水的反渗透除盐.docx

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水的反渗透除盐

一、水的反渗透除盐

技术术语

浓水：

又称盐水，是反渗透系统的浓缩废液

淡水：

又称渗透水、产水，是反渗透系统的净化水

回收率：

淡水与供水的比值

Y=Qp/Qf×100%

式中：

Qp——产品水流量（m3/h）

Qf——原水流量（m3/h）

脱盐率：

表示反渗透装置或元件对盐分的脱盐能力

Rf＝（Cf-Cp）/Cf×100%

式中：

Cf——原水电导率（us/cm）

Cp——产品水电导率（us/cm）

段：

指膜组件的浓水流经下一股组件处理，流经几组膜组件

即称为几段

级：

指膜组件的产品水再经膜组件处理，产品水经几次膜组

件处理即称为几级

产水通量：

单位时间内透过膜元件（组件）单位膜表面的水量

污泥密度指数（SDI）：

通过平均孔径为0．4um的微孔滤膜测定。

具体步

骤是：

用直径为47mm、平均孔径为0.45um的微孔滤膜，在0．21MPa

的压力下过滤水样，记录最初滤过500ml的水样所花费的时间t0，

继续过滤15min后，再记录滤过500ml水样所花费的时间t15。

用下

式计算SDI：

SDI=（1-t0/t15）×100/15

在上述过程中，凡是粒径大于以4um的微粒、胶体和细菌大都被截

留在膜面上，引起透水速度下降，过滤同等体积水样所需时间延长，

所以t0/t15＜1。

水中悬浮固体越多，t0/t15值越小，SDI越大；当

水污染很严重时，t15→∞，SDI趋近极限值6.7；当水中杂质尺寸

小于0．45um时，t0≈t15,SDI接近于O

浓差极化：

反渗透装置在运行过程中，淡水透过后膜界面层浓缩水中的含

盐量增大，和进谁之间往往会产生浓度差，严重时会形成很高

的浓度梯度现象，称为浓差极化。

1.1反渗透水处理系统的设计

反渗透水处理系统的设计是依据原水水质、产水水质、水量要求、排放水量要求以及场地情况等原始资料，选择合理的水处理工艺流程，选择适当的膜元件，确定膜元件的数量和排列方式，选择高压泵等。

1.2反渗透设计依据的资料

原水水质资料是反渗透系统设计的重要依据，他决定了反渗透系统选用的膜类型及所需要的预处理工艺系统，在进行反渗透设计时，不仅要有正确的水源水质分析数据，还要对水源水质可能的变化趋势资料进行分析，使设计的水处理系统能适应可能的水源水质的变化产水水质的要求则是进行反渗透脱盐系统膜的选型、组件的排列方式以及后处理系统设计的依据。

1.3反渗透装置的设计程序

1、根据原水水质情况确定使用膜元件的类型

2、根据对产水量和产水水质的的要求，确定膜元件的数量、膜元件的排列方式和反渗透装置的回收率、脱盐率

3、根据计算出的膜组件所需要的推动压力进行高压泵的选型

4、根据设备情况，配置仪表、阀门等配件

二、反渗透脱盐原理及渗透理论

反渗透脱盐的原理

2.1反渗透脱盐的依据：

①半透膜的选择透过性，即有选择地让水透过而不允许盐透过；

②盐水室的外加压力大于盐水室与淡水室的渗透压力，提供了水从盐水室向淡水室移动的推动力。

2.2膜渗透理论

关于膜的渗透理论，各学派先后提出了多种不同的解释，主要理论有以下几种：

氢键理论，优先吸附毛细孔流动理论，扩散-细孔流动理论，细孔理论，溶解扩散理论。

2.3反渗透膜的主要特性

方向性:

所谓方向性就是将膜表面置于高压盐水中进行脱盐，压力升高膜的透水量、脱盐率也增高；而将膜的支撑层置于高压盐水中，压力升高脱盐率几乎为0，透水量却大大增加。

由于膜具有这种方向性，应用时不能反向使用。

分离特性:

反渗透对水中离子和有机物的分离特性不尽相同，主要有以下几点：

（1）有机物比无机物容易分离。

（2）电解质比非电解质容易分离。

高电荷的电解质更容易分离，其去除率顺序一般如下：

Al3+>Fe3+>Ca2+>Na+PO43->SO42->Cl-

对于非电解质，分子越大越容易去除。

（3）无机离子的去除率与离子水合状态中的水合物及水合离子半径有关。

水合离子半径越大，越容易被除去，去除率顺序如下：

Mg2+、Ca2+>Li+>Na+>K+；F->Cl->Br->NO3-

（4）对极性有机物的分离规律：

醛>醇>胺>酸，叔胺>仲胺>伯胺，柠檬酸>酒石酸>苹果酸>乳酸>醋酸；

（5）对异构体（指化学式相同而结构不同的化合物）:

