3第二章反渗透详解

• 凡基于此原理所进行的浓缩或纯化溶液的分离方 法，一般称之为反渗透工艺 • 反渗透是渗透的一种反向迁移运动，它主要是在 压力推动下，借助半透膜的截留作用，迫使溶液 中的溶剂与溶质分开 • 半透膜实际上对任何组分都有透过性能，只是透 过速率相差很大，反渗透中溶剂透过速率远远高 于溶质，成为反渗透膜
可分为平板状、管状、中空纤维状膜；
• 按膜结构
可分为非对称膜、均质膜、复合膜；
• 按应用对象
可分为海水淡化用的海水膜、咸水淡化用的咸水膜及用于 废水处理、分离提纯等的膜。
• 按操作压力
可分为高压反渗透膜、低压反渗透膜和超低压反渗透膜
第五节 反渗透膜的制备
（一）相转移法
1）配制具有适当的均相聚合物溶液； 2）将聚合物溶液流涎成薄膜； 3）蒸发部分溶剂； 4）聚合物凝胶（沉淀）； 5）热处理。 6）预压处理，稳定膜的性能
2.CA膜的性质
a）膜的方向性

由于CA膜是一种不对称膜，因此，在进行反渗 透时，必须保持表层与待处理的溶液或废水接 触，而决不能倒置，否则达不到处理的目的。
CA膜对无机电解质和有机物具有选择透过性。
b）选择透过性



对电解质，离子价越高，或同价离子水合 半径越大，则脱除效果越好。 阳离子的脱除顺序为： Sr2+>Ba2+>Li+>Na+ >K+。阴离子的脱除 顺序为：柠檬酸根>酒石酸根>SO42>CH3COO->Cl->Br->NO3->I->SCN-。 对有机物，一般是水溶性好的、非解离性 的、分子量小的脱除效果较差。而解离性 大的、分子量大于200的有机物，则脱除 效果较好。对同一类有机物，随分子量增 大，脱除效率增加。对同分子量有机物， 随分子支链的增加，脱除效果变得更好。
中空纤维膜组件简图
密封
中空纤维膜 外径50－200μ 内径25－42μ 密封 多孔进水管 浓水 浓水出口
耐压容器
透过水
进水
淡水出口
由于中空纤维膜组件由许多极细的中空纤维构成， 采用外压式操作(料液走壳方)时，流动容易形成沟 流效应，凝胶吸附层的控制比较困难；采用内压式 操作(料液走腔内)时，为防止堵塞，需对料液进行 预处理，除去其中的微粒。
第四节 反渗透膜材料和分类
反渗透技术所分离的物质的分子量一般
小于500，操作压力为 1.5～10.5 MPa。
用于实施反渗透操作的膜为反渗透膜。
反渗透膜大部分为不对称膜，孔径0.1 ~1 nm，可截留溶质分子。
• 按成膜材料
可分为醋酸纤维模、芳香聚酰胺膜、高分子电解质膜等和 无机膜；
• 按膜的形状
水分子逐渐从膜面进入膜内，最后透过膜；
溶质通过高分子链间空穴，以空穴型扩散透过膜。
（五）自由体积理论
• 该理论认为，水可以在整个膜的自由体积中 迁移，而盐只能在水的自由体积中迁移，使 得膜具有选择透过性能。 • 膜的自由体积包括聚合物的自由体积和水的 自由体积。聚合物的自由体积指的是在无水 溶胀的由无规则高分子线团堆积而成的膜中， 未被高分子占据的空间。水的自由体积是指 在水溶胀的膜中纯水所占据的空间。
进水
耐压容器
透水板
透过水
浓缩水
优点：组装简单、坚固， 压力损失小。
二、管式反渗透膜组件
管式膜组件又分为内压式和外压式
外压式膜组件结构
内压式膜组件结构
蜂窝状结构(陶瓷)
管式膜组件的内径较大，结构简单，适合于处理 悬浮物含量较高的料液，分离操作完成后的清洗 比较容易。但是管式膜组件单位体积的过滤表面 积(即比表面积)在各种膜组件中最小，这是它的 主要缺点。
在沙特阿拉伯和科威特等西亚国家以及美国等发达国家有许 多大型反渗透海水淡化厂，淡水生产规模为几十~几百万t/d； 我国对反渗透技术的研究始于1965年．海水淡化工作中，反 渗透法作为一个重要研究项目取得了一定的进展．迄今，无 论是在膜材料的研制还是反渗透装置的研制方面都取得了可 喜成果
第二节 反渗透的基本原理
管
式
150 中等 易
螺旋卷式
250 易 难
中空纤维式
1800 易 难
膜更换难度
原水预处理 成本 相对价格
内压式难， 外压式易
低 高
一般
中等 高
易
高 低
易
高 低
第七节
反渗透工艺流程及应用
一、反渗透工艺流程 反渗透工艺一般包括预处理和膜分离两 部分。 预处理可以用物理化学法，也可以用化 学法。 所采取的预处理方法与原水的物理、化 学性质及生物学特性有关，还与膜装置 的结构有关。
较高的水回用率；
分离装置简单，容易操作和维修。
最精细的过程，又被称为“高滤”
源自文库
第三节 反渗透过程传质机理
（一）溶解扩散理论
溶剂与溶质透膜的机理是由于溶剂与溶 质在膜中的溶解，然后在化学位差的推动力 下，从膜的一侧向另一侧进行扩散，直至透 过膜。
（二）优先吸附－毛细管流理论
• 该理论把反渗透膜看作一种微细多孔结构物 质，它有选择性吸附水分子而排斥溶质分子 的化学特性。 • 当水溶液同膜接触时，膜表面优先吸附水分 子，在界面上形成一层不含溶质的纯水分子 层 • 在外压作用下，界面水层在膜孔内产生毛细 管流连续地透过膜。
（三）扩散-细孔流理论
• 该理论认为膜表面存在细孔，水和溶质在 细孔和溶解扩散的共同作用下透过膜。 • 膜的透过特性既取决于细孔流，也取决于 水和溶质在膜表面的扩散系数。
（四）氢键理论
• 该理论认为，水透过膜是由于水分子和膜的活化点 形成氢键及断开氢键的过程。 • 即在高压作用下，溶液中水分子和膜表皮层活化点 缔合，原活化点上的结合水解离出来，解离出来的 水分子继续和下一个活化点缔合，又解离出下一个 结合水。 • 水分子通过一连串的缔合－解离过程，依次从一个 活化点转移到下一个活化点，直至离开表皮层，进 入多孔层。
（c）压密效应

