第七章反渗透

70年代以前研究的主要是脂肪族的聚酰胺膜，如尼龙-56、环 氧乙烷接枝尼龙以及异氰酸酯处理的尼龙等。这些膜的透水 性都较差，目前使用最多的是芳香聚酰胺膜，成膜材料为芳 香聚酰胺、芳香聚酰胺-酰肼以及一些含氮芳香聚合物。
3、复合膜 由致密层与多孔支撑层复合而成。
复合膜特点
脱盐层和支撑层的材料可分别优化选择 推动压力降低 抗压密能力强 兼备高脱盐率和高透过性 干膜可存放 抗污染能力强 耐余氯能力差
横向流速，从而减少了胶体在膜表面上的沉淀，并且减少 浓差极化对膜表面的影响。
三、膜运行条件的影响因素及膜表面的浓差极化
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值等因素的影响。 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。 温度 在提高给水温度而其他运行参数不变时，水分子 的粘度下降，扩散能力强，因而产品水通量和盐透过量均
液中的溶剂压到半透膜的另一边稀溶液中，这和自然界正常渗 透过程相反，称为反渗透。
反渗透的条件：
1
高选择性（透水不透盐）和高渗透性的选择性半透膜
2
高于溶液渗透压的操作压力
渗透压公式
根据渗透平衡时膜两侧水的化学位相等的条件，得出渗透压的
计算公式，对于水的稀溶液，其计算式可近似为 Vant Hoff 方 程：
浓差极化也是促成膜表面胶体污染的重要原因（胶体扩散 速度远小于盐）。
消除浓差极化的措施
严格控制膜的水通量; 严格控制回收率; 严格按照膜生产厂家的设计导则进行系统的运行。 制造商对回收率的要求考虑了膜表面冲洗的流速， 对水通量的规定考虑了膜表面浓缩盐分应避免达到临
界浓度。
*第三节 反渗透膜组件
要求（某卷式苦咸水复合膜）：SDI<5，浊度<1NTU， 游离氯<0.1mg/L，水温≤45℃，压力≤4.1MPa，pH值 2-10。 据统计，我国反渗透系统运行故障85%以上是因预处理 方面引起的。所以应从设计、制造、安装、调试、运 行和维护诸方面重视反渗透的预处理。
SDI又称淤塞指数，它是表示微量固体颗粒的水质指标。测定方法是过滤法。固 体颗粒浓度很小，光学方法灵敏度不够，过滤比较合适。
1.板框式 2.管式 3.螺旋式 4.中空纤维式
1.板框式反渗透装置
有系紧螺栓式和耐压容器式反渗透器
系紧螺栓式由几块或几十块承压板组成。承压板两侧覆盖微 孔支撑板和反渗透膜。将这些贴有膜的板多层间隔迭合，用 长螺栓固定后，装入密封耐压容器中。高压盐水以湍流状态 通过反渗透膜表面，淡化水由承压板中流出。
增加，脱盐率会降低。
给水含盐量
给水含盐量增加影响盐透过量和产品水通
量，使产品水通量和脱盐量均下降。
回收率 增大产品水的回收率，则产品水通量稍有下降 趋势。因为浓水盐浓度增大，盐浓度高，则渗透压增大， 在给水压力不变的情况下，用于水通过膜的压力降低。 给水pH值 脱盐率和水通量在一定的pH值范围内较为恒 定，CA膜为4-8，复合膜3-10。
*选择性透过模型
1、优先吸附-毛细孔流理论 研究发现，溶质的分散是不均匀的，即溶质在溶液表面层中的浓度 与溶液内部的浓度不同，这种溶质浓度的改变现象称为溶液表面的 吸附现象。使表面层浓度大于溶液内部浓度的作用称为正吸附作用， 反之称为负吸附作用。这种吸附过程，使得溶液中的某一成分优先 吸附在界面上。 优先吸附-毛细孔流理论。以氯化钠水溶液为例，溶质是氯化钠， 溶剂是水，膜的表面选择性地吸收水分子而排斥氯化钠，盐是负吸 附，水是正吸附，水优先吸附在膜的表面上。在压力作用下，优先 吸附的水分子通过膜，从而形成了脱盐的过程。 这种理论同时给出了混合物分离和渗透性的一种临界孔径的概念。 当膜表面毛细孔直径为纯水层厚的2倍时，对一个毛细孔而言，将 能够得到最大流量的纯水，此时对应的毛细孔径称为临界孔径。
中空纤维膜组件
中空纤维式的优点是单位体积内的膜装载面 积大，无须承压材料，装备紧凑。缺点是容易堵 塞、清洗困难。因此对原液的预处理要求很严。
各种反渗透器的单位体积产水量
各种反渗透器的优点
第四节 反渗透的预处理

一、反渗透装置对进水的质量要求
目的：减轻反渗透膜的污染，浓差极化、结垢、微生 物侵蚀、水解、氧化、压密以及高温变质等。
二、预处理工艺
RO装置前必须设置预处理系统。——原则性 水源不同，预处理系统不一样。——多样性 必须针对不同水源，将各种水处理单元有机组合起来，形 成一个技术上可行经济上合算的预处理系统。——经济性 水处理单元：混凝、澄清、过滤、吸附、消毒、脱氯、软 化、加酸、投加阻垢剂、微孔过滤和超滤等。
二、反渗透膜的性能要求和指标
(1) 膜的化学稳定性 (2) 膜的耐热性和机械强度
(3) 膜的分离透过特性指标
膜的化学稳定性
膜的化学稳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钠、溶解氧、
双氧水、六价铬等氧化剂，这些氧化剂会造成膜的氧化，影响膜的