叔（tert-）>异（iso-）>仲（sec-）>原（pri-）

（6）有机物的钠盐分离性能好，而苯酚和苯酚的衍生物则显示了负分离。

极性或非极性、离解或非离解的有机溶质的水溶液，当它们进行膜分离时，溶质、溶剂和膜间的相互作用力，决定了膜的选择透过性，这些作用包括静电力、氢键结合力、疏水性和电子转移四种类型。

（7）一般溶质对膜的物理性质或传递性质影响都不大，只有酚或某些低分子量有机化合物会使醋酸纤维素在水溶液中膨胀，这些组分的存在，一般会使膜的水通量下降，有时还会下降的很多。

（8）硝酸盐、高氯酸盐、氰化物、硫代氰酸盐的脱除效果不如氯化物好，铵盐的脱除效果不如钠盐。

（9）而相对分子质量大于150的大多数组分，不管是电解质还是非电解质，都能很好脱除。

此外，反渗透膜对芳香烃、环烷烃、烷烃及氯化钠等的分离顺序是不同的。

在反渗透系统的设计和运行过程中，有许多工作是相互制约的。

因此在理论指导的前提下，必须进行试验验证，掌握物质的特性或规律，正确运用反渗透技术，这点是十分重要。

2.4水通量的高低确定元件数

在产品水量一定的条件下，选取水通量的高低基本确定了反渗透装置的膜元件数量。

入设计选取的水通量低，则装置要求的膜元件数量就多，设备投资就高：

但水通量选的高，则装置选用的膜元件数量就少，设备投资就低。

通常对于地下水，水质较好，设计时就可以选用较高的水通量，对于受污染的地下水，则应选用较小的水通量。

2.5膜组件的排列组合

膜组件排列组合的原则：

1、进水流量小于规格元件允许最高进水流量。

控制小于最高进水流量（流速）是为了防止膜元件压降过大，从而损坏膜元件。

2、浓水流量大于其最低允许流量。

控制浓水大于最低流量（速）或最大膜元件的回收率，是为了使进水在元件内有合适的紊流状态，减少浓差极化。

浓差极化必然引起膜表面溶液渗透压的的增大，从而导致渗透流量和脱盐率的下降，并使难容盐在膜表面沉积下来。

3、产水量小于其最大允许量。

控制小于最大透水量是为了防止膜表面污染速度加速。

膜元件的最低浓水流量和浓水的最大防结垢浓度决定了系统的回收率。

稳定性：

膜的稳定性主要指本身的水解稳定性和化学稳定性。

膜稳定性越好，寿命越长。

膜的水解稳定性与膜材料和接触的介质性质有关系。

温度升高，膜的水解速度会加快。

一般水处理用的反渗透膜的最高使用温度为45℃，工业生产中，一般控制运行温度在25℃左右，最高可在30℃左右，不宜在更高的温度下长期使用。

氧化剂会对膜造成不可逆的损坏。

聚酰胺类复合膜比醋酸纤维膜更容易受到氧化剂的侵蚀。

水中的氧化剂有游离氯、次氯酸钠、溶解氧和6价铬等。

在工业生产中，膜分离装置允许进水的游离氯的最高含量，醋酸纤维素膜为1mg/L，而芳香聚酰胺类复合膜为0.1mg/L。

2.6脱氯的方法

脱氯的方法有活性炭吸附和加还原剂。

当水流经过活性碳过滤器时，氯在活性碳上部10-20厘米被吸附，并与碳反应生成二氧化碳和盐酸（所以活性碳吸附除氯为化学过程，非物理吸附）。

亚硫酸氢钠与余氯反应如下：

NaHSO3+Cl2+H2O=NaHSO4+2HCl

乙醇、酮、乙醛、酰胺等有机溶剂，对膜有一定的影响，必须防止此类有机物与膜的接触。

微生物可以通过酶的作用分解膜的成分，防止微生物的侵蚀，对延长膜的寿命比较重要。

此外，运行压力的大小也会影响膜的使用性能。

在压力的作用下，膜会产生变形。

