反渗透内部结构及工作原理

二、反渗透膜的主要特性
1 膜分离的方向性和分离特性 实用性反渗透膜均为非对称膜，有表层和支撑层，它具有明 显的方向性和选择性。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。 反渗透对水中离子和有机物的分离特性不尽相同，归纳起来 大致有以下几点： （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；
膜元件类型
Hale Waihona Puke Baidu
海水膜元件SW30HR系列
低压苦咸水膜元件（包含抗 污染膜）BW30系列
超低压苦咸水膜元件XLE 系列
进水压力（(bar) 脱盐率(%)
25 99.7
10 99.4
5 98.6
测定条件
膜通量30L/(m2.h)，2000mg/L NaCl溶液，25℃，pH 7～8，回收率10%，4英寸长膜 元件
（5）对异构体： 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。 在实际工作中，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。
1 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，我们称之为“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。目前出于水源短缺或排放废水对环境影响考虑，提高回收 率是一种习惯做法，在这种情况下，考虑周全的结垢控制措施尤 为重要。在反渗透系统中，常见的难溶盐为CaCO3、CaSO4和SiO2， 其他会产生结垢的化合物为CaF2、BaSO4、SrSO4和Ca3(PO4)2。常 用的阻垢方法是加阻垢剂。我车间用的阻垢剂为纳尔科的PC191， 欧美的NP200。 2 胶体和固体颗粒污染的控制 胶体和颗粒污堵会严重影响反渗透膜元件的性能，如大幅度 降低淡水产量，有时也会降低脱盐率，胶体和颗粒污染的初期症 状是反渗透膜组件进出水压差增加。 判断反渗透膜元件进水胶体和颗粒最通用的办法是测量水中 的SDI值，有时也称FI值（污染指数），它是监测反渗透预处理系 统运行情况的重要指标之一。
上述用于隔离淡水与盐水的半透膜称为反渗透膜。反渗透膜多用高分子材 料制成，目前，用于火电厂的反渗透膜多为芳香聚酰胺复合材料制成。
RO（Reverse Osmosis）反渗透技术是利用压力差为动力的 膜分离过滤技术，其孔径小至纳米级（1纳米=10-9米 ），在一定 的压力下，H2O分子可以通过RO膜，而源水中的无机盐、重金属离 子、有机物、胶体、细菌、病毒等杂质无法透过RO膜，从而使可 以透过的纯水和无法透过的浓缩水严格区分开来。 反渗膜的工作原理图如下：
（5）pH值的影响 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，如图3-20 所示。
滤元
进水
出水室
排污阀
出水
图3-5 保安过滤器
2.2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。 2.3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。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。 （1）膜元件 反渗透膜元件由反渗透膜和支撑材料等制成的具有工业使用功 能的基本单元。目前在火电厂中应用的主要是卷式膜元件。 目前各膜制造商针对不同行业用户，生产出多种用途的膜元件。 在火电厂应用的膜元件按照水源特点大致可分为：高压海水脱盐 反渗透膜元件；低压和超低压苦咸水脱盐反渗透膜元件；抗污染 膜元件。下表中分别列出了这几种膜的性能参数对比。
进水
出水
淡水 进水
淡水 出水
超薄脱盐层
支撑织物
刚性支撑层
图3-7 卷式膜元件断面图
我厂所使用的膜元件型号为BW30-400/34i，30表示水流通道 为30mil，400表示有效面积为400ft2，制造单位为陶氏，每套反渗 透共有168根膜组件，每根1米，材料为聚丙烯酰胺。 膜元件的基本要求是： A、尽可能高的膜装填密度。 B、不易浓差极化 C、抗污染能力强 D、清洗和更换膜方便 E、价格便宜 （2）膜壳 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，又称“压力容器”，制造单位为海德能，每根压力容器长大 约7米。 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。 我厂压力容器的材质为玻璃钢，英文缩写为FRP。
反渗透现象图解 (a)渗透；(b)渗透平衡；(c)反渗透
化合物 浓度/(mg/L) NaCl 35000 NaCl 1000 NaHCO3 1000 Na2SO4 1000 MgSO4 1000 MgCl2 1000
