反渗透和纳滤的的工艺过程设计

天津工业大学环境与化学工程学院环境工程系膜法水处理技术反渗透和纳滤工艺过程设计吴云1系统设计要求1.1进水水质水样是一定时间内所要分析水源的水质代表。对水质要有一全面的把握，必须针对水源特点在不同时期收集水样，进行分析比较，了解其变化及变化原因。这对反渗透系统的有效设计（预处理、产水量、回收率、脱除性能、压力、流速……），正当的操作，诊断系统存在的问题和准确评价系统性能等方面至关重要。工艺过程设计－系统设计要求采样要求：取样时要有代表性，要有足够的量，选点要正确，容器要合适，水样的采集要严格按照《水和废水监测分析方法》中的要求进行详细的记录。水质分析内容：水源水量、水质调查的内容要求非常详细，包括CO2、pH、O2、Cl、SO2-3、离子浓度、硬度、碱度、溶解性固体、细菌数等，常见参数的要求见下页的水样分析报告。工艺过程设计－系统设计要求工艺过程设计－系统设计要求常规水源的水质特点：市政供水为了防止管网的腐蚀，一般pH偏高，含有游离氯和Fe离子等地表水的浊度、细菌及有机物是预处理设计要重点考虑的内容地下水成份一般相对稳定，多数具有高硬度和碱度的特征海水要考虑悬浮固体、微生物和细菌，进水pH值和水温，金属氧化物和微溶盐的沉淀（不同海域水质差异较大）其他特殊场合，如化工、生物行业物料的浓缩、分离等工艺过程设计－系统设计要求1.2产水水质和水量根据用户的要求或者用户所处的行业，按照客户的需求或者相关行业的国家或行业标准确定反渗透或纳滤系统的产水水质和水量这些要求决定了系统的规模和所用工艺过程的选择，如单位时间的产水量，膜组件种类、数量和排列方式，回收率以及具体的工艺流程等。工艺过程设计－系统设计要求1.3膜和膜组件的选择醋酸纤维素最早用于反渗透水处理工艺，具有价廉、耐游离氯、耐污染的特点，多用于饮用水净化和污染密度指数（SDI）较高的地方。芳香族聚酰胺复合膜，通量高，脱盐率高，操作压力低，耐生物降解，操作pH范围宽（2～11）不易水解，脱SiO2和NO-3及有机物都较好，但不耐游离氯，易受到Fe、Al和阳离子絮凝剂的污染，污染速度较快。工艺过程设计－系统设计要求目前大规模应用的反渗透和纳滤膜材料的组件形式主要是卷式和中空纤维式。选用膜组件时应综合考虑组器的制备难易、流动状态、堆砌密度、清洗难易等诸方面，卷式元件用得最普遍。据进水和出水水质，可初步选定膜元件，由产水量可初步确定元件得个数。工艺过程设计－系统设计要求1.4回收率回收率的确定影响到膜组件的选择和工艺的确定。根据产水水量和回收率确定膜元件的个数。一般海水淡化回收率在30～45％，纯水制备在70～85％；而实际设计过程中应根据预处理、进水水质等的条件确定。工艺过程设计－系统设计要求1.5产水量的衰减反渗透膜在使用过程中会随着使用时间的延长，膜的产水量会发生衰减。这主要是由于膜长时间在高温高压下运行，在温度和压力的协同作用下，会出现膜的压密化现象，其结果会造成产水量下降或系统操作压力上升。压密化是膜性能的不可逆衰减，事实上，复合膜比醋酸纤维素膜更耐压密化。膜污染也是造成膜产水通量的衰减的主要原因。工艺过程设计－系统设计要求通过下式可计算出反渗透和纳滤膜的产水量下降斜率。式中，m为产水量下降斜率；t为运行时间，h；Q0和Qt分别为运行初期和运行t小时后的产水量。通常CA类膜m＝-0.03～-0.05，复合膜的m=-0.01～-0.02。即CA类膜产水量年均下降10％左右，复合膜约为5％左右。当然根据进料的不同也有一定的变化。工艺过程设计－系统设计要求tmQQtlglg01.6截留率的衰减随于反渗透和纳滤膜在使用过程中会受到生物或化学因素的作用，膜面材质会发生疏松化，导致膜的截留率衰减。通常CA类膜的年透盐增长率为20％左右，复合膜约为10％左右。