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为您全面解析反渗透内部结构及工作原理

发布时间:2020-10-15 13:08

  在一定的温度下,用一张易透水而难透盐的半透膜将淡水和盐水隔开〔如图(a)〕,淡水即透过半透膜向盐水方向移动,随着右室盐水侧液位升高,产生一定的压力,阻止左室淡水向盐水侧移动,最后达到平衡,如图(b)所示。此时的平衡压力称为溶液的渗透压,这种现象称为渗透现象。若在右室盐水侧施加一个超过渗透压的外压〔如图(c)〕,右室盐溶液中的水便透过半透膜向左室淡水中移动,使淡水从盐水中分离出来,此现象与渗透现象相反,称反渗透现象。

  由此可知,反渗透脱盐的依据是①半透膜的选择透过性,即有选择地让水透过而不允许盐透过;②盐水室的外加压力大于盐水室与淡水室的渗透压力,提供了水从盐水室向淡水室移动的推动力。一些溶液的典型渗透压力见下表。

  上述用于隔离淡水与盐水的半透膜称为反渗透膜。反渗透膜多用高分子材料制成,目前,用于火电厂的反渗透膜多为芳香聚酰胺复合材料制成。

  RO(ReverseOsmosis)反渗透技术是利用压力差为动力的膜分离过滤技术,其孔径小至纳米级(1纳米=10-9米),在一定的压力下,H2O分子可以通过RO膜,而源水中的无机盐、重金属离子、有机物、胶体、细菌、病毒等杂质无法透过RO膜,从而使可以透过的纯水和无法透过的浓缩水严格区分开来。

  实用性反渗透膜均为非对称膜,有表层和支撑层,它具有明显的方向性和选择性。所谓方向性就是将膜表面置于高压盐水中进行脱盐,压力升高膜的透水量、脱盐率也增高;而将膜的支撑层置于高压盐水中,压力升高脱盐率几乎为0,透水量却大大增加。由于膜具有这种方向性,应用时不能反向使用。

  (2)电解质比非电解质容易分离。高电荷的电解质更容易分离,其去除率顺序一般如下:

  (3)无机离子的去除率与离子水合状态中的水合物及水合离子半径有关。水合离子半径越大,越容易被除去,去除率顺序如下:

  (6)有机物的钠盐分离性能好,而苯酚和苯酚的衍生物则显示了负分离。极性或非极性、离解或非离解的有机溶质的水溶液,当它们进行膜分离时,溶质、溶剂和膜间的相互作用力,决定了膜的选择透过性,这些作用包括静电力、氢键结合力、疏水性和电子转移四种类型。

  (7)一般溶质对膜的物理性质或传递性质影响都不大,只有酚或某些低分子量有机化合物会使醋酸纤维素在水溶液中膨胀,这些组分的存在,一般会使膜的水通量下降,有时还会下降的很多。

  (8)硝酸盐、高氯酸盐、氰化物、硫代氰酸盐的脱除效果不如氯化物好,铵盐的脱除效果不如钠盐。

  (9)而相对分子质量大于150的大多数组分,不管是电解质还是非电解质,都能很好脱除。

  在实际工作中,有许多工作是相互制约的。因此在理论指导的前提下,必须进行试验验证,掌握物质的特性或规律,正确运用反渗透技术,这点是十分重要。

  反渗透水处理装置是包括从保安过滤器的进口法兰至反渗透淡水出水法兰之间的整套单元设备。包含保安过滤器、高压泵、反渗透本体装置、电气、仪表及连接管线、电缆等可独立运行的装置。此外包含化学清洗装置和反渗透阻垢剂加药装置。

  为保证反渗透本体的安全运行,即使有良好的预处理系统,仍需要设置精密过滤设备,起安全保障作用,故称之为保安过滤器(也有技术资料中称精密过滤器)。在反渗透系统中,保安过滤器不应作为一般运行过滤器使用,仅应作保安过滤使用,通常设在高压泵之前。保安过滤器有多种结构形式,常用如图3-5所示,滤元固定在隔板上,水自中部进入保安过滤器内,隔板下部出水室引出,杂质被阻留在滤元上。

  反渗透水处理系统选择的过滤精度一般为5m。这种滤元的优点是过滤精度高,制造方便,价格便宜,使用安全,杂质不易穿透,但反洗和化学清洗效果不明显,只能一次性使用,当运行压差达到0.2MPa左右时需要更换滤元。

  反渗透膜运行时,需要经高压泵将水升至规定的压力后送入,才能完成脱盐过程。目前火电厂使用的高压泵有离心式、柱塞式和螺杆式等多种形式,其中,多级离心式水泵使用最广泛。这种泵的特点是效率较高,可以达到90%以上,节省能耗。

  反渗透本体是将反渗透膜组件用管道按照一定排列方式组合、连接而成的组合式水处理单元。单个反渗透膜称膜元件,将一只或数只反渗透膜元件按一定技术要求串接,与单只反渗透膜壳组装构成膜组件。

