反渗透技术及其应用

化学工程与技术摘要：主要介绍了反渗透的分离原理、发展状况、优点及反渗透在水处理、工业废水处理、食品工业、冶金工业方面的应用。最后简单介绍反渗透技术的发展趋势反渗透技术反渗透(“ReverseOsmosis”，缩写为“RO”)是利用反渗透膜只能透过溶剂（通常是水）而截留离子物质或小分子物质的选择透过性，以膜两侧静压为推动力，而实现的对液体混合物分离的膜过程。是一个与自然渗透现象相反的渗透过程，是以压力差为推动力的膜分离技术，同时也是目前最为先进的膜分离技术之一。基本原理反渗透技术的基本原理是在高于溶液渗透压的作用下，使其它物质不能透过半透膜而将这些物质和水分离开来，有效地去除水中的溶解盐类、胶体、微生物、热源有机物等。使渗透向相反方向进行，把原水中的水分子压到膜的另一边变成洁净的水，最终达到除去水中盐分及其他物质的目的。1.反渗透技术的发展反渗透技术最早被应用于航天领域，宇航员将各种太空中的生活废水收集起来，然后通过RO膜处理后循环使用，从而使太空船不必运载大量的饮用水。1953年，美国佛罗里达大学的Reid等人最早提出反渗透海水淡化，1960年美国加利福尼亚大学的Loeb和Sounrirajan研制出第一张高分离效率和高透水量的反渗透膜。1995年美国海德能公司的反渗透膜产品进人国内市场后，已在电力、石油、化工、冶金、电子、医药、食品等行业以及市政给水、直饮水等民用方面得到了广泛的应用。我国反渗透技术开发始于20世纪60年代，80年代进行反渗透复合膜的研究开发，开始步人产业化。近年来，反渗透技术已广泛应用于海水、苦咸水淡化，纯水、超纯水制备，化工分离、浓缩、提纯等领域，反渗透技术达到成熟。1)能耗低。分离不涉及相变，对能量要求低，与蒸馏、结晶和蒸发相比有较大的差异2)分离条件温和，对于热敏感物质的分离很重要3)操作方便，结构紧凑、维修成本低、易于自动化4)清洁、高效、无污染5)适用范围广。广泛适用于有机物、无机物、微粒等物质的分离，特别适用于各种水处理2.主要优点:3.1温度反渗透膜产水电导对水温的变化十分敏感。水温每升高l℃，产水量就增加2.5％~3.0％；原因在于透过膜的水分子粘度下降、扩散性能增强。3.2压力进水压力本身并不会影响盐透过量，但压力升高使得净压力升高，产水量加大，同时盐透过量几乎不变，增加的产水量稀释了透过膜的盐分，降低了透盐率，提高脱盐率。3.影响反渗透系统运行的因素3.3盐浓度渗透压是水中所含盐分的函数，含盐量越高渗透压也增加，进水压力不变的情况下，净压力将减小，产水量降低。3.4膜污染膜污染包括膜表面上结垢、金属氧化物的污染、污堵、胶体污染和微生物污染等。膜污染将导致透水量的下降，压降和透盐率的提高。4.1、反渗透技术在水处理中的应用4.2、反渗透技术在工业废水的处理应用4.3、反渗透技术在食品工业中的应用4.4、反渗透技术在冶金工业的应用反渗透技术的应用进入21世纪，水危机加重，利用海水淡化等现代技术大规模地开辟新的水源，已经成为全世界的必然趋势。反渗透海水淡化工艺由于设备投资省、能量消耗低、建设周期短等诸多优点，近年来发展迅速，工程应用也较多，正日益成为海水淡化的主导技术。目前，世界各国对海水及苦咸水淡化脱盐所采用的方法其中约有30％用反渗透来实现，并且这一比例还在不断提高。1975年,美国DuPont公司推出B一1O型海水脱盐用聚酰胺中空纤维反渗透器。1997年，日本采用卷式反渗透膜在冲绳建成的海水淡化厂，日产水量为4×10m3。2005年，日本在福冈建成的海水淡化厂采用中空纤维反渗透膜，日产水量达5×10m3。目前我国最大的反渗透海水淡化站位于大连市长海县，日产淡水1000t，淡水吨耗电5～5.5kWh，淡水成本6元/t。4.1.1海水及苦咸水淡化a）渗透：海水穿过半透膜进入盐海水b）渗透平衡：在渗透过程中，海水穿过半透膜进入海水后，呈现一种流体静压差，在次压差下，物质净传递量为零，两侧达到平衡c）反渗透：若在海水一侧加压，水又会通过半透膜逆向流动图1反渗透工作原理图城市或者生活用水中含大量的盐类、胶体、微生物、热源有机物。