反 渗 透 膜 相 关 知 识.docx

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反渗透膜相关知识

反渗透膜相关知识

一、材料组成

1．醋酸纤维素:

醋酸纤维素（CA）膜是由二醋酸纤维素和三醋酸纤维素的铸膜液及二者混合物浇铸而成。

随着乙酰基含量的增加，盐截留率与化学稳定性增加而水通量下降。

Loeb-Sourirajan不对称结构是使用一“医用刮刀”（“doctorblade”）把CA、乙醇或乙醚溶液浇铸在一多孔基片（如帆布）上，表面经空气干燥产生一薄皮层而形成。

在较大孔层之上的致密表皮是由约0.2μm厚的薄层组成，膜的总厚度约100μm.该技术也可用于管状的和中空纤维状膜的浇铸。

CA膜的化学稳定性差,在运转期间会发生水解,其水解速度与温度及pH条件有关。

醋酸纤维素膜可在温度0～30℃及pH值4.0～6.5下连续操作。

这些膜也会被生物侵蚀,但由于它们具有可连续暴露在低含氯量环境下的能力,故可以消除生物侵蚀。

膜稳定性差的结果导致膜截留率随操作时间增长而下降。

然而,这些材料的普及是由于它们具备广泛的来源和低廉的价格。

2．芳香聚酰胺：

不对称芳香聚酰胺（Aramid）膜（Richter和Hoehn1971）以中空纤维形式为所首创。

这些纤维是由溶液纺丝而成。

由控制纺丝液溶剂的蒸发在纤维外表面形成约0.1～1.0μm的致密表皮层。

余下的纤维结构是约26μm厚的一层多孔支撑结构。

盐的截流作用发生在致密层。

为了进一步提高截留性能，当中空纤维膜用于苦咸水脱盐时，对膜采用聚乙烯基甲基醚（PT-A）进行后处理，用于海水脱盐则用PT-A与鞣酸（PT-A）作后处理。

与纤维素膜相比，芳香聚酰胺膜的特点是具有优良的化学稳定性。

它们能在温度0～30℃pH4～11件连续操作，且不会被生物侵蚀。

然而芳香聚酰胺膜若连续暴露在含氯环境中，则易受氯侵蚀，因此，对他们处理的进料液进行脱氯是重要的。

3．薄膜复合膜：

美国内政部盐水局于年代中期基金资助的NorthStarResearch和DevelopmentInstitute（位于Minneapolis）的工作（Francis1966;Rozelle等1967）导致了薄膜复合膜的发展。

UniversalOilProducts的FluidSystemsDivision（Riley等1967）在70年代中期推出了它的商品（薄膜复合物）膜，而FilmTec公司在80年代初期推出了它的FT30复合膜（Cadotte等1980）。

在这些膜结构中，超薄栅层在一多孔织物支撑体上的微孔聚砜表面上形成（即0.2μm厚）。

该聚砜上的栅层是由聚酰胺或聚脲的"就地"界面聚合技术产生的。

薄膜复合膜的优点与它们的化学性质有关，其最主要的特点是有较大的化学稳定性，在中等压力下操作就具有高水通量和盐截留率及抗生物侵蚀。

它们能在温度0～40℃及pH2～12间连续操作。

像芳香聚酰胺一样，这些材料的抗氯及其他氧化物的性能差。

二、主要构型 

反渗透膜需要制成一定构型才可用于水处理。

目前膜的构型主要有平板式，管式，卷式和中空纤维式，但常用于水处理的是卷式和中空纤维式两种。

　对于卷式构型，常用膜有醋酸纤维素膜和复合膜，利用这些膜制成膜元件，把膜元件放在压力容器中构成膜组件。

用于制作卷式构型的膜一般先制成平整的膜，醋酸纤维素膜的结构见图1，上部有一层致密的薄层（0.1-1.0μmm）,即脱盐层，脱盐层下面有一层稍厚（100~200μm）的多孔支撑层，水很容易通过致密层流向多孔层。

