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反渗透膜分离技术发展及污水处理中应用近来,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这些技术中引人注目是膜分离法污水处理技术
[1]膜分离是膜对混合物中各组分选择渗透作用差异,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气体或液体进行分离、分级、提纯和富集方法而反渗透膜分离技术作为当今世界水处理先进技术,具有清洁、高效、无污染等优点,已海水淡化、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到广泛应用膜分离技术作为新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,本文仅对反渗透RO膜法对城市污水处理技术进行探讨1反渗透膜发展概况膜广泛存自然界中,特别是生物体内人类膜现象研究源于1748年,人类对它认识和研究则较晚1748年,AbbeNollet观察到水可以覆盖装有酒精溶液瓶口猪膀肌进入瓶中时,发现了渗透现象认识到膜功能并用于为人类服务,却经历了200多年漫长过程人们对膜进行科学研究则是近几十年来事其发展历史大致为;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
[2]国外,其发展概况为1953年美国Reid提出从海水和苦盐水中获廉价淡水反渗透研究方案,1960年美国Sourirajan和Leob教授研制出新不对称膜,从此RO作为经济淡化技术进入了实用和装置研究阶段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专利此后美国P.P.G公司提出用UF和RO组合技术处理电泳涂料污水,实现了工业化1972-1975年JJ.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法处理染料溶液研究结果1969年美国J.C.VSmith首先报道了处理城市污水方法30年来,反渗透RO技术先后含油、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、医药工业和特殊化工过程和高层建筑废水等各类污水处理中到了广泛应用尤其是近几年,一些新型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
[3]我国,膜技术发展是从1958年离子交换膜研究开始1958年开始进行离子交换膜研究,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进步起了积极推动作用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研究取长足进步,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1/3进入90年代以来,复合膜制备取了较大进展
[2]2反渗透膜分离技术基本理论反渗透膜分离法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扩散传递,透过膜物质是水溶剂,截留物为溶质、盐(悬浮物、大分子、离子),膜类型为非对称膜或复合膜反渗透选择透过性与组分膜溶解、吸附和扩散有关,除与膜孔大小结构有关外,还与膜化学、物理性质有密切关系,即与组分和膜之间相互作用密切相关
[4]
2.1反渗透原理渗透现象早1748年已由AbbeNollet首次到证明,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)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溶液自然渗透浓溶液加上适当压力,即可使渗透停止,此时压力称为该溶液渗透压若浓溶液加上比自然渗透压更高压力,扭转自然渗透方向,把浓溶液中溶剂(水)压到半透膜另稀溶液中,这是和自然界正常渗透过程相反,此时就称为反渗透这就说明,当对盐水一侧施加压力超过水渗透压时,可以利用半透膜装置从盐水中获取淡水,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)选择性半透膜,二是操作压力必须高于溶液渗透压
2.2反渗透膜透过机理反渗透膜透过机理,自20世纪50年代末以来,许多学者先后提出了各种不对称反渗透膜透过机理和模型,现介绍如下
2.
2.1氢键理论
[3]这个理论是由里德(Ried)等人提出,并用醋酸纤维膜加以解释这种理论是基于一些离子和分子能膜氢键结合而发生联系,这些联系发生线形排列型扩散来进行传递压力作用下,溶液中水分子和醋酸纤维素活化点——羰基上氧原子形成氢键,而原来水分子形成氢键被断开,水分子解离出来并随之转移到下一个活化点,并形成新氢键,如是这一连串氢键形成与断开,使水分子离开膜表面致密活化层,多孔层含有大量毛细管水,水分子能畅通流出膜外
2.
