反渗透法制备超纯水实验

化工专业实验实验名称反渗透法制备超纯水实验班级化21姓名张腾学号2012011864成绩实验时间2014年12月17日同组成员苏剑晓张圣龙郭明钊1、实验内容1.操作压力对分离效率的影响：通过测定反渗透过程压差于渗透流速的关系，确定反渗透膜的渗透系数。2.反渗透过程的操作坊式队动力消耗的影响：测定一级、二级的例子脱除率和水回收率和动力消耗的关系，确定合适连方式和操作条件。2、实验原理渗透现象在自然界是常见的,比如将一根黄瓜放入盐水中,黄瓜就会因失水而变小。黄瓜中的水分子进入盐水溶液的过程就是渗透过程。对透过的物质具有选择性的薄膜成为半透膜。一般将只能透过溶剂而不能透过溶质的薄膜视为理想的半透膜。当把相同体积的稀溶液（如淡水）和浓液（如海水或盐水）分别置于一容器的两侧，中间用半透膜阻隔，稀溶液中的溶剂将自然的穿过半透膜，向浓溶液侧流动，浓溶液侧的液面会比稀溶液的液面高出一定高度，形成一个压力差，达到渗透平衡状态，此种压力差即为渗透压。渗透压的大小决定于浓液的种类，浓度和温度与半透膜的性质无关。若在浓溶液侧施加一个大于渗透压的压力时，浓溶液中的溶剂会向稀溶液流动，此种溶剂的流动方向与原来渗透的方向相反，这一过程称为反渗透。利用反渗透现象，可以通过加压的方式制备消除水中的杂质离子，得到超纯水。关于渗透和反渗透的示意图如图1：图1渗透和反渗透的示意图3、实验装置和流程本实验采用“预处理+一级反渗透+二级反渗透”流程。通过预处理的原水能有效地保证RO膜组件长期正常工作。主要流程如图2：图2实验装置流程示意图注：虚线表示实际操作中没有进行的流程，实线表示实验过程中实际进行的流程。4、实验记录表1原始数据记录表原水电导（μS/cm）一级电导（μS/cm）一级入水压（kPa）一级出水压（kPa）一级产水压（kPa）回水流量（m3/h）产水流量（m3/h）107840.26.96.80.10.570.23107236.48.68.50.10.650.30106236.59.18.90.10.660.31107035.39.89.60.10.680.33104034.610.410.20.10.700.35105933.211.311.10.10.770.38105033.211.911.80.10.750.41104032.312.612.40.10.760.42103331.713.613.40.10.790.47102631.114.414.20.10.810.50102930.315.114.90.10.840.53103729.815.815.50.10.850.55102729.316.316.00.10.860.57103428.816.716.50.10.870.595、实验结果及讨论5.1数据处理查文献得到25℃下氯化钠溶液的浓度与其电导率之间的经验公式为：exp(0.983ln0.7)Ck其中，C为水溶液浓度，mg/L；k为水溶液电导率，µS/cm。操作压差∆P通过以下公式计算：原水泵石英砂过滤活性碳过滤精密过滤保安过滤主阀一级高压泵RO膜水质监测中间罐水质监测RO膜原水罐二级高压泵2P一级入水压一级出水压一级产水压脱盐率的计算公式为：ioiCCCCi为原水中NaCl浓度，mg/L；C0为一级产水中NaCl浓度，mg/L。根据上式，经过计算得到结果如下：表2实验数据处理结果原水浓度Ci/𝐠⋅𝒎−𝟑产水浓度C0/𝐠⋅𝒎−𝟑脱盐率Φ操作压差∆𝐏/Pa渗透通量J*10-4/𝐦𝟑⋅𝒔−𝟏475.4018.750.968567500.6389472.8017.000.972084500.8333468.4617.050.974089000.8611471.9316.500.978496000.9167458.9216.180.9715102000.9722467.1615.530.9720111001.0556463.2615.530.9724117501.1389458.9215.120.9722124001.1667455.8814.840.9727134001.3056452.8514.570.9723142001.3889454.1514.200.9714149001.4722457.6213.970.9720155501.5278453.2813.740.9711160501.5833456.3213.510.9699165001.6389根据渗透通量的计算表达式()JLP其中()ioRTccR是常数；T认为在实验过程中变化不大，可以认为是常数；原水浓度变化不大，一级水浓度相较原水浓度很小，所产生的变化对于差值变化不大，所以括号里的一项也可以认为是常数。故这一项可看作常数。根据公式对表2数据进行线性拟合，得到下图：图3J-△P拟合图-8-61.01610-5.30810JP，20.9971R因此，传质系数为-85-1-11.01610Lmskg作脱盐率与压强差关系图如下6000800010000120001400016000180000.9600.9620.9640.9660.9680.9700.972脱盐率(%)△P(Pa)图4脱盐率与压强差关系图从图中可以看出，随着操作压差增大，反渗透的驱动力也随之增大，使得更多的水分子800012000160000.000080.000120.00016J(m3/s)△P(Pa)Equationy=a+b*xAdj.R-Squar0.99708ValueStandardErroJIntercept-5.30869E-61.90333E-6JSlope1.0158E-81.52449E-10透过半透膜到超纯水这一边来，脱盐率的总体趋势随之升高。总体上脱盐率出于一个较高的水平，说明反渗透RO膜发挥了很好的脱盐性能，但是如果要进一步提高脱盐率，增大压差已经不经济了，可以采取多级反渗透操作来达到更好的脱盐效果。