  反渗透膜元件由反渗透膜和支撑材料等制成的具有工业使用功能的基本单元。目前在火电厂中应用的主要是卷式膜元件。

  目前各膜制造商针对不同行业用户,生产出多种用途的膜元件。在火电厂应用的膜元件按照水源特点大致可分为:高压海水脱盐反渗透膜元件;低压和超低压苦咸水脱盐反渗透膜元件;抗污染膜元件。下表中分别列出了这几种膜的性能参数对比。

  所使用的膜元件型号为BW30-400/34i,30表示水流通道为30mil,400表示有效面积为400ft2,制造单位为陶氏,每套反渗透共有168根膜组件,每根1米,材料为聚丙烯酰胺。

  反渗透本体装置中用来装载反渗透膜元件的承压容器称为膜壳,又称“压力容器”,制造单位为海德能,每根压力容器长大约7米。

  膜壳的外壳一般由环氧玻璃钢布缠绕而成,外刷环氧漆。也有部分生产商的产品为不锈钢材质的膜壳。由于玻璃钢具有较强的耐腐蚀性能,目前,国内大多数火电厂选用玻璃钢材质的膜壳。我们压力容器的材质为玻璃钢,英文缩写为FRP。

  针对特定的系统条件,水通量和脱盐率是反渗透膜的特性,而影响反渗透本体的水通量和脱盐率因素较多,主要包括压力、温度、回收率、进水含盐量和pH值等影响因素。

  反渗透进水压力直接影响反渗透膜的膜通量和脱盐率。如图所示,膜通量的增加与反渗透进水压力呈直线关系;脱盐率与进水压力成线性关系,但压力达到一定值后,脱盐率变化曲线趋于平缓,脱盐率不再增加。

  如图所示,脱盐率随反渗透进水温度的升高而降低。而产水通量则几乎呈线性地增大。主要是因为,温度升高,水分子的粘度下降,扩散能力强,因而产水通量升高;随着温度的提高,盐分透过反渗透膜的速度也会加快,因而脱盐率会降低。原水温度是反渗透系统设计的一个重要参考指标。如某电厂在进行反渗透工程技改时,设计时原水水温按25℃计算,计算出来的进水压力为1.6MPa,而系统实际运行时水温只有8℃,进水压力必须提高至2.0MPa才能保证淡水的设计流量。导致的后果是,系统运行能耗增加,反渗透装置膜组件内部密封圈寿命变短,增大了设备的维护量。

  水中盐浓度是影响膜渗透压的重要指标,随着进水含盐量的增加,膜渗透压也增大。图3-18所示,在反渗透进水压力不变的情况下,进水含盐量增加,因渗透压的增加抵销了部分进水推动力,因而通量变低,同时脱盐率也变低。

  反渗透系统回收率的提高,会使膜元件进水沿水流方向的含盐量更高,从而导致膜渗透压增大,这将抵消反渗透进水压力的推动作用,从而使降低了产水通量。膜元件进水含盐量的增大,使淡水中的含盐量随之增加,从而降低了脱盐率。如图3-19回收率对膜通量和脱盐率影响的趋势。含盐量产水通量(压力一定)图3-18含盐量对膜通量和脱盐率影响趋势图图3-19回收率对膜通量和脱盐率影响趋势图图3-20pH值对膜通量和脱盐率影响趋势图脱盐率(压力一定)脱盐率(压力一定)脱盐率(压力一定)产水通量(压力一定)脱盐率(压力一定)产水通量(压力一定)回收率pH值。

  在系统设计中,反渗透系统最大回收率并不取决于取决于渗透压的限制,往往取决于原水中的盐分的成分和含量大小,因为随着回收率的提高,微溶盐类如碳酸钙、硫酸钙和硅等在浓缩过程中会发生结垢现象。

  不同种类的膜元件适用的pH值范围差别较大,如醋酸纤维膜在pH值4~8的范围内产水通量和脱盐率趋于稳定,在pH值低于4或高于8的区间内,受影响较大。目前工业水处理使用的膜材料绝大多数为复合材料,适应的pH值范围较宽(连续运行情况下pH值可以控制在3~10的范围),在此范围内的膜通量和脱盐率相对稳定,如图3-20所示。

  反渗透膜过滤方式与滤床式过滤器过滤不同,滤床是全过滤方式,即原水全部通过滤层。而反渗透膜过滤是横流过滤方式(如图3-21反渗透膜横向过滤示意图),即原水中的一部分水沿与膜垂直方向透过膜,此时盐类和各种污染物被膜截流下来,并被沿膜与膜面平行方向流动的剩余的另一部分原水携带出,但污染物并不能完全带出,随着时间的推移,残留的污染物会会使膜元件污染加重,而且原水污染物及回收率越高,膜污染越快。