因此，用膜法与离子交换组成处理流程是比较适宜的。反渗透在水处理方面很大的优越性是对钙、镁离子的去除十分完全，不仅产水硬度是比较低的，而且它又能除去水中有机物、微生物、胶体等的杂质，由反渗透法处理后的水质是较为理想的。目前反渗透技术在城市生活用水处理方面的应用已很普遍，但其中最主要问题的是如何提高水的回收率和降低成本的问题。4.1.2城市及生活用水处理4.1.3放射性废水处理随着核工业的发展，核电站在全世界范围内异军突起，随之而来放射性废水的数量也与日俱增，放射性废水的处理问题也日益迫切。核电站排出的放射性废水包括化学实验室废水、地面台面冲洗水等，这些废水量大但放射性密度低，用反渗透-超滤可将废水显著浓缩。我国于70年代末开始研究核电站废水的膜法处理，提出用荷电超滤膜于离子交换树脂联合处理放射性废水的工艺，各核素的去除率达96％以上。5.1.4矿区污水中的处理为缓解矿区用水紧张的局面，合理地利用水资源，许多矿区开展了多种用途的水回用工作，其中将循环排污水用于锅炉补给水是水回用中的一项重要工作。刘建斌等采用超滤与反渗透联合工艺处理矿区电厂循环冷却排污水，将出水作为锅炉补给水的原水，确定了RO运行参数，出水水质良好。郭中权等对反渗透处理高硫酸盐硬度矿井水进行了研究。通过试验确定的阻垢剂可有效控制反渗透装置的结垢问题。工业性应用表明反渗透脱盐率达到97％以上。中煤国际工程集团武汉设计研究院设计采用了国内先进的絮凝沉淀一过滤一反渗透膜分离技术对鹤壁煤业集团矿井水进行处理。处理后，出水达到中华人民共和国电力行业用水标准，矿井水开发利用的前景广阔。4.2.1在重金属废水处理中的应用反渗透技术自二十世纪七十年代开始用于电镀废水处理，并逐渐推广到其他重金属废水处理领域。Ujang以磺化聚砜反渗透膜处理ZnSO4和ZnCl2溶液，考察操作压力和料液浓度对两种体系的影响。Ozaki等研究超低压反渗透Cu2+、Ni2+和Cr6+的截留效果，考察操作压力和pH对截留效果的影响，大多数情况下重金属离子的截留率大于95%。美国芝加哥API工艺公司采用B-9芳香族聚酰胺中空纤维膜组件处理镀镍漂洗水，废水中Ni2+浓度约为650mg/L，经RO浓缩到20倍达到13000mg/L，Ni2+的分离率为92%。反渗透法用于处理含铜、锌废水也取得了满意的效果。4.2.2电镀废水处理电镀废水主要来自电镀的漂洗工艺，其漂洗液中含有氰化物、氰络合物、磷酸盐、亚硝酸盐及贵金属等，由于反渗透的高截留性能，可回收重金属、浓缩漂洗液，故也用于电镀废水的处理，但要与作为保安措施的超滤结合使用。综合回收利用，可以从含金属的废水中回收镍、铬、汞等有色金属及稀有金属、贵金属；可以利用反渗透技术处理含悬浮物的冶金溶液的脱水；将反渗透等膜技术与其他分离技术配合，可以建立起湿法冶金工艺的闭路循环过程和废水零排放工艺。4.2.3在钢铁工业废水处理中的应用钢铁工业是用水大户，用水量约占我国工业用水总量的10％。而国家对钢铁行业取水量是有规划的，一般控制在23.3亿m3以内，因此，钢铁工业要增产和发展，仅靠节水是不够的，最经济有效的就是将综合排放污水处理后回用。反渗透技术将钢铁企业生产废水处理后进行回收利用，一方面节约了大量的水资源，并降低了企业的生产成本；另一方面大大减少了废水的排放对地下水源、流域水源以及对环境的污染，产生了巨大的经济效益和社会效益。唐山钢铁股份有限公司针对一部分生产废水(240m/h)，利用反渗透技术进行深度处理。系统试运行后，证明：系统运行成本低，出水水质好。4.3.1反渗透技术在食品工业中的优点1）物质在通过膜的迁移中不会发生性质的改变2）只需简单的加压输送、反复循环，工艺简单3）无相变，能耗低，操作便利4）可对稀溶液中微量成分进行回收、低浓度溶液进行浓缩5）在分离浓缩时不加热，高度保持了产品的色、香、味及各种营养成分；同时由于在闭合路中运转，减少了空气中氧的影响，减少了原料中的色素分解和褐变发生4.3.2浓缩脱脂奶反渗透用于果汁、果酒的浓缩，可保证维生素等营养成分不受破坏以及挥发质不损失，并保留其原有的风味。