第二章 反渗透与正渗透

(a) C1=C2, p1=p2 π1=π2，μ1=μ2 (b) C1>C2, p1=p2 π1>π2,μ1<μ2 (c) C1>C2 , p1>p2 π1>π2,μ1=μ2 ,Δp=Δπ (d)C1>C2 , p1>p2 π1>π2,μ1>μ2, Δp>Δπ
3
渗透压与最大溶质重量分数的关系
13.8MPa 溶 质 重 量 分 率
半导体工业，宜采用半导体级膜元件
2.
30
反渗透系统设计的注意事项

平均水通量及允许每年水通量衰减百分数
水源
SDI
水通量 水通量衰减 （m3/m2.d） （百分数/年）
地表水
井水 反渗透产品水
3~5
<3 <1
0.326~0.57 1 0.571~0.73 4 0.815~1.22 3
7.3~9.9
4.4~7.3 2.3~4.4
到的最终目标。

1998 年，美国 Wolf Creek 核电厂建成了一套“超滤→ 反渗透”废水处理系统，用于处理该厂的地排水、反应 堆排水、废树脂渗出水和各种杂质排废水等，系统流程 见图 2。废水先由管式超滤处理，超滤的浓缩水进行循 环，透过水进入 2级反渗透系统。在反渗透部分，第 1
级透过水进入第 2 级深度过滤，第 2 级的浓缩水进行
按进水含量TDS ＜1000 mg/L XLE
＞98％ BW30;
＞99％ SW30、SW30HR
＜2000 mg/L TW / BWLE


＜10000 mg/L BW30
＜10000-15000 mg/L SW30 ＜10000-50000 mg/L SW30HR
27
3. 4.
第二章 反渗透与正渗透、纳滤、超滤与微滤
1
基本概念

微滤、超滤、纳滤与反渗透都是以压力差（也称跨膜压 差）为推动力的膜分离技术，当膜两侧施加一定的压差 时，可使一部分溶剂及小于膜孔径的组分透过膜，而微 粒、大分子、盐等被膜截留下来，从而达到分离的目的。 主要区别：
被分离物粒子或分子的大小和所采用的膜的结构和性能。

用反渗透技术处理含重金属的废水则不需投加药剂, 能 耗低, 设备紧凑, 易实现自动化, 不改变溶液的物理化 学性质, 可以回收清水和贵金属, 适用于封闭循环无排 放系统。
8
基本概念
反渗透膜 醋酸纤维素膜 芳香族聚酰胺膜
制作较容易，价廉， 脱盐率高，通量大， pH范围宽，耐生 耐游离氯，膜表面 光洁，不易结垢和 物降解，操作压力 污染 要求低 pH范围窄，易水解， 不耐氧化，氧化后 操作压力要求偏高， 性能急剧衰减，抗 结垢和污染能力差 性能衰减较快
9
反渗透膜的分类
6.9MPa
3.5MPa
0.69MPa
溶质分子量
4
几种化合物在水溶液中的浓度与渗透压的关系
35
渗 透 压
28
21
14
MPa
7
0
各化合物在水中的浓度，%(w/w)
1、
2、
3、
4、
5、
6、
7、
8
氯化锂、氯化钠、乙醇、乙二醇、硫酸镁、硫酸锌、果糖、蔗糖 5
各种渗透压计算方程
RT Ci
n
iCi RT
悬浮固体 大分子有机物，蛋白质，多肽 小分子有机物、染料 和重金属离子等 无机盐（NaCl等）
2


微滤>0.1um 超滤0.01um-0.1um 纳滤截留相对分子质 量150-1000 反渗透-氯化钠截留率>99%
1 正渗透与反渗透

渗透、反渗透与正渗透 让溶剂通过而不让溶质通过的膜，称为理想半透膜。
循环而透过水进到精处理床，精处理床的出水合格即可 排放。而第 1 级浓缩水再用一段海水淡化反渗透膜进行 浓缩，浓缩水最后进入转鼓干燥装置处理

3、反渗透在重金属废水处理中的应用

电镀、采矿、化工、冶金等行业在生产过程中会产生大 量含重金属的废水, 主要有矿山排水、废石场淋浸水、 选矿厂尾矿排水、有色金属冶炼厂除尘排水、有色金属 加工厂酸洗水、电镀厂镀件洗涤水、钢铁厂酸洗排水, 以及电解、农药、医药、油漆、颜料等工业废水。废水 中重金属离子的种类、含量及其存在形态随不同生产情 况而异, 差异很大。重金属离子污染成分在环境中只能 改变其形态或被转移、稀释、积累, 但不能去除或降解, 危害很大。这些废水排放到环境中, 不仅浪费了资源还 严重污染环境, 对此国家制定了严格的排放标准, 含重 金属的废水必须进行处理。
为 50%，后 40d 反渗透回收率为70%

