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北極星水處理網訊:1反滲透脫鹽的原理

在一定的溫度下，用一張易透水而難透鹽的半透膜將淡水和鹽水隔開〔如圖(a)〕，淡水即透過半透膜向鹽水方向移動，隨著右室鹽水側液位升高，產生一定的壓力，阻止左室淡水向鹽水側移動，最後達到平衡，如圖(b)所示。此時的平衡壓力稱為溶液的滲透壓，這種現象稱為滲透現象。若在右室鹽水側施加一個超過滲透壓的外壓〔如圖(c)〕，右室鹽溶液中的水便透過半透膜向左室淡水中移動，使淡水從鹽水中分離出來，此現象與滲透現象相反，稱反滲透現象。

由此可知，反滲透脫鹽的依據是①半透膜的選擇透過性，即有選擇地讓水透過而不允許鹽透過；②鹽水室的外加壓力大於鹽水室與淡水室的滲透壓力，提供了水從鹽水室向淡水室移動的推動力。一些溶液的典型滲透壓力見下表。

上述用於隔離淡水與鹽水的半透膜稱為反滲透膜。反滲透膜多用高分子材料製成，目前，用於火電廠的反滲透膜多為芳香聚醯胺複合材料製成。

RO（ReverseOsmosis）反滲透技術是利用壓力差為動力的膜分離過濾技術，其孔徑小至納米級（1納米=10-9米），在一定的壓力下，H2O分子可以通過RO膜，而源水中的無機鹽、重金屬離子、有機物、膠體、細菌、病毒等雜質無法透過RO膜，從而使可以透過的純水和無法透過的濃縮水嚴格區分開來。

反滲膜的工作原理圖如下：

2反滲透膜的主要特性

1膜分離的方向性和分離特性

實用性反滲透膜均為非對稱膜，有表層和支撐層，它具有明顯的方向性和選擇性。所謂方向性就是將膜表面置於高壓鹽水中進行脫鹽，壓力升高膜的透水量、脫鹽率也增高；而將膜的支撐層置於高壓鹽水中，壓力升高脫鹽率幾乎為0，透水量卻大大增加。由於膜具有這種方向性，應用時不能反向使用。

反滲透對水中離子和有機物的分離特性不盡相同，歸納起來大致有以下幾點：

（1）有機物比無機物容易分離。

（2）電解質比非電解質容易分離。高電荷的電解質更容易分離，其去除率順序一般如下：

Al3+>Fe3+>Ca2+>Na+PO43->SO42->Cl-

對於非電解質，分子越大越容易去除。

（3）無機離子的去除率與離子水合狀態中的水合物及水合離子半徑有關。水合離子半徑越大，越容易被除去，去除率順序如下：

Mg2+、Ca2+>Li+>Na+>K+；F->Cl->Br->NO3-

（4）對極性有機物的分離規律：

醛>醇>胺>酸，叔胺>仲胺>伯胺，檸檬酸>酒石酸>蘋果酸>乳酸>醋酸；

（5）對異構體：

叔（tert-）>異（iso-）>仲（sec-）>原（pri-）

（6）有機物的鈉鹽分離性能好，而苯酚和苯酚的衍生物則顯示了負分離。極性或非極性、離解或非離解的有機溶質的水溶液，當它們進行膜分離時，溶質、溶劑和膜間的相互作用力，決定了膜的選擇透過性，這些作用包括靜電力、氫鍵結合力、疏水性和電子轉移四種類型。

（7）一般溶質對膜的物理性質或傳遞性質影響都不大，只有酚或某些低分子量有機化合物會使醋酸纖維素在水溶液中膨脹，這些組分的存在，一般會使膜的水通量下降，有時還會下降的很多。

（8）硝酸鹽、高氯酸鹽、氰化物、硫代氰酸鹽的脫除效果不如氯化物好，銨鹽的脫除效果不如鈉鹽。

（9）而相對分子質量大於150的大多數組分，不管是電解質還是非電解質，都能很好脫除。

此外，反滲透膜對芳香烴、環烷烴、烷烴及氯化鈉等的分離順序是不同的。

在實際工作中，有許多工作是相互制約的。因此在理論指導的前提下，必須進行試驗驗證，掌握物質的特性或規律，正確運用反滲透技術，這點是十分重要。

2、反滲透水處理裝置

反滲透水處理裝置是包括從保安過濾器的進口法蘭至反滲透淡水出水法蘭之間的整套單元設備。包含保安過濾器、高壓泵、反滲透本體裝置、電氣、儀表及連接管線、電纜等可獨立運行的裝置。此外包含化學清洗裝置和反滲透阻垢劑加藥裝置。