渗透压/kPa 化合物 浓度/(mg/L) 渗透压/kPa 2742.2 CaCl2 1000 57.19 78.55 蔗糖 1000 7.23 88.2 葡萄糖 1000 13.78 41.34 海水 32000 2400 24.80 苦咸水 2～5000 105～280 66.83
四、反渗透膜预处理方法
反渗透膜过滤方式与滤床式过滤器过滤不同，滤床是全过滤 方式，即原水全部通过滤层。而反渗透膜过滤是横流过滤方式 （如图3-21 反渗透膜横向过滤示意图），即原水中的一部分水沿 与膜垂直方向透过膜，此时盐类和各种污染物被膜截流下来，并 被沿膜与膜面平行方向流动的剩余的另一部分原水携带出，但污 染物并不能完全带出，随着时间的推移，残留的污染物会会使膜 元件污染加重，而且原水污染物及回收率越高，膜污染越快。
2、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。 2.1 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 （也有技术资料中称精密过滤器）。在反渗透系统中，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。保安过滤器有多种结构形式，常用如图3-5所示， 滤元固定在隔板上，水自中部进入保安过滤器内，隔板下部出水 室引出，杂质被阻留在滤元上。 反渗透水处理系统选择的过滤精度一般为5µm。这种滤元的 优点是过滤精度高，制造方便，价格便宜，使用安全，杂质不易 穿透，但反洗和化学清洗效果不明显，只能一次性使用，当运行 压差达到0.2MPa左右时需要更换滤元。
（3）含盐量的影响 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。图3-18所示，在反渗透进水压力不变的情 况下，进水含盐量增加，因渗透压的增加抵销了部分进水推动力， 因而通量变低，同时脱盐率也变低。
（4）回收率的影响
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，从而使降低了产水通量。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。如图3-19回收率 对膜通量和脱盐率影响的趋势。含盐量产水通量(压力一定)图3-18 含盐量对膜通量和脱盐率影响趋势图图3-19回收率对膜通量和脱 盐率影响趋势图图3-20pH值对膜通量和脱盐率影响趋势图脱盐率 (压力一定)脱盐率(压力一定)脱盐率(压力一定)产水通量(压力一定) 脱盐率(压力一定)产水通量(压力一定)回收率pH值 在系统设计中，反渗透系统最大回收率并不取决于取决于渗透 压的限制，往往取决于原水中的盐分的成分和含量大小，因为随 着回收率的提高，微溶盐类如碳酸钙、硫酸钙和硅等在浓缩过程 中会发生结垢现象。
反渗透内部结构及工作原理
一、 反渗透脱盐的原理
在一定的温度下，用一张易透水而难透盐的半透膜将淡水和 盐水隔开〔如图(a)〕，淡水即透过半透膜向盐水方向移动，随着 右室盐水侧液位升高，产生一定的压力，阻止左室淡水向盐水侧 移动，最后达到平衡，如图(b)所示。此时的平衡压力称为溶液 的渗透压，这种现象称为渗透现象。若在右室盐水侧施加一个超 过渗透压的外压〔如图(c)〕，右室盐溶液中的水便透过半透膜向 左室淡水中移动，使淡水从盐水中分离出来，此现象与渗透现象 相反，称反渗透现象。 由此可知，反渗透脱盐的依据是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。一些溶液的典型渗透压力见下表。
膜组件
BW 30（LE）— 365（FR）
抗污染膜元件 膜元件有效面积(平方英尺) 火电厂常用规格如下： BW30：365、400； SW：320、380； BW30LE：440
LE ： 低 压 低 耗 能 ( 对 应 BW) HR：高脱盐率(对应SW) FT30系列膜片 TW：低含盐量水膜元件 BW：苦咸水膜元件 SW：海水膜元件
（2）温度影响
如图所示，脱盐率随反渗透进水温度的升高而降低。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。原水温度 是反渗透系统设计的一个重要参考指标。如某电厂在进行反渗透 工程技改时，设计时原水水温按25℃计算，计算出来的进水压力 为1.6MPa，而系统实际运行时水温只有8℃，进水压力必须提高 至2.0MPa才能保证淡水的设计流量。导致的后果是，系统运行能 耗增加，反渗透装置膜组件内部密封圈寿命变短，增大了设备的 维护量。
三、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。 （1）压力的影响 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 。