全膜法水處理技術分析（四）

如何進行水處理？

衡美水處理為您介紹一種先進、實用的水處理技術——全膜法水處理技術。

第二節 反 滲 透

一、反滲透的原理

1、滲透的定義

一種溶劑通過一種半透膜進入一種溶液或一種稀溶液向一種比較濃的溶液的自然滲透。

滲透壓：當稀溶液向濃溶液的滲透停止時的壓力

反滲透的定義：在濃液一邊加上比自然滲透壓更高的壓力，扭轉自然滲透方向，把濃溶液中的溶劑壓到半透膜的另一邊稀溶液中，這和自然界正常滲透過程相反。

反滲透的條件：高選擇性和高滲透性的選擇性半透膜、高於溶液滲透壓的操作壓。 

2、滲透壓的計算

根據滲透平衡時膜兩側水的化學位相等的條件，得出滲透壓的計算公式，對於水的稀溶液，其計算式可近似為Vant Hoff方程：

Π = R· T ·∑ci

   式中：Π 為滲透壓，Mpa；

          R 為氣體常數，0.008039MPa·L/（mol·K）；

          T 為水的絕對溫度，K；

         ∑ci為水中各種溶質的濃度之和，mol/L。

滲透壓是選擇操作壓力和設計反滲透的重要依據。

25℃時部分典型溶液的滲透壓數據

二、反滲透膜

1、反滲透膜的性能要求和指標

 （1）膜的化學穩定性

膜的化學穩定性主要指膜的抗氧化性和抗水解性。

膜材料都是高分子化合物，而水溶液中含有次氯酸鈉、溶解氧、雙氧水、六價鉻等氧化劑，這些氧化劑會造成膜的氧化，影響膜的性能和壽命。因此若分離含氧化劑的水溶液，應盡量避免用含鍵能很低的O-O鍵或N-N鍵的膜，以提高膜的抗氧化能力，如，芳香聚酰胺膜中因有一定的N－N鍵，在氧化劑含量較高時易斷裂，故其抗氧化性不如醋酸纖維膜。

膜的水解和氧化是同時發生的。當製備膜的高分子化合物中含    －CONH－、－COOR－、－CN－、－CN2O－等時，在酸或堿的作用下，易發生水解反應，使膜破壞，而聚碸、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚苯醚等材料的抗水解性能優越，但由於其缺少親水基團，故透水性差，常用做製作膜表麵有孔的超濾膜和微孔濾膜。

（2）膜的耐熱性和機械強度

反滲透膜有時需在較高溫度下使用，故需耐熱。

膜的機械強度是高分子材料力學性質的體現，其中包括膜的耐磨性。在壓力作用下，膜的壓縮和剪切蠕變以及表現出的壓密現象，會導致膜的透過速度下降。如能將膜直接製作在高強度的支撐材料上，會增加膜的機械強度。

