椰殼活性炭生產(chǎn)廠(chǎng)家為您全面解析反滲透內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理

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　　一、反滲透脫鹽的原理

　　在一定的溫度下，用一張易透水而難透鹽的半透膜將淡水和鹽水隔開(kāi)〔如圖(a)〕，淡水即透過(guò)半透膜向鹽水方向移動(dòng)，隨著右室鹽水側(cè)液位升高，產(chǎn)生一定的壓力，阻止左室淡水向鹽水側(cè)移動(dòng)，最后達(dá)到平衡，如圖(b)所示。此時(shí)的平衡壓力稱(chēng)為溶液的滲透壓，這種現(xiàn)象稱(chēng)為滲透現(xiàn)象。若在右室鹽水側(cè)施加一個(gè)超過(guò)滲透壓的外壓〔如圖(c)〕，右室鹽溶液中的水便透過(guò)半透膜向左室淡水中移動(dòng)，使淡水從鹽水中分離出來(lái)，此現(xiàn)象與滲透現(xiàn)象相反，稱(chēng)反滲透現(xiàn)象。

　　由此可知，反滲透脫鹽的依據(jù)是①半透膜的選擇透過(guò)性，即有選擇地讓水透過(guò)而不允許鹽透過(guò);②鹽水室的外加壓力大于鹽水室與淡水室的滲透壓力，提供了水從鹽水室向淡水室移動(dòng)的推動(dòng)力。一些溶液的典型滲透壓力見(jiàn)下表。

　　上述用于隔離淡水與鹽水的半透膜稱(chēng)為反滲透膜。反滲透膜多用高分子材料制成，目前，用于火電廠(chǎng)的反滲透膜多為芳香聚酰胺復(fù)合材料制成。

　　RO(Reverse Osmosis)反滲透技術(shù)是利用壓力差為動(dòng)力的膜分離過(guò)濾技術(shù)，其孔徑小至納米級(jí)(1納米=10-9米 )，在一定的壓力下，H2O分子可以通過(guò)RO膜，而源水中的無(wú)機(jī)鹽、重金屬離子、有機(jī)物、膠體、細(xì)菌、病毒等雜質(zhì)無(wú)法透過(guò)RO膜，從而使可以透過(guò)的純水和無(wú)法透過(guò)的濃縮水嚴(yán)格區(qū)分開(kāi)來(lái)。

　　反滲膜的工作原理圖如下：

　　二、反滲透膜的主要特性

　　1 膜分離的方向性和分離特性

　　實(shí)用性反滲透膜均為非對(duì)稱(chēng)膜，有表層和支撐層，它具有明顯的方向性和選擇性。所謂方向性就是將膜表面置于高壓鹽水中進(jìn)行脫鹽，壓力升高膜的透水量、脫鹽率也增高;而將膜的支撐層置于高壓鹽水中，壓力升高脫鹽率幾乎為0，透水量卻大大增加。由于膜具有這種方向性，應(yīng)用時(shí)不能反向使用。

　　反滲透對(duì)水中離子和有機(jī)物的分離特性不盡相同，歸納起來(lái)大致有以下幾點(diǎn)：

　　(1)有機(jī)物比無(wú)機(jī)物容易分離。

　　(2)電解質(zhì)比非電解質(zhì)容易分離。高電荷的電解質(zhì)更容易分離，其去除率順序一般如下：

　　Al3+ > Fe3+> Ca2+> Na+ PO43-> SO42->Cl-

　　對(duì)于非電解質(zhì)，分子越大越容易去除。

　　(3)無(wú)機(jī)離子的去除率與離子水合狀態(tài)中的水合物及水合離子半徑有關(guān)。水合離子半徑越大，越容易被除去，去除率順序如下：

　　Mg2+、Ca2+ >Li+ >Na+ >K+;F- >Cl- >Br->NO3-

　　(4)對(duì)極性有機(jī)物的分離規(guī)律：

　　醛>醇>胺>酸，叔胺>仲胺>伯胺，檸檬酸>酒石酸>蘋(píng)果酸>乳酸>醋酸;