2.2优先吸附-毛细孔流理论
[4]索里拉金等人提出了优先吸附-毛细孔流理论他们以氯化钠水溶液为例,溶质是氯化钠,溶剂是水,膜表面能选择性吸水,水被优先吸附膜表面上,而对氯化钠排斥压力作用下,优先吸附水膜,就形成了脱盐过程这种模型同时给出了混合物分离和渗透性一种临界孔径概念临界孔径显然是选择性吸着界面水层两倍基于这种模型膜表面必须有相应大小毛细孔,这种理论,索里拉金等研制出具有高脱盐率、高脱水性实用反渗透膜,奠定了实用反渗透膜发展基础
2.
2.3溶液扩散理论
[3]朗斯代尔(Lonsdale)和赖利(Riley)等人提出溶解扩散理论该理论假定膜是无缺陷“完整膜”,溶剂和溶质透过膜机理是溶剂与溶质膜中溶解,然后化学位差推动力下,从膜一侧向另一侧进行扩散,直至透过膜溶剂和溶质膜中扩散服从(Fick)定律,这种模型认为溶剂和溶质都可能溶于均质或非多孔型膜表面,以化学位差为推动力(常用浓度差或压力差来表示),分子扩散使它们从膜中传递到膜下部,物质渗透能力取决于扩散系数,取决于其膜中溶解度溶质扩散系数比水分子扩散系数小越多,高压下水膜内移动速度就越快,透过膜水分子数量就比扩散而透过去溶质数量更多目前一般认为,溶解扩散理论较好说明膜透过现象,当然氢键理论、优先吸附-毛细孔流理论也能够对反渗透膜透过机理进行解释此外还有学者提出扩散-细孔流理论,结合水-空穴有序理论以及自由体积理论等也有人反渗透现象是一种膜透过现象,把它当作非可逆热力学现象来对待总之,反渗透膜透过机理还发展和完善中
2.3有机物去除机理有机溶质脱除机理最初认为纯属筛网效应其脱除率主子量大小和形状有关后来大量研究,发现膜与有机溶质电荷斥力对脱除率影响不容忽视近年来研究证明,膜对有机溶质脱除主要受两方面影响一是膜孔径机械筛除作用;二是膜与有机物间排斥力作用,这种排斥作用大小与膜材料和有机物物理化学特征参数有很大关系这些物理比学特征参数及其对分离度影响不考虑膜孔径机械筛除作用介绍如下
[5]
2.
3.1极性参数
[5]极性效应表征是有关分子酸性或碱性以下参数中任何一个均可以给出极性效应以定量量度1△Ms酸性或△Ms碱性△Ms酸性是溶质ROHCC14和醚溶液中测红外光谱中OH谱带最大值相对位移,△Ms碱性是溶质CH3OD苯中测红外光谱中OD谱带最大值相对位移△Ms酸性或△Ms碱性数据分别与质子给予体或质子接受体分子相对氢键键合能力相联系氢键键合能力愈大,表示一种酸如醇或酚给予质子能力愈大或一种碱如醛、酮接受质子能力愈大质子给予能力与质子接受能力表现出相反趋势,△Ms酸性增加值等于△Ms碱性减小值一般来说,有机溶质△Ms酸性增加,表示有关分子与膜氢键键合能力增强,这种增强结果就会减小膜与有机溶质间排斥力,△Ms酸性增加,有机物分离度减小说,△Ms碱性增加,有机溶质与膜氢键键合能力减小,膜与有机溶质间排斥力增大,有机物分离度增加但当△Ms碱性值超过随某一化合物种类而异值时,△Ms碱性增加,溶质分离度增加甚微2解离常数Ka或pKaPK=-logKa解离常数是水溶液中具有一定离解度溶质极性参数离解常数给予分子酸性或碱性以定量量度,pKa减小,质子给予体来说,其酸性增加;质子接受体来说,其碱性增加酸性有机物来说,pKa减小,,有机溶质与膜氢键键合能力增强,相当于溶质与膜间吸引力增加,分离度下降;另,它离解成为离子倾向增加,相当于增强了该有机物与膜之间静电斥力,分离度升高上述两种作用相伴相克,起主导作用因素决定着分离度高低走向,酸性分子来说,酸性大小和pKa共同影响着溶质分离度与酸性有机物有所不同,碱性有机溶质来说,pKa减小,有机溶质与膜间静电斥力增加,去除率升高3Hammet数或Taft数Hammet数σ是表示芳香族间位或对位取代基极性常数,Taft数σ*是表示芳香族邻位化合物或脂肪族化合物中取代基极性常数σ和σ*两者定量表示取代基对有机分子极性效应影响;σ和σ*具有加和性;取代基σ和σ*值愈低,它电子收回能力或质子给予能力愈小对一给定官能团,σ和σ*值降低相当于分子酸性降低或碱性增加一般来说,是酸碱,有机溶质分离度σ和σ*值减小而增加
2.
