反渗透原理和反渗透膜

✓ 脱盐部分的工艺
一级反渗透
脱碳
二级反渗透
EDI
加碱
一级反渗透
脱碳
复床
混床
✓ 近几年来典型膜法工程
1. 工业领域膜法水处理的工程市场约40亿人民币； 2. 电力行业，目前已经签约的超滤项目，日产水量100万吨，
占中国水处理用超滤市场的70％。 3. 钢铁行业，市场正在快速膨胀； 4. 石化行业，节水减排的需求使得膜法市场处于起步阶段。 5. EDI市场，大型火电厂约占30％的市场，热电、化工等约占
经过200年的发展，形成了较为完整和系统的基础 理论；
近代科学技术的发展为分离膜的研究和制造创造 了良好的条件；例如：高分子学科、近代分析技 术；
现代工业的需求；
节能、低品位原材料再利用、消除环境污染的生 产新技术等。
膜分离技术特点（一）
膜分离是一个高效的分离行为； 90%的乙醇水溶液、N2和H2的分离,与 萃取等的对比。 能耗非常低； 相比传统分离： 蒸馏、蒸发、等 多数分离过程的工作温度在室温； 在医药工业、生物技术、食品加工等 方面
醋酸纤维素类反渗透膜
OH
OH
H
H OHO H H
CH2OH
H CH2OHO
OHH H
O
OH
H
H
O H
OH H OHO H H
CH2OH
H
CH2OHO
O
OHH H
OH
H
H
反渗透－反渗透膜材料
芳香含氮高分子反渗透膜
O
*
C
O
C
NH
O H NC
O
C
NH
C
O
NH
C
O
x
OH
H
N
*
y
反渗透－反渗透膜组件
板式组件：
2、地表水：受季节的影响较大，有发生微生物和胶体两方面高度污染的可能性。 所需的预处理较复杂。包括：絮凝/助凝、澄清、多介质过滤、超滤、脱氯、加 酸、加阻垢剂等。
3、工业和市政废水：含有更复杂的有机和无机成分。有些有机物甚至会严重影响 反渗透产水量的下降甚至膜的降解。因此必须有更加周全的预处理。包括：酸 碱中和、三级生化处理、加氯氧化、澄清多介质过滤、超滤、脱氯、加酸、加 阻垢剂等工艺。
膜法分离简介
1748年，Nollet观察到水可以通过覆盖在盛有酒精溶 液瓶口的猪膀胱进入瓶中发现；
19世纪中叶发现了透析现象才重视；
1864年，Moritz Traube制成了第一张人造合成膜 亚铁氰化铜膜；
1950年，W.Juda等试制成功第一张实用价值的离子交 换膜；
1960年，Loeb和Sourirajan创制了提高盐截留率和水 通量的不对称二醋酸纤维素反渗透膜，制成了第一张 高性能膜。可以说，非对称膜的研制成功，使反渗透 过程从实验室走向工业应用。
H2O Na Cl
H2O Na Cl H2O Na Cl
Na Cl H2O Na Cl H2O Na Cl H2O Na Cl
{ Na Cl H2O Na Cl H2O Na Cl H2O Na Cl
纯水界面 H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O
膜元件
H2O H2O
純水
各類膜分子截留率
微濾膜 0.1 - 1 微米
超濾膜
6K - 100K 分子截留率
超薄濾膜 500 - 6,000 分子截留率
鈉濾膜
150 - 500 分子截留率
反滲透膜 50 – 150 分子截留率
普遍应用于化工、电子、轻工、纺织、冶金、 电力、石油、食品等行业。
微滤：35.71% 反渗透： 13.04% 超滤： 19.10% 电渗析： 3.42% 血液透析： 17.70% 气体分离： 9.32% 其它:1.71%
30％，其余为电子超纯水市场。
✓ 近几年来典型膜法工程——循环排污水 1.大唐高井电厂，循环水排污水回用于锅炉补给水工程
循环排污水 MMF
UF
1级RO
脱碳器 2级RO
EDI 高压锅炉用水
浓水
浓水外排
浓水 系统产水规模150m3/h
电力系统第一个投运的循环水排污水回用工程，自此超滤作 为反渗透预处理的工艺开始迅速推广。
O
C
OH
CH
C
O
H2
C
C
O
H2 C
CH2
C H
O
C
O
C
CH
O
OH
H2O H2O
H2O
O
O
膜 的 表 面 O 层
O
优先吸附—毛细孔流理论
压力
Na Cl H2O Na Cl H2O Na Cl H2O Na Cl
Na Cl H2O Na Cl H2O Na Cl H2O Na Cl
主体溶液 Na Cl