2、反渗透技术在放射性废水处理中的应用 在核动力装置运行和检修中，回路的排污、系统和设备 的去污、燃料元件的贮存以及其他日常工作中会产生大 量的放射性废水，采用安全、高效和经济的方法对废水 中的核素进行分离和浓缩，使产生的二次废物的体积和

向环境中排放的放射性最小化是放射性废水处理所要达
32
膜元件的最大给水流量与最小浓水流量
膜元件直径 （英寸） 4 6 8 8.5
最大给水流量 （吨/小时） 3.6 8.8 17.0 19.3
最小浓水流量 （吨/小时） 0.7 1.8 2.7 3.2
33
反渗透海水淡化降低成本的关键
1. 2. 3. 4.
反渗透膜及其组件
能量回收装置 高压泵 其它附属设备
极性有机物
醛 醇 胺 酸，叔胺 仲胺 伯胺
异构体 同一族系 分子量大的分离性能好
柠檬酸 酒石酸 苹果酸 乳酸 醋酸 叔tert 异iso 仲sec 原 pri
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反渗透工艺流程
一级一段连续式反渗透流程
一级一段循环式反渗透流程
RT C BC 2 M aC n
i 1
Bx s
式中， B为常数, Xs 为溶质摩尔分数；C为溶质的摩尔浓度
6
各种溶质-水体系的反渗透B值
7
反渗透
世界上较大的反渗透海水淡化厂： （1）水源来自红海，设在沙特阿拉伯 的吉达市，淡水产量56.8km3/d，1989年开 工以来运转良好。由日本三菱重工和东洋 纺织承建。 （2）设在日本鹿岛，淡水产量32kt/d。 （3）设在美国科罗拉多河岸，淡水产量 38km3/d ，1980年建成。
DAm K A


15
渗透系数的物理意义
D Am K A


是三个具有重要意义的物
理量的组合，

在反渗透设计中，不必知道其中每
个数值，只需知道其总值即可。
16

DAm K A 的值可通过选择适当的参考溶质来预测。
如：氯化钠是醋酸纤维膜的参考溶质；甘油、葡萄糖可作 为芳香聚酰胺膜的参考溶质。


17
12

反渗透基本机理及模型
（1）优先吸附-毛细孔流动机理 1950年，Sourirajan在Gibbs吸附方程基础上，提出了 优先吸附-毛细孔流动机理，为反渗透膜的研制和制作过 程的开发奠定了基础，而后又按此机理发展为定量表达 式，及表面力-孔流动模型。 溶质通量
JS
DAm K A

(C R x AR C P x AP )
（2）Kedem-Katchalsky不可逆热力学模型。
方程中有表示膜传递性能的三个系数，其中溶 质渗透系数与反射系数由溶质的性质决定的。
（3）溶解-扩散系数
在假定膜是无缺陷的理想膜基础上，提出溶解 -扩散机理来描述反渗透过程。该机理假定溶剂和 溶质首先都溶解在均质无孔膜的表皮层中，然后各 组分在非耦合形式的化学位梯度作用下，从膜上有 侧向膜下游侧扩散，再从下游侧解析
膜元件种类：


海水高脱盐
海 水 苦盐水 自来水
SW30HR
SW30 BW30 TW30
膜元件的直径与长度


标准直径(in)：2.5、4.0、8.0等
标准长度(in)：40、80等
新产品: 采用有效表面积替代直径与长度表示法。
26
膜元件选择基本原则
1.
按脱盐率

2.
＞92％ TW30;
<30％
15－20％ 15％ 20－35％
34
反渗透在废水处理中的应用

1、反渗透技术在尾矿废水处理中的应用

北京桑德环境工程有限公司

国内某大型钢铁企业尾矿湖中的尾矿渗滤液因含 有大量的有害金属离子，对当地地下水造成很大 污染，因此对该尾矿渗滤液进行处理很有现实意 义，目前该企业拟将尾矿渗滤液处理后回用于电 厂循环冷却水。该废水的主要特征为硬度比较大 、含盐量比较高，且含有一定的悬浮物。根据该 废水的特点，确定了其主体处理工艺采用反渗透 技术。
按产品水流量
＜0.2 m3/h : 2.5in ＜3.0 m3/h : 4in ＞3.0 m3/h : 8in
29
特殊工业应用膜元件的选择