3.2位阻参数(Es)Es是表示有机物原子之间或原子与官能团之间相互排斥力常数,ΣEs为所有官能团Es之和ΣEs减小,表明有机溶质位阻障碍增大,去除率增加ΣEs正常用来表示对醚分离度影响ΣEs降低,溶质分离度趋于增加
2.
3.3非极性参数(Small数或修正Small数)
[6]Small数S是表示非极性有机分子间凝聚力常数,又称摩尔吸引常数修正Small数(ΣS*)是表示非极性有机分子疏水程度相对大小常数,它是松蒲和Souriragan等利用溶质溶解度数据对凝聚力进行修正后而到,故称修正Small数Small数或修正Small数常用来表示对碳氢化合物分离度影响碳氢化合物溶解度越高,修正Small数越小溶质Small数或修正Small数增大,意味着疏水或非极性增强松蒲等人大量研究发现,同一张膜来说,ΣS*值增加,溶质分离度趋于增加
2.4无机物去除机理反渗透膜去除无机物原理有多种理沦,现将几种主要介绍如下
[6]
2.
4.1Scatchafd理论该理论认为溶质分离与膜及溶液介电常数有关,荷电离子不同介电常数介质中具有不同离子浓度,介电常数越低,该离子浓度也越低这里把溶液和膜分别记作为I相和II相,相应介电常数分别为和II,并以“膜一溶液”两相界面记作I-作为计算距离基准离子浓度是距离函数,1I,液相中,距离I-界面越远,离子浓度越高;膜中,距离I-II界面越远,离子浓度越低Scatchard认为,膜与溶液介电常数差别越大,说膜介电常数越小溶液介电常数越大,则离子膜表面处及膜内渡度越小膜内离子浓度越低,膜对溶质去除率越高,提高膜分离性能,应选择介电常数较低膜材料Scatchafd还发现,溶液浓度越高,膜去除率越低
2.
4.2Gluckauf理论Gluckauf认为膜存着细孔,细孔半径为r,如图6-2所示膜与溶液介电常数不同,离子从溶液中进入膜内需要一定能氢E式中,4为离子电荷;是与Debye-Huckel模型中离子半径1/Kρ和膜孔径有关常数 为离子半径孔中B处离子浓度C孔服从Boltzmann分布;C孔=Cexp(-E/(Kρ))式中,kc为Boltzmann常数;T为溶液温度对比可由上式可以看出,溶质去除率与膜孔径、膜介电常数、离子水化体积、离子所带电荷、离子浓度以及溶液温度有关
2.
4.3Bean理论BeanGluckauf理论基础上,利用Parsegian研究成果计算到去除率R为;式中,μ为细孔内溶液粘度;D为水中溶质扩散系数由上式可以看出,溶质去除率与操作压力及膜孔径有关
2.