（3）膜的理化指標

膜材質

允許使用的壓力

適用的pH範圍

耐O2和Cl2等氧化性物質的能力

抗微生物、細菌的侵蝕能力

耐膠體顆粒及有機物、微生物的汙染能力

（4）膜的分離透過特性指標

膜的分離特性指標包括脫鹽率（或鹽透過率）、產水率（或回收率）、水通量及流量衰減係數（或膜通量保留係數）等。

A、脫鹽率（Salt Rejection）

指給水中總溶解固體物（TDS）中的未透過膜部分的百分數。

脫鹽率＝（1－產品水中總溶解固體物/給水中總溶解固體物）×100％

B、產水率（Permeat Flow Rate/ Recovery ）

指滲透水流的比率，也可表示為回收率，即產水流量與給水流量之比。

產水率＝（產品水流量/給水流量）×100％

C、水通量（Flux）

又稱透水量，指單位麵積膜的產品水流量，是設計和運行都要加以控製的重要指標，它取決於膜和原水的性質、工作壓力、溫度。

D、通量衰減係數（Flux decline coefficient）

指反滲透裝置在運行過程中水通量衰減的程度，即運行一年後水通量與初始運行水通量下降的比值。如，Hydranautics的膜以井水為原水時每年衰減4％～7％。

E、膜通量保留係數（Membrane Flux RetentionCoefficient）

指運行一定時間後水通量與初始水通量的比值。

F、鹽透過率（Salt Passage）鹽透過率＝（1－脫鹽率）×100％

G、最大給水流量、最大壓降、最低濃水流量

設定最大給水流量用來保護容器中的第一個反滲透元件，使其給水與濃水壓力降不會太大，否則，壓力降高就可能使膜組件變形，損壞膜元件。

設定最小的濃水流量以保證在容器末端的膜元件有足夠的橫向流速，從而減少了膠體在膜表麵上的沉澱，並且減少濃差極化對膜表麵的影響。

濃差極化指在膜表麵上的鹽濃度高於主體流體濃度的現象，易產生鹽濃縮，因為橫向流速低，膜表麵的鹽的反向擴散速度就低，結果難溶鹽沉澱的機會增多，而且更多的鹽會透過膜表麵，導致產水量和脫鹽率下降。

（5）反滲透膜的除鹽分離特性

A、有機物比無機物容易分離。

B、電解質比非電解質易分離。

 對電解質來說，電荷高的分離性好，例如去除率大小順序為：

Al3+＞Mg2+＞Ca2+＞Na+；PO43-＞SO42-＞Cl-

C、無機離子的去除率受該離子的水合離子數及水合離子半徑的影響．水合離子半徑越大的離子（一般離子半徑小的離子，其水合離子半徑大），則越容易被去除。例如，某些陽離子的去除率大小順序為：Mg2+、Ca2+＞Li+＞Na+＞K+，而陰離子的去除率大小順序為：F-＞C1-＞Br-＞NO3-。

D、對非電解質來說，分子愈大的愈易去除。

E、氣體容易透過膜。

例如：氨、氯、碳酸氣、硫化氫氧等氣體的去除率就很低。氨的分離性較差，但調pH值使之成為銨離子後，分離性就變好。

F、對弱酸諸如硼酸、有機酸的去除率低。

在有機化合物中，去除率大小順序為：檸檬酸＞酒石酸＞乙酸，乙醛＞乙醇＞胺＞酸。

2、膜運行條件的影響因素及膜表麵的濃差極化

（1） 膜的水通量和脫鹽率

膜的水通量和脫鹽率是反滲透過程中關鍵的運行參數，這兩個參數將受到壓力、溫度、回收率、給水含鹽量、給水pH值等因素的影響。

A、壓力

給水壓力升高使膜的水通量增大，壓力升高並不影響鹽透過量，在鹽透過量不變的情況下，水通量增大時產品水含鹽量下降，脫鹽率提高。

B、溫度

在提高給水溫度而其他運行參數不變時，產品水通量和鹽透過量均增加。

C、給水含鹽量

給水含鹽量增加影響鹽透過量和產品水通量，使產品水通量和脫鹽量均下降。

D、回收率

增大產品水的回收率，則產品水通量稍有下降趨勢。因為濃水鹽濃度增大，鹽濃度高，則滲透壓增大，在給水壓力不變的情況下，用於水通過膜的壓力降低。

E、給水pH值

脫鹽率和水通量在一定的pH值範圍內較為恒定，一般最大脫鹽率的pH為8.5左右。

（2）膜表麵的濃差極化

A、定義

反滲透過程中，水分子透過以後，膜界麵中含鹽量增大，形成較高濃度的濃水層，此層與給水水流的濃度形成很大的濃度梯度，這種現象稱為膜的濃差極化。

B、濃差極化的危害

a、由於界麵層中的濃度很高，相應地會使滲透壓升高，導致原來運行條件下的產水量下降。

b、由於界麵層中鹽的濃度升高，膜兩側的鹽濃度差增大，使產品水的鹽透過量增大。

c、由於界麵層的濃度升高，則易結垢的物質增加了沉澱的傾向，從而導致膜的垢物汙染。

d、濃差極化也是促成膜表麵膠體汙染的重要原因（膠體擴散速度遠小於鹽）。

C、消除濃差極化的措施

a、嚴格控製膜的水通量;