5.2实验结果讨论通过实验，我们通过测定RO膜两侧的压差和渗透通量，通过计算得到了RO膜的渗透系数为：-85-1-11.01610Lmskg同时我们还通过实验测定了脱盐率与RO膜的膜压差关系，实验测定表明随着压差的增大，脱盐率也随之增加。5.3实验小结这次试验总体操作比较简单，所以没有花费太多时间即完成了实验，这次试验最大的收获在于认识了水处理的先进技术，对水处理的方法和流程有了初步的了解，对反渗透技术也有了一定的认识。由于实验时仅采用了一级过滤，所以实验的流程得到了最大的简化，建议增加反渗透膜的级数，可以让水的到更进一步的纯化，也可以让实验更有操作性。这次实验最大的不足之处在于，由于第一次实验中没有制定好合理的试验计划，也没有理清楚实验的思路，所以实验过程中显得比较混乱，原水罐中的水出现了两次水位不足的情况，导致实验被迫终止，等待水位恢复，这个过程中很可能导致实验的变量发生变化，得不到准确的数据，一组好的数据应该是在连续变化的情况下进行测定的，而不是断断续续的采集的一组数据。另外，实验的数据点采集过程中没有注意变量的上下限，对变量的间隔没有控制好，所以导致数据点很不均匀，这直接导致了第一次实验的失败。第一次实验数据草图如下：鉴于第一次实验结果非常不理想，所以进行了第二次实验，将压差从小到大的调节，尽量使压差间隔均匀，得到了比较好的数据。所以实验前一定要做好充足的准备，或者在实验过程中多思考多观察，避免无目的的实验，比如这个实验在压差的调节上，可以先确定最高和最低压差之后再根据需要进行适当的调节。y=9E-09x-3E-05R²=0.910200.000020.000040.000060.000080.00010.000120.000140.00016020004000600080001000012000140001600018000200006、思考题1.推导稀溶液渗透压公式；计算25℃含NaCl13.5%的海水渗透压，以及含NaCl0.1%的苦咸水渗透压。答：(1)如右图所示，设渗透压为，当两边液面相等时，由渗透平衡(ln,,)(,,)AsTpAlTp此时由所引起的溶液中A升高恰好补偿了由于浓度降低所引起的A降低。可得到：*(ln,,,)(,,),AAAsTpxlTp对理想溶液或理想稀薄溶液有：mAmARTlnVdpVdpppAAAppx,,整理得：mAmA-RTlnVdpVdpppAppx,,所以mAp-RTlnVdppAx,，假设mAVconst,，则mA-RTlnVAx,(2)相关计算(计算时假设为理想稀薄溶液)25℃含NaCl13.5%的海水：mA(10013.5)/184.8055=0.866613.5/36.52(10013.5)/180.36992+4.805518g/0.997g/mlV18.0541ml/mol1molAx,所以76mA-RTln8.314298.2ln0.8666Pa1.96610PaV18.0541/10Ax,含NaCl0.1%的苦咸水：mA(1000.001)/185.5555=0.999990.001/36.52(1000.001)/180.00005479+5.555518g/0.997g/mlV18.0541ml/mol1molAx,所以36mA-RTln8.314298.2ln0.99999Pa1.35410PaV18.0541/10Ax,2.提高反渗透系统的水回收效率受哪些条件限制，如何克服？答：由实验结果操作压差愈高，渗透通量增大，但压差增大往往导致浓差极化的增加，使得膜面的渗透压增高，达到一定压力，增加压力并不能提高渗透通量，即膜面形成了一层凝胶层。另一方面，操作压差的增大将导致能耗增加，所以要选择一个合适的压差。另外为了提高水的回收率，可以提高回水量，但是回水量的提高也会造成处理量增加，能耗加大。在生产中，要综合考虑各种因素，确定最有操作条件。3.综述现有的RO膜的种类和膜分离性能。答：反渗透膜的种类（1）非对称膜---CelluloseAcetate(CA)Membrane醋酸纤维素膜[CA膜]传统上讲,非对称膜是由溶于丙酮中的醋酸纤维聚合体形成的分离薄膜，这种技术的反渗透膜由Loeb和Sourirajan于1962年首次商业化。这种非对称结构CA膜表面有一层0.1-0.2μm厚度的脱盐分离层，分离层下面的支撑层结构厚度大约100～200μm，是高透水性的海绵状多孔结构。CA膜的脱盐率和产水通量的性能可以由成膜时间和温度来控制。（2）复合薄膜---芳香聚酰胺膜芳香聚酰胺复合膜通常底层是多孔结构的聚砜，表层为胶联结构的PA涂层。表面分离层芳香聚酰胺是由苯三甲酰氯和间苯二胺聚合成，复合膜的生产工艺可以优化支撑层和分离层的各自特点。TFC复合膜与醋酸纤维素膜比较，有更大的产水通量和更高的脱盐率。复合膜与醋酸纤维素膜的比较正如上面所述，从1981年复合膜商业化生产后，因其高通量高脱盐率特点显示了比CA膜的明显优势：与CA膜相比复合膜（TFC）具有允许PH值范围宽、操作压力低的特点。详细比较如下表：表3复合膜与醋酸纤维素膜的比较4.综述现有的RO膜的应用领域。反渗透过程的特征是从水溶液中分离出水，其应用也主要局限于水溶液的分离。目前反渗透的应用主要是海水和苦咸水淡化，纯水制备以及生活用水处理，并逐渐渗透到食品、医药、化工等部门的分离、精制、浓缩操作之中。(1)苦咸水与海水淡化按1984年统计，全球咸水淡化装置的总产水量为每天992万吨，其中用反渗透法制造的淡水占20％。最大反渗透淡水装置于1983年建于马耳他岛伽尔拉夫基，日产水20万立方米，装置操作压力为2.8MPa，水利用率70％，脱盐率大于99％，水的渗透通量0.9—1.2。用反渗透法生产淡水的成本与原水中的盐含量有关，盐含量越高，则淡