反滲透設(shè)備過(guò)濾基礎(chǔ)知識(shí)

　　膜分離：物質(zhì)世界是由原子、分子和細(xì)胞等微觀單元構(gòu)成的，然而這些很小的物質(zhì)單元總是雜居共生，熱力學(xué)第二定律揭示了微觀粒子都會(huì)傾向于無(wú)序的混合狀態(tài)。膜分理技術(shù)得基礎(chǔ)是分離膜。分離莫是具有選擇性透過(guò)性的薄膜，某些分子(或微粒)可以透過(guò)薄膜，而其他的則被阻隔。這種分離總是依賴(lài)于不同的分子(或微粒)之間的某種區(qū)別，的區(qū)別就是尺寸大小，三維空間之中，什么都有大上巨細(xì)而膜有孔徑。

　　全量過(guò)濾：全量過(guò)濾也稱(chēng)為直流過(guò)濾、死端過(guò)濾。與常規(guī)的濾布過(guò)濾相似，被處理物料進(jìn)入膜組件，等量透過(guò)液流出膜組件，截留物留在膜組件內(nèi)。為了保證膜性能的可恢復(fù)性，必須及時(shí)從膜組件內(nèi)卸載截留物，因此需要定時(shí)反沖洗(過(guò)濾的反過(guò)程)等措施來(lái)去除膜面沉積物、恢復(fù)膜通量。膜組件污染后不能拆開(kāi)清洗，通常使用在線(xiàn)清洗方式(CIP)超濾/微濾水處理過(guò)程一般采用全量過(guò)濾模式。

　　錯(cuò)流過(guò)濾：被處理料液以一定的速度流過(guò)膜面，透過(guò)液以垂直方向透過(guò)膜，同時(shí)大部分截留物被濃縮液夾帶出膜組件。錯(cuò)流過(guò)濾模式減小了膜面濃度極化層的厚度，可以有效降低膜污染，反滲透、納濾均采用錯(cuò)流過(guò)濾方式。

　　膜系統(tǒng)：膜系統(tǒng)是指膜分離裝置單元。壓力驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)主要由預(yù)處理系統(tǒng)、升壓泵、膜組件(壓力容器和膜元件)、管道閥門(mén)和控制系統(tǒng)構(gòu)成。

　　膜污染：各種原水中均含有一定濃度的懸浮物和溶解性物質(zhì)。懸浮物主要有無(wú)機(jī)顆粒物、膠體和微生物、藻類(lèi)等生物性顆粒。溶解性物質(zhì)主要是易溶鹽(如氯化物)和難溶鹽(如碳酸鹽、硫酸鹽和硅酸鹽)。在反滲透過(guò)程中，進(jìn)水的體積在減少，懸浮物和溶解性物質(zhì)的濃度在增加。懸浮顆粒會(huì)沉積在膜上，堵塞進(jìn)水流道、增加摩擦阻力(壓力降)。難溶鹽會(huì)從濃水中沉淀出來(lái)，在磨面上形成結(jié)垢，降低RO膜的通量。這種在膜面上形成沉積層的現(xiàn)象叫膜污染，膜污染是膜系統(tǒng)性能的劣化。

　　反滲透設(shè)備過(guò)濾基本原理

　　半透膜：半透膜是具有選擇性透過(guò)性能的薄膜。當(dāng)液體或氣體透過(guò)半透膜時(shí)，一些組分透過(guò)，而另外一些組分被截留。實(shí)際上半透膜對(duì)任何組分都有透過(guò)性，只是透過(guò)的速率相差很大。在反滲透過(guò)程中，溶劑(水)的透過(guò)速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于溶解在水中的溶質(zhì)(鹽分)。通過(guò)半透膜實(shí)現(xiàn)了溶劑和溶質(zhì)的分離，得到純水以及濃縮的鹽溶液。

　　滲透：滲透是當(dāng)流體在跨越半透膜屏障時(shí)的一種自然過(guò)程。如果將一箱純水用一張半透膜垂直分為兩部分，純水于理想的半透膜的兩面以相同的溫度和壓力接觸，在這樣的條件下沒(méi)有跨越半透膜的水流動(dòng)產(chǎn)生，因?yàn)樵谀蓚?cè)的化學(xué)勢(shì)相等。如果在其中一側(cè)加入溶解性鹽，鹽溶液一邊的化學(xué)勢(shì)降低了，純水便會(huì)向鹽溶液一側(cè)滲透，從而產(chǎn)生一個(gè)滲透流，直到化學(xué)勢(shì)的平衡重新建立為止。

