反滲透膜分離技術的發展

發布時間: 2008-04-23 13:15:04   作者:本站編輯   來源: 本站原創   瀏覽次數:

  近來,物理化學處理技術、光照射技術及膜過濾技術已形成三大水處理技術。在這些技術中引人注目的是膜分離法污水處理技術。膜分離是通過膜對混合物中各組分的選擇滲透作用的差異,以外界能量或化學位差為推動力對雙組分或多組分混合物的氣體或液體進行分離、分級、提純和富集的方法。而反滲透膜分離技術作為當今世界水處理先進的技術,具有清潔、高效、無污染等優點,已在海水淡化、城市給水處理、純水和超純水制備、城市污水處理及利用、工業廢水處理、放射性廢水處理等方面得到廣泛的應用。

  膜分離技術作為新的分離凈化和濃縮方法,與傳統分離操作(如蒸發、萃取、沉淀、混凝和離子交換樹脂等)相比較,過程中大多無相變化,可以在常溫下操作,具有能耗低、效率高、工藝簡單、投資小等特點。膜分離技術應用到污水處理領域,形成了新的污水處理方法,它包含微濾(MF)、超濾(UF)、滲析(D)、電滲析(ED)、納濾(NF)、和反滲透(RO)等。

  1 反滲透膜發展概況
  膜廣泛的存在于自然界中,特別是生物體內。人類對于膜現象的研究源于1748年,但是人類對它的認識和研究則較晚。1748年,Abbe Nollet觀察到水可以通過覆蓋在裝有酒精溶液瓶口的豬膀肌進入瓶中時,發現了滲透現象。然而認識到膜的功能并用于為人類服務,卻經歷了200多年的漫長過程。人們對膜進行科學研究則是近幾十年來的事。其發展的歷史大致為;30年代微孔過濾;40年代透析;50年代電滲析;60年代反滲透;70年代超濾和液膜;80年代氣體分離;90年代滲透汽化。

  在國外,其發展概況為:1953年美國的Reid 提出從海水和苦鹽水中獲得廉價的淡水的反滲透研究方案,1960年美國的Sourirajan 和Leob 教授研制出新的不對稱膜,從此RO作為經濟的淡化技術進入了實用和裝置的研究階段。20世紀70年代初期開始用RO法處理電鍍污水,首先用于鍍鎳污水的回收處理,此后又應用于處理鍍鉻、鍍銅、鍍鋅等漂洗水以及混合電鍍污水。1965年英國首先發表了用半透膜處理電泳涂料污水的專利。此后美國P.P.G公司提出用UF和RO的組合技術處理電泳涂料污水,并且實現了工業化。1972-1975年J J .Porter 等人用動態膜進行染色污水處理和再利用實驗。1983年L.Tinghuis等人發表了用RO法處理染料溶液的研究結果。1969年美國的J . C. V Smith 首先報道了處理城市污水的方法。30年來,反滲透(RO)技術先后在含油、脫脂廢水、纖維工業廢水、造紙工業廢水、放射性廢水等工業水處理、苦咸水淡化、純水和高純水制備、醫藥工業和特殊的化工過程和高層建筑廢水等各類污水處理中得到了廣泛的應用。尤其是近幾年,一些新型的膜法污水處理技術逐一問世,如膜蒸餾、液膜、膜生化反應器、控制釋放膜、膜分相、膜萃取等。

  在我國,膜技術的發展是從1958年離子交換膜研究開始的。1958年開始進行離子交換膜的研究,并對電滲析法淡化海水展開了試驗研究;1965年開始對反滲透膜進行探索,1966年上海化工廠聚乙烯異相離子交換膜正式投產,為電滲析工業應用奠定了基礎。1967年海水淡化會戰對我國膜科學技術的進步起了積極的推動作用。1970年代相繼對電滲析、反滲透、超濾和微濾膜及組件進行研究開發,1980年代進入推廣應用階段。1980年代中期我國氣體分離膜的研究取得長足進步,1985年中國科學院大連化物所,首次研制成功中空纖維N2/H2分離器,主要性能指標接近國外同類產品指標,現己投入批量生產,每套成本僅為進口裝置的1/3。進入90年代以來,復合膜的制備取得了較大進展。

  2 反滲透膜分離技術基本理論
  反滲透膜分離法的基本特點是其推動力為壓力差(1-10MPa),傳質機理一般認為是溶劑的擴散傳遞,透過膜的物質是水溶劑,截留物為溶質、鹽(懸浮物、大分子、離子),膜的類型為非對稱膜或復合膜。反滲透的選擇透過性與組分在膜的溶解、吸附和擴散有關,因此除與膜孔大小結構有關外,還與膜的化學、物理性質有密切關系,即與組分和膜之間的相互作用密切相關。

  2.1 反滲透原理
  滲透現象早在1748年已由Abbe Nollet首次得到證明,直到20世紀50年代,科學家們才開始利用反滲透或超濾作為溶液中溶質和溶劑的有效分離方法,并使其成為一種實驗室技術。
滲透是指一種溶劑(即水)通過一種半透膜進入一種溶液或是從一種稀溶液向一種比較濃的溶液的自然滲透。但是在濃溶液一邊加上適當的壓力,即可使滲透停止,此時的壓力稱為該溶液的滲透壓。若在濃溶液一邊加上比自然滲透壓更高的壓力,扭轉自然滲透方向,把濃溶液中的溶劑(水)壓到半透膜的另一邊稀溶液中,這是和自然界正常滲透過程相反的,此時就稱為反滲透。
這就說明,當對鹽水一側施加的壓力超過水的滲透壓時,可以利用半透膜裝置從鹽水中獲取淡水。因此,反滲透過程必須具備兩個條件:一是必須有一種高選擇性和高滲透性(一般指透水性)的選擇性半透膜,二是操作壓力必須高于溶液的滲透壓。

