反渗透技术应用设备

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        当纯水和盐水被理想半透膜隔开，理想半透膜只允许水通过而阻止盐通过，此时膜纯水侧的水会自发地通过半透膜流入盐水一侧，这种现象称为渗透，若在膜的盐水侧施加压力，那么水的自发流动将受到抑制而减慢，当施加的压力达到某一数值时，水通过膜的净流量等于零，这个压力称为渗透压力，当施加在膜盐水侧的压力大于渗透压力时，水的流向就会逆转，此时，盐水中的水将流入纯水侧，上述现象就是水的反渗透（RO）处理的基本原理。

        这个问题太深奥了，至今科学家们都无法xx明确解释。其实把反渗透现象理解清楚就可以。学界对于反渗透分离机理的解释主要流行以下三种理论：

       一、溶解-扩散模型

       Lonsdale等人提出解释反渗透现象的溶解-扩散模型。他将反渗透的活性表面皮层看作为致密无孔的膜，并假设溶质和溶剂都能溶于均质的非多孔膜表面层内，各自在浓度或压力造成的化学势推动下扩散通过膜。溶解度的差异及溶质和溶剂在膜相中扩散性的差异影响着他们通过膜的能量大小。其具体过程分为：{dy}步，溶质和溶剂在膜的料液侧表面外吸附和溶解；第二步，溶质和溶剂之间没有相互作用，他们在各自化学位差的推动下以分子扩散方式通过反渗透膜的活性层；第三步，溶质和溶剂在膜的透过液侧表面解吸。

       在以上溶质和溶剂透过膜的过程中，一般假设{dy}步、第三步进行的很快，此时透过速率取决于第二步，即溶质和溶剂在化学位差的推动下以分子扩散方式通过膜。由于

       膜的选择性，使气体混合物或液体混合物得以分离。而物质的渗透能力，不仅取决于扩散系数，并且决定于其在膜中的溶解度。

       二、优先吸附—毛细孔流理论

       当液体中溶有不同种类物质时，其表面张力将发生不同的变化。例如水中溶有醇、酸、醛、脂等有机物质，可使其表面张力减小，但溶入某些无机盐类，反而使其表面张力稍有增加，这是因为溶质的分散是不均匀的，即溶质在溶液表面层中的浓度和溶液内部浓度不同，这就是溶液的表面吸附现象。当水溶液与高分子多孔膜接触时，若膜的化学性质使膜对溶质负吸附，对水是优先的正吸附，则在膜与溶液界面上将形成一层被膜吸附的一定厚度的纯水层。它在外压作用下，将通过膜表面的毛细孔，从而可获取纯水。

       三、氢键理论

       在醋酸纤维素中，由于氢键和范德华力的作用，膜中存在晶相区域和非晶相区域两部分。大分子之间存在牢固结合并平行排列的为晶相区域，而大分子之间xx无序的为非晶相区域，水和溶质不能进入晶相区域。在接近醋酸纤维素分子的地方，水与醋酸纤维素羰基上的氧原子会形成氢键并构成所谓的结合水。当醋酸纤维素吸附了{dy}层水分子后，会引起水分子熵值的极大下降，形成类似于冰的结构。在非晶相区域较大的孔空间里，结合水的占有率很低，在孔的中央存在普通结构的水，不能与醋酸纤维素膜形成氢键的离子或分子则进入结合水，并以有序扩散方式迁移，通过不断的改变和醋酸纤维素形成氢键的位置来通过膜。

       在压力作用下，溶液中的水分子和醋酸纤维素的活化点——羰基上的氧原子形成氢键，而原来水分子形成的氢键被断开，水分子解离出来并随之移到下一个活化点并形成新的氢键，于是通过一连串的氢键形成与断开，使水分子离开膜表面的致密活性层而进入膜的多孔层。由于多孔层含有大量的毛细管水，水分子能够畅通流出膜外。

       反渗透分离技术除在苦咸水和领域应用外、近几年在食品、医药、电子工业、电厂锅炉用水、环保等领域的应用日益扩大，在浓缩、分离、净化等方面的潜力也在逐步挖掘。膜分离技术不仅显示了技术上的可行性，也显示了经济上的优越性。

        一、海水脱盐

      已成功地应用于海水脱盐，并达到饮用级的质量。但海水脱盐成本较高，目前主要用于特别缺水的中东产油国。用RO进行海水淡化时，因海水含盐量较高，除特殊高脱盐膜以外，一般均需要采用二级RO系统脱盐。海水经Cl2xx、FeCl3凝聚处理及双层过滤后，调节pH值至6左右。对耐氯性能差的膜组件，在进RO装置之前还需用脱氯，或用NaHSO3进行还原处理。目前，在天津、山东长岛以及浙江等地已经建立了反渗透海水淡化示范工程，取得了良好的效果。