　　滲透壓：按照科學(xué)術(shù)語(yǔ)在半透膜的兩側(cè)存在一個(gè)“化學(xué)勢(shì)”(離子或溶解分子的濃度差)的差值，通過(guò)溶液的滲透過(guò)程對(duì)化學(xué)勢(shì)差進(jìn)行補(bǔ)償。當(dāng)平衡重新建立時(shí)，在半透膜的兩側(cè)形成一個(gè)水位差即靜壓差，這個(gè)壓力差便是滲透壓。滲透壓是溶液本生的性質(zhì)，取決于溶液濃度，于半透膜沒(méi)有關(guān)系。

　　滲透壓與溶質(zhì)濃度之間的關(guān)系為：Posm=1.19(T+273)*Σ(mi)(1)

　　其中Posm=滲透壓(psi)，T為溫度(℃)，Σ(mi)是溶液中所有溶質(zhì)的總摩爾濃度。TDS為1000ppm的水溶液的近似滲透壓約為11 psi(0.76bar)。

　　反滲透介紹

　　水通過(guò)滲透作用流向鹽溶液一側(cè)，直到達(dá)到新的平衡建立。在鹽溶液一邊施加一個(gè)額外的壓力與滲透壓相等，原有的平衡會(huì)受到影響(圖-6b)。外加壓力將會(huì)使鹽溶液一邊的化學(xué)勢(shì)增加，使溶劑流向純水一邊。這種現(xiàn)象便是反滲透。反滲透過(guò)程的驅(qū)動(dòng)力是外加壓力，反滲透分離所需能量與溶液的難度直接相關(guān)。因此，從鹽溶液中生產(chǎn)同樣體積的水，鹽的濃度越高，所需能耗也越高。

　　反滲透原理

　　對(duì)于反滲透過(guò)程分離水和鹽的機(jī)理還沒(méi)有一個(gè)的統(tǒng)一解釋。目前一般推薦兩種傳遞模型：毛細(xì)孔流模型和溶解擴(kuò)散模型。水通過(guò)膜有兩種方式，一種是通過(guò)膜上存在的孔，另外一種是通過(guò)膜中的分子節(jié)點(diǎn)之間的擴(kuò)散。根據(jù)理論，膜的化學(xué)性質(zhì)是，在固液界面上水優(yōu)先吸附并通過(guò)，鹽被截留。水與膜表面之間有弱的化學(xué)結(jié)合力，使得水能夠在膜的結(jié)構(gòu)中分散。膜的物理和化學(xué)性質(zhì)決定了在傳遞過(guò)程中水比鹽的優(yōu)先地位。

　　水的傳遞

　　水通過(guò)半透膜的速率由方程(2)確定。

　　Qw=(ΔP-ΔPosm)×Kw×S/d(2)

　　其中Qw為蘇水透過(guò)膜的速率，ΔP為膜兩側(cè)壓力差，ΔPosm為膜兩側(cè)的滲透壓差，Kw為膜的純水滲透系數(shù)，S為膜面積。(2)式通常被簡(jiǎn)化為：Qw=A×(NDP)(3)

　　其中A為膜常數(shù)，NDP為跨過(guò)膜的水傳質(zhì)凈驅(qū)動(dòng)壓力或凈驅(qū)動(dòng)力。

　　鹽的傳遞

　　透過(guò)膜的鹽流量定義為：Qs=ΔC×Ks×S/d(4)

　　其中Qs為膜的透鹽量，Ks為膜的鹽滲透系數(shù)，ΔC為膜兩側(cè)鹽濃度差，S為膜面積，d為膜厚度。該方程可簡(jiǎn)化為：Qs=B×(ΔC)(5)

　　其中B代表膜常數(shù)，ΔC為鹽傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力。

　　從方程(4)和(5)可以看出。對(duì)于一個(gè)已知的膜來(lái)說(shuō)：膜的水通量與總驅(qū)動(dòng)壓力差成比例。膜的透鹽量與膜兩側(cè)的濃度差成比例，與操作壓力無(wú)關(guān)。