4.4离子与溶剂相互作用松浦等人研究离子与溶剂相互作用对膜透过性能影响,提出了△△G概念△△G是离子从主体溶液进入Ⅰ-Ⅱ相界面所需要自由焙差即△△G=△Gr-△GB式中,△△G为Ⅰ-Ⅱ相界面处离子与溶剂相互作用自由烙差,由离子水化自由烩△GB为主体溶液中离子与溶剂相互作用自由焙差,由反渗透实验数据推算△△G0,表明离子从主体溶液迁移至膜表面为反自发过程,即膜排斥该离子;反之△△G0,则离子从主体溶液迁移至膜表面为自发过程,即膜吸引该离子松浦等人醋酸纤维素膜对各电解质分离实验结果和离子水化自由焙,求出了离子△△G发现有如下规律;1阳离子G为负值,阴离子G为正值这表明膜吸引阳离子而排斥阴离子,可以推测醋酸纤维素膜呈负电性21价阳离子G比2价阳离子G更负,这预示着1价阳离子分离效果比2价阳离子差3卤素离子,离子半径增加G下降,去除率随离子半径增大而下降3反渗透膜及膜装置类型
3.1反渗透膜类型一般来说,反渗透膜应具备以下性能
①单位面积上透水量大,脱盐率高;
②机械强度好,多孔支撑层压实作用小;
③化学稳定性好,耐酸、碱腐蚀和微生物侵蚀;
④结构均匀,使用寿命长,性能衰降慢;
⑤制膜容易,价格便宜,原料充足影响膜性能因素
[7]
①回收率/转变率;
③压力;
④压密;
⑤浓差极化据此,目前较常用膜类型有
①醋酸纤维膜(CA膜)CA膜又可以分为平膜、管式膜和中空纤维膜几类CA膜具有反渗透膜所需三个基本性质高透水性、对大多数水溶性组分渗透性相当低、具有良好成膜性能
②聚酰胺膜(PA膜)聚酰胺膜又可以分为脂肪族聚酰胺膜、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复合膜这是近些年来开发一种新型反渗透膜,它是由很薄致密符合层与高空隙率基膜复合而成,它膜通量相同条件下比非对称膜高约50%-100%目前复合膜有以下几种a.交联芳香族聚酰胺复合膜(PA);b.丙烯-烷基聚酰胺和缩合尿素复合膜;c.聚哌嗪酰胺复合膜;d.氧化锆-聚丙烯酸复合膜
3.2反渗透装置型式
3.
2.1板框式反渗透装置这种形式装置由Aerojet通用公司发展起来,教适合于小和低压工厂膜支撑体一种圆形平板上,这块平板称为多孔板,常见有不锈钢多孔板和聚氯乙烯多孔板,产水多孔板汇集起来这种装置存以下缺点
①安装和维护费用高,
②进料分布不均匀,
③流槽窄,
④多级膜装卸复杂,
⑤单位体积中膜比表面积低,产水量少尽管有这些缺点,但它结构简单可靠,体积比管式装置小,小规模生产场所有一定优势
3.
2.2管式反渗透装置这种装置实际应用中是很有意义它能够处理含悬浮颗粒和溶解性物质液体,像沉淀一样管式装置中把料液进行浓缩,运行期间系统处处都可以保持良好排水作用,适当调节水力条件,常常可以预防溶液浓缩弄脏或堵塞膜其主要优缺点可以归纳如下优点
①能够处理含悬浮固体溶液,
②合适流动状态就可止浓差极化和膜污染等,并容易调整缺点
①设备端部用膜较多,装置制造和安装费用较昂贵
②单位体积中膜比表面积小
③必须把管子外部包起来
④要使用支撑材料
3.
