反渗透膜分离制高纯水实验

一、实验目的：

(1)熟悉反渗透法制备超纯水的工艺流程；

(2)掌握反渗透膜分离原理及操作技能；

(3)了解测定反渗透膜分离的主要工艺参数;

(4)掌握利用电导法确定盐浓度的方法。

二、实验原理

工业化应用的膜分离包括微滤（Microfiltration，MF）、超滤（Ultrafiltration, UF）、纳滤（Nanofiltration, NF）、反渗透（RO）、渗透汽化（Pervaporation, PV）和气体分离（Gas Separation, GS）等。根据分离对象和要求，选用不同的膜过程。

图1 膜截留示意图

反渗透膜通常认为是表面致密的无孔膜，可截留1-10Å小分子物质，反渗透膜能截留水体中绝大多数的溶质。反渗透净水就是以压力为推动力，利用反渗透膜只能透过水而不能透过溶质的选择透过性，从含有多种无机物、有机物和微生物的水体中，提取纯净水的物质分离过程。其原理如图1。

图2 反渗透与渗透现象

如图（a）所示，用半透膜将纯水与咸水分开，则水分子将从纯水一侧通过膜向咸

水一侧透过，结果使咸水一侧的液位上升，直到某一高度，此所谓渗透过程。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）J w

式中，

3.水的回收率Y

式中，/h

/h

/h

4.浓缩倍数C F

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4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

精过滤；

1)自来水预过滤器：10英寸活性炭预过滤和5m

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-TECH 1533，进口；

5)压力控制器：型号Fannio FNC-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⑥、超纯水出口阀⑦；

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①、浓水旁路阀②，将浓水流量阀③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①和浓水旁路阀②，调节压力

阀③，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④到混合树脂床，纯水可单独收集，打开浓水出口阀⑤，

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；

9.适当打开泵回路阀①，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.停车时，先打开压力调节阀③、旁路阀②及泵回路阀①，使系统压力小于0.2

Mpa，再关闭输液泵及总电源，随后关闭自来水进水。

六、实验数据处理

a)数据记录

温度：25℃；膜面积： 1 m²；操作压力；

温度：25℃；操作压力0.25MPa ；浓缩液流量：4.9L/min；透过液流量：78L/h；