膜的变形分为弹性变形和非弹性变形。

当压力过高时，膜处于非弹性变形范围，将发生不可逆压实状态，影响膜的使用寿命。

相比醋酸纤维膜而言，聚酰胺类复合膜具有高交联结构，因而抗压密能力强，透水性能稳定。

不同的膜元件，其耐压极限不同，使用时应查阅相关产品说明书。

三、反渗透水处理装置及影响其性能的因素

反渗透水处理装置

反渗透水处理装置是包括从保安过滤器的进口法兰至反渗透淡水出水法兰之间的整套单元设备。

包含保安过滤器、高压泵、反渗透本体装置、电气、仪表及连接管线、电缆等可独立运行的装置。

此外包含化学清洗装置和反渗透阻垢剂加药装置，海水脱盐系统中还包含能量回收装置。

保安过滤器

为保证反渗透本体的安全运行，即使有良好的预处理系统，仍需要设置精密过滤设备，起安全保障作用，故称之为保安过滤器。

保安过滤器不应作为一般运行过滤器使用，仅应作保安过滤使用，通常设在高压泵之前。

滤元的种类有多种，常见的有线绕式、熔喷式和碟片式。

反渗透水处理系统选择的过滤精度一般为5µm。

反洗和化学清洗效果不明显，只能一次性使用

高压泵

反渗透膜运行时，需要经高压泵将水升至规定的压力后送入，才能完成脱盐过程。

目前火电厂使用的高压泵有离心式、柱塞式和螺杆式等多种形式，其中，多级离心式水泵使用最广泛。

这种泵的特点是效率较高，可以达到90%以上，节省能耗。

反渗透本体

反渗透本体是将反渗透膜组件用管道按照一定排列方式组合、连接而成的组合式水处理单元。

包括膜元件、膜壳。

单个反渗透膜称膜元件，将一只或数只反渗透膜元件按一定技术要求串接，与单只反渗透膜壳组装构成膜组件。

膜元件的选用

原水的水质特点及对产品水的水质要求决定了膜的选型。

1、醋酸纤维膜

醋酸纤维膜（CA膜），脱盐率较低（95%-98%）

化学稳定性较差，易水解，膜性能衰减较快，操作压力高：

膜表面光滑、不带电荷，因此抗污染物沉淀的都能力较强，微生物不易在膜表面黏滞；膜的抗氧化能力强，要求水中维持0.3-0.1mg/l的游离氯，这部分的游离氯可维持保护膜不受细菌的侵蚀，方式微生物、藻类生长引起的污堵，因此处理污染较严重的地表水及废水场合常用CA膜。

2、芳香聚酰胺膜

3、复合膜

复合膜的脱盐率较高（>99%），化学稳定性好，耐生物降解，并且操作压力低，复合膜要求的PH范围比较宽，运行时3-10，清洗时2-11清洗效果好，复合膜允许的运行温度最高为45℃（醋酸纤维膜最高为35℃）因此对于地下水和污染较轻的地表水，应优先选用复合膜。

新一代的复合膜由于抗污染能力强，适用于严重污染的地表水或废水处理。

复合膜的特征是用两种以上膜材料复合而成。

它的制法是将极薄的皮层刮至在一种预先制好的微细多孔支撑层上。

复合膜用异种材料制成，可以分别针对致密层的功能要求选择一种脱盐性能最优的材料。

针对支撑层的功能要求选择另一种机械强度高的材料，从而实现高脱盐率、高渗透通量。

此外，复合膜脱盐层可以做的很薄，有利于降低膜的推动压力，降低了能耗。

复合膜的这种结构形式，可以实现膜的高脱盐率、高透过性、低推动力、良好的化学稳定性、耐热性和强抗压密能力。

复合膜易制成干膜，便于存放

•这种膜的膜抗污染性使膜元件更光滑，污染物极难附着，更均匀，阻止及延缓污染的生成，更坚固，无缺陷膜片，可耐更强力清洗，性能恢复更强（pH最宽），流道最宽且流动更佳，污染物不易沉淀而易冲走膜片短，局部通量更均匀，多叶大幅减低通量最大值

