反渗透膜的主要性能参数与运行工况条件

1 反渗透膜的主要性能参数与运行工况条件

1.1 反渗透的主要性能参数[8]

1) 透水率。是指单位时间透过单位膜面积的水量。主要取决于膜的材质和结构等因素,但一定的反渗透膜其透水率则取决于运行条件；a. 透水率随温度的升高而增加,随工作压力的增加成比例的上升;b. 透水率随进水浓度的增加而下降;c. 透水率随回收率的增加而下降。

2) 回收率。即供水对渗透液的转换率,直接影响除盐系统的成本。对于苦盐水的回收率大约为90 %;高苦盐水降为60 %－65 %;工业海水系统回收率是35 %－45 %。

3) 膜通量。是表明通过膜表面的一个特定区域的水流速度。

对于地表水是8 GFD－14 GFD(13 L/ m3·h－23 L/ m3·h) ;经过反渗透出水是14 GFD－18 GFD(23 L/ m3·h －30 L/ m3·h) ;对于海水为7 GFD－8 GFD。

1.2 反渗透装置的运行工况条件[8]

为了确保反渗透装置安全可靠运行,选择一定适宜的工况条件是非常必要的。反渗透装置的主要工况条件为进水pH值、进水温度与运行压力。

1) 进水pH 值。对于醋酸纤维膜运行时,水以偏酸性为宜，pH值一般控制在4～7之间，在此范围外加速膜的水解与老化。目前认为pH值在5－6 之间最佳。膜的水解不仅会引起产水量的减少，而且会造成膜对盐去除能力的持续性降低，直至膜损坏为止。

2) 进水温度对产水量有一定的影响,温度增加1 ℃，膜的透水能力增加约2.7 %。反渗透膜的进水温度底限为5℃－8℃,此时的渗滤速率很慢。当温度从11℃升至25℃时，产水量提高50 %。但当温度高于30℃时,大多数膜变得不稳定，加速水解的速度。一般醋酸纤维膜运行与保管的最高温度为35℃，宜控制在25℃－35℃之间。

3) 运行压力。渗透压与原水中的含盐量成正比，与膜无关。提高运行压力后，膜被压密实，盐透过率会减少，水的透过率会增加，提高水的回收率。但当压力超过一定限度时会造成膜的老化，膜的变形加剧，透水能力下降。

1.3 影响反渗透运行参数的主要因素[9]

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）压力

给水压力升高使膜的水通量增大，压力升高并不影响盐透过量。在盐透过量不变的情况下，水通量增大时产品水含盐量下降，脱盐率提高了。

（2）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。

（3）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。

（4）进水含盐量

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）pH值

各种膜组件都有一个允许的pH值范围，即使在允许范围内，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，另一方面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。

2 反渗透的流程

反渗透的流程是由反渗透的设计依据确定的。

2.1 反渗透的流程的设计依据

RO过程应视为一个总的系统，它包含各组成部分及依据。这些依据可作为设计RO系统时的入门指南。每一部分与每一交接处都将有合宜的操纵开关及连接，以保证系统的长期使用性能即可靠性。每一部分及每一系统均有可考虑满足各个用户需要的经济/性能的折中办法。我们沿与流程相反的方向来讨论：

①最终用途：首先的考虑是产品水的具体用途，它决定了为满足用户需要的水质和水量。对饮用水，通常要求满足公共卫生标准或世界卫生组织标准。对超纯电子工业用水，水电阻率需达18MΩcm。然而产品的性能并不严格的要超过所需值，因为高于所需的产水量或产水水质将增加产品水的费用，产生明显的负面影响。

②后处理：在RO透过液使用前，通常需要对其作些后处理。至少，需要脱气以去除为控制结垢对进料水酸化而产生的CO2和进行pH调节，以防止下游系统发生腐蚀。后处理的要求取决于应用，需按具体情况加以确定。对许多工业应用，后处理包括采用树脂除盐和紫外线消毒。对城市应用要附加pH调节、脱气及用氯消毒。

③膜：膜为系统的心脏，其性能可受与膜本身及其构型无关的一些因素的影响，例如预处理及系统的操作与维护，然而，需根据进料水的水质及最终用途仔细考虑选择膜材料及膜构型。