b、嚴格控製回收率;

c、嚴格按照膜生產廠家的設計導則進行係統的運行。

d、製造商對回收率的要求考慮了膜表麵衝洗的流速，對水通量的規定考慮了膜表麵濃縮鹽分應避免達到臨界濃度。

3、膜的材料和結構特點

按反滲透膜的材質、成膜工藝、結構和特性分類，主要有非對稱反滲透膜、複合反滲透膜，包括被人們關注的耐氯膜、耐汙染膜、動力膜、荷電膜、無機膜等。

（1）非對稱反滲透膜

最早實際使用的反滲透膜，其結構特征是二層結構，上麵一層是致密脫鹽層，下麵一層是多孔支撐層，真正起脫鹽作用的是致密層最上麵厚約0.1～0.2微米的一部分，叫活化層。致密層和多孔支撐層是在膜製備過程中同時形成的。

目前應用最廣泛的非對稱反滲透膜是醋酸纖維膜（CA）和芳香聚酰胺膜。

A、醋酸纖維素膜（CA）

有平膜和管式膜（中空纖維膜），通常膜的厚度為100～200μm，製膜時與空氣相接觸的丙酮蒸發麵在外觀上有光澤，並有非常致密的構造，其厚度在0.25～1μm，這層稱為表麵層或表麵致密層，與除鹽作用有關。表麵層下有一較厚的多孔海綿層，支持著表麵層，稱為支持層。表麵層含水率12％，支持層含水率60％。表麵層的細孔在10nm以下，支持層的細孔在100nm以上。

a、優點：價格便宜，製備簡單，透水性能好。膜在短時間內抗氯氣的濃度可達20ppm。

b、缺點：容易水解和生物降解，高分子的屈服壓力隻有56kg/cm2，隻能在較窄的pH值範圍（4～7）、較低的原水溫度（小於30度）和較低的操作壓力（低於50kg/cm2）下使用。

c、應用：適用於苦鹹水淡化、超純水製備和中性水溶液的濃縮分離等方麵。

三醋酸纖維素、醋酸丙酸纖維素、醋酸丁酸纖維素等都可做成纖維素類膜。

B、芳香聚酰胺膜（PA）

70年代以前研究的主要是脂肪族的聚酰胺膜，如尼龍-56、環氧乙烷接枝尼龍以及異氰酸酯處理的尼龍等。這些膜的透水性都較差，目前使用最多的是芳香聚酰胺膜，成膜材料為芳香聚酰胺、芳香聚酰胺-酰肼以及一些含氮芳香聚合物。

a、優點：具有較高的透水量和較高的脫鹽率，膜的化學穩定性好，機械強度高，一般適用pH為4～10、較高的原水溫度和操作壓力。

b、缺點：膜材料單體毒性大，製備複雜，價格昂貴，對氯氣比較敏感。

c、應用：除適用於CA膜應用範圍外，還適用於一級海水淡化、工業汙水淨化及酸性、堿性水溶液的濃縮分離。

C、複合反滲透膜

由於非對稱膜的致密層和支撐層是在製備中同時形成的，故非對稱膜的活化層很難做得比1000埃更薄，而活化層越厚，透水量越小，流量衰減係數越大。為克服此問題，發展了複合反滲透膜，其活化層和支持層分開形成，從結構上看，複合膜是兩層薄皮的複合體，活化層理論上可做成200埃厚。

製法：將極薄的皮層刮製在一種預先製好的微細多孔支撐層上。

複合膜具有比非對稱膜更大的透水量（比非對稱膜高80～100％）、更高的脫鹽率和更小的流量衰減係數，它的出現大大降低了反滲透的操作壓力，延長了膜的壽命，提高了反滲透的經濟效益，促進了萬噸以上反滲透膜海水淡化工廠和十萬噸級反滲透苦鹹水淡化工廠的建立。

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