产水 75 m3/ h
13.3 mg/l 钙离子
反渗透－反渗透装置的组合形式
多级串联式； 多级组合式； 带有中间升压泵的三段组合式； 浓缩循环方式；
典型反渗透系统设计
絮
凝
阻
剂
垢
剂
多介质过滤器
活性炭过滤器 保安过滤器
图1、典型反渗透系统设计
膜组件
典型反渗透系统设计
絮 凝 剂
多介质过滤器 活性炭过滤器 软化器
3.地表水水质的变化。江河湖泊水系工业和生活污染加重，华东、华 南海水倒灌，影响原有水处理系统的可靠运行。
4. 中国工业经济快速发展，特别是能源化工等基础工业。带来日益增 长的项目机遇；
5. 膜分离工艺的设计、应用日趋成熟。膜法工艺高效、便捷、运行管 理方便。
✓ 不同水源所采用的膜处理工艺介绍
市政污水
系紧螺栓式、耐压容器式
管式组件：
内压式、外压式
螺旋卷式组件 中空纤维组件
各种组件性能比较
卷式膜结构
ATD
中心管
產品水
濃水 收集通道
膜片 流道
外殼材料
進水方向 流道 膜片
膜的动画效果
给水 q V,f ,c f
反渗透原理
产品水 q V,p ,c p
浓
水
q V,b ,c b
反渗透的简单流程图
反渗透—衡量膜性能的主要参数
气体分离
气体、气体与蒸汽分离
浓度差
易透过气体
不易透过气体
膜的种类
微濾膜: 0.1 到 10 微米 細菌和微細的懸浮固體
超濾膜: 0.005到0.05微米, 乳化油, 顏色 , 膠體 鈉濾膜: 0.0005到0.005微米 糖, 染料, 界面活性劑, 礦物質
反滲透: 0.0001到0.001微 米, 鹽,金屬離子, 礦物質
H2O
膜元件
反渗透－反渗透膜、组件、装置
膜材料
醋酸纤维素类反渗透膜； 芳香含氮高分子反渗透膜； 聚哌嗪类复合膜；
膜性能应具备：
脱盐率高、透水率大； 机械强度好，耐压密； 化学稳定性好； 使用寿命长、性能衰减小； 制膜容易，价格低廉，原料充沛； 还有其他耐溶剂、高温、氯等
双层复合膜结构
反渗透－反渗透膜材料
4、循环排污水：高硬度、高碱度、高pH值，经循环系统浓缩后已处于过饱和状态； 水中投加的药剂量及药剂种类很多，水质成分复杂；有机物及细菌微生物的含 量较高。预处理工艺的选择要慎重。
✓ 膜法的预处理工艺介绍
COD
NH3－N 悬浮物 胶体、铁、铝 油
（石灰）混凝澄清 砂滤 活性炭 超滤
有机污染物和胶体类物质对高分子膜影响较大； 含有特定污染物的工业废水需要特别留意； 各种常规预处理工艺常被用来提高系统的可靠性。
优先吸附—毛细孔流理论
索里拉金等人提出了优先吸附——毛细孔流理论
溶解-扩散理论
Lonsdale和Riley
O
O
膜 的 表 面O 层
O
H
H
O
氢键理论
H
H
H
H
H
H
O
O
H
H
O
H
H
O
O
杂质等离子
H
H
O
H2
C
O
HO
H2
C
O
HO
H2
C
O
HO
H2
C
O
HO
O
C
H2C
C
H2
C
O
ห้องสมุดไป่ตู้
CH
O
CH
O O
C
H2C
C
H2
C
O
CH
图2、典型反渗透系统设计
保安过滤器
膜组件
典型多段反渗透系统
产水
浓水 传感器代号：
压力， 电导率， 流量， 温度
图3、典型多段反渗透系统
简单多级反渗透
一级产水
二级产水
给水
一级浓水
二级浓水
膜分离技术近几年来在中国电力行业的应用概况
✓ 为什么膜分离技术近几年得到了最快速的发展？ ✓ 不同水源（市政废水、循环水排污水、地表水、地下水）所采
按膜的用途分： 反渗透、超滤、微滤电渗析等
按膜的作用机理分： 多孔膜、致密膜等
按孔径分类的分离膜
主要膜分离过程
膜的种类
膜的功能
微滤
多孔膜、溶液的 微滤、脱微粒子
分离驱动力
压力差
透过物质
被截留物质
水、溶剂、溶解物 悬浮物、细菌类、微粒子
超滤
脱除溶液中的胶体、各 类大分子
压力差
溶剂、离子和小分子 蛋白质、各类酶、细菌、病毒、乳胶、微粒子
废水处理系统
除COD，氨氮… 超滤+反渗透
循环水系统
EDI / 混床
锅炉补给水
工业废水 循环水排污
超滤+反渗透 EDI / 混床
✓ 不同水源所采用的膜处理工艺介绍
1、地下水：即井水，一般水质稳定，污染可能性低，水中溶解氧少，二价Fe、Mn、 H2S等还原性物质多，微生物和菌类较少。仅需简单的预处理。例如：设置多介 质过滤、加阻垢剂、5um保安过滤器即可，也可能需要除铁除锰。
