反渗透膜分离制高纯水实验报告文档格式.docx
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如图(b)所示,当渗透达到动态平衡状态时,半透膜两侧存在一定的水位差或压力差,此为指定温度下溶液的渗透压N。
如图(c)所示,当咸水一侧施加的压力P大于该溶液的渗透压N,可迫使渗透反向,实现反渗透过程。
此时,在高于渗透压的压力作用下,咸水中水的化学位升高,超过纯水的化学位,水分子从咸水一侧反向地通过膜透过到纯水一侧,使咸水得到淡化,这就是反渗透脱盐的基本原理。
通常,膜的性能是指膜的物化稳定性和膜的分离透过性。
膜的物化稳定性的主要指标是:
膜材料、膜允许使用的最高压力、温度范围、适用的PH范围,以及对有机溶剂等化学药品的抵抗性等。
膜的分离透过性指在特定的溶液系统和操作条件下,脱盐率、产水流量和流量衰减指数。
根据膜分离原理,温度、操作压力、给水水质、给水流量等因素将影响膜的分离性能。
三.实验内容
反渗透膜是实现反渗透的过程的关键,要求具有较好的分离透过性和物化稳定性。
反渗透膜的分离透过性可用以下几个参数来描述:
1.溶质分离率(脱盐率)R
式中,
2.溶剂透过速率(水通量)Jw
式中,
3.水的回收率Y
式中,/h
/h
4.浓缩倍数CF
本实验主要实验内容是:
a)测定不同进料流速对膜分离效率的影响,即在同一操作压力下,改变总进料速度,记录不同的浓缩液流速、透过液流速及出口纯水电阻值;
b)计算水通量,作出J–θ曲线;
c)计算出脱盐率和回收率;
d)分析操作条件变化对反渗透效果的影响。
四.实验装置与设备
4.1实验流程
本装置采用反渗透膜过滤与离子交换技术相结合,以城市自来水为原料,制备超纯水供实验室特殊分析使用,出水水质可自动检测,装置操作简单,稳定性好,具有很高的实用价值。
理想的反渗透膜应耐化学和微生物侵蚀,使之在运行过程中膜的分离性能和机械性能保持稳定。
因此,反渗透净水工艺不是单一的反渗透脱盐过程,还应包括预处理过程,就是通过一些物化手段去除原水中的悬浮物和胶体等杂质,使其满足反渗透膜处理的进水要求,保护反渗透膜的正常使用。
同时,经过反渗透膜脱盐,水的脱盐率可超过95%,但透过液中还存在一定浓度的离子,其电导率、TOC指标一般还达不到高纯水要求,工业上通常采用混床树脂处理,对水中剩余的阴阳离子进行交换,使水进一步得到净化。
最后,采用紫外杀菌,可降低水中的TOC。
本实验以自来水为原水,设计了预处理(活性炭、精滤)、反渗透脱盐、混床树脂处理及紫外线杀菌等净化单元,研究了自来水深度处理的反渗透净水工艺。
流程示意图如图1所示。
装置流程图如图4所示。
图4反渗透膜分离制高纯水装置流程图
4.2主要设备
(1)自来水预过滤器:
10英寸活性炭预过滤和5
精过滤;
(2)原料储槽:
容积50升,材质ABS工程塑料;
(3)Y预过滤器:
材质工程塑料,进口;
(4)增压泵:
型号FLUID-O-TECH1533,进口;
(5)压力控制器:
型号FannioFNC-K20;
(6)反渗透膜组件:
2521型低压反渗透膜,纯水通量40-45L/H,脱盐率≥98%
(7)膜壳:
2521型不锈钢膜壳;
(8)电导仪:
型号RM-220,在线检测纯水电阻仪;
(9)流量计:
规格10-100L/H和1-7L/M,面板式有机玻璃转子流量计;
(10)紫外杀菌器:
在线流过式杀菌器;
(11)核级混合树脂床,约3公斤;
(12)管道及阀门:
UPVC管阀;
(13)不锈钢电控柜及不锈钢支架。
五.实验操作步骤
1.关闭系统排空阀,打开净水出口阀
、超纯水出口阀
;
2.接通自来水与预过滤系统,过滤水进入储槽;
3.接通电源,打开总电源开关;
4.打开泵回路阀
、浓水旁路阀
,将浓水流量阀
调至最大;
5.储槽中有一定水位高度后开启输液泵,取储槽中水样,测定其电导率
6.水正常循环后(注意排气),逐步关闭泵回路阀
和浓水旁路阀
,调节压力阀
,使系统压力(膜进口压力)控制在1.0-1.5Mpa内某一值;
7.若制备超纯水,切换阀
到混合树脂床,纯水可单独收集,打开浓水出口阀