2.1保安過濾器

為保證反滲透本體的安全運行，即使有良好的預處理系統，仍需要設置精密過濾設備，起安全保障作用，故稱之為保安過濾器（也有技術資料中稱精密過濾器）。在反滲透系統中，保安過濾器不應作為一般運行過濾器使用，僅應作保安過濾使用，通常設在高壓泵之前。保安過濾器有多種結構形式，常用如圖3-5所示，濾元固定在隔板上，水自中部進入保安過濾器內，隔板下部出水室引出，雜質被阻留在濾元上。

反滲透水處理系統選擇的過濾精度一般為5µm。這種濾元的優點是過濾精度高，製造方便，價格便宜，使用安全，雜質不易穿透，但反洗和化學清洗效果不明顯，只能一次性使用，當運行壓差達到0.2MPa左右時需要更換濾元。

2.2高壓泵

反滲透膜運行時，需要經高壓泵將水升至規定的壓力後送入，才能完成脫鹽過程。目前火電廠使用的高壓泵有離心式、柱塞式和螺杆式等多種形式，其中，多級離心式水泵使用最廣泛。這種泵的特點是效率較高，可以達到90%以上，節省能耗。

2.3反滲透本體

反滲透本體是將反滲透膜組件用管道按照一定排列方式組合、連接而成的組合式水處理單元。單個反滲透膜稱膜元件，將一隻或數隻反滲透膜元件按一定技術要求串接，與單只反滲透膜殼組裝構成膜組件。

（1）膜元件

反滲透膜元件由反滲透膜和支撐材料等製成的具有工業使用功能的基本單元。目前在火電廠中應用的主要是卷式膜元件。

目前各膜製造商針對不同行業用戶，生產出多種用途的膜元件。在火電廠應用的膜元件按照水源特點大致可分為：高壓海水脫鹽反滲透膜元件；低壓和超低壓苦鹹水脫鹽反滲透膜元件；抗汙染膜元件。下表中分別列出了這幾種膜的性能參數對比。

所使用的膜元件型號為BW30-400/34i，30表示水流通道為30mil，400表示有效面積為400ft2，製造單位為陶氏，每套反滲透共有168根膜組件，每根1米，材料為聚丙烯醯胺。

膜元件的基本要求是：

A、儘可能高的膜裝填密度。

B、不易濃差極化

C、抗汙染能力強

D、清洗和更換膜方便

E、價格便宜

（2）膜殼

反滲透本體裝置中用來裝載反滲透膜元件的承壓容器稱為膜殼，又稱「壓力容器」，製造單位為海德能，每根壓力容器長大約7米。

膜殼的外殼一般由環氧玻璃鋼布纏繞而成，外刷環氧漆。也有部分生產商的產品為不鏽鋼材質的膜殼。由於玻璃鋼具有較強的耐腐蝕性能，目前，國內大多數火電廠選用玻璃鋼材質的膜殼。我們壓力容器的材質為玻璃鋼，英文縮寫為FRP。

3影響反滲透水處理系統性能的因素

針對特定的系統條件，水通量和脫鹽率是反滲透膜的特性，而影響反滲透本體的水通量和脫鹽率因素較多，主要包括壓力、溫度、回收率、進水含鹽量和pH值等影響因素。

（1）壓力的影響

反滲透進水壓力直接影響反滲透膜的膜通量和脫鹽率。如圖所示，膜通量的增加與反滲透進水壓力呈直線關係；脫鹽率與進水壓力成線性關係，但壓力達到一定值後，脫鹽率變化曲線趨於平緩，脫鹽率不再增加。