致密层是半透膜层，能有效阻止盐分的通过，起脱盐作用。

复合膜由三层组成，它们是：

最上面的超薄脱盐层、中间的多孔的聚砜内夹层，最下面的聚酯支撑网层。

由于聚酯支撑层不很平坦和多孔，不能用来直接支撑脱盐层，因而在该支撑层上面浇注一层聚砜微孔层，用于直接支撑脱盐层。

聚砜层表面孔径可控制在0.015μm。

脱盐层厚度为0.2μm,在聚砜层的支撑下，能承受较高的压力，抗机械压力和化学侵蚀能力强。

对于中空纤维构型，利用芳香族聚酰胺膜制成的众多中空纤维直接装配在压力容器内，构成用于水脱盐的基本单元--膜组件。

无论是卷式还是中空纤维式，对其构型的共同要求如下：

1）对膜能提供适当的机械支撑，以便承受一定的给水压力；

2）能使给水，浓水和产品水各行其道，不混合；

3）使有一定压力的给水在通过膜面上时，能均匀分布，并有良好的流动状态，是浓差极化降至最低；

4）膜本身具有的脱盐率和透水量能在构型中得到充分的利用；

5）膜面积能得到最大限度的利用

6）便于贮存，运输，装卸和更换；

7）易于制造，维护方便，牢固且安全可靠；

8）价格有竞争力。

1．螺旋卷式

　首先叙述卷式膜元件的概念。

叶片有两张平展开的膜和一张聚酯织物组成，聚酯织物在两张膜的中间，叶片一端胶接起来形成一个袋，另一端（伸出来的聚酯织物）与带孔的PVC管粘接。

叶片之间有塑料网，它们一起沿PVC中心管卷绕形成卷式构型。

塑料端部装置粘接到卷式的叶片两端，一端起反伸缩装置（ATD）的作用，另一端起浓水密封的载体作用。

玻璃钢（FRP）材料的外表面保护卷式构型。

这样，形成了一个完整的膜元件。

卷式膜元件装入压力容器内试验，性能符合要求即可出售。

前面提到的聚酯织物是起产品水收集通道的作用。

塑料网一是作为浓水（给水）通道；二是起加强给水通道水流紊动的作用，以便把浓差极化减少到最低程度。

因为卷式反渗透装置的给水从膜元件的给水端流向浓水端，并平行于膜表面，这种水流方向就有浓差极化的倾向，因而叶片之间的塑料网是极为重要的。

　卷式膜元件广泛用于苦咸水的脱盐，用于要求产水量较大的脱盐时，通常使用直径为101.6mm（4in）或203.2mm（8in），长度为1016mm（40in）或1524mm（60in）的膜元件。