•全自动及控制技术

•每件产品的差异性更小每支截面进水更均匀，减低了浓差极化程度

膜元件的型号

反渗透本体装置中用来装载反渗透膜元件的承压容器称为膜壳，在有些文献又称“压力容器”。

膜壳的外壳一般由环氧玻璃钢布缠绕而成，外刷环氧漆。

也有部分生产商的产品为不锈钢材质的膜壳。

由于玻璃钢具有较强的耐腐蚀性能，目前，国内大多数火电厂选用玻璃钢材质的膜壳。

在2000年以前膜壳大部分为进口产品，随着生产工艺的提高，目前国内也有不少生产商生产的产品在火电厂得到广泛的应用。

能量回收装置

佩尔顿能量回收装置

工作原理是反渗透的高压浓水进入佩尔顿回收装置，进行能量交换后，其能量传递给高压泵，再经过高压泵提升压力至海水反渗透装置所需的运行压力。

佩尔顿能量回收装置只接触反渗透的浓水部分。

涡轮式能量回收装置

工作原理是原水经高压泵增压后，进入涡轮式能量回收装置，与经反渗透的高压浓水进行能量交换后，使原水的进一步增压至海水反渗透装置所需的运行压力。

涡轮式能量回收装置接触原水与浓水。

PX能量回收装置

工作原理是进入反渗透装置的原水分成两路，一路是40～45%的水量通过高压泵增压至反渗透的运行压力，另外一路55～60%的水量通过PX装置进行能量交换，使给水的压力增加接近反渗透的运行压力，不足部分由增压泵升压补偿达到与高压泵出口相同的压力。

阻垢剂加药装置

反渗透的工作过程中，原水逐步得到浓缩，而最终成为浓水，浓水经浓缩后各种离子浓度将成倍增加。

自然水源中Ca2+、Mg2+、Ba2+、Sr2+、HCO、SiO2等倾向于产生结垢的离子浓度积一般都小于其平衡常数，所以不会有结垢出现，但经浓缩后，各种离子的浓度积都有可能大大超过平衡常数，因此会产生严重的结垢。

