反渗透法制备超纯水实验

化工专业实验
实验名称反渗透法制备超纯水实验
班级化21 姓名张腾学号2012011864 成绩
实验时间2014年12月17日同组成员苏剑晓张圣龙郭明钊1、实验内容
1.操作压力对分离效率的影响：通过测定反渗透过程压差于渗透流速的关系，确定反渗透
膜的渗透系数。

2.反渗透过程的操作坊式队动力消耗的影响：测定一级、二级的例子脱除率和水回收率和
动力消耗的关系，确定合适连方式和操作条件。

2、实验原理
渗透现象在自然界是常见的,比如将一根黄瓜放入盐水中,黄瓜就会因失水而变小。

黄瓜中的水分子进入盐水溶液的过程就是渗透过程。

对透过的物质具有选择性的薄膜成为半透膜。

一般将只能透过溶剂而不能透过溶质的薄膜视为理想的半透膜。

当把相同体积的稀溶液（如淡水）和浓液（如海水或盐水）分别置于一容器的两侧，中间用半透膜阻隔，稀溶液中的溶剂将自然的穿过半透膜，向浓溶液侧流动，浓溶液侧的液面会比稀溶液的液面高出一定高度，形成一个压力差，达到渗透平衡状态，此种压力差即为渗透压。

渗透压的大小决定于浓液的种类，浓度和温度与半透膜的性质无关。

若在浓溶液侧施加一个大于渗透压的压力时，浓溶液中的溶剂会向稀溶液流动，此种溶剂的流动方向与原来渗透的方向相反，这一过程称为反渗透。

利用反渗透现象，可以通过加压的方式制备消除水中的杂质离子，得到超纯水。

关于渗透和反渗透的示意图如图1：
图1 渗透和反渗透的示意图
3、实验装置和流程
本实验采用“预处理+一级反渗透+二级反渗透”流程。

通过预处理的原水能有效地保证RO 膜组件长期正常工作。

主要流程如图2：
图2 实验装置流程示意图
注：虚线表示实际操作中没有进行的流程，实线表示实验过程中实际进行的流程。

4、实验记录
表1 原始数据记录表
原水电导（μS/cm ） 一级电导（μS/cm ） 一级入水压（kPa ） 一级出水压
（kPa ） 一级产水压（kPa ） 回水流量（m3/h ） 产水流量（m3/h ） 1078 40.2 6.9 6.8 0.1 0.57 0.23 1072 36.4 8.6 8.5 0.1 0.65 0.30 1062 36.5 9.1 8.9 0.1 0.66 0.31 1070 35.3 9.8 9.6 0.1 0.68 0.33 1040 34.6 10.4 10.2 0.1 0.70 0.35 1059 33.2 11.3 11.1 0.1 0.77 0.38 1050 33.2 11.9 11.8 0.1 0.75 0.41 1040 32.3 12.6 12.4 0.1 0.76 0.42 1033 31.7 13.6 13.4 0.1 0.79 0.47 1026 31.1 14.4 14.2 0.1 0.81 0.50 1029 30.3 15.1 14.9 0.1 0.84 0.53 1037 29.8 15.8 15.5 0.1 0.85 0.55 1027 29.3 16.3 16.0 0.1 0.86 0.57 1034 28.8 16.7 16.5 0.1 0.87 0.59
5、实验结果及讨论
5.1 数据处理
查文献得到25℃下氯化钠溶液的浓度与其电导率之间的经验公式为：
exp(0.983ln 0.7)C k =-
其中，C 为水溶液浓度，mg/L ；k 为水溶液电导率，µS/cm 。

操作压差∆P 通过以下公式计算：
原水泵 石英砂过滤 活性碳过滤 精密过滤
保安过滤 主阀 一级高压泵 RO 膜
水质监测 中间罐 水质监测 RO 膜
原水罐
二级高压泵
2
P +∆=
-一级入水压一级出水压
一级产水压
脱盐率的计算公式为：
i o
i
C C C ϕ-=
C i 为原水中NaCl 浓度，mg/L ；C 0为一级产水中NaCl 浓度，mg/L 。

根据上式，经过计算得到结果如下：
表2 实验数据处理结果
原水浓度C i
/g ⋅m −3
产水浓度C 0 /g ⋅m −3
脱盐率Φ 操作压差∆P
/Pa
渗透通量J*10-4
/m 3⋅s −1 475.40 18.75 0.9685 6750 0.6389 472.80 17.00 0.9720 8450 0.8333 468.46 17.05 0.9740 8900 0.8611 471.93 16.50 0.9784 9600 0.9167 458.92 16.18 0.9715 10200 0.9722 467.16 15.53 0.9720 11100 1.0556 463.26 15.53 0.9724 11750 1.1389 458.92 15.12 0.9722 12400 1.1667 455.88 14.84 0.9727 13400 1.3056 452.85 14.57 0.9723 14200 1.3889 454.15 14.20 0.9714 14900 1.4722 457.62 13.97 0.9720 15550 1.5278 453.28 13.74 0.9711 16050 1.5833 456.32 13.51 0.9699 16500
1.6389
根据渗透通量的计算表达式
()J L P π=∆-∆
其中
()i o RT c c π∆=-
R 是常数；T 认为在实验过程中变化不大，可以认为是常数；原水浓度变化不大，一级水浓度相较原水浓度很小，所产生的变化对于差值变化不大，所以括号里的一项也可以认为是常数。