,浓水直接排放,调节一定的自来水进水流速,保持储槽内水位基本不变;
8.稳定20~30分钟后出口水质基本稳定,记录出口纯水电阻值,同时记录浓缩液、透过液流量,计算回收率(混合树脂床中若有空气会影响超纯水质,缓慢打开树脂柱上方排气口进行排气,重新装填树脂或运输后可能夹带空气);
9.适当打开泵回路阀
,改变总进料速度,重复第6~8操作步骤,比较3个不同流量下超纯水的水质变化;
10.若制备无菌净水,切换阀
到紫外杀菌器,打开紫外杀菌电源,可得到无菌净水;
11.停车时,先打开压力调节阀
、旁路阀
及泵回路阀
,使系统压力小于0.2Mpa,再关闭输液泵及总电源,随后关闭自来水进水。
六.实验数据记录及处理
1.给水流速:
2.脱盐率:
3.水通量:
4.纯水回收率
QF、QP、QM分别表示平均给水流量、透过液流量速、浓缩液流速。
1.温度:
18℃;
自来水电导率:
296μs/cm;
操作压力:
0.6MPa
实验序号
浓缩液流量(L/m)
透过液流量(L/h)
电导率(μs/cm)
电阻率(m·
Ω)
1
2.8
54
6.95
143.89
2
2.9
52
6.36
157.23
3
6.32
158.23
以实验序号1为例进行计算:
2.该实验以重碳酸盐水Cp=0.8382e0.0001828t2-0.032tσ1.0809=12.08mg/L
时间(S)
积累通过水量(ml)
溶质数据(μs/cm&mg/L)
进水电导率
进水浓度Cf
透过液电导率
透过液浓度Cp
12
215.0
296
697.09
12.08
20
378.0
10.98
30
569.0
10.90
3.膜面积:
1.1m2
以实验序号1为例,进行计算:
水通量Jw=L/(m2•h)
脱盐率R=(1—-)x100%=(1—-98.27%
水的回收率Y=
x100%=
=
=24.32%
浓缩倍数CF=
=1.32
时间(s)
水通量(L·
h-1·
m-2)
脱盐率(%)
回收率(%)
浓缩倍数
58.64
98.27
24.32
1.32
61.85
98.42
23.01
1.30
62.07
98.44
A.净水操作条件对反渗透膜效果影响
温度:
296μs/cm
操作压力(MPa)
给水流速
(L/h)
净水电阻率(Ω·
m)
0.4
254.6
29
11.39
154.08
0.6
228.0
23.68
155.04
0.8
191.0
77
40.31
156.01
B.纯水操作条件对反渗透膜效果影响
查阅资料得:
RM-220型号电导率仪的电极常数为K=0.01cm-1,电阻R=ρK
纯水电阻率(Ω·
纯水电阻(Ω)
250.0
28
11.20
79.18
230.0
50
21.74
88.42
200.0
74
37.0
110.38
1.回收率~纯水电阻值的关系曲线
2.水通量~时间的关系曲线
六.注意及维护事项
1.活性炭预过滤芯、聚丙烯预过滤芯首次使用,应先接通自来水,冲洗5-8分钟后方可接入水槽,避免污染系统;
2.膜组件首次使用,应用低压清水(≦0.2MPa)清洗20~30分钟,去除其中的防腐液,同时切换阀
到紫外杀菌,避免清洗液污染混合树脂;
3.储槽储水量不要过少并保持内壁清洁,较长时间(10天以上)停用时,在反渗透组件中充入1%甲醛水溶液作为保护液(保护液主要用于膜组件内浓缩液侧),防止系统生菌,保持膜组件润湿,寒冷季节应注意系统防冻;
4.为确保水质,定期更换预过滤系统的各种滤芯,反渗透膜、树脂、紫外灯管亦为耗材,根据实际用水情况而更换(一般情况下反渗透膜每天使用6小时,可连续使用150天,3公斤树脂可满足3吨处理量,可满足出水水质≥10
);
5.本装置设置压力控制器,当系统压力大于1.6Mpa时,会自动切断输液泵电流并停机;
6.管道如有泄漏,请立即切断电源和进料阀,待更换管件或用专用胶水粘结后(胶水粘结后需固化4小时)方可使用。
7.增压泵启动时,请注意泵前管道充满液体,以防损坏,如发生上述现象,请立即切断电源,短时间内空转,不一定会损坏泵。
七.结果及讨论
1.分析超纯水水质随回收率变化的原因?
