桂林两会一节:17.1 反渗透法

第十七章 膜分离法
17-1 反渗透法
17-1-1 反渗透原理
溶剂透过某种半透膜的过程叫做渗透。
渗透压——阻止渗透外加的最小压力

i──范特霍夫系数，表示溶质的离解状态，其值等于l或大于1，当完全离解时， i等于阴、阳离子的总数，对非电解质则 i＝1。
──渗透压力, Pa;
R──理想气体常数，Pa.L/mol·K
C──溶质的浓度，mol/L；
T──绝对温度，K；

          与理想气体状态方程相似
例：求0.1M液250C时的渗透力，设i=1

1标准大气压（atm）=101.325kpa=760mm汞高 × 13.6
=1033.6cm水高（10.336m水柱高）
1pa=0.102mm水柱高
248kp=248000 ×0.102=25.3(m)水柱高
（1mm水柱=9080665pa）
如果在溶液一例施加大于渗透压的压力，则溶液中的水就会透过半透膜，流向纯水一侧，溶质则被截留在溶液一侧，这种作用称为反渗透(图17-9(b))。
例：海水的渗透压≈25kg/cm2
=25×0.96784×101.325
=2451.66 kpa
1 atm=1.033工程大气压（kg/cm2）
1 工程大气压=0.96784（atm）
1 atm=101.325 kpa
17-1-2、反渗透膜
反渗透膜的种类很多，通常以制膜材料和膜的形式或其它方式加以命名。目前研究得比较多和应用比较广的是醋酸纤维素膜和芳香族聚酰胺膜两种，其它类型的膜材料也不断地研制出来。现将具有代表性的各种反渗透膜的透水和脱盐性能列于表17-2。
表17-2  几种反渗透膜的透水和脱盐性能
品               种
测试条件
透水量（m3/m2.d)
脱盐率(%)
CA2.5膜
CA3超滤膜
CA3中空纤维膜
醋酸丁酸纤维素膜
CA混合膜（二醋酸和三醋酸纤维膜）
醋酸丙酸纤维素膜
芳香聚酰胺膜
聚乙烯亚胺膜（异氰酸脂改性膜）
聚苯并咪唑膜
硫化聚苯醚膜
1%NaCl,4.9MPa
海水，9.8MPa
海水,5.88MPa
海水,9.8MPa
3.5%NaCl,9.8MPa
3.5%NaCl,9.8MPa
3.5%NaCl,9.8MPa
3.5%NaCl,9.8MPa
0.5%NaCl,3.92MPa
苦咸水,7.35MPa
0.8
1.0
0.4
0.48
0.44
0.48
0.64
0.81
0.65
1.15
99
99.8
99.8
99.4
99.7
99.5
99.5
99.5
95
98
(1)　醋酸纤维素膜(简称CA膜)
以醋酸纤维素为成膜物质，丙酮为溶剂，加入过氯酸镁[Mg(C1O4)2]或甲酰胺[HCONH2]为添加剂(发孔剂或溶胀剂)，按一定比例配制而成。CA膜的外观为乳白色或淡黄色的含水凝胶，膜厚100~250 ，它是由致密的表皮层和多孔支撑层组成。表皮层是脱盐面，厚0.25~1μm，其孔隙率为12~14%，微孔孔径小于100 。多孔支撑层为海绵状，孔隙率为50~60％，微孔孔径100~1000 ，此层起支撑表皮层的作用。 该膜多用于脱盐。
影响CA膜工作性能的因素有温度、pH值、工作压力、进液流速和工作时间等。进水温度增高透水量增加，在15~30℃工作温度范围内，水温每提高l℃，透水量约增加3.5%，但是CA膜在水中会水解，温度愈高，水解速度愈快。此外，水解速度还与pH值有关，在pH＝4.5~5时最小。所以供水温度一般以20~30℃为宜，pH值范围为3~7，以在酸性中工作为好。