把一个或几个膜元件连接起来，装在圆筒形的压力容器内，即构成卷式膜组件。

压力给水进入第一个膜元件，并在该膜元件的螺旋卷绕之间的通道内流动。

一部分给水渗透过膜，并通过卷式通道流到膜元件中心的产品水收集管，另一部分给水沿着膜元件长度方向继续流动至第二个膜元件，这一过程依次进行。

每个膜元件的产品水通过公共产品水管流成。

当给水每通过下一个膜元件时，给水浓度增大，流过最后一个膜元件时，给水成为浓水，并排出压力容器。

2．中空纤维式

　众多中空纤维膜装配在压力容器内构成中空纤维式膜组件。

目前常用的是杜邦公司生产的用于苦咸水脱盐的B-9型中空纤维膜组件，现以此为例说明。

中空纤维外径为85μm,内径为42μm，壁厚为21.5μm。

该纤维在其表面有一层很薄得致密层（即芳香族聚酯胺膜的脱盐层），该层用以阻止盐的透过，而能使水流稳定通过。

在此薄层下面有一较厚的同样材料的多孔层，用来支撑脱盐层。

该层能让水通过它流至中空纤维的内孔。

　中空纤维比人的头发还细，尽管其壁薄，外径与内径比率差少为2：

1，犹如厚壁圆柱，但其有自支撑作用，且强度足够承受较高的压力而不变形，不损坏。

　对处理水量较大的系统，可使用102×1194或203×1219的膜组件。

压力容器内几乎全部充满纤维束，在纤维之间有约25μm的水通路。

纤维束间是用无纺布隔开的，然后缠绕，整个纤维束分24层，纤维束最外层包有导流网，以利浓水导流。

，空心纤维在压力容器内呈U型平行排列，在纤维中间的进水管道的一端用于进加压后的给水，另一端封堵密封，在其长度方向上有很多孔。

纤维束的U型底部一端用环氧树脂固定密封，另一端通过环氧树脂板固定，并敞开中空纤维孔。

进水管道内的水径向流往纤维束里的许多纤维。

有一部分水渗透进中空纤维孔内，成为产品水，经环氧树脂圆环引出，另一部分在纤维束外边缘（即压力容器内边缘）轴向流往压力容器的端部，成为浓水，不断排走，并依靠O型密封环防止给水，浓水和产品水的混合。