　　(5)對(duì)異構(gòu)體：

　　叔(tert-)> 異(iso-)> 仲(sec-)> 原(pri-)

　　(6)有機(jī)物的鈉鹽分離性能好，而苯酚和苯酚的衍生物則顯示了負(fù)分離。極性或非極性、離解或非離解的有機(jī)溶質(zhì)的水溶液，當(dāng)它們進(jìn)行膜分離時(shí)，溶質(zhì)、溶劑和膜間的相互作用力，決定了膜的選擇透過(guò)性，這些作用包括靜電力、氫鍵結(jié)合力、疏水性和電子轉(zhuǎn)移四種類(lèi)型。

　　(7)一般溶質(zhì)對(duì)膜的物理性質(zhì)或傳遞性質(zhì)影響都不大，只有酚或某些低分子量有機(jī)化合物會(huì)使醋酸纖維素在水溶液中膨脹，這些組分的存在，一般會(huì)使膜的水通量下降，有時(shí)還會(huì)下降的很多。

　　(8)硝酸鹽、高氯酸鹽、氰化物、硫代氰酸鹽的脫除效果不如氯化物好，銨鹽的脫除效果不如鈉鹽。

　　(9)而相對(duì)分子質(zhì)量大于150的大多數(shù)組分，不管是電解質(zhì)還是非電解質(zhì)，都能很好脫除。

　　此外，反滲透膜對(duì)芳香烴、環(huán)烷烴、烷烴及氯化鈉等的分離順序是不同的。

　　在實(shí)際工作中，有許多工作是相互制約的。因此在理論指導(dǎo)的前提下，必須進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，掌握物質(zhì)的特性或規(guī)律，正確運(yùn)用反滲透技術(shù)，這點(diǎn)是十分重要。

　　2、反滲透水處理裝置

　　反滲透水處理裝置是包括從保安過(guò)濾器的進(jìn)口法蘭至反滲透淡水出水法蘭之間的整套單元設(shè)備。包含保安過(guò)濾器、高壓泵、反滲透本體裝置、電氣、儀表及連接管線(xiàn)、電纜等可獨(dú)立運(yùn)行的裝置。此外包含化學(xué)清洗裝置和反滲透阻垢劑加藥裝置。

　　2.1 保安過(guò)濾器

　　為保證反滲透本體的安全運(yùn)行，即使有良好的預(yù)處理系統(tǒng)，仍需要設(shè)置精密過(guò)濾設(shè)備，起安全保障作用，故稱(chēng)之為保安過(guò)濾器(也有技術(shù)資料中稱(chēng)精密過(guò)濾器)。在反滲透系統(tǒng)中，保安過(guò)濾器不應(yīng)作為一般運(yùn)行過(guò)濾器使用，僅應(yīng)作保安過(guò)濾使用，通常設(shè)在高壓泵之前。保安過(guò)濾器有多種結(jié)構(gòu)形式，常用如圖3-5所示，濾元固定在隔板上，水自中部進(jìn)入保安過(guò)濾器內(nèi)，隔板下部出水室引出，雜質(zhì)被阻留在濾元上。

　　反滲透水處理系統(tǒng)選擇的過(guò)濾精度一般為5µm。這種濾元的優(yōu)點(diǎn)是過(guò)濾精度高，制造方便，價(jià)格便宜，使用安全，雜質(zhì)不易穿透，但反洗和化學(xué)清洗效果不明顯，只能一次性使用，當(dāng)運(yùn)行壓差達(dá)到0.2MPa左右時(shí)需要更換濾元。

