膜法水处理技术反渗透和纳滤工艺过程设计理论讲解
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1.3 膜和膜组件的选择 醋酸纤维素最早用于反渗透水处理工艺，具有价廉、耐游
离氯、耐污染的特点，多用于饮用水净化和污染密度指数 （SDI）较高的地方。
芳香族聚酰胺复合膜，通量高，脱盐率高，操作压力低， 耐生物降解，操作pH范围宽（2～11）不易水解，脱SiO2和 NO-3及有机物都较好，但不耐游离氯，易受到Fe、Al和阳离 子絮凝剂的污染，污染速度较快。
工艺过程设计－系统设计要求
采样要求： 取样时要有代表性，要有足够的量，选点要正确，容
器要合适，水样的采集要严格按照《水和废水监测分析 方法》中的要求进行详细的记录。 水质分析内容：
水源水量、水质调查的内容要求非常详细，包括CO2、 pH、O2、Cl、SO2-3、离子浓度、硬度、碱度、溶解性固 体、细菌数等，常见参数的要求见下页的水样分析报告。
工艺过程设计－浓差极化
根据薄膜理论模型描述浓差极化现象，如下
图所示。
边界层 Jw
c2
D dc dx
c1
主体溶液
膜
c3 产水
δ
浓差极化理论模型
工艺过程设计－浓差极化
2.1 浓差极化的计算
浓差极化度可根据膜－液相界面层邻近膜－面传质的质
量平衡的微分方程加以积分，然后将边界条件代入求得。
主要表达式有：
工艺过程设计－系统设计要求
温度/℃
5 10 15 20 25 30 35 40
校正因子
CA膜
TFC膜
0.590
0.534
0.685
0.630
0.786
0.739
0.890
0.861
1.000
1.000
ຫໍສະໝຸດ Baidu1.115
1.155
1.235
1.328
1.366
1.520
温度对膜的通量影响较大，在进行设计过程中要充分 考虑全年水温的变化。同时采取必要的措施（进出水换 热等）减少温度对系统产水效率的的影响。
工艺过程设计－系统设计要求
1.7 产水量随温度的变化 反渗透和纳滤膜的透水通量随过滤介质的温度发生较
大的变化。通常根据下式进行计算：
QQ01.0T 325
T为温度，℃，即每一度变化使产水量变化3％左右。也 可用温度校正因子（TCF）表示。
TCF exK pt(2713T2198
Kt为与膜材料有关的常数。
工艺过程设计－系统设计要求
1.2 产水水质和水量 根据用户的要求或者用户所处的行业，按照
客户的需求或者相关行业的国家或行业标准确定 反渗透或纳滤系统的产水水质和水量
这些要求决定了系统的规模和所用工艺过程 的选择，如单位时间的产水量，膜组件种类、数 量和排列方式，回收率以及具体的工艺流程等。
工艺过程设计－系统设计要求
质量平衡的微分方程： Ja 根据边界条件积分可得：
Dd d
x cJwc
c2 c 3(c 1 c 3)ex J k w p(c 1 c 3)ex b Jw p U
或
2
3
(1
3) exp
Jw k
(1
3)
exp
Jw bU a
工艺过程设计－浓差极化
由以上推导的结果可知当流速 U时，
工艺过程设计－浓差极化
2 浓差极化对反渗透和纳滤过程的影响 2.1 浓差极化的概念
在反渗透过程中，由于膜的选择渗透性，溶 剂（通常为水）从高压侧透过膜，而溶质则被膜 截留，其浓度在膜表面处上升高；同时发生从膜 表面向本体的回扩散，当这两种传质过程达到动 态平衡时，膜表面处的浓度c2高于主体溶液浓度 c1，这种现象称为浓差极化。上述两种浓度的比 率c2/c1称为浓差极化度。
工艺过程设计－系统设计要求
目前大规模应用的反渗透和纳滤膜材料的组 件形式主要是卷式和中空纤维式。
选用膜组件时应综合考虑组器的制备难易、 流动状态、堆砌密度、清洗难易等诸方面，卷式 元件用得最普遍。据进水和出水水质，可初步选 定膜元件，由产水量可初步确定元件得个数。
工艺过程设计－系统设计要求
1.4 回收率 回收率的确定影响到膜组件的选择和工艺的
膜污染也是造成膜产水通量的衰减的主要原因。
工艺过程设计－系统设计要求
通过下式可计算出反渗透和纳滤膜的产水量下降斜
率。
m
lg
Qt Q0
lg t