(2)　芳香族聚酰胺膜  这种膜的主要成膜材料为芳香聚酰胺，以二甲基乙酰胺为溶剂，硝酸捏或氯化铿为添加剂制成。它是一种非对称结构的膜。制成中空纤维膜时，其外径45~85μm，内径24~42μm，表皮层厚0.1~1.0μm。这类反渗透膜具有良好的透水性能；（1）较高的脱盐率、工作压力低(2.74MPa即可)、机械强度好、化学稳定性好。（2）能在pH值为4~11范围内使用。 （3）机械强度好、耐压实、寿命较长，但对Cl2的适应性差。（4）可制成中空纤维 外径φ45～85μm ,内径φ24～42μm 。
(3)　聚苯并咪唑膜 简称为PBI膜，其特点是在高温时透水性能好。在21~90℃温度范围内，PBI膜的透水量随温度上升而提高；而当温度升高到90℃时，FBI膜的透水量将将到零。
17-1-3、反渗透装量
反渗透装置主要有板框式、管式、螺旋卷式和中空纤维式四种。
(1)　板框式反渗透装置  在多孔透水板的单侧或两侧贴上反渗透膜，即构成板式反掺透元件。再将元件紧粘在用不锈钢或环氧玻璃钢制作的承压板两侧。然后将几块或几十块元件成层叠合(图17-10) ，用长螺栓固定，装入密封耐压容器中，按压滤机形式制成板式反渗透器。这种装置的优点是结构牢固、能承受高压、占地面积不大；其缺点是液流状态差、易造成浓差极化、设备费用较大、清洗维修也不太方便。
(2)　管式反渗透装置  这种装置是把膜装在(或者将铸膜液宜接涂在)耐压微孔承压管内侧或外侧，制成管状膜元件，然后再装配成管束式反渗透器(图17-11) 。这种装置为优点是水力条件好，适当调节水流状态就能防止膜的砧污和堵塞，能够处理合悬浮物的镕液，安装、清洗、维修都比较方便。它的缺点是：单位体积的膜面积小、装置体积大、制造的费用较高。
(3)　螺旋卷大反渗透装置  这种装置图如书本P234 图17-2 17-3 所示。它是在两层反渗透膜中间夹一层多孔支撑材料(柔性格网)，并将它们的三端密封起来人再在下面铺上一层供废水通过的多孔透水格网，然后将它们的一端粘贴在多孔集水管上／绕管卷成螺旋卷简便形成一个卷式反渗透膜组件。最后把几个组件串联起来，装入圆筒形耐压容器中，便组成螺旋卷式反渗透器。这种反渗透器的优点是单位体积内膜的装载面积大、：结构紧凑、占地面积小；缺点是容易堵塞、清洗困难，因此，对原液的预处理要求严格。
(4)　中空纤维式反渗透装置这种装置中装有由制膜液空心纺丝而成的中空纤维管，管的外径为50~l00Am，壁厚12~25μm，管的外径与内径之比约为2：1。将几十万根中空纤维膜弯成U字形装在耐压容器中，即可组成反渗透器(图17-13) 。这种装置的优点是单位体积的膜表面积大、装备紧凑；缺点是原液预处理要求严，难以发现损坏了的膜。
以上四种反渗透器的主要性能指标列于表17-3。表中透水量系指原液合NaCl500ppm，除盐率为92~96%时的运水量。
表17-3  各种反渗透性能的比较
类    型
膜的装填密度
(m2/m3)
操作压力
(MPa)
透 水 量
(m3/m2.d)
单位产水量
(m3/m3.d)
板 框 式
管    式
螺旋卷式
中空纤维式
493
330
660
9200
5.49
5.49
5.49
2.74
1.02
1.02
1.02
0.075
500
336
673
690
17-1-4、反渗透处理系统的计算
反渗透处理系统的设计必须掌握进水组成及其变化、水温以及渗透压等原始资料。用于废水处理时，设计规模按进水流量确定，主要计算内容如下：
(1)　出水水质 反渗透处理系统中溶质质量平衡共系式如下：
(17-11)
式中     Qg、Ql、Qd──分别为供水、浓水和淡水流量；