　　2.2高壓泵

　　反滲透膜運(yùn)行時(shí)，需要經(jīng)高壓泵將水升至規(guī)定的壓力后送入，才能完成脫鹽過(guò)程。目前火電廠(chǎng)使用的高壓泵有離心式、柱塞式和螺桿式等多種形式，其中，多級(jí)離心式水泵使用最廣泛。這種泵的特點(diǎn)是效率較高，可以達(dá)到90%以上，節(jié)省能耗。

　　2.3反滲透本體

　　反滲透本體是將反滲透膜組件用管道按照一定排列方式組合、連接而成的組合式水處理單元。單個(gè)反滲透膜稱(chēng)膜元件，將一只或數(shù)只反滲透膜元件按一定技術(shù)要求串接，與單只反滲透膜殼組裝構(gòu)成膜組件。

　　(1)膜元件

　　反滲透膜元件由反滲透膜和支撐材料等制成的具有工業(yè)使用功能的基本單元。目前在火電廠(chǎng)中應(yīng)用的主要是卷式膜元件。

　　目前各膜制造商針對(duì)不同行業(yè)用戶(hù)，生產(chǎn)出多種用途的膜元件。在火電廠(chǎng)應(yīng)用的膜元件按照水源特點(diǎn)大致可分為：高壓海水脫鹽反滲透膜元件;低壓和超低壓苦咸水脫鹽反滲透膜元件;抗污染膜元件。下表中分別列出了這幾種膜的性能參數(shù)對(duì)比。

　　所使用的膜元件型號(hào)為BW30-400/34i，30表示水流通道為30mil，400表示有效面積為400ft2，制造單位為陶氏，每套反滲透共有168根膜組件，每根1米，材料為聚丙烯酰胺。

　　膜元件的基本要求是：

　　A、盡可能高的膜裝填密度。

　　B、不易濃差極化

　　C、抗污染能力強(qiáng)

　　D、清洗和更換膜方便

　　E、價(jià)格便宜

　　(2)膜殼

　　反滲透本體裝置中用來(lái)裝載反滲透膜元件的承壓容器稱(chēng)為膜殼，又稱(chēng)“壓力容器”，制造單位為海德能，每根壓力容器長(zhǎng)大約7米。

　　膜殼的外殼一般由環(huán)氧玻璃鋼布纏繞而成，外刷環(huán)氧漆。也有部分生產(chǎn)商的產(chǎn)品為不銹鋼材質(zhì)的膜殼。由于玻璃鋼具有較強(qiáng)的耐腐蝕性能，目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)火電廠(chǎng)選用玻璃鋼材質(zhì)的膜殼。我們壓力容器的材質(zhì)為玻璃鋼，英文縮寫(xiě)為FRP。

　　三、影響反滲透水處理系統(tǒng)性能的因素

　　針對(duì)特定的系統(tǒng)條件，水通量和脫鹽率是反滲透膜的特性，而影響反滲透本體的水通量和脫鹽率因素較多，主要包括壓力、溫度、回收率、進(jìn)水含鹽量和pH值等影響因素。

　　(1)壓力的影響

　　反滲透進(jìn)水壓力直接影響反滲透膜的膜通量和脫鹽率。如圖所示，膜通量的增加與反滲透進(jìn)水壓力呈直線(xiàn)關(guān)系;脫鹽率與進(jìn)水壓力成線(xiàn)性關(guān)系，但壓力達(dá)到一定值后，脫鹽率變化曲線(xiàn)趨于平緩，脫鹽率不再增加 。

　　(2)溫度影響

　　如圖所示，脫鹽率隨反滲透進(jìn)水溫度的升高而降低。而產(chǎn)水通量則幾乎呈線(xiàn)性地增大。主要是因?yàn)椋瑴囟壬�高，水分子的粘度下降，擴(kuò)散能力強(qiáng)，因而產(chǎn)水通量升高;隨著溫度的提高，鹽分透過(guò)反滲透膜的速度也會(huì)加快，因而脫鹽率會(huì)降低。原水溫度是反滲透系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參考指標(biāo)。如某電廠(chǎng)在進(jìn)行反滲透工程技改時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)原水水溫按25℃計(jì)算，計(jì)算出來(lái)的進(jìn)水壓力為1.6MPa，而系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)水溫只有8℃，進(jìn)水壓力必須提高至2.0MPa才能保證淡水的設(shè)計(jì)流量。導(dǎo)致的后果是，系統(tǒng)運(yùn)行能耗增加，反滲透裝置膜組件內(nèi)部密封圈壽命變短，增大了設(shè)備的維護(hù)量。