2.3螺旋式反渗透装置美国通用原子公司(GulfGeneralAtomicCo)发展了这种装置这种螺旋式结构中间为多孔支撑材料,两边是膜“双层结构”,它末端是冲孔塑料管双层膜边缘与多孔支撑材料密封形成一个膜袋(收集产水),膜袋之间再铺上一层隔网,然后沿中心管卷绕这种多层材料(膜/多孔支撑材料/膜/料液隔网),就形成了一个螺旋式反渗透组件将卷好螺旋式组件,放入压力容器中,就成为完整螺旋式反渗透装置使用这种螺旋式反渗透装置时应注意
①中心管主要褶皱处泄露
②膜及支撑材料粘结线上发生皱纹
③胶线太厚可能会产生张力或压力不均匀
④支撑材料移动会使膜支撑不合理,导致平衡线移动
⑤膜上有小孔洞,这是膜质量不合格所致目前,美国制作螺旋式组件已实现机械化,采用一种
0.91m滚压机,连续喷胶将膜与支撑材料粘密封结一起,并滚转成螺旋式组件,牢固后不必打开即可使用螺旋式组件主要优缺点是优点
①单位体积中膜表面积比率大
②压力导管设计简单,具有扰性,安装和更换容易,结构可以紧密放一起缺点
①料液含悬浮固体时不适宜
②料液流动路线短
③压力消耗高
④再循环浓缩困难
3.
2.4中空纤维式反渗透装置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,制造出中空纤维式反渗透装置这种装置类似于一端封死热交换器,其中含有外径50μm、内径25μm;装成一种圆柱形耐压容器中,或是将中空纤维弯成U形装入耐压容器中,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打进去,中空纤维膜外壁,从中空纤维管束另一端把渗透液收集起来,浓缩后料液从另一端连续排掉中空纤维式反渗透装置主要优缺点如下优点
①单位体积中膜表面积比率高,一般可达到16000-30000m2/m3,组件可以小型化;
②膜不需支撑材料,中空纤维本身可以受压而不破裂缺点
①膜表面去污困难,料液需经严格预处理;
②中空纤维膜一旦损坏是无法更换由此我们可以给优质反渗透装置作出以下要求
①对膜能提供合适支撑
②处理溶液整个膜面上必须均匀分布
③最小能耗情况下,对处理溶液提供良好流动状态
④单位体积中膜有效面积比率高
⑤组件容易拆卸和更换
⑥便于膜拆卸和组装
⑦运行压力下,有效工作时安全与可靠性高
⑧外部泄露能尽可能从压力变化上发现
⑨建造、维护费用都是方便目前流行这四种装置一些主要特性比较见表3-1注原料液为500mg/LNaCl,脱盐率为92%-96%4反渗透膜主要性能参数与运行工况条件
4.1反渗透主要性能参数
[8]1透水率是指单位时间透过单位膜面积水量主要取决于膜材质和结构等因素但一定反渗透膜其透水率则取决于运行条件;a.透水率随温度升高而增加随工作压力增加成比例上升;b.透水率随进水浓度增加而下降;c.透水率随回收率增加而下降2回收率即供水对渗透液转换率直接影响除盐系统成本苦盐水回收率大约为90%;高苦盐水降为60%-65%;工业海水系统回收率是35%-45%3膜通量是表明膜表面一个特定区域水流速度表水是8GFD-14GFD13L/m3•h-23L/m3•h;反渗透出水是14GFD-18GFD23L/m3•h-30L/m3•h;海水为7GFD-8GFD
4.2反渗透装置运行工况条件
[8]确保反渗透装置安全可靠运行选择一定适宜工况条件是非常必要反渗透装置主要工况条件为进水pH值、进水温度与运行压力1进水pH值醋酸纤维膜运行时水以偏酸性为宜,pH值一般控制4~7之间,此范围外加速膜水解与老化目前认为pH值5-6之间最佳膜水解会引起产水量减少,会造成膜对盐去除能力持续性降低,直至膜损坏为止2进水温度对产水量有一定影响温度增加1℃,膜透水能力增加约