三、基本特性

了解膜固有的特性，对于在水处理中分析和选用膜，更好的使用膜是十分有必要的。

1．膜的方向性

只有反渗透膜的致密层与给水接触，才能达到脱盐效果，如果多孔层与给水接触，则脱盐率将明显下降，甚至不能脱盐，而透水量则大大提高。

这就是膜的方向性。

因此，若膜的致密层受损，则膜脱盐率将明显下降，透水量则明显提高。

这也说明保护好膜表面（致密层）的重要性。

2．各离子透过膜的规律

一般来说，1价离子透过率大于2价离子；2价离子透过率大于3价离子；同价离子的水合半径越小，透过率越大，即（透过率越来越小）。

溶解气体如CO2和H2S透过率几乎为%,和透过率随PH值升高而降低。

四、透过机理

反渗透膜结构上层是致密层，而下面是多孔层。

反渗透膜含有非连续大小的孔（致密层孔径小，多孔层孔径大），由致密层与水溶液接触，因而颗粒杂质不可能在膜里面被截留，不存在与过滤器一样有深层过滤的问题。

膜去除有机物是建立在筛网机理基础上的，因而有机物分子的大小与形状是确定其能否通过膜的重要因素。

用筛网机理来解释反渗透膜为什么会有98%以上的脱盐率是不适合的。

因为水分子和一般离子的大小的区别不是很大。

水中离子颗粒大小小于1nm，水分子的有效直径为0.5nm。

反渗透膜有高的脱盐率是由于半透膜对离子有排斥作用，而膜表面对水分子有选择吸附作用，当有压力的给水通过反渗透膜元件（组件）时，水通过膜，而离子被截留在溶液中。

反渗透膜的评价指标及影响因素

一、评价指标

       一般说来，反渗透膜应具备以下性能：

        ①单位面积上透水量大，脱盐率高；

       ②机械强度好，多孔支撑层的压实作用小；

       ③化学稳定性好，耐酸、碱腐蚀和微生物侵蚀；

       ④结构均匀，使用寿命长，性能衰降慢；

       ⑤制膜容易，价格便宜，原料充足。

       因此对反渗透膜的评价指标可以从以下几个方面分析：

       1、脱盐率和透盐率

　　脱盐率――通过反渗透膜从系统进水中去除可溶性杂质浓度的百分比。

　　透盐率――进水中可溶性杂质透过膜的百分比。

　　脱盐率＝（1－产水含盐量/进水含盐量）×100％

　　透盐率＝100％－脱盐率

　　膜元件的脱盐率在其制造成形时就已确定，脱盐率的高低取决于膜元件表面超薄脱盐层的致密度，脱盐层越致密脱盐率越高，同时产水量越低。

反渗透对不同物质的脱除率主要由物质的结构和分子量决定，对高价离子及复杂单价离子的脱除率可以超过99％，对单价离子如：

钠离子、钾离子、氯离子的脱除率稍低，但也超过了98％；对分子量大于100的有机物脱除率也可达到98％，但对分子量小于100的有机物脱除率较低。

       2、产水量（水通量）

　　产水量（水通量）――指反渗透系统的产能，即单位时间内透过膜水量，通常用吨/小时或加仑/天来表示。

　　渗透流率――渗透流率也是表示反渗透膜元件产水量的重要指标。

指单位膜面积上透过液的流率，通常用加仑每平方英尺每天（GFD）表示。

过高的渗透流率将导致垂直于膜表面的水流速加快，加剧膜污染。

        3、回收率

　　回收率－－指膜系统中给水转化成为产水或透过液的百分比。

膜系统的回收率在设计时就已经确定，是基于预设的进水水质而定的。

回收率通常希望最大化以便提高经济效益，但是应该以膜系统内不会因盐类等杂质的过饱和发生沉淀为它的极限值。

       回收率＝（产水流量/进水流量）×100％

二、反渗透的影响因素

       膜的水通量和脱盐率是反渗透过程中关键的运行参数，这两个参数将受到压力、温度、回收率、给水含盐量、给水PH值因素的影响。

       1、进水压力 

　　进水压力本身并不会影响盐透过量，但是进水压力升高使得驱动反渗透的净压力升高，使得产水量加大，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。

当进水压力超过一定值时，由于过高的回收率，加大了浓差极化，又会导致盐透过量增加，抵消了增加的产水量，使得脱盐率不再增加。

       2.、进水温度

       温度对反渗透的运行压力、脱盐率、压降影响最为明显。

温度上升，渗透性能增加，在一定水通量下要求的净推动力减少，因此实际运行压力降低。

同时溶质透过速率也随温度的升高而增加，盐透过量增加，直接表现为产品水电导率升高。

       温度对反渗透各段的压降也有一定的影响，温度升高，水的粘度降低，压降减少，对于膜的通道由于污堵而使湍流程度增强的装置，粘度对压降的影响更为明显。

       反渗透膜产水电导对进水水温的变化十分敏感，随着水温的增加，水通量也线性的增加，进水水温每升高1℃，产水通量就增加2.5％～3.0％；其原因在于透过膜的水分子粘度下降、扩散性能增强。

进水水温的升高同样会导致透盐率的增加和脱盐率的下降，这主要是因为盐分透过膜的扩散速度会因温度的提高而加快。

       3、进水pH值

　　各种膜组件都有一个允许的pH值范围，进水pH值对产水量几乎没有影响；但是即使在允许范围内，对脱盐率有较大影响，一方面pH值对产品水的电导率也有一定的影响，这是因为反渗透膜本身大都带有一些活性基团，pH值可以影响膜表面的电场进而影响到离子的迁移，pH值对进水中杂质的形态有直接影响，如对可离解的有机物，其截留率随pH值的降低而下降；另一方面由于水中溶解的CO2受pH值影响较大，pH值低时以气态CO2形式存在，容易透过反渗透膜，所以pH低时脱盐率也较低，随pH升高，气态CO2转化为HCO－3和CO2－3离子，脱盐率也逐渐上升，在pH7.5～8.5间，脱盐率达到最高。

       4、进水盐浓度

       渗透压是水中所含盐分或有机物浓度的函数，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。

透盐率正比于膜正反两侧盐浓度差，进水含盐量越高，浓度差也越大，透盐率上升，从而导致脱盐率下降。

对同一系统来说，给水含盐量不同，其运行压力和产品水电导率也有差别，给水含盐量每增加l00ppm，进水压力需增加约0.007MPa，同时由于浓度的增加，产品水电导率也相应的增加。

