反渗透技术简介

反渗透技术1反渗透的工作原理2反渗透膜的应用3反渗透膜的规格与性能4预处理系统5反渗透系统组成6反渗透运行管理7污染与化学清洗8常见问题1.1反渗透的工作原理反渗透是在压力驱动下，水分子通过半透膜，而离子大部分被截留，从而达到水、离子分离的过程。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。1.1反渗透的工作原理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－1a）。1.1反渗透的工作原理图－6a图－6b盐水纯水盐水纯水半透膜半透膜外加压力渗透反渗透图－6a图－6b盐水纯水盐水纯水半透膜半透膜外加压力渗透反渗透1.1反渗透的工作原理反渗透在图－1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－1b）。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。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：孔流模型和扩散模型。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。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。1.1反渗透的工作原理产水-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-浓缩液未透过膜的溶液，原水中的溶质在其中被浓缩。在水处理反渗透系统中浓水作为废水排出。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%-Cp/Cfm其中SR为脱盐率（％），Cp为透过液盐浓度，Cfm为料液的平均盐浓度。1.2基本概念2反渗透的应用目前，反渗透作为脱盐的主要工艺，在许多领域得到了越来越广泛的应用：1.石油2.电力3.化工4.制药5.饮用水3反渗透膜的规格与性能目前,市场上的反渗透膜元件有三种尺寸的组件:直径长度用途14英寸40英寸5m3/h以下系统28英寸40英寸5-1000m3/h系统38英寸60英寸1000m3/h以上系统3反渗透膜的规格与性能根据膜的用途，膜组件又划分为：种类特点用途1超低压大通量膜超低的运行压力,更高的水通量,但脱盐率低低含盐量水2低压反渗透膜高脱盐率,水通量较低苦咸水处理3低污染反渗透膜表面电中性、亲水性好，抗污染能力强地表水、中水回用4正电荷反渗透膜表面带正电荷，对阳离子去除率更高对于阳离子的去除5海水淡化膜超强的耐压实性，可用于高压力系统中海水淡化3PROC10的性能标准脱盐率99.75%最低脱盐率99.6%产水量39.8m3/d※给水隔网厚度34mil(0.86mm)有效膜面积400ft2(37m2)※在标准测试条件下的产水量：测试溶液：2000ppmNaCl操作压力225psi水温25℃膜表面更加致密提高了膜表面分离皮层致密度，高脱盐、长期稳定；脱盐率高达99.75%耐化学清洗PH1-12,高PH碱洗是去除生物,胶体及有机物的有效手段特殊形状34mil给水隔网,大幅降低了膜元件的给水压力损失；保证RO系统阻力低、少污堵、易清洗；明显改善膜系统前后段的产水平衡；端板排气构造加快了膜元件与膜外壳间隙中排气及进水速度；有效缓解系统启动时对膜系统的冲击，降低膜元件的破损率。