2.7%反渗透膜进水温度底限为5℃-8℃此时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℃时大多数膜变不稳定,加速水解速度一般醋酸纤维膜运行与保管最高温度为35℃,宜控制25℃-35℃之间3运行压力渗透压与原水中含盐量成正比,与膜无关提高运行压力后,膜被压密实,盐透过率会减少,水透过率会增加,提高水回收率但当压力超过一定限度时会造成膜老化,膜变形加剧,透水能力下降
4.3影响反渗透运行参数主要因素
[9]膜水通量和脱盐率是反渗透过程中关键运行参数,这两个参数将受到压力、温度、回收率、给水含盐量、给水PH值因素影响
(1)压力给水压力升高使膜水通量增大,压力升高并不影响盐透过量盐透过量不变情况下,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,一定水通量下要求净推动力减少,实际运行压力降低同时溶质透过速率也随温度升高而增加,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压降也有一定影响,温度升高,水粘度降低,压降减少,膜通道污堵而使湍流程度增强装置,粘度对压降影响更为明显
(3)回收率回收率对各段压降有很大影响,进水总流量保持一定条件下,回收率增加,流经反渗透高压侧浓水流量减少,总压降降低,回收率减少,总压降增大,实际运行表明,回收率变化很小,如1%,也会使总压差产生
0.02MPa左右变化回收率对产品水电导率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,会增加浓水中含盐量,并相应增加产品水电导率
(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,同时浓度增加,产品水电导率也相应增加
(5)pH值各种膜组件都有一个允许pH值范围,允许范围内,pH值对产品水电导率也有一定影响,这是反渗透膜本身大都带有一些活性基团,pH值可以影响膜表面电场进而影响到离子迁移,另pH值对进水中杂质形态有直接影响,如对可离解有机物,其截留率随pH值降低而下降5反渗透流程反渗透流程是由反渗透设计依据确定
5.1反渗透流程设计依据RO过程应视为一个总系统,它包含各组成部分及依据这些依据可作为设计RO系统时入门指南每一部分与每一交接处都将有合宜操纵开关及连接,以保证系统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经济/性能折中办法我们沿与流程相反方向来讨论
①最终用途首先考虑是产品水具体用途,它决定了为满足用户需要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子工业用水,水电阻率需达18MΩcm产品性能并不严格要超过所需值,高于所需产水量或产水水质将增加产品水费用,产生明显负面影响
②后处理RO透过液使用前,通常需要对其作些后处理至少,需要脱气以去除为控制结垢对进料水酸化而产生CO2和进行pH调节,止下游系统发生腐蚀后处理要求取决于应用,需按具体情况加以确定对许多工业应用,后处理包括采用树脂除盐和紫外线消毒对城市应用要附加pH调节、脱气及用氯消毒
③膜膜为系统心脏,其性能可受与膜本身及其构型无关一些因素影响,例如预处理及系统操作与维护,,需进料水水质及最终用途仔细考虑选择膜材料及膜构型
④操作与维护操作与维护是成功系统性能关键尽早发现潜隐问题,须收集系统性能数据并定期分析若发生了问题,应该采用合宜寻找故障技术,并与膜制造商和/或系统设计者切磋商量合宜消除问题措施对不能控制结垢、污染或堵塞,则需经常清洗膜以保持膜性能膜装置中,这些物质不可逆积累将导致流体分布不均和产生浓差极化,这将造成膜通量与盐截留率减退,会使膜材料发生降解这些导致了昂贵膜单元更换已开发出用于恢复因结垢或污染造成不良膜性能技术,若能及早识别出膜需清洗,则这些技术是非常有效清晰剂可从膜装置中将微粒、胶体、生物和有机物移出通常做法是将清洗液按正向流动,低压下膜装置进行循环,直至污染物被去除很少推荐进行反洗