为防止结垢现象的发生，在反渗透系统中通常需要通过加药装置向系统中加入阻垢剂。

阻垢剂功能

1、抑制析出：

阻垢剂具有吸附难溶性钙镁盐等的功能。

在右阻垢剂的条件下，阻垢剂和已析出的晶核的生长点的阳离子结合，使晶体的生长抑制在离子水平，离子水平的晶体颗粒由于布朗运动不会沉降，可稳定保持在水中。

2、分散功能：

在有阻垢剂时，因为析出的颗粒的粒径小，难以凝聚，比没有阻垢剂时析出的颗粒难沉降。

3、晶格变形效应：

在有阻垢剂的系统中，析出晶体有球形，多面体，雪花状等不定型的状态。

不定型晶体是在晶体的生长过程中，阻垢剂吸附在晶体生长点上，使其表面生长速度急剧下降，生长与原来晶体不同的晶体，便于清洗时能达到较好的除垢效果。

4、低限效应：

阻垢剂的投加量比水中结构成分低的多也能显示器阻垢的效果。

5、增溶螯合作用

化学清洗加药装置

反渗透膜元件内的膜片在长期的运行过程中，会受到无机盐垢、微生物、胶体颗粒和不溶性有机物的污染，这些污染物沉积在膜表面会导致反渗透装置产水量和脱盐率下降。

因此，膜受到污染后，需要对反渗透装置进行化学清洗装置

影响反渗透水处理系统性能的因素

针对特定的系统条件，水通量和脱盐率是反渗透膜的特性，而影响反渗透本体的水通量和脱盐率因素较多，主要包括压力、温度、回收率、进水含盐量和pH值等影响因素。

压力

反渗透进水压力直接影响反渗透膜的膜通量和脱盐率。

如图所示，膜通量的增加与反渗透进水压力呈直线关系；脱盐率与进水压力成线性关系，但压力达到一定值后，脱盐率变化曲线趋于平缓，脱盐率不再增加。

温度

脱盐率随反渗透进水温度的升高而降低，如图所示。

而产水通量则几乎呈线性地增大。

主要是因为，温度升高，水分子的粘度下降，扩散能力强，因而产水通量升高；随着温度的提高，盐分透过反渗透膜的速度也会加快，因而脱盐率会降低。

含盐量

水中盐浓度是影响膜渗透压的重要指标，随着进水含盐量的增加，膜渗透压也增大。

如图所示，在反渗透进水压力不变的情况下，进水含盐量增加，因渗透压的增加抵消了部分进水推动力，因而通量变低，同时脱盐率也变低。

pH

不同种类的膜元件适用的pH值范围差别较大，如醋酸纤维膜在pH值4～8的范围内产水通量和脱盐率趋于稳定，在pH值低于4或高于8的区间内，受影响较大。

目前工业水处理使用的膜材料绝大多数为复合材料，适应的pH值范围较宽（连续运行情况下pH值可以控制在3～10的范围），在此范围内的膜通量和脱盐率相对稳定

回收率

反渗透系统回收率的提高，会使膜元件进水沿水流方向的含盐量更高，从而导致膜渗透压增大，这将抵消反渗透进水压力的推动作用，从而降低了产水通量。

膜元件进水含盐量的增大，使淡水中的含盐量随之增加，从而降低了脱盐率。

反渗透预处理的方法

在工程实践中，不同的原水水质，最终确定的预处理工艺各不相同；另外，即使原水水质相近，最终确定的工艺流程也未必相同。

无论采取何种预处理工艺，最终目标是通过经济可靠的处理工艺，将反渗透装置进水污染物浓度控制在一个较低的水平，以满足反渗透装置的进水要求。

反渗透膜元件对进水水质的要求

水源类型

地表水

地下水

海水

废水

SDI（淤泥密度指数）

≤5.0

≤4.0

≤4.0

≤5.0

浊度

≤1.0NTU

≤1.0NTU

≤1.0NTU

≤1.0NTU

游离氯

复合膜<0.1mg/L

pH

3～11

温度

<30℃

其它

有些膜元件对化学耗氧量和铁也有一定的要求

COD（KMnO4法）<1.5mg/LFe<0.05mg/L

温度调整

反渗透膜元件都有一个极限使用范围，一般为0～45℃。

适当提高原水温度，可以提高膜产水通量，减少膜元件的数量，降低了设备一次投资费用。

在工程实践中，反渗透装置的进水水温一般控制在15～25℃。

结垢控制

当原水中的难溶盐在膜元件内不断被浓缩且超过其溶解度极限时，它们就会在反渗透膜表面上沉淀，通常称之为“结垢”。

当水源确定后，随着反渗透系统的回收率的提高，结垢的风险就越大。

在反渗透系统中，常见的难溶盐为CaCO3、CaSO4和SiO2，偶尔也会见到CaF2、BaSO4、SrSO4和Ca3（PO4）2等化合物。

结构倾向CaCO3>CaSO4>SiO2>BaSO4>SrSO4>铝、铁、锰的氢氧化物

防止沉淀结垢的措施方法：

1、降低反渗透系统的脱盐率

2、适当提高水温

3、调整PH值

4、以上3中方法的综合利用

结垢判断

CaCO3结垢判断

对于苦咸水（TDS≤10000mg/L），可根据朗格利尔指数（LSI）

对于海水（TDS>10000mg/L），可根据斯蒂夫和大卫饱和指数（S&DSI）大小判断。

当LSI或S&DSI为正值时，水中CaCO3就会沉淀。

朗格利尔指数又称饱和指数，以LSI.表示，是水样实测的PH值减去饱和PH值（PHs）所得的值。

碳酸钙在水中呈饱和状态时，重碳酸钙既不分解为碳酸钙，碳酸钙也不会继续溶解，此时的PH值称为饱和的PH值，以PHs表示。

若水样的PH值大于PHS，LSI.为正值时，碳酸钙会从水中析出，这种水属结垢型水；当LSI.为负值时，原有水垢层会被溶解掉，使原材料裸露在水中受侵蚀，这种水称作侵蚀型水；当LSI.等于零时，水处于饱和状态，这种水属于稳定性。

饱和PH与饱和指数的概念有朗格利尔（Langelier）提出，用以判断碳酸钙水垢在水中是否会析出。

并据此提出用加酸或用加碱处理方法来控制水垢的析出。

原水中的溶解性物质会因过饱和状态而析出，这些物质按照其结构倾向的大小的顺序排列为

CaCO3>CaSO4>SiO2>BaSO4>SrSO4>铝、铁、锰的氢氧化物

所以LSI饱和指数法主要通过计算CaCO3溶解状态时的PH来计算膜的结垢。

地表水和深井水常用LSI饱和指数法来计算，对于海水用稳定指数法DSI

LSI=0表示水质处于平衡状态，不结构也不腐蚀，水质稳定

LSI>0表示水中的CaCO3过饱和，有析出的倾向

工程中多采用加酸或加阻垢剂的方法来阻止结垢

盐酸、硫酸均可以用来中和碱度，但加硫酸比较经济，同时反渗透膜对SO42-的脱出率比氯离子强，加酸首选硫酸；对于有些特殊水质，含钙，钡，铬等较多，加硫酸灰发生沉淀，此时应选择盐酸。

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