反渗透膜系统设计技术综述.docx

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反渗透膜系统设计技术综述

反渗透膜系统设计技术综述．

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反渗透系统预处理设计综述反渗透膜系统设计技术综述柯青松）430072（武汉凯迪水务有限公司武汉本文主要论述了反渗透膜系统设计的基本原则摘要：

与注意要点。

关键词：

反渗透膜浓差极化

1.概述

反渗透系统设计的最终目的是为了安全和有效地运行，而对一个反渗透系统或装置的设计必须综合考虑到其运行的安全、技术经济合理性、易于操作和维护、设备空间限制及环境保护等诸多方面的要求。

其中安全内容应包括操作管理人身及设备安全两个方面，在设计考虑时应放在首位。

设计工程师在设计时首先应考虑好所设计的全套反渗透系统如何安装？

如何方便于用户运行及维护管理。

同样，作为设备运行管理人员也需要多了解设计，并在运行过程中严格遵守操作规程。

反渗透系统中的浓差极化现象及危害2.

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反渗透膜分离系统的运行方式与传统的过滤系统完全不同。

传统的过滤系统在运行时，水体全部通过滤器的滤层，在截污能力降低到一定程度时，依靠设备的反冲洗操作将截留下来的污物从滤层中除掉。

而反渗透系统在运行时则是原水中的一部分水流沿与膜表面垂直的方向透过膜，而同时另外未透过的部分水流则沿着与膜表面平行的方向流过，在工艺上属于横流过滤的范畴。

在反渗透系统产水过程中，在有水流垂直透过反渗透膜时，此时原水中的盐类和其它胶体污染物也势必受给水的净压力作用被浓缩于膜表面，与此同时所剩下的另外部分未透过的水流则沿与膜表面平行的方向将被浓缩在膜表面的污染物质带走。

也就是说，一个设计优良的反渗透系统在运行过程中能够在正常运行的同时完成良好的自身清洗过程。

工程实践表明，为有效地控制反渗透膜系统在使用过程中的污染速度，选择适宜的水通量及分离过程中的横向流速是十分重要的。

过高的水通量设计，会而膜系统若采用使其污染速度呈指数变化趋势上升，

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较高的横向流速设计则可增加膜系统运行时水流的湍流程度，从而减少已进入膜系统内的颗粒物质在膜表面的沉淀或在隔室空隙处的堆积。

另外，由于系统采用了较高的横向流速，因此提高了膜表面的高浓度盐分向主体水流的扩散速度，进而减少了难溶物沉淀在膜表面上的危险。

但是，较高的横向流态设计往往会使系统水回收率降低或循环水量过大，这样在具体工程设计时，适宜的水通量及横向流速的设计与选择至关重要。

同时，我们把这种在膜分离过中，由于料液的浓缩导致了膜表面处的物料浓度与膜水流道间的主体水流物料浓度不同的现象称之为浓差极化，若设计或运行管理不适，往往会使反渗透膜系统浓差极化现象加剧。

反渗透系统产生浓差极化现象后会产生以下不良后果：

其一，将造成膜表面的盐量浓度高，从而增加了整个膜系统的渗透压，这就需要提高反渗透膜系统给水的压力以达到所需的出力，继而增加了系统对能源的消耗。

其二，由于增大了膜两侧的盐量，使膜的浓差极其三，会使系统脱盐率下降。

盐透过率增大，

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化的最大危害是会导致膜表面的胶体物质及难溶无机盐浓聚与沉积，也正因为此方面的原因将导致已运行的反渗透膜系统必须进行频繁的化学清洗。

同时由于各种污染物在膜表面的逐渐沉积，也可能导致不可恢复的膜性能下降。

这是因为反渗透膜系统浓差极化现象产生时，膜表面附近形成了一定的浓度梯度（与流道主体相比），由于水中的盐类物质在被膜系统浓缩后，盐类物还可以通过水流的扩散而部分地离开膜表面，被横流水体带走。

但在浓差极化较为严重时，也会有相当部分的无机盐在发生浓聚后而沉积在膜表面上，然而，对胶体来说情况则不然，这是因为胶体的扩散系数较盐类的扩散系数要小的多，往往胶体扩散系数较盐类扩散系数小几百倍甚至几千倍，因此胶体对膜系统的污染在所难免，而正因为这些胶体污染物在膜表面的不可扩散的聚集和沉积，最终将使反渗透膜系统的性能下降。

需要说明一点的是，由于胶体污染物所导致较重的污染，污垢就很难清洗干净。

3.反渗透装置（系统）的设计要点

反渗透系统设计常见步骤3.1

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一般说来，对于反渗透膜系统的设计按以下方式和程序进行：

1）在选用反渗透膜元件进行反渗透装置设计时，首先应根据膜生产商提供的设计导则，结合原水水源特性和给水的SDI测试值，来确定膜系统的平均水通量数值和单个膜元件的运行出水量。