3PROC10的特点使用条件最高操作压力600psi最高进水流量20m3/h最高进水温度45℃给水PH连续运行2—11化学清洗1—12给水浊度1.0NTU给水污染指数SDI1553PROC10的使用条件3PROC10系统的优势与海德能CPA3及同级别的膜厂家产品相比,特点如下:脱盐率最高，产水含盐量低落25%压力损失下降了50%进入压力低4%，降低了能耗前后端膜通量更加均衡，降低了浓差极化程度各种原水中均含有一定浓度的悬浮物和溶解性物质。悬浮物主要是无机盐、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）金属氧化物、酸碱等。4反渗透预处理的必要性在反渗透过程中，进水的体积在减少，悬浮颗粒和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）。难溶盐在超过其饱和极限时，会从浓水中沉淀出来，在膜面上形成结垢，降低RO膜的通量，增加运行压力和压力降，并导致产水水质下降。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。需要在原水进入反渗透膜系统之前进行预处理，去除可能对反渗透膜造成污染的悬浮物、溶解性有机物和过量难溶盐组分，降低膜污染倾向。对进水进行预处理的目的是改善进水水质，使RO膜获得可靠的运行保证。4.1反渗透预处理的必要性对原水进行预处理的效果反映为TSS、TOC、COD、BOD、LSI及铁、锰、铝、硅、钡、锶等污染物水质指标的绝对值降低。表征膜污染倾向的另外一个重要的水质指标是SDI。通过预处理，除了要将上述指标降到反渗透系统进水要求的范围，还有重要的一点是尽量降低SDI，理想的SDI（15分钟）值应小于3。4.1反渗透预处理的必要性为了改善反渗透系统的操作性能，在进水中可以加入添加下列一些药剂：1)酸2)碱3)脱氯药剂4)阻垢剂和分散剂4.1化学预处理1)加酸在进水中可以加入盐酸【HCl】、硫酸【H2SO4】来降低pH。降低pH的首要目的是降低RO浓水中碳酸钙结垢的倾向，即降低朗格里尔指数【LSI】。LSI是低盐度苦咸水中碳酸钙的饱和度，表示碳酸钙结垢或腐蚀的可能性。在反渗透水化学中，LSI是确定是否会发生碳酸钙结垢的是个重要指标。当LSI为负值时，水会腐蚀金属管道，但不会形成碳酸钙结垢。如果LSI为正值，水没有腐蚀性，却会发生碳酸钙结垢。4.1化学预处理2)加碱加碱使用较少，在反渗透进水中注入碱液用来提高pH。一般使用的碱剂只有氢氧化钠【NaOH】，购买方便，而且易溶于水。在加碱调高pH时一定要注意，pH升高会增加LSI、降低碳酸钙及铁和锰的溶解度。最常见的加碱应用是二级RO系统。在二级反渗透系统中，一级RO产水供给二级RO作为原水。4.1化学预处理在二级RO进水中加碱有4个原因：在pH8.2以上，二氧化碳全部转化为碳酸根离子，碳酸根离子可以被反渗透脱除。而二氧化碳时是一种气体，会随透过液自由进入RO产水。对于下游的离子交换床抛光处理造成不当的负荷。某些TOC成分在高pH下更容易脱除。二氧化硅的溶解度和脱除率在高pH下更高（特别是高于9时）。硼的脱除率在高pH下也较高（特别是高于9时）。4.1化学预处理2)加碱4.1化学预处理加碱应用有一个特例，通常被叫做HERO（高效反渗透系统）过程，将进水pH调到9或10。一级反渗透原来处理苦咸水，苦咸水在高pH下会有污染问题（比如硬度、碱度、铁、锰等）。预处理通常采用弱酸性阳离子树脂系统和脱气装置来除去这些污染物。2)加碱3)脱氯RO进水中的游离氯要降到0.05ppm以下，才能达到聚酰胺复合膜的要求。除氯的预处理方法有两种，粒状活性炭吸附和使用还原性药剂如亚硫酸钠。4.1化学预处理4.1化学预处理3)脱氯在小系统（50－100gpm）中一般采用加压碳过滤器，投资成本比较合理。