RO水处理技术

反渗透脱盐机理 ——其他分离模型
除上述模型，许多学者还提出不小另 外的模型，如脱盐中心模型，表面 力-孔流模型，有机溶质脱盐机理等。
反渗透膜的种类
反渗透膜的种类多，分类方法也很多， 但大体上可按膜材料的化学组成和膜材料 的物理结构外型结构及来区分。 按膜材料的化学组成大致可分为：
醋酸纤维膜、芳香聚酰胺膜等 按膜材料的物理结构大致可分为：
脱盐率将会不断下降。 复合膜由于Kw大，其工作压力低，反渗透给水泵用电量是醋酸
纤维膜给水泵用电量的一半。 醋酸纤维膜的使用寿命一般仅为3年，而复合膜 的使用寿命大于
三年。 复合膜的缺点为抗氯性较差，价格较贵。
反渗透膜电镜照片
膜透过操作方式
反渗透基本原理
反渗透膜元件构造
膜元件的结构示意图
高压泵 机架
反渗透一段进水
反渗透一段浓水进二段
反渗透浓水
反渗透产水
RO操作与维 护
反渗透膜元件的进水条件
最高使用温度： 113F（45℃）
最大给水浊度： 4.0ppm
允许游离氯：
<0.1ppm
PH范围：
连续运行： 3-10
短时运行： 2-11
最大给水流量： 75GPM（17.0m3/h）
无机、有机离子
液体、无机盐、乙醇溶液
不易透过气体
百度文库
反渗透发展史
人类发现渗透现象至今已有200多年的历史，通常认为1748年Abbe Nollet 发表的通过动物膜的试验为始点，之后，Vant Hoff建立了稀浓液的完 整理论。J.W.Gibbs提供了认识渗透压及它与其他热力学性能关系的理 论。
1953年，C.E.Reid建议美国内务部，把反渗透的研究纳入国家计划。 1956年，S.T.Yuster提出从膜表面撇出所吸附的纯水作为脱盐过程的可能
反渗透的基本原理
——渗透
只透过溶剂而不透过溶质的膜称 为理想半透膜。当把溶剂和溶液(或两 种不同浓度的溶液)分置于此膜的两侧 时，溶剂将自发地穿过半透膜向溶液 (或从低浓度向高浓度溶液)侧流动， 这种自然现象叫做渗透(Osmosis)，如 果上述过程中溶剂是纯水，溶质是盐 份，当用理想半透膜将它们分离开时， 纯水侧的水会自发地通过半透膜流入盐 水侧，此过程如左图所示：
该模型基本上可定量地描述水和盐透过膜 的传递，但推导中的一些假设并不符合 真实情况，另外传递过程中水、盐和膜 之间相互作用也没有考虑。
反渗透脱盐机理
——优先吸附-毛细空流动模型
溶液界面张力和溶质（活度）在界 面的吸附Gibbs方程，预示了在界 面处存在着急剧的浓度梯度，也 就是说在膜的表面形成水分子薄 层，在外力的作用下，优先通过 反渗透膜。
性。 1960年，S.Loeb和S.Sourirajan制得了世界上第一张高脱盐率、高通量的不
对称乙酸纤维素反渗透膜。 1970年，美国Du Pont公司推出由芳香族聚酰胺中空纤维制成的渗透器，
与此同时Dow和东洋纺公司先后开发出三乙酸纤维素中空纤维反渗透 器，UOP公司成功推出卷式反渗透元件。 1980年，Filmtec公司推出性能优异、实用的FT-30复合膜，80年代末高脱 盐率的全芳香聚酰胺复合膜工业化。90年代中，超低压高脱盐全芳香 聚酰胺复合膜开发进入市场。
使用压力硫酸氢钠除余氯的反应如下：
Na2S2O5+ H2O→NaHSO3
NaHSO3+HCLO→HCL+NaHSO4
理论上1.34公斤的Na2S2O5可以去除1公斤余氯，但在有溶解 氧的情况下，对苦咸水去除1公斤余氯需投加3公斤Na2S2O5。 Na2S2O5在干爽条件下储存，有效期为4-6个月，溶液的有效 期与浓度变化有关。
膜性能表示法
对于一张给定的膜，我们可以推导出产水量及盐透过量的计算公式：
Qw=Kw(ΔP+Δπ)A/T
式中：Qw—产水量 Kw—系数 ΔP—膜两侧的压差 Δπ—渗透压
A —膜面积 T —膜厚度 Kw与膜性质及水温有关， Kw越大，说明膜的透水 性能越好。
Qs=Ks*ΔC*A/T 式中：Qs—盐透过量 Ks—系数 Δc—膜两侧盐浓度差 A —膜面积 T —膜厚度 Ks与膜性质、盐的种类 及水温有关，Ks越大，说 明膜的脱盐性能越好。
