RO反渗透PPT

RO技术交流RO技术简介按孔径分类的分离膜不易透过气体易透过气体浓度差气体、气体与蒸汽分离气体分离液体、无机盐、乙醇溶液蒸汽压力差、浓度差溶液中的低分子及溶剂间的分离渗透气化无机、有机离子离子电位差脱除溶液中的离子电渗析无机盐、糖类、氨基酸、BOD、COD等离子、低分子物、酸、碱浓度差脱除溶液中的盐类及低分子物透析无机盐、糖类、氨基酸、BOD、COD等水、溶剂压力差脱除溶液中的盐类及低分子物反渗透和纳滤蛋白质、各类酶、细菌、病毒、乳胶、微粒子溶剂、离子和小分子压力差脱除溶液中的胶体、各类大分子超滤悬浮物、细菌类、微粒子水、溶剂和溶解物压力差多孔膜、溶液的微滤、脱微粒子微滤被截留物质透过物质分离驱动力膜的功能膜的种类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AbbeNollet发表的通过动物膜的试验为始点，之后，VantHoff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DuPont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（Osmoticpressure），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*oKT—绝对温度OK上式是应用热力学公式推导出来的，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（ReverseOsmosis,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、流量衰减系数。膜性能表示法Qw=Kw(ΔP+Δπ)A/T式中：Qw—产水量Kw—系数ΔP—膜两侧的压差Δπ—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*ΔC*A/T式中：Qs—盐透过量Ks—系数Δc—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，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(CelluloseAcetate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37.5—40.1%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（ThinFilmComposite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原水膜元件的结构示意图反渗透卷制图反渗透膜袋浓水网淡水网反渗透膜剥面图膜元件端板给水产水流向(透过膜后)淡水网反渗透膜产水膜封口浓水网产水浓水产水中心管反渗透组装图给水V型圈浓水产水膜外壳膜元件反渗透装置图机架高压泵浓水产水给水膜外壳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：113F（45℃）最大给水浊度：4.0ppm允许游离氯：0.1ppmPH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+H2O→NaHSO3NaHSO3+HCLO→HCL+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+2H2O→4HCL+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）0.56.04.00.5-56-70.55-107.00.05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