     5、悬浮物 

        水中的悬浮物就是指在水滤过的同时，在过滤材料表面残留下的物质，以粒子成分为主体。

悬浮物含量高会导致反渗透和纳滤系统很快阿发生严重堵塞，影响系统的产水量和产水水质。

       6、回收率

        回收率对各段压降有很大的影响，在进水总流量保持一定的条件下，回收率增加，由于流经反渗透高压侧的浓水流量减少，总压降降低，回收率减少，总压降增大，实际运行表明，回收率即使变化很小，如1%，也会使总压差产生0.02MPa左右的变化。

回收率对产品水电导率的影响取决于盐透过量和产品水量，一般说来，系统回收率增大，会增加浓水中的含盐量，并相应增加产品水的电导率。

第三节  反渗透设备加药系统

1反渗透设备加药系统概述：

加药系统包括加NaHSO3和191阻垢剂两个个系统，它们的主要作用是保证RO组件长期保持较高的脱盐及产水能力。

加药系统药品溶液箱的容积满足一昼夜的药品用量。

加药系统计量泵进口设置滤网，出口装设脉冲缓冲器，药品注入点后设置管道式静态混合器。

2  NaHSO3加药系统：

2.1概述:

计量泵选用美国进口的C776-26S型计量泵，共三台，一台备用，每台对应两套反渗透设备（即#1计量泵对应#1、#2反渗透，#2计量泵对应#3、#4反渗透）三台泵间均设有联络门，可根据实际情况切换泵，加药点为机械过滤器出口处，该泵的出力可根据流量的大小进行比例调节。

2.2NaHSO3的作用：

在反渗透的前处理中，为了防止反渗透发生微生物污染，在水中加入了NaClO，而复合膜要求进水中必须除去残余氯，因此在反渗透的入口水中加入一定量的还原剂NaHSO3使水发生脱氯反应，以除去其中的残余氯，其反应为：

NaHSO3+HClO→NaHSO4+HCl

2.3NaHSO3的加入量：

使用NaHSO3时应首先配成浓度为5%（W/V）的溶液，其准确加入量应以测定水中残余氯含量<0.1mg/L为准，按照3mg/L的标准计算，NaHSO3溶液的加入量为16.02L/h，调节泵冲程为40%、频率为65%（手动）对应267M3/h的进水，0-100←→-500-+500MV（自动），即可满足泵输出的总能力为16.02L/h。

切勿加入过多,否则会增加离子交换器的负担。

3191阻垢剂加药系统

3.1概述：

阻垢剂计量泵选用美国进口的B716-391T1型计量泵，共三台，一台备用。

每台对应两套反渗透设备（即#1计量泵对应#1、#2反渗透，#2计量泵对应#3、#4反渗透）三台泵间均设有联络门，可根据实际情况切换泵，加药点为机械过滤器出口处，该泵的出力可根据流量的大小进行比例调节。

当了解到CO2、HCO3－和CO3＝之间的平衡，就能够找到这一问题的最好答案，在密闭的体系内，CO2、HCO3－和CO3＝的相对含量随pH值的变化而变化，低pH值条件下，CO2占主要部份，在中等pH值范围内，主要为HCO3-，高pH值范围内，主要为CO3＝。

    由于RO膜可以脱除溶解性的离子而不能脱除溶解性的气体，RO产水中的CO2含量与RO进水中CO2的含量基本相同，但是HCO3－和CO3＝常常能够减少1～2个数量级，这样就会打破进水中CO2、HCO3－和CO3＝之间的平衡，在系列反应中，CO2将与H2O结合发生如下反应平衡的转移，直到建立新的平衡。

    HCO3－ + H+ CO2 + H2O 

    如果进水中含有CO2，则RO的产水pH值总会降低，对于大多数RO系统反渗透产水的pH值将有1～2个pH值的下降，当进水碱度和HCO3－高时，产水的pH值下降就更大。