普通的膜元件与压力容器间存在死水区，因此部 分用途的膜元件必须特别考虑：
食品与饮料工业，宜采用HSRO类元件：
1.
为无外壳的元件结构，能经受85℃的热水 消毒，满足FDA卫生标准。
18
反渗透过程的回收率
VP Vf
式中，VP 、Vf分别为透过液和原料液的浓度。
19
原料液浓度、回收率和截留率的关系
CR C f (1 )
CR：截留液的浓度 Cp：流出液的浓度
R
R
CP C f (1 R)(1 )
当反渗透过程中溶质是所需要的组分时，如果膜不 能完全截留溶质，有部分溶质被损失掉。
按进水水源 一般水源 地表水，满足高脱盐率： BW30-365
地下水，满足高脱盐率：
BW30-400
TDS＜2000，满足高通量：BW30LE-440 高污染水源 预处理采用传统过滤器： BW30-365FR 预处理采用超滤、微滤： BW30-365FR
28
5. 6.
按进水所需压力 ＜10.5 atm : BW30LE,XLE-440(超低压膜） ＜21.0 atm : BW30(自来水可选TB30）
膜片（平板状） 板式反渗透膜组件 膜外形 卷式反渗透膜组件 管状 管式反渗透膜组件
中空纤维状
中空纤维式膜组件
10
11
基本原理 反渗透：是借助于半透膜对溶液中溶质的 截留作用，在高于溶液渗透压的压差推动 力下，使溶剂渗透通过半透膜而实现对液 体混合物进行分离的膜过程。
溶液中化学位 * T , P RT ln x

反渗透设备采用2根8英寸陶氏BW30-365/34i-FR 抗污染 反渗透膜；并设浓水回流管路。设计反渗透产水量为1 m3·h-1，试验为期 80d，分别考察了反渗透系统在50% 和 70%回收率条件下，反渗透及其预处理的效果、运行 参数、膜污染情况以及反渗透膜进水流量、水温、膜通
量和回收率对脱盐率的影响。其中前 40d 反渗透回收率
渗透系数
13
优先吸附-毛细孔流动机理示意图
高压
溶剂：H2O
溶质：NaCl
膜表面 选择吸附 水优先吸附
水渗透 通过膜孔
大气压
脱盐
14
反渗透过程的渗透系数

若膜已确定，则在一定的压力下， 与料液的 浓度和流速无关，随温度升高而增加；
当膜的平均孔径很小时，在很宽的压力范围内， 几乎是个常量， 当膜的孔径较大时，则随压力增加而趋于降低。
20
反渗透过程的溶质损失率与回收率、截留率的关系
1 （1 ）

1 R
反渗透膜的溶质截留率大多在0.9～0.95之间；
回收率不高； 为提高料液的利用，必须采用多段或多级工艺过程。

21
反渗透膜对于无机粒子的分离率 反渗透膜对于无机粒子的分离率，随粒 子价数的增高而增高。价数相同时，分离率 随着离子半径而变化。一般规律为： 2 Li Na K Rb Ca 2 2 2 2 Mg Ca Sr Ba 多原子单价阴离子：IO3 BrO3 ClO3
23
一级三段连续式
二级一段循环式
24
反渗透系统设计的总体要求
1. 2. 3. 4. 5. 6.
达到所需的产水率； 达到最高的脱盐率； 提高水Leabharlann Baidu回收率；
减轻膜元件的污染和结垢，使系统运行稳定；
减少膜元件和压力容器的数量，降低造价； 降低系统运行压力，节约能量。
25
膜元件的种类（Filmtec/Dow公司膜元件）
SDI 为给水的污泥密度系数，与反渗透膜上的污染物质的数量之 间的相互关系相当吻合。
31
年盐透过率增加百分数
膜种类 超低压聚酰胺复合膜 低压聚酰胺复合膜 低污染聚酰胺复合膜 海水淡化膜 节能型聚酰胺纳滤膜 膜型号 ESPA1、ESPA2、 ESPA3 CPA2 、CPA3 、 CPA4 LFC1-365、 LFC1 LFC2 SWC1、SWC2、 SWC3 ESNA1 、ESNA2 盐透过率增加（百 分数/年） 3~17 3~17 3~17 3~17 3~17