Cg、Cl、Cd──分别为相应的浓度。 浓水侧溶质的平均浓度Cp可用下式表示：
（17-12）
令溶质的平均去除率(或者排斥度)为 ƒp则：
Cd = Cp ( 1 - ƒp )　　　　(17-13)
由于Cd值很小，故可假定Cd＝0，由式(17-11)和(17-12)可推导出下式：
(17-14) (17-15)
式中　  Y──水的回收率，Y＝Qd/Qg＝l-Cg/Cl。
在已知，Q、Cg、 ƒp 及取定Y值的条件下，由公式(17-15)初算出Cd值代入公式(17-12)计算出Cp，再将Cp值代人公式(17-12)计算Cp，再将Cp值代入公式(17-13)，第二次算出Cd。如此反复，即得到较精确的Cd值。
平均除盐率 ƒp可经验选定，对CA膜可取95%。如果出水水质(淡水浓度Cd)事先给定，则计算变成调整回收率去满足出水水质要求的问题。
(2)　膜面积  膜面积A(cm2)由下式计算：
(17-16)
式中　　  Qg──供水流量g/s;
q──膜的平均透水率g/cm2.s，可按下式计算：
(17-17)
式中　　Kw──膜的水渗透系数，g/cm 2.s·MPa；
──供水压力与淡水压力的差值，MPa；
──供水与淡水的渗透压力差，MPa.
实际使用的工作压力一般比渗透压大3~10倍。 Kw值与膜的种类、制造工艺和厚度等有关，由实验测得。
(3)　膜的透盐量可按照下式计算： (17-18)
式中　　  Fy──透盐量，g/cm2．s；
Py ──溶质在膜内的扩散系数(也称透压系数)，cm2/s；
δ──膜的有效厚度，cm；
ΔC──供水和淡水的浓度差，g/cm3；
β ──膜的透盐常数，表示特定膜的透盐能力，cm/s，
(4)　盐的去除率f(排斥度)可按下式计算：
(17-19)
17-1-5、反渗透法在废水处理中的应用实例
(1)　反渗透法处理酸性尾矿水废水经过滤后，用高压泵送进反渗透器，产出的淡水加碱调整pH值后即可作为工业用水，若再经过滤和消毒后还可作为饮用水。浓缩水部分循环，部分用石灰中和沉淀。废水中的CaS04容易沉淀，可站污、堵塞反渗透膜，所以反渗透器的进水应控制废水与沉淀池返回来的上清液之比为10:1。同时，应使水流处于湍流状态，以便防止边界层沉淀。反渗透处理结果见表17-4，操作压力为4.21MFa，水的回收率为75%。
表17-4  反渗透法处理酸性尾矿水的结果
项       目
pH值
溶     解     质(mg/L)
酸
Ca2+
Mg2+
Al3+
Fe2+
SO2-4
TDS
原废水
混合废水
浓水
产出淡水
溶质去除率（%）
2.7
2.6
2.4
2.4
644
1090
2330
6.0
99.6
115
184
400
2.0
99.3
38
66
146
0.9
99.2
38.5
74
153
3.1
97.3
150
277
566
0
100.0
936
1890
2810
4.2
99.8
1280
2491
4075
10
(2) 纸浆及造纸厂废水处理生产试验表明，反渗透沦可降低造纸厂废水中的BOD5约70~80％，COD约85~90％，色度约96~98%，钙约96~97%。据报导，在工作压力为3.14MPa时可去除纸浆废水中的BOD5达94%，氯化物92％，水的回收率80%，处理后的水无色无臭，可回用于生产。
(3) 丝绸染整厂废水处理国内几家工厂的实践说明，用外压管束式反渗透装置处理丝绸染整废水，脱色率达98％以上，BOD5去除率达80~90％，COD去除率85~98％，出水清亮透明，可返回生产使用。此法占地面积小；处理成本低。
首页未页