　　(3)含鹽量的影響

　　水中鹽濃度是影響膜滲透壓的重要指標(biāo)，隨著進(jìn)水含鹽量的增加，膜滲透壓也增大。圖3-18所示，在反滲透進(jìn)水壓力不變的情況下，進(jìn)水含鹽量增加，因滲透壓的增加抵銷(xiāo)了部分進(jìn)水推動(dòng)力，因而通量變低，同時(shí)脫鹽率也變低。

　　(4)回收率的影響

　　反滲透系統(tǒng)回收率的提高，會(huì)使膜元件進(jìn)水沿水流方向的含鹽量更高，從而導(dǎo)致膜滲透壓增大，這將抵消反滲透進(jìn)水壓力的推動(dòng)作用，從而使降低了產(chǎn)水通量。膜元件進(jìn)水含鹽量的增大，使淡水中的含鹽量隨之增加，從而降低了脫鹽率。如圖3-19回收率對(duì)膜通量和脫鹽率影響的趨勢(shì)。含鹽量產(chǎn)水通量(壓力一定)圖3-18含鹽量對(duì)膜通量和脫鹽率影響趨勢(shì)圖圖3-19回收率對(duì)膜通量和脫鹽率影響趨勢(shì)圖圖3-20pH值對(duì)膜通量和脫鹽率影響趨勢(shì)圖脫鹽率(壓力一定)脫鹽率(壓力一定)脫鹽率(壓力一定)產(chǎn)水通量(壓力一定)脫鹽率(壓力一定)產(chǎn)水通量(壓力一定)回收率pH值。

　　在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，反滲透系統(tǒng)最大回收率并不取決于取決于滲透壓的限制，往往取決于原水中的鹽分的成分和含量大小，因?yàn)殡S著回收率的提高，微溶鹽類(lèi)如碳酸鈣、硫酸鈣和硅等在濃縮過(guò)程中會(huì)發(fā)生結(jié)垢現(xiàn)象。

　　(5)pH值的影響

　　不同種類(lèi)的膜元件適用的pH值范圍差別較大，如醋酸纖維膜在pH 值4～8的范圍內(nèi)產(chǎn)水通量和脫鹽率趨于穩(wěn)定，在pH值低于4或高于8的區(qū)間內(nèi)，受影響較大。目前工業(yè)水處理使用的膜材料絕大多數(shù)為復(fù)合材料，適應(yīng)的pH值范圍較寬(連續(xù)運(yùn)行情況下pH值可以控制在3～10的范圍)，在此范圍內(nèi)的膜通量和脫鹽率相對(duì)穩(wěn)定，如圖3-20 所示。

　　四、反滲透膜預(yù)處理方法

　　反滲透膜過(guò)濾方式與濾床式過(guò)濾器過(guò)濾不同，濾床是全過(guò)濾方式，即原水全部通過(guò)濾層。而反滲透膜過(guò)濾是橫流過(guò)濾方式(如圖3-21 反滲透膜橫向過(guò)濾示意圖)，即原水中的一部分水沿與膜垂直方向透過(guò)膜，此時(shí)鹽類(lèi)和各種污染物被膜截流下來(lái)，并被沿膜與膜面平行方向流動(dòng)的剩余的另一部分原水?dāng)y帶出，但污染物并不能完全帶出，隨著時(shí)間的推移，殘留的污染物會(huì)會(huì)使膜元件污染加重，而且原水污染物及回收率越高，膜污染越快。