⑤高压泵高压泵提供膜生产所需产水流量及水质压力常用泵类型是单级、高速离心泵;柱塞泵;多级离心泵通常单级离心泵效率最低,柱塞泵效率最高小系统采用高速离心泵,大系统采用多级离心泵为佳
⑥预处理预处理即垢控制,方法有pH值调节、缓蚀剂软化、微生物控制、氯化/脱氯,对悬浮固体、胶体、金属氧化物、有机物等去除
5.2预处理过程总来讲反渗透系统是由预处理过程和膜分离过程组成预处理过程是指被处理料液进入膜分离过程前需采用预先处理措施预处理一般有物理处理、化学处理和光化学处理三种预处理过程中可使用各种单元操作,也可以将几种方法组合使用,预处理过程好坏是反渗透膜分离过程成败关键,必须严格认真做好预处理工作目前流行方法主要有以下几种
(1)物理法物理方法包括
①沉淀法或气浮分离法,
②砂过滤、预涂层(助滤剂)过滤、滤筒过滤、精过滤等,
③活性炭吸附法,
④冷却或加热
(2)化学法化学方法包括
①氧化法利用臭氧、空气、氧、氯等氧化剂进行氧化,
②还原法,
③pH值调节法
(3)光化学法光化学预处理方法主要指紫外线照射采用哪一种预处理方法,取决于料液物理、化学和生物学性质,还要膜分离过程中所用组件类型构造作出判断实际运行中故障,是膜表面上分离所带来直接污染;另与膜组件本身构造有关预处理所需要达到标准,所用膜件不同一致
5.3反渗透膜分离常见流程反渗透膜分离工艺设计中常见流程有如下几种
①一级一段法这种方式是料液进入膜组件后,浓缩液和产水被连续引出,这种方式水回收率不高,工业应用较少另一种形式是一级一段循环式工艺,它是将浓水一部分返回料液槽,这样浓溶液浓度不断提高,产水量大,但产水水质下降
②一级多段法当用反渗透作为浓缩过程时,一次浓缩达不到要求时,可以采用这种多步式方式,这种方式浓缩液体体积可减少而浓度提高,产水量相应加大
③两级一段法当海水除盐率要求把NaCl从35000mg/L降至500mg/L时,则要求除盐率高达
98.6%如一级达不到时,可分为两步进行即第一步先NaCl90%,而第二步再从第一步出水中去除NaCl89%,即可达到要求膜除盐率低,而水渗透性又高时,采用两步法比较经济,同时低压低浓度下运行时,可提高膜使用寿命
④多级反渗透流程此流程中,将第一级浓缩液作为第二级供料液,而第二级浓缩液再作为下一级供料液,此时各级透过水都向体外直接排出,级数增加水回收率上升,浓缩液体体积减少浓度上升保证液体一定流速,同时控制浓差极化,膜组件数目应逐渐减少当然,选择流程时,对装置整体寿命、设备费、维护管理、技术可靠性也必须考虑例如,需将高压一级流程改为两级时,那么就有可能低压下运行,对膜、装置、密封、水泵等方面均有益处6反渗透技术城市污水应用反渗透技术是20世纪60年代初发展起来以压力为驱动力膜分离技术该技术是从海水、苦咸水淡化而发展起来,通常称为“淡化技术”反渗透技术具有无相变、组件化、流程简单、操作方便、占面积小、投资省、耗电低等优点,水处理中到了大量运用目前反渗透技术已广泛应用于海水苦咸水淡化,纯水、超纯水制备,化工分离、浓缩、提纯等领域工程遍布电力、电子、化工、轻工、煤炭、环保、医药、食品等行业
6.1美国反渗透法生活污水处理