       二、苦咸水淡化

       苦咸水含盐量一般比海水低很多，通常是指含盐量在1500～5000mg/L的xx水、地表水和自流井水，在世界许多干燥贫瘠、水源匮乏的地区，苦咸水通常是可利用水的主要部分。反渗透膜法处理苦咸水发展迅速，已用于向居民区提供饮用水。在美国衣阿华州的Greenfield以及佛罗里达州的RotondaWest，反渗透膜法苦咸水淡化已经得到了应用，成本也较低。据调查，1990年海水淡化为总造水量的10%～20%，而苦咸水、废水处理占80%以上。因此，研究、开发苦咸水淡化用膜及其组件，特别是低压、高通量膜的开发是反渗透的研究方向之一。 #hc360分页符#

       三、生产

       反渗透膜分离技术已被普遍用于电子工业纯水及医药工业无菌纯水等超纯水制备系统。采用反渗透膜装置可有效地去除水中的小分子有机物、可溶性盐类，可有效地控制水的硬度。半导体电子工业所用的高纯水，以往主要是采用化学凝集、过滤、离子交换等制备方法，这些方法的{zd0}缺点是流程复杂，再生的酸碱用量大，成本高。随着电子工业的发展，对生产中所用纯水水质提出了更高的要求。由膜技术与离子交换法组合过程所生产的纯水中杂质的含量已接近理论纯水值。

       目前，美国电子工业已有90%以上采用了反渗透和离子交换相结合的装置。据报道，在原水进入离子交换系统以前，先通过反渗透装置进行预处理，可节约成本20%～50%。

       四、工业污水的处理

       工业污水是水、化学药品以及能量的混合物，污水的各个组分可视作污染物，同时，也可视作资源，其所含组分常常具有可利用价值，因此工业污水的处理要在考虑降低排放量的同时，要考虑资源的重复利用。在工业污水的处理过程中，不但可以回收有价值的物料，如镍、铬及氰化物，而且同时也解决了污水排放的问题。

       1.电镀行业污水

       在电镀行业中，一般都排放含有大量有害重金属离子的废水。由于反渗透膜对高价金属离子具有良好的去除效果，而且重金属的价数越高越容易分离。所以，它不仅可以回收废液中几乎全部的重金属，而且还可以将回收水再利用。因而，采用反渗透法处理电镀废水是比较经济的，具有广阔的应用前景。

       2.电厂污水

       燃煤电厂从锅炉到涡轮机环路所需的水质要求各不相同，用量{zd0}的是用于冷却循环的中等水质的水；冷却塔的排放污水是电厂{zd0}量的污水，采用反渗透膜法处理冷却塔污水，在将处理过的不同水质的水用于循环系统，可大大降低能耗、节约资源。

       3.在纸浆及造纸工业

       反渗透装置可以在造纸工业中用于处理大量废水，降低造纸厂排放水的色度、生化耗氧量以及其它有害杂质，并使部分水得以循环利用。在处理污水的同时，还可以提取了有用的物质。

       4.放射性废水的浓缩

       原子能发电站的废水特点是水量大、放射性密度低。反渗透膜分离技术很适合处理这种废水，而且金属盐类是否具有放射性对分离率没有影响。另外，核电站加压水反应堆操作中的蒸汽发生器的排污经反渗透装置处理后，其排污量可以减少10倍以上。

       五、食品工业用水

       1.奶制品加工

       采用反渗透与超滤相结合的办法可对分出奶酪后的乳浆进行加工，将其中所含的溶质进行分离，得到主要含有蛋白质、乳糖以及乳酸的浓缩组分，同时对含盐乳清进行脱盐处理，减少了环境污染。StaufferChemical公司采用这种超滤与反渗透相结合技术，回收乳清蛋白的年处理量已达27万吨的规模。

       2.果汁和蔬菜汁加工

       采用蒸发法浓缩果汁会造成各种挥发性醇、醛和酯的损失，造成浓缩汁的质量降低，采用反渗透膜装置可在常温下对果汁及蔬菜汁进行浓缩加工，可保持原有营养成分和口味特性，

       六、油水乳液的分离

       在金属加工中，要用油水乳液润滑及冷却工具及工作台。采用超滤与反渗透结合的方法处理废油水乳液时，将超滤的透过水再经反渗透作深度处理，这样不仅使排放水达标，还可以得到浓缩的油相。油相既可以焚烧掉也可以经进一步精练制得可以回用的油，既减小了环境污染，又提高了材料的利用率。