  当原水中的难溶盐在膜元件内不断被浓缩且超过其溶解度极限时,它们就会在反渗透膜表面上沉淀,我们称之为“结垢”。当水源确定后,随着反渗透系统的回收率的提高,结垢的风险就越大。目前出于水源短缺或排放废水对环境影响考虑,提高回收率是一种习惯做法,在这种情况下,考虑周全的结垢控制措施尤为重要。在反渗透系统中,常见的难溶盐为CaCO3、CaSO4和SiO2,其他会产生结垢的化合物为CaF2、BaSO4、SrSO4和Ca3(PO4)2。常用的阻垢方法是加阻垢剂。我车间用的阻垢剂为纳尔科的PC191,欧美的NP200。

  胶体和颗粒污堵会严重影响反渗透膜元件的性能,如大幅度降低淡水产量,有时也会降低脱盐率,胶体和颗粒污染的初期症状是反渗透膜组件进出水压差增加。

  判断反渗透膜元件进水胶体和颗粒最通用的办法是测量水中的SDI值,有时也称FI值(污染指数),它是监测反渗透预处理系统运行情况的重要指标之一。

  SDI(淤泥密度指数)是以单位时间内水滤过速度的变化来表示水质的污染性。水中胶体和颗粒物的多少会影响SDI大小。SDI值可用SDI仪来测定。

  原水中微生物主要包括:细菌、藻类、真菌、病毒和其他高等生物。反渗透过程中,微生物伴随水中溶解性营养物质会在膜元件内不断浓缩和富集,成为形成生物膜的理想环境与过程。反渗透膜元件的生物污染,将会严重影响反渗透系统的性能,出现反渗透组件间的进出口压差迅速增加,导致膜元件产水量下降,有时产水侧会出现生物污染,导致产品水受污染。如某些火电厂反渗透装置在检修时发现,膜元件及淡水管侧长满绿青苔,这是一种典型的微生物污染。

  膜元件一旦出现微生物污染并产生生物膜,对膜元件的清洗就非常困难。此外,没有彻底清除的生物膜将引起微生物的再次快速的增长。因此微生物的防治也是预处理的最主要任务之一,尤其是对于以海水、地表水和废水作为水源的反渗透预处理系统。

  防止膜微生物的方法主要有:加氯、微滤或超滤处理、臭氧氧化、紫外线杀菌、投加亚硫酸氢钠。在火电厂水处理系统常用的方法是加氯杀菌和在反渗透前采用超滤水处理技术。

  氯作为一种灭菌剂,它能够使许多致病微生物快速失活。氯的效率取决于氯的浓度、水的pH值和接触时间。在工程应用中,水中余氯一般控制在0.5~1.0mg/L以上,反应时间控制在20~30min,氯的加药量需要通过调试确定,因为水中有机物也会耗氯。采用加氯杀菌,最佳实用pH值为4~6。

  在海水系统中采用加氯杀菌与苦咸水中的情况不同。通常海水中还有65mg/L左右的溴,当海水进行氯的化学处理时,溴会首先与次氯酸反应生成次溴酸,这样其杀菌作用的是次溴酸而不是次氯酸,而次溴酸在pH值较高的情况下不会分解,因此,海水采取加氯杀菌效果比在苦咸水中要好。

  由于复合材质的膜元件对进水余氯有一定要求,因此,采用加氯杀菌后,需要进行脱氯还原处理。

  有机物在膜表面上的吸附会引起膜通量的下降,严重时会造成不可逆的膜通量损失,影响膜的实用寿命。

  对于地表水来说,水中大多为天然物,通过混凝澄清、直流混凝过滤及活性炭过滤联合处理的工艺,可以大大降低水中有机物,满足反渗透进水要求。

  在反渗透过程中,膜表面的浓水与进水之间有时会产生很高的浓度梯度,这种现象称为浓差极化。产生这种现象时,在膜表面会形成一层浓度比较高、比较稳定的所谓“临界层”,它妨碍反渗透过程的有效进行。这是因为,浓差极化会使膜表面溶液渗透压增大,反渗透过程的推动力会降低,导致产水量和脱盐率均降低。浓差极化严重时,某些微溶盐会在膜表面沉淀结垢。为避免浓差极化,有效的方法是使浓水的流动始终保持紊流状态,即通过提高进水流速来提高浓水流速的方法,使膜表面微溶盐的浓度减少到最低值;另外在反渗透水处理装置停运后,应及时冲洗置换浓水侧的浓水。

  1、反渗透的脱盐率高,单只膜的脱盐率可达99%,单级反渗透系统脱盐率一般可稳定在90%以上,双级反渗透系统脱盐率一般可稳定在98%以上。

  2、由于反渗透能有效去除细菌等微生物、有机物,以及金属元素等无机物,出水水质极大地优于其它方法。

  4、减缓了由于源水水质波动而造成的产水水质变化,从而有利于生产中水质的稳定,这对纯水产品质量的稳定有积极的作用。

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