[1]美国,反渗透法曾作为生活污水是一种深度处理方法而进行研究过去深度处理一般是将污水二级处理排水活性污泥生化处理后出水再进行混凝、过滤、活性炭吸附处理等,但对除盐过程却一直未予考虑目前全球性水源紧张,各国都大力推行节约用水,大型工业城市,将城市污水处理后再回用于工业是今后发展方向或将城市污水深度处理后作为大型建筑物、家庭洗刷用水、灌溉及绿化用水,即“中水”来源除盐方法主要有离子交换树法和电渗析法,但这些方法不能去除水中有机物及不溶性杂质,把反渗透法作为弥补这一不足一种方法,并进行研究,其中加里福尼亚波莫纳Pomona试验是与联邦污水管理局FWPCA进行协作,主确定反渗透脱盐效果、对有机物及富营养化成分去除程度,还对运行中防止污染方法及经济性作出评价,波莫纳试验流程如图1所示试验分两组进行,第一组用85个膜组件,第二组用68个膜组件,第一组水回收率初期为80%,后期降为78%,第二组水回收率初期为80%,后期降为64%
6.2日本反渗透法生活污水处理
[1]日本东京,建筑面积3万m2以上高层建筑,其循环用水量100m3/d场所,如不建设中水道就拿不到建筑许可证大楼排水可分为;比较干净排水,如洗手、洗脸、空调排水、洗衣排水;比较脏排污水,如厨房水等对这类生活污水处理要求处理设备效率高,对负荷变动适应性强,运转容易,水回收率大,设备体积小,不发出恶臭而反渗透能够满足这些要求北九州区及大阪区,用反渗透中压及低压进行200m3/d下水再生利用试验,再生水水质见表2采取流程如下;北九州区;经二级处理下水—细滤网—斜板沉淀池—精过滤—反渗透中空纤维
2.0-
2.5MPa—再生水200m3/d大阪区;经二级处理下水—斜板沉淀污—无烟煤过滤—反渗透螺旋式组件
2.0-
3.0MPa
6.3我国反渗透法生活污水处理反渗透技术于80年代初我国到应用,首先用于电子工业超纯水及饮料业用水制备,而后用于电厂用水处理,90年代起饮用水处理方面获普及反渗透技术我国工业水处理方面应用比较多,但城市污水处理方面,目前大部分还停留实验室小试阶段,哈尔滨工业大学曾做过这方面中试研究
[2],利用组合膜工艺来进行城市含盐污水回用处理试验研究7反渗透膜发展趋势最初反渗透是以脱盐为目开发,对膜要求也为分离无机盐和水,反渗透用途扩大,目前已达到用途对膜构造进行设计阶段目前将传统中压膜改为低压膜或超低压膜动向非常活跃,其发展趋势概括如下脱盐领域中,海水淡化由高压(5-7MPa)向超高压(8-
8.5MPa);咸水淡化将向脱盐(下水、江河水)、废水处理(工业废水、城市污水)和超纯水(电子工业用水、医疗用水)等三方面发展;对处理压强将由中压(3-4MPa)向低压(1-2MPa)超低压(1MPa以下);同时有用物质浓缩回收领域会有更大发展
[10]目前,海水淡化方面,利用复合膜成功达到了高脱盐率咸水淡化方面,目前将传统中压膜改为低压膜或超低压膜,并保持脱盐率不变(或提高),可以说是时代潮流反渗透工程应用另一个发展方向是反渗透膜组器与超滤、微滤、纳滤、EDI等组器有机组合应用,充分发挥各种膜分离技术特性,形成一个完整系统工程,达到浓缩、分离、提纯目鉴于RO技术最近进展,不久将来,该领域中可望有如下发展
[11]1将开发去除小氯化物有机分子聚合物膜2将开发分离烃混合物无机RO膜3以动力膜为基础,将开发出无机和有机混合材料膜4采用更先进物理方法获悉膜结构及膜中液体结构5以控制聚合物体球粒尺寸及球粒中聚合物密度来控制膜孔尺寸6聚合物球粒概念也将被用于复合膜设计7膜孔尺寸和聚合物-溶液相互作用基础上,将发展更精确传递理论8由控制膜孔尺寸和膜溶质相互作用,将开发能将混合溶质分级膜9膜污染将被膜设计及膜组件设计所控制10RO和其它分离过程混合分离系统将日益增长渗入化学工业和有关工业,越来越多将化学和生物反应与膜分离技术相结合总之,反渗透法除水处理方面有着广泛用途外,化学工业、食品工业、医药工业以及气体分离等许多学科和领域都有着极其广泛应用,特别是膜技术发展其潜应用领域将会不断扩大,这门新兴反渗透科学将会今后科学技术发展中大显身手,发挥更大作用参考文献
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