　　1 結(jié)垢控制

　　當(dāng)原水中的難溶鹽在膜元件內(nèi)不斷被濃縮且超過(guò)其溶解度極限時(shí)，它們就會(huì)在反滲透膜表面上沉淀，我們稱(chēng)之為“結(jié)垢”。當(dāng)水源確定后，隨著反滲透系統(tǒng)的回收率的提高，結(jié)垢的風(fēng)險(xiǎn)就越大。目前出于水源短缺或排放廢水對(duì)環(huán)境影響考慮，提高回收率是一種習(xí)慣做法，在這種情況下，考慮周全的結(jié)垢控制措施尤為重要。在反滲透系統(tǒng)中，常見(jiàn)的難溶鹽為CaCO3、CaSO4和SiO2，其他會(huì)產(chǎn)生結(jié)垢的化合物為CaF2、BaSO4、SrSO4和Ca3(PO4)2。常用的阻垢方法是加阻垢劑。我車(chē)間用的阻垢劑為納爾科的PC191，歐美的NP200。

　　2 膠體和固體顆粒污染的控制

　　膠體和顆粒污堵會(huì)嚴(yán)重影響反滲透膜元件的性能，如大幅度降低淡水產(chǎn)量，有時(shí)也會(huì)降低脫鹽率，膠體和顆粒污染的初期癥狀是反滲透膜組件進(jìn)出水壓差增加。

　　判斷反滲透膜元件進(jìn)水膠體和顆粒最通用的辦法是測(cè)量水中的SDI值，有時(shí)也稱(chēng)FI值(污染指數(shù))，它是監(jiān)測(cè)反滲透預(yù)處理系統(tǒng)運(yùn)行情況的重要指標(biāo)之一。

　　SDI(淤泥密度指數(shù))是以單位時(shí)間內(nèi)水濾過(guò)速度的變化來(lái)表示水質(zhì)的污染性。水中膠體和顆粒物的多少會(huì)影響SDI大小。SDI值可用SDI儀來(lái)測(cè)定。

　　3 膜微生物污染控制

　　原水中微生物主要包括：細(xì)菌、藻類(lèi)、真菌、病毒和其他高等生物。反滲透過(guò)程中，微生物伴隨水中溶解性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)會(huì)在膜元件內(nèi)不斷濃縮和富集，成為形成生物膜的理想環(huán)境與過(guò)程。反滲透膜元件的生物污染，將會(huì)嚴(yán)重影響反滲透系統(tǒng)的性能，出現(xiàn)反滲透組件間的進(jìn)出口壓差迅速增加，導(dǎo)致膜元件產(chǎn)水量下降，有時(shí)產(chǎn)水側(cè)會(huì)出現(xiàn)生物污染，導(dǎo)致產(chǎn)品水受污染。如某些火電廠(chǎng)反滲透裝置在檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)，膜元件及淡水管側(cè)長(zhǎng)滿(mǎn)綠青苔，這是一種典型的微生物污染。

　　膜元件一旦出現(xiàn)微生物污染并產(chǎn)生生物膜，對(duì)膜元件的清洗就非常困難。此外，沒(méi)有徹底清除的生物膜將引起微生物的再次快速的增長(zhǎng)。因此微生物的防治也是預(yù)處理的最主要任務(wù)之一，尤其是對(duì)于以海水、地表水和廢水作為水源的反滲透預(yù)處理系統(tǒng)。

　　防止膜微生物的方法主要有：加氯、微濾或超濾處理、臭氧氧化、紫外線(xiàn)殺菌、投加亞硫酸氫鈉。在火電廠(chǎng)水處理系統(tǒng)常用的方法是加氯殺菌和在反滲透前采用超濾水處理技術(shù)。