当然系统预处理如果不合适或者使用过程中操作不当也会使透盐增长率增大。工艺过程设计－系统设计要求1.7产水量随温度的变化反渗透和纳滤膜的透水通量随过滤介质的温度发生较大的变化。通常根据下式进行计算：T为温度，℃，即每一度变化使产水量变化3％左右。也可用温度校正因子（TCF）表示。Kt为与膜材料有关的常数。工艺过程设计－系统设计要求25003.1TQQ29812731exp(TKTCFt温度对膜的通量影响较大，在进行设计过程中要充分考虑全年水温的变化。同时采取必要的措施（进出水换热等）减少温度对系统产水效率的的影响。工艺过程设计－系统设计要求温度/℃校正因子CA膜TFC膜50.5900.534100.6850.630150.7860.739200.8900.861251.0001.000301.1151.155351.2351.328401.3661.5202浓差极化对反渗透和纳滤过程的影响2.1浓差极化的概念在反渗透过程中，由于膜的选择渗透性，溶剂（通常为水）从高压侧透过膜，而溶质则被膜截留，其浓度在膜表面处上升高；同时发生从膜表面向本体的回扩散，当这两种传质过程达到动态平衡时，膜表面处的浓度c2高于主体溶液浓度c1，这种现象称为浓差极化。上述两种浓度的比率c2/c1称为浓差极化度。工艺过程设计－浓差极化根据薄膜理论模型描述浓差极化现象，如下图所示。边界层膜Jwc1c2dxdcD主体溶液c3δ产水浓差极化理论模型工艺过程设计－浓差极化2.1浓差极化的计算浓差极化度可根据膜－液相界面层邻近膜－面传质的质量平衡的微分方程加以积分，然后将边界条件代入求得。主要表达式有：质量平衡的微分方程：cJdxdcDJwabUJcckJccccwwexp)(exp)(313132awwbUJkJexp)(exp)(313132根据边界条件积分可得：或工艺过程设计－浓差极化由以上推导的结果可知当流速时，几乎不存在浓差极化。此时膜高压侧的浓度才几乎是均一的，即c’=c2=c1或相应的渗透压π’=π2=π1，而在通常的反渗透过程中，流速U不能太高，因为随着流速U的提高，流道的阻力升高，能耗增加。这样，通常取适当的流速U操作，于是存在一定的浓差极化，即c’=c2c1或π’=π2π1。工艺过程设计－浓差极化U2.3浓差极化下的传质方程（1）水通量（2）脱盐率工艺过程设计－浓差极化awwbUJPAPAJexp)()('31322323231321exp)(/)(/cccccbUJPBAAPBAAraw13131311)(/cccccPBAArobs（3）真实脱盐率r与表观脱盐率robs的关系由上述的浓差极化方程可以推出：在半对数坐标纸上作图。在保持Jw不变情况下，测定不同U时的robs，计算不同U时的，并与相应的作图，其所得的图线为直线。工艺过程设计－浓差极化awobsobsbUJrrrr303.211lg)1(lgawobsobsUJrr~)1(lgobsobsrr)1(lgawUJ将直线外推之，其与纵坐标的截距为，从而可得真实的脱盐率r；直线的斜率为，其中流速指数a=0.3（层流）或0.8（湍流）。这样由直线的斜率可求出比例常数b及传质系数k。工艺过程设计－浓差极化rr)1(lgb303.21可以求出反渗透工程上实际存在的浓差极化度通常由浓差极化度与能耗权衡，取浓差极化度为=1.2。这样，若实验测定得到robs=0.950时r为多少？根据上式可知：工艺过程设计－浓差极化3132ccccrrrrrrccccobsobsobs1)1(1)1(11)1(131323132cccc958.095.0195.02.1195.0195.02.111131323132obsobsobsobsrrccccrrccccr2.4浓差极化对反渗透的影响和缓解措施(1)浓差极化对反渗透的影响①降低水通量根据存在或几乎不存在浓差极化的情况下导出的水通量方程可知，由于浓差极化时的溶液渗透压项由原先的变为，而＞1，因而此时的水通量Jw’＜Jw（Jw为几乎不存在浓差极化时的水通量）。