反渗透膜可以完全除去细菌和病毒，使产品不加任何防腐剂而延长储存期，食用更加卫生可靠。果汁浓缩可以减少体积，便于贮存和运输，还可提高其贮存的稳定性。用管式反渗透法浓缩脱脂奶，可将固形物含量从原来的8.5％提高到27％，固形物透过率只有0.15％～0.2％，该技术在国外已得到成功应用。4.3.3果汁、果酒的浓缩反渗透膜浓缩的果汁具有更好的芳香感和清凉感。采用蒸发法浓缩的果汁，其芳香成分几乎全部消失；采用冷冻法浓缩的果汁其芳香成分只保留8％，而用反渗透膜法芳香成分可保留30％～60％，而且维生素C氨基酸及香气成分的损失均比真空蒸馏浓缩要小得多。由于透过膜的液体一般都含有一定量的无机盐和果酸，因此还可作为矿泉水或天然饮料的用水。4.3.4酒类酿造为了提高葡萄酒的甜度，日本酿酒业已应用反渗透膜设备生产葡萄酒，用于分离溶液成分中的水，使酒浓缩而达到所需的甜度，生产出优质的天然葡萄酒。其优点是：不需加热，因而不会产生煮熟味，不发生色素分解和褐色现象；不经过蒸发过程，不损失营养成分，可保持良好的酒质和香气；耗能低。①啤酒酿造反渗透法生产低度啤酒。首先将啤酒经反渗透浓缩，由于膜对酒精的截流能力差，一定量的透过液一起被分离出来，然后用不含酒精的溶液稀释浓溶液，这样就降低了啤酒的酒精度。②控制酒的甜度4.4.在冶金工业的应用研究冶金工业是利用矿物资源提取金属或金属化合物的行业，其目的是将所需金属或金属化合物从矿物资源中分离出来，反渗透技术在分离时可以截留离子而让溶剂水通过。其过程分离特性如图所示：从反渗透膜的分离特性可以看出，反渗透技术用于冶金溶液分离可行；而且由于反渗透技术具有无相变、组件化、流程简单、操作方便、占地面积小、投资省、耗电低等优点，在水处理中得到了大量的运用，因此可以借助反渗透技术应用于冶金溶液分离等领域。利用反渗透技术将所需金属或金属化合物从矿物资源中分离出来，主要用于：处理冶金废水并回收形成工业循环水，便于节约用水；浓缩稀溶液组份，回收有价金属元素；浓缩酸、碱稀溶液，回收酸、碱返回流程利用；组份间的初步分离，便于后续高精度分离。保积庆研究了山西铝厂工业废水经RO膜处理成初级纯水再送离子交换处理，使热电厂化学车间生产水全部为优质水(Na+35mg／L)，降低产水成本，大幅度减少树脂再生次数及废水量。中南大学张启修用RO杂化膜技术从铜棒加工厂废液中回收铜：利用RO、NF及离子交换等组成的杂化胶工艺从铜棒加工酸洗废水(含少量铜)中回收酸及铜，既增加了效益又解决了环保问题。工业应用的反渗透装置的膜组件之间的连接工业应用的反渗透装置5.反渗透膜技术的前景展望在当今世界水处理业朝着以开发水资源(即废水回)与保护环境双重目标的废水资源化方向发展的趋势下，反渗透膜技术由于具有优良的分离性能，其应用领域将越来越广泛。今后它的发展方向主要集中于：①开发低压反渗透膜；②提高反渗透膜的耐污染能力；③开发高通量超滤或微滤一反渗透集成系统；④提高反渗透系统水回收率；⑤开发高效能量回收装置。6.主要参考文献：[1]徐晓莉等.反渗透技术在水处理中的应用研究进展[J].中国电力教育.2005(z2):10-11[2]谢辉玲等.膜分离技术在重金属废水处理中的应用[J].化学与生物工程.2005(05):41-43[3]张跃民.制药工程中反渗透技术的应用[J].医药与保健.2009(17):200[4]王琬等.反渗透技术在废水处理中应用的研究进展[J].贵州工业职业技术学院学报.2011.3(06):23-25[5]张胜.反渗透技术在钢铁工业废水处理和回用中的应用[J].水处理技术.2007.5(33):55-57[6]侯恩娟.反渗透技术及其应用[J].生命科学仪器.2009.4(07):8-9[7]刘平.反渗透技术在冶金分离工程中的