=CRT —渗透压，大气压 C—浓度差，摩尔/升 R—气体常数，等于0.08206升*大气压/摩尔*oK T—绝对温度 OK 上式是应用热力学公式推导出来的，因此只对稀溶液才是准 确的。C为水中离子浓度，若为非电解质则为分子的浓度。
反渗透的基本原理
——反渗透
当在膜的盐水侧施加 一个大于渗透压的压力 时，水的流向就会逆转， 此时盐水中的水将流入 纯水侧，这种现象叫反 渗透（Reverse Osmosis, 简称RO），该过程如左 图所示：
溶液浓度（重量%） 2% 10% 20% 30%
最长有效期
3天 1星期 1月 6月
使用活性炭过滤清除余氯的反应如下：
铁（Fe）
当RO给水在进行氯化及脱氯工程中，或在水中 溶解氧含量高于5毫克/升时水中的2价铁离子转 化为3价铁离子，生成不溶于水的胶体物质，对 反渗透造成污染。即使水中SDI值小于5、铁离子 含量小于0.1毫克/升，仍可能发生铁的污染问题。
分离驱动力
压力差 压力差 压力差 浓度差 电位差 压力差、浓度差 浓度差
透过物质
水、溶剂 和溶解物 溶剂、离子 和小分子
水、溶剂
离子、低分 子物、酸、碱
离子
蒸汽
易透过气体
被截留物质
悬浮物、细菌类、微粒子
蛋白质、各类酶、细菌、 病毒、乳胶、微粒子 无机盐、糖类、氨基 酸、BOD、COD等 无机盐、糖类、氨基 酸、BOD、COD等
给水最大SDI值： 4.0
单个膜元件回收率：15%
*氯的耐受力计算建立在无铁存在的基础上。
各项进水指标对 设备安全运行
的意义
余氯
醋酸纤维膜要求给水中含有残余氯，可防止细菌滋生，但含 氯量过高会破坏膜，最大允许连续余氯的含量为1毫克/升。
复合膜抗氯性差，一般不允许余氯，采用加氯杀菌后，需加 亚硫酸氢钠或经活性炭过滤消除余氯。
浓 水
集水管 膜 透 过 水
原水 原水 流道网 原水
透过水 流道网 膜
反渗透卷制图
浓水网
反渗透膜袋
淡水网
反渗透膜剥面图
膜元件端板 产水中心管
产水 浓水
给水
产水流向 (透过膜后)
浓水网
产水膜封口 反渗透膜 淡水网
反渗透组装图
V型圈 膜元件 膜外壳 给 水
浓水 产水
反渗透装置图
膜外壳 给水 产水 浓水
涡卷式膜元件的主要规格参数有：外型尺寸、有效膜面积、产水 量、脱盐率、操作及最高操作压力、最高使用温度和进水水质要求。
醋酸纤维素膜
从化学上讲，醋酸纤维素膜(Cellulose Acetate简称CA) 是一种羟基聚合物，它一般是用纤维素经酯化生成三醋酸 纤维，再经过二次水解成一、二、三醋酸纤维的混和物。 作为膜材料的醋酸纤维素中的乙酰基含量越高，脱盐性能 越好，但产水量越小。为了平衡脱盐性能和透水性能，一 般选择乙酰基含量为37.5—40.1%的醋酸纤维。
醋酸纤维是一种酯类，会发生水解，水解的结果将降 低乙酰基的含量，使膜的性能受到损害，同时膜也更易受 到生物的侵袭。
醋酸纤维素膜的水解出和温度有关以外，还于PH值有 关。为增加膜的使用寿命，一般控制原水的PH在5-6之间。
复合膜
从结构来讲，复合膜 （Thin Film Composite简 TFC）是若干层薄皮的复 合体，此膜的最大特点是 抗压实性较高、透水率较 大和盐透率较小。
RO水处理技术 OYSLG
膜的种类
微滤 超滤 反渗透和纳滤 透析 电渗析 渗透气化 气体分离
主要膜分离过程
膜的功能
多孔膜、溶液的 微滤、脱微粒子
脱除溶液中的胶 体、各类大分子
脱除溶液中的盐 类及低分子物
脱除溶液中的盐 类及低分子物
脱除溶液中的离子
溶液中的低分子 及溶剂间的分离
气体、气体与 蒸汽分离
从以上两式可以看出，对膜来说Kw大Ks小则膜质量较好。相 同面积和厚度的产水量与净驱动压力成正比，盐透过量只与膜 两侧溶液浓度成正比，而与压力无关。
反渗透脱盐机理
——溶解扩散模型
该模型假设膜是完美无缺的理想膜，高压 侧浓溶液中各组分先溶于膜中，再以分 子扩散方式通过膜，最后在低压侧进入 稀溶液，任意组分（水或盐）的通量主 要取决于化学位梯度，水和盐传质的推 动力有两部分：浓度梯度和压力梯度。
涡卷式膜元件