式中，m为产水量下降斜率；t为运行时间，h；Q0和Qt分
别为运行初期和运行t小时后的产水量。
通常CA类膜m＝-0.03～-0.05，复合膜的m=-0.01～-
0.02。即CA类膜产水量年均下降10％左右，复合膜约为
5％左右。当然根据进料的不同也有一定的变化。
工艺过程设计－系统设计要求
1.6 截留率的衰减 随于反渗透和纳滤膜在使用过程中会受到生
物或化学因素的作用，膜面材质会发生疏松化， 导致膜的截留率衰减。
通常CA类膜的年透盐增长率为20％左右，复 合膜约为10％左右。当然系统预处理如果不合 适或者使用过程中操作不当也会使透盐增长率增 大。
工艺过程设计－系统设计要求
工艺过程设计－系统设计要求
常规水源的水质特点： Ø 市政供水为了防止管网的腐蚀，一般pH偏高，含有 游离氯和Fe离子等 Ø 地表水的浊度、细菌及有机物是预处理设计要重点考 虑的内容 Ø 地下水成份一般相对稳定，多数具有高硬度和碱度的 特征 Ø 海水要考虑悬浮固体、微生物和细菌，进水pH 值和 水温，金属氧化物和微溶盐的沉淀（不同海域水质差异 较大） Ø 其他特殊场合，如化工、生物行业物料的浓缩、分离 等
膜法水处理技术
反渗透和纳滤工艺过程设计理 论讲解
工艺过程设计－系统设计要求
1 系统设计要求 1.1 进水水质
水样是一定时间内所要分析水源的水质代表。 对水质要有一全面的把握，必须针对水源特点在不同 时期收集水样，进行分析比较，了解其变化及变化原因。 这对反渗透系统的有效设计（预处理、产水量、回收率、 脱除性能、压力、流速……），正当的操作，诊断系统 存在的问题和准确评价系统性能等方面至关重要。
确定。根据产水水量和回收率确定膜元件的个数。 一般海水淡化回收率在30～45％，纯水制备在 70～85％；而实际设计过程中应根据预处理、 进水水质等的条件确定。
工艺过程设计－系统设计要求
1.5 产水量的衰减 反渗透膜在使用过程中会随着使用时间的延长，膜的
产水量会发生衰减。这主要是由于膜长时间在高温高压 下运行，在温度和压力的协同作用下，会出现膜的压密 化现象，其结果会造成产水量下降或系统操作压力上升。 压密化是膜性能的不可逆衰减，事实上，复合膜比醋酸 纤维素膜更耐压密化。
离氯、耐污染的特点，多用于饮用水净化和污染密度指数 （SDI）较高的地方。
芳香族聚酰胺复合膜，通量高，脱盐率高，操作压力低， 耐生物降解，操作pH范围宽（2～11）不易水解，脱SiO2和 NO-3及有机物都较好，但不耐游离氯，易受到Fe、Al和阳离 子絮凝剂的污染，污染速度较快。
工艺过程设计－系统设计要求
采样要求： 取样时要有代表性，要有足够的量，选点要正确，容
器要合适，水样的采集要严格按照《水和废水监测分析 方法》中的要求进行详细的记录。 水质分析内容：
水源水量、水质调查的内容要求非常详细，包括CO2、 pH、O2、Cl、SO2-3、离子浓度、硬度、碱度、溶解性固 体、细菌数等，常见参数的要求见下页的水样分析报告。
工艺过程设计－浓差极化
根据薄膜理论模型描述浓差极化现象，如下
图所示。
边界层 Jw
c2
D dc dx
c1
主体溶液
膜
c3 产水
δ
浓差极化理论模型
工艺过程设计－浓差极化
2.1 浓差极化的计算
浓差极化度可根据膜－液相界面层邻近膜－面传质的质
量平衡的微分方程加以积分，然后将边界条件代入求得。
主要表达式有：
工艺过程设计－系统设计要求
温度/℃
5 10 15 20 25 30 35 40
校正因子
CA膜
TFC膜
0.590
0.534
0.685
0.630
0.786
0.739
0.890
0.861
1.000
1.000
ຫໍສະໝຸດ Baidu1.115
1.155
1.235
1.328
1.366
1.520
温度对膜的通量影响较大，在进行设计过程中要充分 考虑全年水温的变化。同时采取必要的措施（进出水换 热等）减少温度对系统产水效率的的影响。
工艺过程设计－系统设计要求
1.7 产水量随温度的变化 反渗透和纳滤膜的透水通量随过滤介质的温度发生较
大的变化。通常根据下式进行计算：
QQ01.0T 325
T为温度，℃，即每一度变化使产水量变化3％左右。也 可用温度校正因子（TCF）表示。