推荐使用酸洗处理过的优质活性炭，去除硬度、金属离子，细粉含量要非常低，否则会造成对膜的污染。新安装的碳滤料一定要充分淋洗，直到碳粉被完全除去为止，一般要几个小时甚至几天。我们不能依靠5μm的保安过滤器来保护反渗透膜不受碳粉的污染。碳过滤器是碳会成为微生物的饲料，在碳过滤器中孳生细菌，其结果是造成反渗透膜的生物污染。4.1化学预处理3)脱氯亚硫酸钠【SBS】是较大RO装置选用的典型还原剂。将固体偏亚硫酸氢钠溶解在水中配制成溶液。SBS溶液在空气中不稳定，会与氧气发生反应，所以推荐2％的溶液的使用期为3－7天，10％以下的溶液使用期为7－14天。从理论上讲，1.47ppm的SBS（或0.70ppm偏亚硫酸氢钠）能够还原1.0ppm的氯。设计时考虑到工业苦咸水系统的安全系数，设定SBS的添加量为每1.0ppm氯1.8－3.0ppm。SBS的注入口要在膜元件的上游，设置距离要保证在进入膜元件有29秒的反应时间。脱氯过程的监测可采用游离氯监测仪，用以监测残余亚硫酸根的浓度，还可以采用ORP监测仪。4.1化学预处理4阻垢剂和分散剂阻垢剂是一系列用于阻止结晶矿物盐的沉淀和结垢形成的化学药剂。大多数阻垢剂是一些专用有机合成聚合物（比如聚丙烯酸、羧酸、聚马来酸、有机金属磷酸盐、聚膦酸盐、膦酸盐、阴离子聚合物等），这些聚合物的分子量在2000－10000道尔顿不等。反渗透系统阻垢剂技术由冷却循环水和锅炉用水化学演变而来。对为数众多各式各样的阻垢剂化学应该注意，不同的应用场合和所采用的有机化合物所取得的效果和效率差别很大。4.1化学预处理采用聚丙烯酸类阻垢剂时要特别小心，在铁含量较高时可能会引起膜污染。这种污染会增加膜的操作压力，有效清楚这类污染要进行酸洗。如果在预处理中使用了阳离子混凝剂或助滤剂，在使用阴离子性阻垢剂时要特别注意。会产生一种粘稠的粘性污染物，污染会造成操作压力增加，而且这种污染物清洗非常困难。阻垢剂阻碍了RO进水和浓水中盐结晶的生长，因而可以容许难溶盐在超过饱和溶解度。阻垢剂的使用可代替加酸，也可以配合加酸使用。有许多因素会影响矿物质结垢的形成。温度降低会减小结垢矿物质的溶解度（碳酸钙除外，于大多数物质相反，它的溶解度随温度升高而降低），TDS的升高会增加难溶盐的溶解度（这是因为高离子强度干扰了晶种得形成）。4阻垢剂和分散剂最普遍的结垢性矿物质有：碳酸钙【CaCO3】硫酸钙【CaSO4】硫酸锶【SrSO4】硫酸钡【BaSO4】不太普遍的结垢性矿物质有：磷酸钙【CaPO4】氟化钙【CaF2】4.1化学预处理4阻垢剂和分散剂分散剂是一系列合成聚合物用来阻止膜面上污染物的聚集和沉积。分散剂有时也叫抗污染剂。通常也有阻垢性能。对于不同的污染物，不同的分散剂的效率区别很大，所以要知道所对付的污染物是什么。需要分散剂处理的污染物有：矿物质结垢金属氧化物和氢氧化物【铁、锰和铝】聚合硅酸胶体物质【指那些无定型悬浮颗粒，可能含有土、铁、铝、硅、硫和有机物】生物性污染物4.1化学预处理4阻垢剂和分散剂理想的添加量和结垢物质及污染物最大饱和度最好通过药剂供应商提供的专用软件包来确定。过量添加阻垢剂/分散剂会导致在膜面上形成沉积，造成新的污染问题。在设备停机时一定要降阻垢剂及分散剂彻底冲洗出来，否则会留在膜上产生污染问题。在用RO进水进行低压冲洗时要停止向系统注入阻垢剂及分散剂。阻垢剂/分散剂注入系统的设计应该保证在进入反渗透元件之前能够充分混合。静态搅拌器是一个非常有效的混合方法，但会增加系统成本。4.1化学预处理4阻垢剂和分散剂如果系统采用硫酸调节pH，推荐加酸点要在上游足够远的地方，在到达阻垢剂/分散剂注入点之前已经完全混合均匀。注入阻垢剂/分散剂的加药泵要调到最高注射频率，建议的注射频率是