反渗透 和纳滤
脱除溶液中的盐类及低 分子物
压力差
水、溶剂
无机盐、糖类、氨基酸、BOD、COD等
透析
脱除溶液中的盐类及低 分子物
浓度差
离子、低分子物、酸、 碱
无机盐、尿素、尿酸、糖类、氨基酸
电渗析
脱除溶液中的离子
电位差
离子
无机、有机离子
渗透气化
溶液中的低分子及溶剂 间的分离
压力差、浓度差
蒸汽
液体、无机盐、乙醇溶液
水，部分经EDI处理后作为锅炉补给水；
高井电厂超滤系统 高井电厂RO-EDI系统
✓ 近几年来典型膜法工程——循环排污水
2.托克托电厂200m3/h循环水排污水回用工程 循环排污水→机械加速澄清池→多介质→超滤→反渗透→离子交换系统
2004年7月份投运。原水电导率2000－3000 S/cm。
✓ 近几年来典型膜法工程——循环排污水
火电厂循环水排污水回用第一套全膜工艺（超 滤－RO－RO－EDI） 用户名称：大唐北京高井电厂 规 模： 45m3/h（一期），150m3/h（二期） 投运时间： 2003年8月， 2004年10月
电厂循环水补充水为永定河河水； 循环水排污水浊度10－20NTU，COD-Mn约10ppm，
电导率1600S/cm； 经‘预过滤－超滤－反渗透’后作为循环水补
。度半于当
更透渗在
大膜透浓
纯水
，流压溶
这向时液
盐溶液
一稀，上 过溶浓加
程液溶压
半透膜
是，液力 渗使中，
透得的且
(c) 反渗透
的浓水该
渗透：水从稀溶液一侧通过半透膜向浓溶液一侧自发流动的 过程。
反渗透－分离机理
氢键理论
Reid）等人提出的 ，基于一些离子和分子能够通过膜的氢 键的结合而发生联系，从而通过这些联系发生线形排列型 的扩散来进行传递
主要工業
汽车涂装业 飲用水
主要工業
发电业
半导体及微电子行业
主要工業
飲料制品 制药及医疗业
反渗透系统膜组件部分
基本原理 分离机理 反渗透膜、组件、装置
反渗透－基本原理
纯水 盐溶液
半透膜 (a) 渗透
纯水 盐溶液
半透膜 (b) 渗透平衡
渗透压
外加压力
相溶就压反
反液会力渗
的的通大透
程浓过于：
SR= c f－ c p ×100%
或
SR= c fA－ c p ×100%
cf
c fA
c f ，c p
分别为给水和产品水的浓度，mol/ L
c fA
平均给水浓度，mol/ L
RO原理简介
75％回收率 90％ 脱盐率
给水
100 m3/ h
100 mg/l 钙离子
浓 25 m3/ h 水
360 mg/l 钙离子
膜分离技术特点（二）
规模和处理能力可在很大范围内变化，而其效率、 设备单价、运行费等变化不大；
设备体积小、占地较少等；
可以方便的插入现行生产工业，不必进行较大改 变。
膜分离设备本身没有运动的部件，很少需要维护， 可靠度很高；
按膜的材料分： 醋酸纤维素膜、聚砜膜、聚砜酰胺等
按膜的结构分： 对称膜、非对称膜、液膜等
用的膜处理工艺介绍 ✓ 近几年来中国膜法水处理的典型工程介绍
✓ 为什么膜分离技术近几年得到了最快速的发展？
✓ 为什么膜分离技术近几年得到了最快速的发展？
1.工业节水十五规划。北京高井电厂关于循环排污水回用问题——证 实了超滤作为反渗透预处理的必要性和可行性；
2.电厂环保的要求。山西古交电厂是我国第一个30万千瓦以上机组采 用EDI技术的电厂。自此，空冷机组和燃机电厂开始普遍采用EDI；
O
CH
O
O
C
H2C
C
H2
C
O
CH
O
CH
O O
C
H2C
C
H2
C
O
CH CH
O
O
H2O
H2O
H2HO2O H2O
O
O
H
H
O
O
O
H
H
O
O
O
H
H
O
O
O
H
H
O
H2O H2O
C
H2 C
C
O
H2 C
CH2
C H
O
C
O
C
OH
CH
C
O
H2
C
C
O
H2 C
CH2
C H
O
C
O
C
OH
CH
C
O
H2
C
C
O
H2 C
CH2
C H
O
C
水通量
温度；
pH； 压力；
浓度；
透盐率
电解度； 离子电价； 分子量；
通量衰减系数
极性； 水合程度； 异构体的支链程度；
反渗透原理
1、反渗透装置重要指标水的回收率 Y (以％表示)：
Y= q V,p q V,f
×100%
q V,f q V,p
给水流量， m3/ h 产品水流量， m3/ h
2、反渗透装置重要指标水的脱盐率 SR (以％表示)：