CA膜在压力作用下，外观厚度一般减少25％―50 ％，同时，透水性及对溶质的脱除率也相应降低， 这种现象称为膜的压密效应。这种塑性变形是不 可逆的，因此膜的性能在压力消失后不会恢复。
（d）膜的水解作用和生物分解作用

CA膜是一种酯，易于水解，水解速率与pH值和 水的温度有关。一般在碱性介质中的水解速率比 在酸性介质中大，在pH4.5－5.2时最低。
中空纤维超滤膜组件
中空纤维式膜组件的特点：
单位体积膜表面积大。 制造和安装简单，不需要支撑物。 缺点是不能用于处理含有悬浮物的废水， 预处理必须经过滤处理。 难以发现损坏的膜。

四种反渗透装置的性能及操作特点
比较项目 填充密度 （m2 /m3） 易污染程度 膜清洗难度
板框式
20 难 内压式易， 外压式难
① 膜的结构 • 醋酸纤维素是没有强烈氢键的无定形链状高分子 化合物。 • 制膜过程是将其溶解在丙酮中并加入甲酰胺作添 加剂，经混合调制、过滤、铸塑成型，然后再经 蒸发、冷水浸渍、热处理，即可得到醋酸纤维素 (cellulose acetate,CA)膜。 • 外观为乳白色、半透明，有一定的韧性，膜厚l00 －250m。
显 微 镜 下 膜 的 照 片




在相对湿度为100％时，膜的含水量高达 60％，其中表皮层只含10％－20％，且主 要是以氢键形式结合的所谓一级结合水和 少量的二级结合水。 多孔层中除上述两种结合水外，较大的孔 隙中还充满着毛细管水，此层中含水率较 高。 正由于膜中存在这几种不同性质的水，决 定了CA膜具有良好的脱盐性能和适宜的透 水性能。 膜必须保存在水中。
（二）复合法
可以选用不同的材质制作超薄脱盐层和 多孔支撑层，使其功能分别达到最优化，性 能最佳； 可以用不同方法制备出良好分离率和较 高透水速度的超薄脱盐层，同时具有良好稳 定性和耐压密性； 根据不同应用特性，制作不同厚度的超 薄脱盐层， 可制作干膜，便于运输和保存
（三）醋酸纤维素（CA）
1.醋酸纤维素膜的结构及性能
2、渗透压的计算
=niciRT
3、反渗透分离过程具备的条件※
1）半透膜具有高选择性和高渗透性；
2）操作压力必须高于溶液的渗透压。
半透膜的 截留作用
4、反渗透膜分离过程特点
常温条件下，可以对溶质和水进行分离或浓缩， 因而能耗低；
杂质去除范围广，可去除无机盐和各类有机物 杂质；
制定工艺流程应考虑的因素：