  3 反滲透膜的主要性能參數與運行工況條件
  3.1 反滲透的主要性能參數
  1) 透水率。是指單位時間透過單位膜面積的水量。主要取決于膜的材質和結構等因素,但一定的反滲透膜其透水率則取決于運行條件;a. 透水率隨溫度的升高而增加,隨工作壓力的增加成比例的上升;b. 透水率隨進水濃度的增加而下降;c. 透水率隨回收率的增加而下降。
  2) 回收率。即供水對滲透液的轉換率,直接影響除鹽系統的成本。對于苦鹽水的回收率大約為90 %;高苦鹽水降為60 %-65 %;工業海水系統回收率是35 %-45 %。
  3) 膜通量。是表明通過膜表面的一個特定區域的水流速度。

  3.2 反滲透裝置的運行工況條件
  為了確保反滲透裝置安全可靠運行,選擇一定適宜的工況條件是非常必要的。反滲透裝置的主要工況條件為進水pH值、進水溫度與運行壓力。
  1) 進水pH 值。對于醋酸纖維膜運行時,水以偏酸性為宜,pH值一般控制在4~7之間,在此范圍外加速膜的水解與老化。目前認為pH值在5-6 之間最佳。膜的水解不僅會引起產水量的減少,而且會造成膜對鹽去除能力的持續性降低,直至膜損壞為止。
  2) 進水溫度對產水量有一定的影響,溫度增加1 ℃,膜的透水能力增加約2.7 %。反滲透膜的進水溫度底限為5℃-8℃,此時的滲濾速率很慢。當溫度從11℃升至25℃時,產水量提高50 %。但當溫度高于30℃時,大多數膜變得不穩定,加速水解的速度。一般醋酸纖維膜運行與保管的最高溫度為35℃,宜控制在25℃-35℃之間。
  3) 運行壓力。滲透壓與原水中的含鹽量成正比,與膜無關。提高運行壓力后,膜被壓密實,鹽透過率會減少,水的透過率會增加,提高水的回收率。但當壓力超過一定限度時會造成膜的老化,膜的變形加劇,透水能力下降。

  3.3 影響反滲透運行參數的主要因素
  膜的水通量和脫鹽率是反滲透過程中關鍵的運行參數,這兩個參數將受到壓力、溫度、回收率、給水含鹽量、給水PH值因素的影響。
  (1)壓力
  給水壓力升高使膜的水通量增大,壓力升高并不影響鹽透過量。在鹽透過量不變的情況下,水通量增大時產品水含鹽量下降,脫鹽率提高了。
  (2)溫度
  溫度對反滲透的運行壓力、脫鹽率、壓降影響最為明顯。溫度上升,滲透性能增加,在一定水通量下要求的凈推動力減少,因此實際運行壓力降低。同時溶質透過速率也隨溫度的
升高而增加,鹽透過量增加,直接表現為產品水電導率升高。
溫度對反滲透各段的壓降也有一定的影響,溫度升高,水的粘度降低,壓降減少,對于膜的通道由于污堵而使湍流程度增強的裝置,粘度對壓降的影響更為明顯。
  (3)回收率
  回收率對各段壓降有很大的影響,在進水總流量保持一定的條件下,回收率增加,由于流經反滲透高壓側的濃水流量減少,總壓降降低,回收率減少,總壓降增大,實際運行表明,回收率即使變化很小,如1%,也會使總壓差產生0. 02MPa左右的變化。回收率對產品水電導率的影響取決于鹽透過量和產品水量,一般說來,系統回收率增大,會增加濃水中的含鹽量,并相應增加產品水的電導率。
  (4)進水含鹽量
  對同一系統來說,給水含鹽量不同,其運行壓力和產品水電導率也有差別,給水含鹽量每增加l00ppm,進水壓力需增加約0.007MPa,同時由于濃度的增加,產品水電導率也相應的增加。
  (5)pH值
  各種膜組件都有一個允許的pH值范圍,即使在允許范圍內,pH值對產品水的電導率也有一定的影響,這是因為反滲透膜本身大都帶有一些活性基團,pH值可以影響膜表面的電場進而影響到離子的遷移,另一方面pH值對進水中雜質的形態有直接影響,如對可離解的有機物,其截留率隨pH值的降低而下降。

  4 反滲透的流程
  反滲透的流程是由反滲透的設計依據確定的。
  4.1 反滲透的流程的設計依據
  RO過程應視為一個總的系統,它包含各組成部分及依據。這些依據可作為設計RO系統時的入門指南。每一部分與每一交接處都將有合宜的操縱開關及連接,以保證系統的長期使用性能即可靠性。每一部分及每一系統均有可考慮滿足各個用戶需要的經濟/性能的折中辦法。我們沿與流程相反的方向來討論:
  ①最終用途:首先的考慮是產品水的具體用途,它決定了為滿足用戶需要的水質和水量。對飲用水,通常要求滿足公共衛生標準或世界衛生組織標準。對超純電

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