故π∆这一项可看作常数。

根据公式对表2数据进行线性拟合，得到下图：
图3 J-△P 拟合图
-8-61.01610-5.30810J P =⨯∆⨯，20.9971R =
因此，传质系数为-85-1-11.01610L m s kg =⨯⨯⨯ 作脱盐率与压强差关系图如下
0.960
0.962
0.964
0.966
0.968
0.970
0.972
脱盐率 (%)
△P (Pa)
图4 脱盐率与压强差关系图
从图中可以看出，随着操作压差增大，反渗透的驱动力也随之增大，使得更多的水分子
0.00008
0.00012
0.00016
J (m 3
/s )
△
P (Pa)
透过半透膜到超纯水这一边来，脱盐率的总体趋势随之升高。

总体上脱盐率出于一个较高的水平，说明反渗透RO膜发挥了很好的脱盐性能，但是如果要进一步提高脱盐率，增大压差已经不经济了，可以采取多级反渗透操作来达到更好的脱盐效果。

5.2 实验结果讨论
通过实验，我们通过测定RO膜两侧的压差和渗透通量，通过计算得到了RO膜的渗透系数为：
-85-1-1
=⨯⨯⨯
L m s kg
1.01610
同时我们还通过实验测定了脱盐率与RO膜的膜压差关系，实验测定表明随着压差的增大，脱盐率也随之增加。

5.3 实验小结
这次试验总体操作比较简单，所以没有花费太多时间即完成了实验，这次试验最大的收获在于认识了水处理的先进技术，对水处理的方法和流程有了初步的了解，对反渗透技术也有了一定的认识。

由于实验时仅采用了一级过滤，所以实验的流程得到了最大的简化，建议增加反渗透膜的级数，可以让水的到更进一步的纯化，也可以让实验更有操作性。

这次实验最大的不足之处在于，由于第一次实验中没有制定好合理的试验计划，也没有理清楚实验的思路，所以实验过程中显得比较混乱，原水罐中的水出现了两次水位不足的情况，导致实验被迫终止，等待水位恢复，这个过程中很可能导致实验的变量发生变化，得不到准确的数据，一组好的数据应该是在连续变化的情况下进行测定的，而不是断断续续的采集的一组数据。

另外，实验的数据点采集过程中没有注意变量的上下限，对变量的间隔没有控制好，所以导致数据点很不均匀，这直接导致了第一次实验的失败。

第一次实验数据草图如下：
鉴于第一次实验结果非常不理想，所以进行了第二次实验，将压差从小到大的调节，尽量使压差间隔均匀，得到了比较好的数据。

所以实验前一定要做好充足的准备，或者在实验过程中多思考多观察，避免无目的的实验，比如这个实验在压差的调节上，可以先确定最高和最低压差之后再根据需要进行适当的调节。

6、思考题
1. 推导稀溶液渗透压公式；计算25℃含NaCl13.5%的海水渗透压，以及含NaCl0.1%的苦
咸水渗透压。

答：
(1) 如右图所示，设渗透压为∏，当两边液面相等时，由渗透平衡(ln,,)(,,)A s T p A l T p +∏=
此时由∏所引起的溶液中A μ升高恰好补偿了由于浓度降低所引起的A μ降低。

可得到：
*(ln,,,)(,,),A A A s T p x l T p μμ+∏=对理想溶液或理想稀薄溶液有：
m A m A RTln V dp V dp p p
A A A p
p
x θθθ
θ
μμ+∏
++=+⎰⎰,,
整理得：
m A m A -RT ln V dp V dp p p A p
p
x θ
θ+∏
=+⎰⎰,,
所以 m A p
-RT ln V dp p A x +∏
=
⎰
, ，假设m A V const =,，则
m A -RTln V A x =∏
,
(2) 相关计算(计算时假设为理想稀薄溶液)
25℃含NaCl 13.5%的海水：
m A (10013.5)/18 4.8055
=0.8666
13.5/36.52(10013.5)/180.36992+4.8055
18g /0.997g /ml V 18.0541ml /mol
1mol A x -=
=⨯+-⨯==,
所以7
6
m A -RT ln 8.314298.2ln 0.8666Pa 1.96610Pa V 18.0541/10
A x -⨯⨯∏=
==⨯,
含NaCl0.1%的苦咸水：
m A (1000.001)/18 5.5555
=0.99999
0.001/36.52(1000.001)/180.00005479+5.5555
18g /0.997g /ml V 18.0541ml /mol
1mol A x -=
=⨯+-==,
所以3
6
m A -RT ln 8.314298.2ln 0.99999Pa 1.35410Pa V 18.0541/10
A x -⨯⨯∏=
==⨯, 2. 提高反渗透系统的水回收效率受哪些条件限制，如何克服？
答：由实验结果操作压差愈高，渗透通量增大，但压差增大往往导致浓差极化的增加，使得膜面的渗透压增高，达到一定压力，增加压力并不能提高渗透通量，即膜面形成了一层凝胶层。