④操作与维护：操作与维护是成功的系统性能的关键。为了尽早的发现潜隐的问题，须收集系统性能数据并定期分析。若发生了问题，应该采用合宜的寻找故障的技术，并与膜制造商和/或系统设计者切磋商量合宜的消除问题的措施。对不能控制的结垢、污染或堵塞，则需经常清洗膜以保持膜的性能。在膜装置中，这些物质不可逆的积累将导致流体分布不均和产生浓差极化，这将造成膜通量与盐截留率的减退，有时会使膜材料发生降解。这些导致了昂贵的膜单元的更换。已开发出的用于恢复因结垢或污染造成的不良的膜性能的技术，若能及早的识别出膜需清洗，则这些技术是非常有效的。清晰剂可用以从膜装置中将微粒、胶体、生物和有机物移出。通常的做法是将清洗液按正向流动，低压下通过膜装置进行循环，直至污染物被去除。很少推荐进行反洗。

⑤高压泵：高压泵提供膜生产所需产水流量及水质的压力。常用泵的类型是单级、高速离心泵；柱塞泵；多级离心泵。通常单级离心泵效率最低，柱塞泵效率最高。对于小系统采用高速离心泵，对于大系统采用多级离心泵为佳。

⑥预处理：预处理即垢的控制，方法有pH值的调节、缓蚀剂软化、微生物控制、氯化/脱氯，对悬浮固体、胶体、金属氧化物、有机物等的去除。

2.2 预处理过程

总的来讲反渗透系统是由预处理过程和膜分离过程组成的。

预处理过程是指被处理的料液在进入膜分离过程前需采用的预先处理措施。预处理一般有物理处理、化学处理和光化学处理三种。在预处理过程中可使用各种单元操作，也可以将几种方法组合使用，预处理过程的好坏是反渗透膜的分离过程成败的关键，因此必须严格认真的做好预处理工作。

目前流行的方法主要有以下几种：

（1）物理法

物理方法包括①沉淀法或气浮分离法，②砂过滤、预涂层（助滤剂）过滤、滤筒过滤、精过滤等，③活性炭吸附法，④冷却或加热。

（2）化学法

化学方法包括①氧化法：利用臭氧、空气、氧、氯等氧化剂进行氧化，②还原法，③pH值调节法

（3）光化学法

光化学预处理方法主要指紫外线照射。

采用哪一种预处理方法，不仅取决于料液的物理、化学和生物学性质，而且还要根据在膜分离过程中所用组件的类型构造作出判断。实际运行中的故障，一方面是由于膜表面上的分离所带来的直接污染；另一方面与膜组件本身的构造有关。预处理所需要达到的标准，根据所用的膜件的不同也不一致。

2.3 反渗透膜分离常见的流程

反渗透膜分离工艺设计中常见的流程有如下几种：

①一级一段法

这种方式是料液进入膜组件后，浓缩液和产水被连续引出，这种方式水的回收率不高，工业应用较少。另一种形式是一级一段循环式工艺，它是将浓水一部分返回料液槽，这样浓溶液的浓度不断提高，因此产水量大，但产水水质下降。

②一级多段法

当用反渗透作为浓缩过程时，一次浓缩达不到要求时，可以采用这种多步式方式，这种方式浓缩液体体积可减少而浓度提高，产水量相应加大。

③两级一段法

当海水除盐率要求把NaCl从35000 mg/L降至500mg/L时，则要求除盐率高达98.6%如一级达不到时，可分为两步进行。即第一步先除去NaCl 90%，而第二步再从第一步出水中去除NaCl 89%，即可达到要求。如果膜的除盐率低，而水的渗透性又高时，采用两步法比较经济，同时在低压低浓度下运行时，可提高膜的使用寿命。

④多级反渗透流程

在此流程中，将第一级浓缩液作为第二级的供料液，而第二级浓缩液再作为下一级的供料液，此时由于各级透过水都向体外直接排出，所以随着级数增加水的回收率上升，浓缩液体体积减少浓度上升。为了保证液体的一定流速，同时控制浓差极化，膜组件数目应逐渐减少。

当然，在选择流程时，对装置的整体寿命、设备费、维护管理、技术可靠性也必须考虑。例如，需将高压一级流程改为两级时，那么就有可能在低压下运行，因而对膜、装置、密封、水泵等方面均有益处。

3 反渗透技术在城市污水的应用

反渗透技术是20世纪60年代初发展起来的以压力为驱动力的膜分离技术。该技术是从海水、苦咸水淡化而发展起来的，通常称为“淡化技术”。由于反渗透技术具有无相变、组件化、流程简单、操作方便、占地面积小、投资省、耗电低等优点，因此在水处理中得到了大量的运用。目前反渗透技术已广泛应用于海水苦咸水淡化，纯水、超纯水制备，化工分离、浓缩、提纯等领域。工程遍布电力、电子、化工、轻工、煤炭、环保、医药、食品等行业。