涡卷式膜元件是美国UOP公司受美国内务部盐水局（OSW）委 托于1964年首先开发出来的一种新型膜元件。涡卷式膜元件中所采 用的膜为平面膜，为了使产品水在膜袋中流动，在信封状的半透膜 之内夹有产品水通道织物层。
RO系统运行时，原水中一部分水盐与膜垂直的方向通过膜，此 时盐类和胶体物质将在膜表面浓缩，剩余一部分原水沿与膜平行的 方向将浓缩的物质带走。膜元件的水通量越大、回收率越高，则其 在膜表面浓缩程度越高。膜表面的物质浓度与主体水流中物质浓度 不同，这种情况称为浓差极化。增大等不良后果，因此在涡卷式膜 元件中装有给水通道隔网，以增加给水—浓缩通道的紊乱程度，进 而减少浓差极化的发生。
中空纤维膜元件组成的反渗透系统有填充密 度高的特点，因而要求其对给水进行更严格的预 处理，以减少污堵的可能性。
四种结构膜元件的特点比较
系统费用: 管式、平板式 >中空纤维式、涡卷式 设计灵活性: 涡卷式>中空纤维式>平板式>管 清洗方便性: 平板式>管式>涡卷式>中空纤维式 系统占地面积: 管式>平板式>涡卷式>中空纤维式 污堵可能性: 中空纤维式>涡卷式>平板式>管式 耗 能: 管式>平板式>中空纤维式>涡卷式
膜性能表示法
通常所说的膜性能是指膜的化学稳定 性和膜的分离透过特性。
膜的物化稳定性的主要指标有：膜材料、 膜允许使用的最高压力、温度范围、适 用的PH值范围以及对有机溶剂等化学药 品的抵抗性，有时尚需说明对某些物质， 如水中游离氯或氧化性物质的最高允许 浓度。
膜的分离透过性的主要指标是：脱盐率、 产水率、流量衰减系数。
反渗透的基本原理
——渗透压
纯水侧的水流入盐水侧， 浓水侧的液位上升，当上升 到一定高度后，水通过膜的 净流量等于零，此时该过程 达到平衡，与该液位高度对 应的压力称为渗透压 （Osmotic pressure）， 该过程如左图所示：
反渗透的基本原理
——渗透压
一般来说渗透压的大小，取决于溶液的种类、 浓度和温度，而与半透膜本身无关，通常可用下 式来计算渗透压：
反渗透脱盐机理
——Donnan平衡模型
膜为固定负电荷型，据电中性原理及膜和溶液中 离子化学位平衡，一般认为借助于排斥同离子 的能力，荷电膜可用于脱盐，一般只有稀溶液， 在压力下通过荷电膜时，有较明显的脱盐作用， 随着浓度的增加，脱盐率迅速下降。二价同离 子的脱除比单价同离子好，单价同离子的脱除 比二价反离子的好。该理论以Donnan平衡为基 础来说明荷电膜的脱盐，但Donnan平衡是平衡 状态，而对于在压力下透过荷电膜的传质，还 不能从膜、进料及传质过程等多方面来定量描 述。
非对称膜、复合膜等 按外型结构大致可分为：
管式、平板式、中空纤维式及涡管式
按膜元件结构种类概述
在反渗透技术刚起步时，主要采用管式和平 板式膜元件。但这两种膜元件初始投资高、膜的 填充密度低，因此常用于高污染给水处理。
卷式膜元件是把两层膜背对背粘结成膜袋， 之后将多个膜袋卷绕到多孔产水管上形成的。该 膜元件组成的系统投资低、耗电省，它是工业系 统中应用普遍的膜元件。其研制发展速度快，单 个膜元件的脱盐率高达99.7%。
复合膜与醋酸纤维膜的性能比较
复合膜的化学稳定性较好，而醋酸纤维膜将会发生水解。 复合膜的生物稳定性好，复合膜不受生物侵袭，而醋酸纤维膜易
受微生物的侵袭。 复合膜的输性能好。即Kw大而KS小。 复合膜在运行中不会被压紧，因此产水量不随使用时间改变；而
醋酸纤维膜在运行中会被压紧，因而产水量下降。 复合膜的脱盐率不随时间而改变；而醋酸纤维膜由于会发生水解，
反渗透脱盐机理
——形成氢键模型
膜的表面很致密，其上有大量的活化点，键合一定数目 的结合水，这种水已失去溶剂化能力，盐水中的盐不 溶于其中。进料中的水分子在压力下可与膜上的活化 点形成氢键而缔合，使该活化点上其他结合水解缔下 来，该解缔的结合水又与下面的活化点缔合，使该点 原有的结合水解缔下来，此过程不断地从膜面向下层 进行，就是以这种顺序型扩散，水分子从膜面进入膜 内，最后从底层解脱下来成为产品水。而盐是通过高 分子链间空穴，以空穴型扩散，从膜面逐渐到产品水 中的，但该模型缺乏更多的关于传质的定量描述。