2）另外，在选定了系统所用膜元件的类型、规格之后，再用系统单元产水量与选定膜元件的运行产水量相除，即得出本系统所需膜元件的数量。

然后再根据设备空间限制和设备外形尺寸要求来确定反渗透容器可内置的膜元件数量，进而确定的膜组件的数量（当计算值为小数时，应圆整到整数）。

3）由膜组件（即反渗透压力容器）总数，按照前后两段压力容器之比稍小于2:

1的原则进行初步排列，然后再利用膜生产商提供的反渗透系统设计软件来最后确认装置膜组件的排列水回收率、产品水流量、膜元件型号、方式、．

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系统给水压力、浓水压力、膜元件压力降、给水渗透压，并验证浓水系统中各种难溶物质饱和度、LSI或S&DSI数值和产品水品质等数据是否达到设计要求。

4）根据计算结果和工艺要求来为系统选配其它必要的部件。

3.2反渗透设备工艺结构设计注意要点

大型反渗透装置的反渗透压力容器组件应单独布置在滑架上,，压力容器布置的最高高度应方便于装卸膜元件。

在单元产水量大于30吨/时的大型反渗透装置中，一般选用装有6只8040型膜元件的压力容器较多（也有选用可装有7只膜元件的容器的情况）。

无论怎样，我们在设计时都应考虑到在反渗透装置运行（受压）时，压力容器将根据具体压力情况有所伸长（装有6只8040膜元件的反渗透压力容器伸长距离一般在10~15mm左右），同时压力容器的直径也会稍微有所增大（一般在0.3~0.5mm左右），所以在反渗透装置应注意不能限制反渗透压力容器组件和管道固定时，

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的正常膨胀，否则将引起压力容器的翘曲。

一旦压力容器翘曲，将可能会引起内置膜元件的U型密封圈的泄漏而产生沟流和连接膜元件的连接件内置O型圈的密封泄漏。

反渗透装置的管路、阀门、仪表的布置应便于操作和调节。

反渗透装置运行时，对于系统产水量和水回收率的控制非常重要，这些都需要依靠系统所安装的流量表去计量，所以在进行装置设计时，首先要优先选择性能优越可靠的流量仪表，再则是流量仪表在安装使用前一定要校准。

另外，在运行时应注意端防止膜元件端头上安装的U型密封圈与R/O压力容器内壁之间发生泄漏。

若有泄漏发生会有一部分给水没有经过反渗透膜元件而是旁路流过，这不仅降低了效率，而且实际运行的水回收率已高于依据于产品水流量表和浓水排放流量表而计算出的水回收率。

这种情况必须避免发生。

大型反渗透装置设计时，必须考虑防止或降低反渗透高压泵启动时对膜元件产生的水力冲击负荷．

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（如：

水锤和过分的水流冲击）。

因为反渗透系统启动时水锤的产生可能会导致反渗透膜元件膜袋及其连接件破损。

因此，大型反渗透装置设计时，我们建议在反渗透高压泵出口安装电动慢开阀，以避免由于不合适的设备启动程序而产生水锤和过分的水流冲击。

反渗透装置设计时，在产品水管路系统中应尽可能避免设备在运行时背压的产生与存在，即反渗透膜在任何时候都不允许承受反压。

因为背压的产生可能会使膜元件的膜袋粘合线破裂，造成膜元件的永久性损坏。

世韩CSM反渗透膜元件允许的静背压必须小于5PSI。

另外，由于膜袋粘合线的破裂是由于膜袋两侧的压差过高所致，而并非流量原因，所以在反渗透出水系统中设置逆止阀等手段均不能彻底解决问题（因逆止阀不能瞬间关闭，也不保证绝对零回流）。

一般说来，我们建议大型装置产品水管道上应安装爆破膜装置。

装设爆破膜一是为了防止运行管理人员疏忽，在设备运行时忘记打开产品水出口阀门（产品水出口装设阀门是为了在对系统进行膜元件清洗做关．

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闭使用）；二是防止系统出现意外而导致背压过高，造成反渗透膜的永久性损坏破损。

反渗透装置设计应保证其在运行和清洗期间，单个膜元件的压力降必须小于15PSI，因为作用在膜元件上的压降过大会导致元件膜卷伸出，进而造成膜元件膜卷凸出及膜袋的机械破损。

反渗透系统设计时，在保安过滤器进口之前应装有不符合R/O给水要求的水排放阀。

反渗透装置设计时，应考虑系统在每次启动或停止时能对膜系统进行低压冲洗。

另外，在系统短期（几天）停运期间最好能用反渗透产品水对膜系统进行冲洗。

反渗透控制装置上一定要设有监测给水温度的仪表，因膜系统的产水量与水温密切相关，所以监测给水水温非常必要。

只有实时监测运行过程中的给水温度，这样才便于计算出“标准化”后的产水量。

另外，大型反渗透系统最好能对给水水温进行实时记录，并具有相应的超限报警及超标自动排放等保护功会对膜元件造成损℃工况下，45因为在水温超过能，

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坏。

反渗透装置上膜组件排列各段之间应装有能准确计量瞬时压力的压力表，以便计算出各段及膜元件的压力降，以便对系统的产水量和盐透过率进行“标准化”。

因为膜系统的盐透过率、产水量和各段压力降均是反渗透系统性能分析的重要数据。

在反渗透装置5μ保安过滤器进出口应安装压力表（也可以安装压差表），以监视过滤器进出口的压力差，当保安过滤器进出口压差达到一定值时（一般控制在0.1Mpa之内），提示运行管理人员及时更换滤芯。