性能和寿命。因此若分离含氧化剂的水溶液，应尽量避免用含键能 很低的O-O键或N-N键的膜，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键，在氧化剂含量较高时易断裂，故其抗氧 化性不如醋酸纤维膜。 膜的水解和氧化是同时发生的。当制备膜的高分子化合物中含－ CONH －、－COOR －、－CN －、－CN2O －等时，在酸或碱的作用下， 易发生水解反应，使膜破坏，而聚砜、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚苯 醚等材料的抗水解性能优越，但由于其缺少亲水基团，故透水性差， 常用做制作膜表面有孔的超滤膜和微孔滤膜。
马宵颖 华北电力大学环境学院
第七章 反渗透
第一节 反渗透原理
第二节 反渗透膜
第三节 反渗透膜组件
第四节 给水预处理
第一节 反渗透原理
当用一张半透膜将纯水和盐水分开，纯水会透过半透膜向盐水 扩散，使盐水侧溶液水面升高，直到动态平衡。渗透的推动力 就是渗透压，这是正渗透。 在浓液一边加上比渗透压更高的压力，扭转渗透方向，把浓溶
指运行一定时间后水通量与初始水通量的比值。
⑥ 盐透过率（Salt Passage） 盐透过率＝（1－脱盐率）×100％
⑦
最大给水流量、最大压降、最低浓水流量
设定最大给水流量用来保护容器中的第一个反渗透元件，
使其给水与浓水压力降不会太大，否则，压力降高就可能 使膜组件变形，损坏膜元件。
设定最小的浓水流量以保证在容器末端的膜元件有足够的
Π = R· T ·∑ci
式中：Π 为渗透压，Mpa；
R 为气体常数，0.008039MPa·L/(mol·K)； T 为水的绝对温度，K； ∑ci为水中各种溶质的浓度之和，mol/L。
渗透压是选择操作压力和设计反渗透的重要依据。操作压 力是指反渗透装置实际运行压力，它是渗透压、反渗透装 置水流阻力、维持膜足够透水速度所必须的推动压力之和。 为渗透压的2-20倍。 计算结果：海水渗透压为 2.98MPa ，而含盐量 1000mg/L 的 渗透压为0.084MPa
膜表面的浓差极化
反渗透过程中，水分子 透过以后，膜界面中含 盐量增大，形成较高浓 度的浓水层，此层与给 水水流的浓度形成很大 的浓度梯度，这种现象 称为膜的浓差极化。
浓差极化的危害
由于界面层中的浓度很高，相应地会使渗透压升高，导致 原来运行条件下的产水量下降。 由于界面层中盐的浓度升高，膜两侧的盐浓度差增大，使 产品水的盐透过量增大。 由于界面层的浓度升高，则易结垢的物质增加了沉淀的倾 向，从而导致膜的垢物污染。
以控制的重要指标，它取决于膜和原水的性质、工作压力、温度。
④ 通量衰减系数（Flux decline coefficient） 指反渗透装置在运行过程中水通量衰减的程度，即运行一年后水
通量与初始运行水通量下降的比值。如， Hydranautics 的膜以井
水为原水时每年衰减4％～7％。 ⑤ 膜通量保留系数（Membrane Flux RetentionCoefficient）
3.螺旋卷式（简称卷式）
螺旋卷式反渗透膜的组成是在二层反渗透膜中间夹入
一层多孔支撑材料，并密封膜的二面边缘(使盐水与透过 膜的淡化水隔开)，再在膜的下面铺上一层隔网，然后沿 着钻有孔的中心管卷绕这一依次选好的多层材料(膜／多 孔支撑材料／膜／进料液隔网)，就形成一个卷式反渗透 膜组件。
4.中空纤维式
膜的，故需耐热。 膜的机械强度是高分子材料力学性质的体现，其中包
括膜的耐磨性。在压力作用下，膜的压缩和剪切蠕变 以及表现出的压密现象，会导致膜的透过速度下降。 如能将膜直接制作在高强度的支撑材料上，会增加膜 的机械强度。
膜的分离透过特性指标
膜的分离特性指标包括脱盐率（或盐透过率）、产水率（或 回收率）、水通量及流量衰减系数（或膜通量保留系数）等。 ① 脱盐率（Salt Rejection） 指给水中总溶解固体物（TDS）中的未透过膜部分的百分数。
板框式反渗透器的优点为：装置牢固，能承受高压，占地面 积不太大。其缺点是液流状态差，容易造成浓差极化，设备 费用较大。
1-O型密封环；2-膜；3-多孔板
耐压容器式是将多层脱盐板堆积组装放入耐压容器中而成。
2.管式
管式反渗透器有内压式、外压式、单管式和管束式等几种。
在管式膜渗透过程：在压力下料液通过具有内壁膜的管子， 穿过半透膜的产水从支撑管上的小孔流出，管内浓缩的盐 水从管子的另一端流出。
美国杜邦公司和道斯化学公司提出用纯中空纤维素作为反 渗透膜，制造出一种中空纤维式反渗透装置。 这种装置类似于一端封死的热交换器，其中含有外径 50μm、内径25μm；装成一种圆柱形中空纤维管束，一端敞 开，另一端用环氧树脂封死，放入一种圆筒形耐压容器中， 或者将中空纤维弯曲成U形装入耐压容器中，由于这种中空 纤维极细，通常可以装填几百万根。高压溶液从容器旁的打 进去。经过中空纤维膜的外壁，从中空纤维管束的另一端把 渗透液收集起来，浓缩后的料液从另一端连续排掉。