　　透過(guò)液的鹽濃度Cp，取決于透過(guò)反滲透膜的鹽量和水量的比：Cp=Qs/Qw(6)

　　膜對(duì)水和鹽的傳質(zhì)系數(shù)不同，所以才有脫鹽率。沒(méi)有什么理想的膜具有對(duì)鹽的脫除性能，實(shí)際上是傳質(zhì)速率的差別早就了脫鹽率。方程(2)、(4)和(5)給出了設(shè)計(jì)反滲透系統(tǒng)必須考慮的一些主要因素。比如操作壓力的增加會(huì)提高水通量，但對(duì)鹽的透過(guò)沒(méi)有影響，所以透過(guò)液的鹽度會(huì)更低。

　　透鹽率

　　原水中溶解性雜質(zhì)透過(guò)膜的百分率，計(jì)算公式為：SP=99%×(Cp/Cfm)(7)

　　其中SP為透鹽率(%)，Cp為透過(guò)液鹽濃度，Cfm為料液的平均鹽濃度。

　　水通量和透鹽率的基本關(guān)系式是反滲透的基本原理。可以看出，透鹽率隨操作壓力增加而降低，其原因是水通量隨壓力增加，但鹽的透過(guò)速率在壓力變化情況下保持不變。

　　脫鹽率

　　通過(guò)反滲透膜從原水中脫除總可溶性雜質(zhì)濃度或特定溶質(zhì)濃度的百分率。計(jì)算公式為：SR=99%-SP(8)

　　其中SR為脫鹽率(%)，SP為透鹽率(見(jiàn)7式)。

　　產(chǎn)水-透過(guò)液

　　反滲透、納濾膜的透過(guò)液為凈化水，因此也稱(chēng)為系統(tǒng)產(chǎn)水。

　　濃水-濃縮液

　　未透過(guò)膜的溶液，原水中的溶質(zhì)在其中被濃縮。在水處理反滲透系統(tǒng)中濃水作為廢水排出。

　　回收率(轉(zhuǎn)化率)

　　料液轉(zhuǎn)化為透過(guò)液的百分率。回收率是反滲透系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行的重要參數(shù)，計(jì)算公式為：R=99%×(Qp/Qf)(9)

　　其中R為回收率(%)，Qp為產(chǎn)水流量，Qf為原水流量。回收率影響透鹽量和產(chǎn)水量。回收率增加時(shí)料液側(cè)中的鹽濃度也會(huì)增加，致使透鹽量增加、滲透壓上升以及NDP降低，產(chǎn)水量降低。

　　濃差極化比(b系數(shù))

　　膜透過(guò)水并截留鹽時(shí)，在膜表面附近會(huì)形成一個(gè)邊界層，邊界層中的鹽濃度比本體溶液濃度高，這種鹽濃度在膜面附近的增加叫做濃差極化。濃差極化會(huì)使實(shí)際的產(chǎn)水通量和脫鹽率低于理論估算值。濃差極化效應(yīng)如下：

　　膜面上的滲透壓比本體溶液中高，從而降低NDP(凈驅(qū)動(dòng)壓力)。

　　降低水通量(Qw)。

　　增加透鹽量(Qs)。

　　增加難溶鹽在膜面上超過(guò)其溶度積形成沉淀結(jié)垢的可能性。

　　濃差極化因子(CPF)被定義為膜面濃度(Cs)與本體濃度(Cb)的比：CPF =Cs/Cb(10)

　　水通量的增加會(huì)增加離子向膜面的輸送量，從而增加Cs。料液流速的增加加劇了紊流效果，減少了膜面高濃度層的厚度。因此CPF與透過(guò)通量(Qp)成正比，與平均料液流量(Qfavg)成反比：CPF = Kp×exp(Qp/ Qfavg) (11)

　　其中Kp是取決于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的比例常數(shù)。料液平均流量采用料液和濃縮液的算術(shù)平均數(shù)，CPF可以表達(dá)為膜元件透過(guò)液回收率(r)的函數(shù)：CPF = Kp×exp[2R/(2-R)](12)

　　反滲透設(shè)備濃差極化因子極限值為1.20，對(duì)于40英寸長(zhǎng)的膜元件來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于18%的回收率。