在反渗透高压泵进出口安装压力表和压力控制器。

其一，保证在反渗透高压泵进水压力低于设定值时报警停泵；其二，保证反渗透高压泵一旦出口压力在规定的时间内（数秒钟）持续高于设定值时，系统报警停泵，从而确保反渗透系统安全运行。

并且在反渗透系统启动时，建议高压泵的启动与高压泵出口的电动慢开阀实行连锁控制。

每一段均应安装性能优,在大型反渗透装置中

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异、准确可靠的流量表，以便为设备运行“标准化”提供有效数据。

一般建议，总产品水流量表、浓水流量表均应具有现场指示、水量累计和记录功能；各段产品水流量及浓水流量均应有现场指示和水量累计记录，以便计算出各段的给水量、回收率和整个系统的水回收率。

大型反渗透装置的系统加药（酸，阻垢剂，还原剂等）应在准确的自动控制方式下运行，一般采用给水流量信号（脉冲或4~20mA信号）自动按流量信号比例投加的运行方式。

小型反渗透系统一般采用手动设置及控制。

大型反渗透装置给水管道和产品水管道上均应安装导电度表，而且导电度表应具有现场指示、记录、超限值报警功能，以便依据给水导电度和产品水导电度数值估算出反渗透系统的脱盐率。

大型反渗透系统设计时应考虑安装PH仪表，尤其当系统采用给水加酸防止碳酸钙结垢的工艺时更应该如此。

进水管道上安装的PH表主要被用来在线值。

该表计除具有现场指示、记PH监测加酸后进水．

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录和超限报警功能之外，还可与流量表配合对加酸系统进行比例积分自动调控。

另外，在反渗透清洗系统的出水管道上同样也需要安装测量准确的PH仪表，因为在对反渗透膜系统进行清洗时，对清洗液PH值的监控尤为重要，药液适宜的PH值是保障清洗效果及维持膜元件优良性能的重要监控参数。

对于应用于自来水或在予处理系统中使用过氧化性杀菌剂地表水的复合膜反渗透系统来说，必须考虑在系统给水管线上设置氧化还原电位表和还原剂在线计量投加装置。

所选用氧化还原电位表计应具有现场指示，记录和超限报警功能，这是因为对于应用于此条件下的复合膜系统来说，应将系统进水自由氯或其它氧化性物质控制在0.1PPM以下。

另外，也可以选择活性炭吸附过滤的予处理方式来消除给水中尚存的氧化性物质。

对于反渗透系统高压泵和高压管道的材料选择也非常重要，设计者一定要注意给水对管道的腐蚀情况。

在一般水源条件应用时，高压泵及高压管路选用2000-500不锈钢材料即可；当原水含盐量在AISI304．

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0PPM时，建议选用含碳量小于0.08%的AISI316不锈钢；当原水含盐量（TDS）在5000-7000PPM时，建议选用含碳量小于0.03%的AISI316L不锈钢；当原水TDS在7000-30000PPM之间时，建议选用含钼量为4.0-5.0的904L不锈钢；当系统给水是TDS为32000PPM以上的海水时，建议选用含钼量大于6%的不锈钢，例如254SMO等等。

而产品水管道则采用一般不会污染水质材料即可,如优质PVC、UPVC、ABS工程塑料等。

3-3-5.反渗透膜组件的配置方式及水回收率控制

在设计反渗透系统时，一般都根据系统用途、原水条件、设备空间限制、系统产水规模及系统水回收率等诸多因素，来综合选定反渗透压力容器内置膜元件数和膜组件的基本排列方式。

在应用8040型膜元件的较大产水量的系统中，一般都采用是内置4~6只膜元件的R/O压力容器（在超大型系统中，也可采用内置7只8040膜元件的R/O压力容器）。

在应用4040型膜元件的小型系统中，多见是每个压力容器内置1~3只4040型膜元件。

型膜元8040在膜组件的排列方式上，对于采用．

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件及6米的标准压力容器组成的膜组件制作并用于苦咸水淡化的反渗透系统来说，单段配置的反渗透装置一般最高只能获得50~60%的水回收率，而2-1配置（即两段脱盐）的R/O装置往往最终可以获得65~75%的水回收率，较为经济，也符合一般用户的水资源利用之要求，故此在工程中多被采用。

在水质条件较好和系统水回收率要求较高时，大型反渗透装置则可以采用4-2-1（即三段脱盐）配置方式，在采用该配置方式时，则可以获得大于80~85%的水回收率。

4.综述

总的说来，设计者在进行实际反渗透工程设计及设备设计时，应首先根据现场条件（原水水质、环境空间）和用户侧重要求，灵活运用各方面有利条件，配置完善的预处理，确定最适宜的系统配置方式、膜的水通量和膜元件的回收率，以使用户获得最大的投资效益。