另一方面，操作压差的增大将导致能耗增加，所以要选择一个合适的压差。

另外为了提高水的回收率，可以提高回水量，但是回水量的提高也会造成处理量增加，能耗加大。

在生产中，要综合考虑各种因素，确定最有操作条件。

3. 综述现有的RO 膜的种类和膜分离性能。

答：反渗透膜的种类
（1）非对称膜 --- Cellulose Acetate(CA) Membrane 醋酸纤维素膜[CA 膜] 传统上讲, 非对称膜是由溶于丙酮中的醋酸纤维聚合体形成的分离薄膜，这种技术的反渗透膜由Loeb 和Sourirajan 于1962年首次商业化。

这种非对称结构CA 膜表面有一层0.1-0.2μm 厚度的脱盐分离层，分离层下面的支撑层结构厚度大约100～200μm ，是高透水性的海绵状多孔结构。

CA 膜的脱盐率和产水通量的性能可以由成膜时间和温度来控制。

（2）复合薄膜 --- 芳香聚酰胺膜 芳香聚酰胺复合膜通常底层是多孔结构的聚砜，表层为胶联结构的PA 涂层。

表面分离层芳香聚酰胺是由苯三甲酰氯和间苯二胺聚合成，复合膜的生产工艺可以优化支撑层和分离层的各自特点。

TFC 复合膜与醋酸纤维素膜比较，有更大的产水通量和更高的脱盐率。

复合膜与醋酸纤维素膜的比较 正如上面所述，从1981年复合膜商业化生产后，因其高通量高脱盐率特点显示了比CA 膜的明显优势：与CA 膜相比复合膜（TFC ）具有允许PH 值范围宽、操作压力低的特点。

详细比较如下表：
表3 复合膜与醋酸纤维素膜的比较
4. 综述现有的RO 膜的应用领域。

反渗透过程的特征是从水溶液中分离出水，其应用也主要局限于水溶液的分离。

目前反渗透的应用主要是海水和苦咸水淡化，纯水制备以及生活用水处理，并逐渐渗透到食品、医药、化工等部门的分离、精制、浓缩操作之中。

(1) 苦咸水与海水淡化
按1984年统计，全球咸水淡化装置的总产水量为每天992
万吨，其中用反渗透法制造
的淡水占20％。

最大反渗透淡水装置于1983年建于马耳他岛伽尔拉夫基，日产水20万立方米，装置操作压力为2.8MPa，水利用率70％，脱盐率大于99％，水的渗透通量0.9—1.2 。

用反渗透法生产淡水的成本与原水中的盐含量有关，盐含量越高，则淡化成本越高。

苦咸水一般比海水的盐含量低得多，因此其淡化成本亦低得多，开发苦咸水的反渗透淡化技术前途更为光明。

(2)纯水生产
电子工业用超纯水生产过程中，一般均是采用反渗透除去大部分(90～95％)盐后，离子交换法脱除残留的盐，这样既可减轻离子交换剂的操作负荷又可延长其使用寿命。

市售的蒸馏水、太空水等亦可由反渗透法生产。

(3)废水处理
用反渗透法处理废水很彻底，可以直接得到清水，但其成本相当高，因此只能对那些危害极大的废水，或含有回收价值的废水，如金属电镀废水处理就是反渗透技术应用的成功实例。

金属电镀装置由一个电镀槽和若干个清洗槽组成，电镀好的部件在一串清洗槽中用清水逆流洗涤，得到的含金属离子的废水可用反渗透处理，所得纯水可重新用于清洗，浓缩液可加到电镀槽作原料使用。

随着废水排放要求和水资源再生要求的提高，用反渗透法处理城市废水有广阔的前景。

(4)低分子量物质水溶液的浓缩
如食品工业中液体食品(牛奶、果汁等)的部分脱水，与常用的冷冻干燥和蒸发脱水相比，反渗透法脱水比较经济，而且产品的香味和营养不致受到影响。

在医药工业中已成功地应用反渗透浓缩某些低分子量物质(如氨基酸等），对乙醇、丙酮等的水溶液，特别是乙醇水溶液的分离已进行了大量研究，在这类应用中的主要矛盾是膜的选择性问题，是有待于解决的研究课题。