答:
纯水电阻值随着回收率的增大而增大,原因:
操作压力增大,透过液流量增大,透过液离子浓度减小,电阻值增大。
2.结合反渗透脱盐与离子交换技术,说明本工艺的优点?
答:
在高于渗透压的压力作用下,咸水中水的化学位升高,超过纯水的化学位,水分子从咸水一侧反向地通过膜透过到纯水一侧,使咸水得到淡化;
经过反渗透膜脱盐,水的脱盐率可超过95%,但透过液中还存在一定浓度的离子,其电导率一般还达不到高纯水要求,通常采用混床树脂处理,对水中剩余的阴阳离子进行交换,使水进一步得到净化。
本实验脱盐率在98%以上。
3.反渗透膜是耗材,膜组件受污染后有哪些特征?
透过液的回收率降低,制得高纯水电导率升高。
4.常规的树脂再生,是如何实现的?
一阳离子交换树脂
A清水清洗:
新树脂装柱后,应先用常温清水(50~60℃的热水更佳)流动清洗或浸洗至出水清澈和不带颜色或泡沫很少时为止。
B稀氢氧化钠溶液处理:
浓度6~8%、用量2~3BV、流量1~1.5BV/hr;
清水洗至PH9以下。
C稀盐酸处理:
浓度5~8%、用量2~3BV、流量1~1.5BV/hr;
清水洗至PH5以上。
D树脂离子形式转化:
根据生产工艺要求,如利用氢离子型时,操作步骤可按先B后C即可;
如利用钠离子型时,则可先按C后B操作。
一般新树脂按上述步骤处理两次,即可投料使用。
二阴离子交换树脂
根据生产工艺要求,如利用氯离子型时,操作步骤可按先B后C即可;
如利用游离碱型时,则可先按C后B操作,树脂即转化成游离碱形式。
一般新树脂按上述步骤处理两次,即可投料使用。
三大孔吸附树脂
在进料使用前进行相应的预处理,方法如下:
A先用工业级(含量95%以上)1~2BV乙醇(丙酮或异丙醇)进柱处理,流速宜1~2BV/hr;
然后纯化水洗至无味或微量
B用2BV4-6%NaOH溶液进柱,流速宜1-2BV/hr,结束后放低液面浸泡2小时以上;
然后纯化水洗至PH约7~8。
C用2BV的4-6%盐酸或硫酸溶液进柱,流速宜1~2BV/hr,结束后放低液面浸泡2小时以上;
然后纯化水洗至PH至工艺要求;
即可使用。
5.浓差极化对反渗透操作有什么影响?
浓差极化指的是当水透过膜截留盐时,在膜表面会形成一个流速很低的边界层,边界层的盐浓度比进水本体溶液盐浓度高。
浓差极化使盐水渗透压加大,在操作压力不变的情况下,有效推动力减小,从而造成透水速度和除盐率下降,另外还可能引起某些微溶性盐在膜表面析出结垢。
6.操作压力增大后,将主要影响那些参数?
结果如何?
操作压力增大,透过液流量增大,回收率增加,制得超纯水离子浓度降低,电阻值增大。
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