（2）溫度影響

如圖所示，脫鹽率隨反滲透進水溫度的升高而降低。而產水通量則幾乎呈線性地增大。主要是因為，溫度升高，水分子的粘度下降，擴散能力強，因而產水通量升高；隨著溫度的提高，鹽分透過反滲透膜的速度也會加快，因而脫鹽率會降低。原水溫度是反滲透系統設計的一個重要參考指標。如某電廠在進行反滲透工程技改時，設計時原水水溫按25℃計算，計算出來的進水壓力為1.6MPa，而系統實際運行時水溫只有8℃，進水壓力必須提高至2.0MPa才能保證淡水的設計流量。導致的後果是，系統運行能耗增加，反滲透裝置膜組件內部密封圈壽命變短，增大了設備的維護量。

（3）含鹽量的影響

水中鹽濃度是影響膜滲透壓的重要指標，隨著進水含鹽量的增加，膜滲透壓也增大。圖3-18所示，在反滲透進水壓力不變的情況下，進水含鹽量增加，因滲透壓的增加抵銷了部分進水推動力，因而通量變低，同時脫鹽率也變低。

（4）回收率的影響

反滲透系統回收率的提高，會使膜元件進水沿水流方向的含鹽量更高，從而導致膜滲透壓增大，這將抵消反滲透進水壓力的推動作用，從而使降低了產水通量。膜元件進水含鹽量的增大，使淡水中的含鹽量隨之增加，從而降低了脫鹽率。如圖3-19回收率對膜通量和脫鹽率影響的趨勢。含鹽量產水通量(壓力一定)圖3-18含鹽量對膜通量和脫鹽率影響趨勢圖圖3-19回收率對膜通量和脫鹽率影響趨勢圖圖3-20pH值對膜通量和脫鹽率影響趨勢圖脫鹽率(壓力一定)脫鹽率(壓力一定)脫鹽率(壓力一定)產水通量(壓力一定)脫鹽率(壓力一定)產水通量(壓力一定)回收率pH值。

在系統設計中，反滲透系統最大回收率並不取決於取決於滲透壓的限制，往往取決於原水中的鹽分的成分和含量大小，因為隨著回收率的提高，微溶鹽類如碳酸鈣、硫酸鈣和矽等在濃縮過程中會發生結垢現象。

（5）pH值的影響

不同種類的膜元件適用的pH值範圍差別較大，如醋酸纖維膜在pH值4～8的範圍內產水通量和脫鹽率趨於穩定，在pH值低於4或高於8的區間內，受影響較大。目前工業水處理使用的膜材料絕大多數為複合材料，適應的pH值範圍較寬（連續運行情況下pH值可以控制在3～10的範圍），在此範圍內的膜通量和脫鹽率相對穩定，如圖3-20所示。

4反滲透膜預處理方法

反滲透膜過濾方式與濾床式過濾器過濾不同，濾床是全過濾方式，即原水全部通過濾層。而反滲透膜過濾是橫流過濾方式（如圖3-21反滲透膜橫向過濾示意圖），即原水中的一部分水沿與膜垂直方向透過膜，此時鹽類和各種汙染物被膜截流下來，並被沿膜與膜面平行方向流動的剩餘的另一部分原水攜帶出，但汙染物並不能完全帶出，隨著時間的推移，殘留的汙染物會會使膜元件汙染加重，而且原水汙染物及回收率越高，膜汙染越快。

1結垢控制

當原水中的難溶鹽在膜元件內不斷被濃縮且超過其溶解度極限時，它們就會在反滲透膜表面上沉澱，我們稱之為「結垢」。當水源確定後，隨著反滲透系統的回收率的提高，結垢的風險就越大。目前出於水源短缺或排放廢水對環境影響考慮，提高回收率是一種習慣做法，在這種情況下，考慮周全的結垢控制措施尤為重要。在反滲透系統中，常見的難溶鹽為CaCO3、CaSO4和SiO2，其他會產生結垢的化合物為CaF2、BaSO4、SrSO4和Ca3(PO4)2。常用的阻垢方法是加阻垢劑。我車間用的阻垢劑為納爾科的PC191，歐美的NP200。