对溶液的分离有不同的质量要求。 膜元件的使用寿命。
※反渗透工艺中的段与级：
段（concentrate staging)：指膜 组件的浓缩液(浓水)流到下一组膜组件处理。 流经n组膜组件，即称为n段。
内压式管式膜组件的内部结构示意图
膜表皮层 进
水
玻璃纤维管
淡 水
淡 水
特点: 水力条件好，安 装、清洗、维修比 较方便。 能耐高压，可以 处理高粘度的原水。 缺点是膜的有效 面积小，装置体积 大，而且两端要较 多的联结装置。
束式外压式膜组件
1－档圈；2－集水密封环；3－聚氯乙烯烧结板；4－ 锥形多孔橡胶塞；5－密封管接头；6－进水口；7－ 壳体；8－橡胶胆；9－出水口；10－膜元件；11－ 网套；12－O形密封圈；13－档圈槽；14－淡水出口


中空纤维膜组件是由中空纤维膜制成的。 中空纤维外径50―100m，内径1545m。 将数万至数十万根中空纤维制成膜束，膜束 外侧覆以保护性格网，内部中间放置供分配 原水用的多孔管，膜束两端用环氧树脂加固。 将其一端切断，使纤维膜呈开口状，并在这 一侧放置多孔支撑板。将整个膜束装在耐压 筒内。
工业 应用 的反 渗透 装置 的膜 组件 之间 的连 接
螺旋卷式反溶透装置的特点：
结构紧凑，单位容积的膜面积大。 处理能力高，占地面积小，操作方便。 缺点是不能处理含有悬浮物的液体，原 水流程短，压力损失大，浓水难于循环 以及密封长度大，清洗、维修不方便， 易堵塞。

四、中空纤维式反渗透膜组件
1、概念
渗透与反渗透原理示意图
当溶液与纯溶剂被半透膜隔开，半透膜两侧压力相等 时，纯溶剂通过半透膜进入溶液侧使溶液浓度变低的 现象——渗透 渗透压()取决于溶液系统及其浓度，且与温度有关， 但与半透膜无关
=niciRT
如果加在溶液侧的压力超过渗透压，溶液中的溶剂分 子就会进入纯溶剂内——反渗透（RO（Reverse Osmosis） ）
第二章
反渗透
本章主要内容
• • • • • • • 概述 反渗透的基本原理 反渗透过程传质机理 反渗透膜材料和分类 反渗透膜的制备 反渗透膜组件及装置 反渗透工艺流程及应用
第一节
概述
最早在1953年，美国里德(Reid)研究发现醋酸纤维素类膜具有 半透性； 1960年，Sourirajan与Loeb制成了世界上第一张具有高脱盐率、 高透水量的非对称醋酸纤维反渗透膜,并首次用于海水和苦咸 水的淡化工作； 1964年美国通用原子公司研制出螺旋卷式反渗透装置；1965 年美国加利福尼亚大学制造出管式膜组件，19 t/d； 1970年杜邦公司发明高效率芳香聚酰胺中空纤维反渗透器； 1980年，全芳香族聚酰胺复合膜及卷式膜组件问世； 1990年，中压、低压和超低压高脱盐聚酰胺复合膜； 1998年低污染膜扩大反渗透膜的应用范围
三、螺旋卷式反渗透膜组件
螺旋卷式膜组件一个膜叶结构示意图 密封 膜，上下两层 多孔透水材料
密封
密封
螺旋卷式膜组件组合示意图
膜叶
进 水
浓 水
透过水
透水 网状 材料
膜组件的组装示意图
端 盖
密 封 圈
膜 组 件
连 接 器
浓 缩 液
进 水 口
耐压 容器
透 过 液
工 业 应 用 的 反 渗 透 装 置
• 这种膜有不对称结构，表面结构致密， 孔隙很小，通称为表皮层或致密层、活 化层；下层结构较疏松，孔隙较大，通 称为多孔层或支撑层。示意
• CA膜是被水充分溶胀了的凝胶体。 由于铸膜液中的所有添加剂及溶剂 在制膜过程中先后被除去，膜中仅 含水分。链接
醋酸纤维素膜的结构示意图
1% 表皮层，孔径 （8－10）×10－10m 过渡层，孔径 200×10－10m 99％ 多孔层，孔径 （1000－4000） ×10－10m
第六节 反渗透膜组件及装置
由膜、固定膜的支撑体、间隔物以及收 纳这些部件的容器构成的一个单元称为 膜组件或膜装置。 反渗透膜组件有板框式、管式、螺旋卷 式和中空纤维式等四种。

一、板框式反渗透膜组件
平板膜
装配图
板框式膜组件工 作过程示意图
半透膜 缺点： 膜的力学 强度要求 高，装置 成本高。