TCF exK pt(2713T2198
Kt为与膜材料有关的常数。
工艺过程设计－系统设计要求
1.2 产水水质和水量 根据用户的要求或者用户所处的行业，按照
客户的需求或者相关行业的国家或行业标准确定 反渗透或纳滤系统的产水水质和水量
这些要求决定了系统的规模和所用工艺过程 的选择，如单位时间的产水量，膜组件种类、数 量和排列方式，回收率以及具体的工艺流程等。
工艺过程设计－系统设计要求
质量平衡的微分方程： Ja 根据边界条件积分可得：
Dd d
x cJwc
c2 c 3(c 1 c 3)ex J k w p(c 1 c 3)ex b Jw p U
或
2
3
(1
3) exp
Jw k
(1
3)
exp
Jw bU a
工艺过程设计－浓差极化
由以上推导的结果可知当流速 U时，
工艺过程设计－浓差极化
2 浓差极化对反渗透和纳滤过程的影响 2.1 浓差极化的概念
在反渗透过程中，由于膜的选择渗透性，溶 剂（通常为水）从高压侧透过膜，而溶质则被膜 截留，其浓度在膜表面处上升高；同时发生从膜 表面向本体的回扩散，当这两种传质过程达到动 态平衡时，膜表面处的浓度c2高于主体溶液浓度 c1，这种现象称为浓差极化。上述两种浓度的比 率c2/c1称为浓差极化度。
工艺过程设计－系统设计要求
目前大规模应用的反渗透和纳滤膜材料的组 件形式主要是卷式和中空纤维式。
选用膜组件时应综合考虑组器的制备难易、 流动状态、堆砌密度、清洗难易等诸方面，卷式 元件用得最普遍。据进水和出水水质，可初步选 定膜元件，由产水量可初步确定元件得个数。
工艺过程设计－系统设计要求
1.4 回收率 回收率的确定影响到膜组件的选择和工艺的
膜污染也是造成膜产水通量的衰减的主要原因。
工艺过程设计－系统设计要求
通过下式可计算出反渗透和纳滤膜的产水量下降斜
率。
m
lg
Qt Q0
lg t
式中，m为产水量下降斜率；t为运行时间，h；Q0和Qt分
别为运行初期和运行t小时后的产水量。
通常CA类膜m＝-0.03～-0.05，复合膜的m=-0.01～-
0.02。即CA类膜产水量年均下降10％左右，复合膜约为
5％左右。当然根据进料的不同也有一定的变化。
工艺过程设计－系统设计要求
1.6 截留率的衰减 随于反渗透和纳滤膜在使用过程中会受到生
物或化学因素的作用，膜面材质会发生疏松化， 导致膜的截留率衰减。
通常CA类膜的年透盐增长率为20％左右，复 合膜约为10％左右。当然系统预处理如果不合 适或者使用过程中操作不当也会使透盐增长率增 大。
工艺过程设计－系统设计要求
工艺过程设计－系统设计要求
常规水源的水质特点： Ø 市政供水为了防止管网的腐蚀，一般pH偏高，含有 游离氯和Fe离子等 Ø 地表水的浊度、细菌及有机物是预处理设计要重点考 虑的内容 Ø 地下水成份一般相对稳定，多数具有高硬度和碱度的 特征 Ø 海水要考虑悬浮固体、微生物和细菌，进水pH 值和 水温，金属氧化物和微溶盐的沉淀（不同海域水质差异 较大） Ø 其他特殊场合，如化工、生物行业物料的浓缩、分离 等
膜法水处理技术
反渗透和纳滤工艺过程设计理 论讲解
工艺过程设计－系统设计要求
1 系统设计要求 1.1 进水水质
水样是一定时间内所要分析水源的水质代表。 对水质要有一全面的把握，必须针对水源特点在不同 时期收集水样，进行分析比较，了解其变化及变化原因。 这对反渗透系统的有效设计（预处理、产水量、回收率、 脱除性能、压力、流速……），正当的操作，诊断系统 存在的问题和准确评价系统性能等方面至关重要。
确定。根据产水水量和回收率确定膜元件的个数。 一般海水淡化回收率在30～45％，纯水制备在 70～85％；而实际设计过程中应根据预处理、 进水水质等的条件确定。
工艺过程设计－系统设计要求
1.5 产水量的衰减 反渗透膜在使用过程中会随着使用时间的延长，膜的
产水量会发生衰减。这主要是由于膜长时间在高温高压 下运行，在温度和压力的协同作用下，会出现膜的压密 化现象，其结果会造成产水量下降或系统操作压力上升。 压密化是膜性能的不可逆衰减，事实上，复合膜比醋酸 纤维素膜更耐压密化。