反渗透膜分离技术的发展

发布时间: 2008-04-23 13:15:04   编辑:sbf胜博发手机版官网编辑   来源: sbf胜博发手机版官网原创   浏览次数:

  近来,物理化学处理技术、光照射技术及膜过滤技术已形成三大水处理技术。在这些技术中引人注目的是膜分离法污水处理技术。膜分离是通过膜对混合物中各组分的选择渗透作用的差异,以外界能量或化学位差为推动力对双组分或多组分混合物的气体或液体进行分离、分级、提纯和富集的方法。而反渗透膜分离技术作为当今世界水处理先进的技术,具有清洁、高效、无污染等优点,已在海水淡化、城市给水处理、纯水和超纯水制备、城市污水处理及利用、工业废水处理、放射性废水处理等方面得到广泛的应用。

  膜分离技术作为新的分离净化和浓缩方法,与传统分离操作(如蒸发、萃取、沉淀、混凝和离子交换树脂等)相比较,过程中大多无相变化,可以在常温下操作,具有能耗低、效率高、工艺简单、投资小等特点。膜分离技术应用到污水处理领域,形成了新的污水处理方法,它包含微滤(MF)、超滤(UF)、渗析(D)、电渗析(ED)、纳滤(NF)、和反渗透(RO)等。

  1 反渗透膜发展概述
  膜广泛的存在于自然界中,特别是生物体内。人类对于膜现象的研究源于1748年,但是人类对它的认识和研究则较晚。1748年,Abbe Nollet观察到水可以通过覆盖在装有酒精溶液瓶口的猪膀肌进入瓶中时,发现了渗透现象。然而认识到膜的功能并用于为人类服务,却经历了200多年的漫长过程。人们对膜进行科学研究则是近几十年来的事。其发展的历史大致为;30年代微孔过滤;40年代透析;50年代电渗析;60年代反渗透;70年代超滤和液膜;80年代气体分离;90年代渗透汽化。

  在国外,其发展概述为:1953年美国的Reid 提出从海水和苦盐水中获得低价的淡水的反渗透研究方案,1960年美国的Sourirajan 和Leob 教授研制出新的不对称膜,从此RO作为经济的淡化技术进入了实用和装置的研究阶段。20世纪70年代初期开始用RO法处理电镀污水,首先用于镀镍污水的回收处理,此后又应用于处理镀铬、镀铜、镀锌等漂洗水以及混合电镀污水。1965年英国首先发表了用半透膜处理电泳涂料污水的专利。此后美国P.P.G企业提出用UF和RO的组合技术处理电泳涂料污水,并且实现了工业化。1972-1975年J J .Porter 等人用动态膜进行染色污水处理和再利用实验。1983年L.Tinghuis等人发表了用RO法处理染料溶液的研究结果。1969年美国的J . C. V Smith 首先报道了处理城市污水的方法。30年来,反渗透(RO)技术先后在含油、脱脂废水、纤维工业废水、造纸工业废水、放射性废水等工业水处理、苦咸水淡化、纯水和高纯水制备、医药工业和特殊的化工过程和高层建筑废水等各类污水处理中得到了广泛的应用。尤其是近几年,一些新型的膜法污水处理技术逐一问世,如膜蒸馏、液膜、膜生化反应器、控制释放膜、膜分相、膜萃取等。

  在我国,膜技术的发展是从1958年离子交换膜研究开始的。1958年开始进行离子交换膜的研究,并对电渗析法淡化海水展开了试验研究;1965年开始对反渗透膜进行探索,1966年上海化工厂聚乙烯异相离子交换膜正式投产,为电渗析工业应用奠定了基础。1967年海水淡化会战对我国膜科学技术的进步起了积极的推动作用。1970年代相继对电渗析、反渗透、超滤和微滤膜及组件进行研究开发,1980年代进入推广应用阶段。1980年代中期我国气体分离膜的研究取得长足进步,1985年中国科学院大连化物所,首次研制成功中空纤维N2/H2分离器,主要性能指标接近国外同类产品指标,现己投入批量生产,每套成本仅为进口装置的1/3。进入90年代以来,复合膜的制备取得了较大进展。

  2 反渗透膜分离技术基本理论
  反渗透膜分离法的基本特点是其推动力为压力差(1-10MPa),传质机理一般认为是溶剂的扩散传递,透过膜的物质是水溶剂,截留物为溶质、盐(悬浮物、大分子、离子),膜的类型为非对称膜或复合膜。反渗透的选择透过性与组分在膜的溶解、吸附和扩散有关,因此除与膜孔大小结构有关外,还与膜的化学、物理性质有密切关系,即与组分和膜之间的相互作用密切相关。

  2.1 反渗透原理
  渗透现象早在1748年已由Abbe Nollet首次得到证明,直到20世纪50年代,科学家们才开始利用反渗透或超滤作为溶液中溶质和溶剂的有效分离方法,并使其成为一种实验室技术。
渗透是指一种溶剂(即水)通过一种半透膜进入一种溶液或是从一种稀溶液向一种比较浓的溶液的自然渗透。但是在浓溶液一边加上适当的压力,即可使渗透停止,此时的压力称为该溶液的渗透压。若在浓溶液一边加上比自然渗透压更高的压力,扭转自然渗透方向,把浓溶液中的溶剂(水)压到半透膜的另一边稀溶液中,这是和自然界正常渗透过程相反的,此时就称为反渗透。
这就说明,当对盐水一侧施加的压力超过水的渗透压时,可以利用半透膜装置从盐水中获取淡水。因此,反渗透过程必须具备两个条件:一是必须有一种高选择性和高渗透性(一般指透水性)的选择性半透膜,二是操作压力必须高于溶液的渗透压。

  3 反渗透膜的主要性能参数与运行工况条件
  3.1 反渗透的主要性能参数
  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。

  3.2 反渗透装置的运行工况条件
  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。

  3.3 影响反渗透运行参数的主要因素
  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。

  4 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。
  4.1 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。大家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

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