       一、为什么反渗透系统高压泵后面应设手动调节门？

       配制标准测试溶液的水源为反渗透产水，因而几乎不带杂质，不存在膜元件被污染的问题。在实际使用时，除了二级反渗透系统的进水是以一级反渗透系统的产水作为原水外，其他反渗透系统的进水几乎都是经普通预处理后的原水。尽管预处理工艺去除了其中一部分杂质，但与标准测试条件下所用水源相比，其进水水质仍然较差。所以膜元件设计产水量应该小于标准产水量，此时如仍按标准产水量作为设计产水量，则反渗透膜元件很快就会受到污染，造成膜元件损坏。

       为了避免上述情况的发生，膜元件生产厂家提供了设计导则，以使设计人员有据可依。设计导则建议应根据不同的进水水源来选取不同的设计产水量。

       即使在实际使用时按照膜元件生产厂家提供的设计导则使用，但是反渗透膜元件仍然会慢慢受到污染，当然在一段时间后可以通过化学清洗部分恢复其性能，但却很难xx恢复其性能，所以有经验的设计人员在设计时应该考虑到这一问题，此时应该选用能够保证3年后达到设计产水量的给水泵，即需要设计更高压力的给水泵，但系统初始投运时不需要很高的压力就可以达到设计产水量，所以系统在初始运行时给水泵压力富裕，随着时间的推移，压力富裕逐渐减少，因此高压泵后面应设手动调节门来调节给水压力。有些时候可以对给水泵设置变频调节装置，此时可以用变频的方法来实现给水压力的调节。

       高压泵后面的手动调节门在设置后一般不需要经常调节，在一段时间内基本上是保持在恒定的位置，在系统每次启动时也不需要开闭此阀门。 #hc360分页符#

       但是如果高压泵后面没有其他阀门，此时每次启动系统时，高压泵的高压水源会直接冲击膜元件，特别是在系统中存在空气时就会产生“水锤”的现象，这样容易造成膜元件的破裂。

       为了防止上述现象的发生，应该在高压泵后面设电动慢开门，在启动高压泵后慢慢打开电动慢开门，也即慢慢向系统的反渗透膜上加载压力，电动慢开门应该是全开全闭阀门，其全开全闭时间是可以调节的，但一般设定为45～60s。所以从反渗透膜元件的安全角度考虑应该设置电动慢开门。

       二、反渗透膜元件产水管为什么会破裂？

       有一个520m3/h的反渗透项目，分成4套装置，每套装置的产水量为130m3/h，设计采用海德能公司的低压高脱盐率CPA3反渗透膜，设计回收率75％，每套装置采用8040CPA3膜元件144支，(16:8)×6排列，给水含盐量1200mg/L，温度为25℃，按照公司的设计软件的设计计算，在初始投运时，其系统脱盐率应该在98％以上，运行压力应该不高于1.1MPa（11bar）。

       在系统实际运行前的冲洗阶段即发现产水流量很大，在系统实际运行时，系统脱盐率很低，几乎无脱除效果，工程公司在现场对每一支压力容器的产水电导率进行了测试，测试结果表明，所有压力容器的产水电导率均很高，并且{dy}段压力容器的产水电导率基本与第二段压力容器的产水电导率相同，因而认为压力容器内存在密封圈泄漏的可能性。为了确认是否存在密封圈泄漏，现场决定首先拆卸其中一套装置中的膜元件进行验证，但随即发现，该套装置中几乎所有膜元件的中心管(产水管)均出现了碎裂，不言而喻，中心管的碎裂造成了系统的泄漏。膜生产厂家随即派出技术人员去现场了解情况，并收集代表性样品送到公司总部进行分析，分析结果表明，中心管的碎裂是由于用户在安装时使用了不恰当的润滑剂，该润滑剂与由高分子材料制成的膜元件中心管发生了反应，同时由于安装时的应力作用，造成了膜元件中心管的破裂。

       根据膜元件厂家的建议，任何时候不允许使用石油类(如化学溶剂、凡士林、润滑油及润滑脂等)的润滑剂用于润滑O形密封圈、连接管、接头密封圈及浓水密封圈。允许使用的润滑剂只有硅基胶、水或丙三醇(甘油)。