2膠體和固體顆粒汙染的控制

膠體和顆粒汙堵會嚴重影響反滲透膜元件的性能，如大幅度降低淡水產量，有時也會降低脫鹽率，膠體和顆粒汙染的初期症狀是反滲透膜組件進出水壓差增加。

判斷反滲透膜元件進水膠體和顆粒最通用的辦法是測量水中的SDI值，有時也稱FI值（汙染指數），它是監測反滲透預處理系統運行情況的重要指標之一。

SDI（淤泥密度指數）是以單位時間內水濾過速度的變化來表示水質的汙染性。水中膠體和顆粒物的多少會影響SDI大小。SDI值可用SDI儀來測定。

3膜微生物汙染控制

原水中微生物主要包括：細菌、藻類、真菌、病毒和其他高等生物。反滲透過程中，微生物伴隨水中溶解性營養物質會在膜元件內不斷濃縮和富集，成為形成生物膜的理想環境與過程。反滲透膜元件的生物汙染，將會嚴重影響反滲透系統的性能，出現反滲透組件間的進出口壓差迅速增加，導致膜元件產水量下降，有時產水側會出現生物汙染，導致產品水受汙染。如某些火電廠反滲透裝置在檢修時發現，膜元件及淡水管側長滿綠青苔，這是一種典型的微生物汙染。

膜元件一旦出現微生物汙染並產生生物膜，對膜元件的清洗就非常困難。此外，沒有徹底清除的生物膜將引起微生物的再次快速的增長。因此微生物的防治也是預處理的最主要任務之一，尤其是對於以海水、地表水和廢水作為水源的反滲透預處理系統。

防止膜微生物的方法主要有：加氯、微濾或超濾處理、臭氧氧化、紫外線殺菌、投加亞硫酸氫鈉。在火電廠水處理系統常用的方法是加氯殺菌和在反滲透前採用超濾水處理技術。

氯作為一種滅菌劑，它能夠使許多致病微生物快速失活。氯的效率取決於氯的濃度、水的pH值和接觸時間。在工程應用中，水中餘氯一般控制在0.5～1.0mg/L以上，反應時間控制在20～30min，氯的加藥量需要通過調試確定，因為水中有機物也會耗氯。採用加氯殺菌，最佳實用pH值為4～6。

在海水系統中採用加氯殺菌與苦鹹水中的情況不同。通常海水中還有65mg/L左右的溴，當海水進行氯的化學處理時，溴會首先與次氯酸反應生成次溴酸，這樣其殺菌作用的是次溴酸而不是次氯酸，而次溴酸在pH值較高的情況下不會分解，因此，海水採取加氯殺菌效果比在苦鹹水中要好。

由於複合材質的膜元件對進水餘氯有一定要求，因此，採用加氯殺菌後，需要進行脫氯還原處理。

4有機物汙染控制

有機物在膜表面上的吸附會引起膜通量的下降，嚴重時會造成不可逆的膜通量損失，影響膜的實用壽命。

對於地表水來說，水中大多為天然物，通過混凝澄清、直流混凝過濾及活性炭過濾聯合處理的工藝，可以大大降低水中有機物，滿足反滲透進水要求。

5濃差極化控制

在反滲透過程中，膜表面的濃水與進水之間有時會產生很高的濃度梯度，這種現象稱為濃差極化。產生這種現象時，在膜表面會形成一層濃度比較高、比較穩定的所謂「臨界層」，它妨礙反滲透過程的有效進行。這是因為，濃差極化會使膜表面溶液滲透壓增大，反滲透過程的推動力會降低，導致產水量和脫鹽率均降低。濃差極化嚴重時，某些微溶鹽會在膜表面沉澱結垢。為避免濃差極化，有效的方法是使濃水的流動始終保持紊流狀態，即通過提高進水流速來提高濃水流速的方法，使膜表面微溶鹽的濃度減少到最低值；另外在反滲透水處理裝置停運後，應及時衝洗置換濃水側的濃水。

反滲透技術的特點：

1、反滲透的脫鹽率高，單只膜的脫鹽率可達99%，單級反滲透系統脫鹽率一般可穩定在90%以上，雙級反滲透系統脫鹽率一般可穩定在98%以上。

2、由於反滲透能有效去除細菌等微生物、有機物，以及金屬元素等無機物，出水水質極大地優於其它方法。

3、反滲透制純水運行成本及人工成本低廉，減少環境汙染。

4、減緩了由於源水水質波動而造成的產水水質變化，從而有利於生產中水質的穩定，這對純水產品質量的穩定有積極的作用。

5、可大大減少後續處理設備的負擔，從而延長後續處理設備的使用壽命。

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