工艺过程设计－浓差极化)(31awbUJexp)(31awbUJexp②降低脱盐率比较上述相应情况下的脱盐率方程可知，同样因＞1，使脱盐率由r降为了robs。③导致膜上沉淀污染和增加流道阻力由于膜表面浓度增加，使那些水中的微溶盐（CaCO3和CaSO4等）沉淀，增加膜的透水阻力和流道压力降，使膜的水通量和脱盐率进一步降低。极化严重的化，导致反渗透膜性能的急剧恶化。工艺过程设计－浓差极化awbUJexp（2）降低浓差极化的途径反渗透过程中的浓差极化不能消除只能降低。其途径如下所述。①合理设计和精心制作反渗透基本单元－膜元（组）件，使之流体分布均匀，促进湍流等。②适当控制操作流速，改善流动状态，使膜－溶液相界面层的厚度减至适当的程度，以降低浓差极化度。通常浓差极化度有一个合理的值，约为1.2。③适当提高温度，以降低流体粘度和提高溶质的扩散系数。工艺过程设计－浓差极化3溶度积和饱和度在后面的预处理章节中详细讲述。4反渗透和纳滤过程的基本方程4.1渗透压渗透压π随溶质种类、溶液浓度和温度而变，表示方法和表达式很多。(1)式中cp为溶质的摩尔浓度；xf为溶质的摩尔分数；Φ为渗透压系数；Mi为溶质的摩尔浓度；对于稀溶液Φ可取0.93。工艺过程设计－过程基本方程fpiBxKTcMKT(2)此式可以估算π的近似值。(3)查表得到溶液的渗透压(4)式中K0为系数2～4×10-5，T为温度℃，cf为进料浓度mg/L。工艺过程设计－过程基本方程410)/(714.0)(LmgTDSMPafcTKPsi)273()(0工艺过程设计－过程基本方程(5)对NaCl水溶液，可以根据下式计算：式中，c为NaCl溶液浓度，mg/L4.2水通量JwA为水的渗透性常数，NDP为净驱动压力。pf和pp分别为进料和产水压力，Δp为进出口降，πavg为平均渗透压。Qp为产水量10001000)273(10641.2)(4cTcMPaavgpfpppNDP5.0pBppBpppppSAASNDPQ22工艺过程设计－过程基本方程4.3盐通量JsB为盐的透过性常数，Δcs为膜两侧盐浓度差。盐透量QsS为膜面积。4.4产水盐浓度cp4.5盐透过率SPcfm为平均进料浓度。sssscBccBJ)'''(pbpsscccBScBSQ2wspJJcpcpsfmpQQccSP%100工艺过程设计－过程基本方程4.6脱盐率SR或r4.7回收率R和流量平衡Qp为产水流速，Qf为进料流速，Qr为浓缩液流速4.8浓缩因子CFppsfmpcQQccSPrSR111%100fpQQRprfQQQRCF11工艺过程设计－过程基本方程4.9浓差极化因子CPFca为膜表面盐浓度，Kp为与元件构型有关的常数，Ri为膜元件回收率。对于1m长的元件，18％的回收率时，CPF取1.2。4.10膜元件产水量QpQps为标准条件下的产水量，TCF为温度校正因子，NDPf为现场条件下的净驱动力，S为膜面积。iipfavgppbaRRKQQKccCPF22expexpASNDPNDPNDPTCFQQafpsp工艺过程设计－过程基本方程4.11产水盐度cpSPs为标准条件下的SPc4.12系统平均渗透压fssfpNDPNDPSPCFccRRfavg11ln5工艺流程及其特征方程反渗透系统是由基本单元－膜组件以一定配置方式组装而成。装置的流程根据应用对象和规模大小，通常课采用连续式、部分循环式和循环式三种。由反渗透的物料平衡和透（产）水、浓水的浓度与进水浓度的关系式，可导出各种