超滤/微滤水处理过程一般采用全量过滤模式。错流过滤被
8、处理料液以一定的速度流过膜面，透过液从垂直方向透过膜，同时大部分截留物被浓缩液夹带出膜组件。错流过滤模式减小了膜面 浓度极化层的厚度，可以有效降低膜污染。反渗透、纳滤均采用错流过滤方式。L粘接剂进水浓水产品水产水隔网进水隔网图-5 卷式膜元件结构示意图膜系统膜系统是指膜分离装置单元。压力驱动膜系统主要由预处理系统、升压泵、膜组件（压力容器和膜元件）、管道阀门和控制系统构成膜污染各种原水中均含有一定浓度的悬浮物和溶解性物质。悬浮物主要是无机颗粒物、胶体和微生物、藻类等生物性颗粒。溶解性物质主要 是易溶盐（如氯化物）和难溶盐（如碳酸盐、硫酸盐和硅酸盐）。在反渗透过程中，进水的体积在减少，悬浮颗粒和
9、溶解性物质的浓 度在增加。悬浮颗粒会沉积在膜上，堵塞进水流道、增加摩擦阻力（压力降）。难溶盐会从浓水中沉淀出来，在膜面上形成结垢，降 低 RO 膜的通量。这种在膜面上形成沉积层的现象叫做膜污染，膜污染的结果是系统性能的劣化。2 反渗透 / 纳滤基本原理半透膜半透膜是具有选择性透过性能的薄膜。当液体或气体通过半透膜时，一些组分透过，而另外一些组分被截留。实际上半透膜对于任何 组分都有透过性，只是透过的速率相差很大。在反渗透过程中，溶剂（水）的透过速率远远大于溶解在水中的溶质（盐分）。通过半 透膜实现了溶剂和溶质的分离，得到纯水以及浓缩的盐溶液。渗透渗透是当流体在跨越半透膜屏障时的一种自然过程。如
10、果将一箱纯水用一张半透膜垂直分为两部分，纯水与理想半透膜的两面以相同 的温度和压力接触，在这样的条件下没有跨越半透膜的水的流动产生，因为在膜两侧的化学势完全相等。如果在其中一侧加入溶解性 盐，盐溶液一边的化学势降低了。纯水便会向盐溶液一侧渗透，从而产生一个渗透流，直到化学势的平衡重新建立为止（图一6a）。渗透压按照科学术语，在半透膜的两边存在一个“化学势”（离子或溶质分子的浓度差）的差值，通过溶液的渗透过程对化学势差进行补偿 当平衡重新建立时，在半透膜的两侧形成了一个水位差即静压差，这个压力差便是渗透压。渗透压是溶液本身的性质，取决于溶液浓 度，与半透膜没有关系。渗透压与溶质浓度之间的关系为：
11、Posm = 1.19 （T + 273） * 工（mi）其中Posm=渗透压（psi），T为温度（C）,工（叫）是溶液中所有溶质的总摩尔浓度。TDS为lOOOppm的水溶液的近似渗透压约为11 psi （0.76 bar） 。反渗透在图一6a的箱子中，水通过渗透作用流向盐溶液一侧，直到达到新的平衡建立。在盐溶液一边施加一个额外的压力与渗透压相等，原 有的平衡会受到影响（图一6b）。外加压力将会使盐溶液一边的化学势增加，使溶剂流向纯水一边。这种现象便是反渗透。反渗透过 程的驱动力是外加压力，反渗透分离所需能量与溶液的难度直接相关。因此，从盐溶液中生产同样体积的水，盐的浓度越高，所需能 耗也越高
12、。图-6 反渗透原理对于反渗透过程分离水和盐的机理还没有一个公认的统一解释。目前一般推荐两种传递模型：毛细孔流模型和溶解扩散模型。水通过 膜有两种方式，一种是通过膜上存在的孔，另外一种是通过膜中的分子节点之间的扩散。根据理论，膜的化学性质是，在固液界面上 水优先吸附并通过，盐被截留。水与膜表面之间有弱的化学结合力，使得水能够在膜的结构中分散。膜的物理和化学性质决定了在传 递过程中水比盐的优先地位。水的传递水通过半透膜的速率由方程(2)确定。Qw =( P - Posm) X Kw X S/d 其中Qw为苏水透过膜的速率， P为膜两侧压力差， Posm为膜两侧的渗透压差，Kw为膜的纯水渗透系数，
13、S为膜面积。(2)式通常被简化 为：Qw = A X (NDP) (3)其中A 为膜常数， NDP 为跨过膜的水传质净驱动压力或净驱动力。盐的传递 透过膜的盐流量定义为：Qs = C X Ks X S/d (4)其中Qs为膜的透盐量，Ks为膜的盐渗透系数， C为膜两侧盐浓度差，S为膜面积，d为膜厚度。该方程可简化为：Qs = BX （A C） （5）其中B代表膜常数， C为盐传质驱动力。从方程（4）和（5）可以看出。对于一个已知的膜来说： 膜的水通量与总驱动压力差成比例； 膜的透盐量与膜两侧的浓度差成比例，与操作压力无关。透过液的盐浓度Cp,取决于透过反渗透膜的盐量和水量的比：Cp = Qs/
14、Qw （6）膜对水和盐的传质系数不同，所以才有脱盐率。没有什么理想的膜具有对盐完全的脱除性能，实际上是传质速率的差别早就了脱盐率 方程（2）、（4）和（5）给出了设计反渗透系统必须考虑的一些主要因素。比如操作压力的增加会提高水通量，但对盐的透过没有影 响，所以透过液的盐度会更低。透盐率原水中溶解性杂质透过膜的百分率，计算公式为：SP = 100% X （Cp/Cfm） （7）其中SP为透盐率（）, Cp为透过液盐浓度，Cfm为料液的平均盐浓度。水通量和透盐率的基本关系式是反渗透的基本原理。可以看出，透盐率随操作压力增加而降低，其原因是水通量随压力增加，但盐的 透过速率在压力变化情况下保持不变。脱盐率通过反渗透膜从原水中脱除总可溶性杂质浓度或特定溶质浓度的百分率。计算公式为：SR = 100% - SP （8）其中SR为脱盐率（）, SP为透盐率（见7式）。产水-透过液反渗透、纳滤膜的透过液为净化水,因此也称为系统产水。浓水-浓缩液