　　氯作為一種滅菌劑，它能夠使許多致病微生物快速失活。氯的效率取決于氯的濃度、水的pH值和接觸時(shí)間。在工程應(yīng)用中，水中余氯一般控制在0.5～1.0mg/L以上，反應(yīng)時(shí)間控制在20～30min，氯的加藥量需要通過(guò)調(diào)試確定，因?yàn)樗�中有機(jī)物也會(huì)耗氯。采用加氯殺菌，最佳實(shí)用pH 值為4～6。

　　在海水系統(tǒng)中采用加氯殺菌與苦咸水中的情況不同。通常海水中還有65mg/L左右的溴，當(dāng)海水進(jìn)行氯的化學(xué)處理時(shí)，溴會(huì)首先與次氯酸反應(yīng)生成次溴酸，這樣其殺菌作用的是次溴酸而不是次氯酸，而次溴酸在pH值較高的情況下不會(huì)分解，因此，海水采取加氯殺菌效果比在苦咸水中要好。

　　由于復(fù)合材質(zhì)的膜元件對(duì)進(jìn)水余氯有一定要求，因此，采用加氯殺菌后，需要進(jìn)行脫氯還原處理。

　　4 有機(jī)物污染控制

　　有機(jī)物在膜表面上的吸附會(huì)引起膜通量的下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成不可逆的膜通量損失，影響膜的實(shí)用壽命。

　　對(duì)于地表水來(lái)說(shuō)，水中大多為天然物，通過(guò)混凝澄清、直流混凝過(guò)濾及活性炭過(guò)濾聯(lián)合處理的工藝，可以大大降低水中有機(jī)物，滿(mǎn)足反滲透進(jìn)水要求。

　　5 濃差極化控制

　　在反滲透過(guò)程中，膜表面的濃水與進(jìn)水之間有時(shí)會(huì)產(chǎn)生很高的濃度梯度，這種現(xiàn)象稱(chēng)為濃差極化。產(chǎn)生這種現(xiàn)象時(shí)，在膜表面會(huì)形成一層濃度比較高、比較穩(wěn)定的所謂“臨界層”，它妨礙反滲透過(guò)程的有效進(jìn)行。這是因?yàn)椋瑵獠顦O化會(huì)使膜表面溶液滲透壓增大，反滲透過(guò)程的推動(dòng)力會(huì)降低，導(dǎo)致產(chǎn)水量和脫鹽率均降低。濃差極化嚴(yán)重時(shí)，某些微溶鹽會(huì)在膜表面沉淀結(jié)垢。為避免濃差極化，有效的方法是使?jié)馑�的流�?dòng)始終保持紊流狀態(tài)，即通過(guò)提高進(jìn)水流速來(lái)提高濃水流速的方法，使膜表面微溶鹽的濃度減少到最低值;另外在反滲透水處理裝置停運(yùn)后，應(yīng)及時(shí)沖洗置換濃水側(cè)的濃水。

　　反滲透技術(shù)的特點(diǎn)：

　　1、反滲透的脫鹽率高，單只膜的脫鹽率可達(dá)99%，單級(jí)反滲透系統(tǒng)脫鹽率一般可穩(wěn)定在90%以上，雙級(jí)反滲透系統(tǒng)脫鹽率一般可穩(wěn)定在98%以上。

　　2、由于反滲透能有效去除細(xì)菌等微生物、有機(jī)物，以及金屬元素等無(wú)機(jī)物，出水水質(zhì)極大地優(yōu)于其它方法。

　　3、反滲透制純水運(yùn)行成本及人工成本低廉，減少環(huán)境污染。

　　4、減緩了由于源水水質(zhì)波動(dòng)而造成的產(chǎn)水水質(zhì)變化，從而有利于生產(chǎn)中水質(zhì)的穩(wěn)定，這對(duì)純水產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定有積極的作用。

　　5、可大大減少后續(xù)處理設(shè)備的負(fù)擔(dān)，從而延長(zhǎng)后續(xù)處理設(shè)備的使用壽命。

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