反渗透法

reverse osmosisRO指的是在半透膜的原水一侧施加比溶液渗透压高的外界压力,原水透过半透膜时,只允许水透过,其他物质不能透过而被截留在膜表面的过程。

基本信息

  • 中文名称

    反渗透法

  • 外文名称

    reverse osmosisRO

  • 特    点

    只允许水透过

  • 解    释

    优先吸附-毛细孔流理论等

  • 反渗透原理

    反渗透法通常又称超过滤法,该法是利用只允许溶剂透过、不允许溶质透过的半透膜,将海水与淡水分隔开的。在通常情况下,淡水通过半透膜扩散到海水一侧,从而使海水一侧的液面逐渐升高,直至一定的高度才停止,这个过程为渗透。此时,海水一侧高出的水柱静压称为渗透压。如果对海水一侧施加一大于海水渗透压的外压,那么海水中的纯水将反渗透到淡水中。反渗透法的最大优点是节能。它的能耗仅为电渗析法的1/2,蒸馏法的1/40。因此,从1974年起,美日等发达国家先后把发展重心转向反渗透法。

    机理解释

    对反渗透膜脱盐机理解释很多,到目前为止,较公认的机理主要有:

    (1)氢键理论:氢键理论最早是由雷德(Reid)等提出的。也叫孔穴式与有序式扩散(hole type-alignment type diffusion)理论,是针对乙酸纤维膜提出的模型。此模型认为当水进入乙酸纤维膜的非结晶部分后,和羧基的氧原子发生氢键作用而构成结合水。这种结合水的结合强度取决于膜内的孔径,孔径越小结合越牢。由于牢固的结合水把孔占满,故不与乙酸纤维膜以氢键结合的溶质就不能扩散透过,但与膜能进行氢键结合的离子和分子(如水、酸等)却能穿过结合水层而有序扩散通过。

    (2)优先吸附-毛细孔流理论:该理论是索里拉金(Sourirajan)在Gibbs吸附方程的基础上提出的,他认为在盐水溶液和聚合物多孔膜接触的情况下,膜界面上有优先吸附水而排斥盐的性质,因而形成一负吸附层,它是一层已被脱盐的纯水层,纯水的输送可通过膜中的小孔来进行。纯水层厚度既与溶液的性质(如溶质的种类、溶液的浓度等)有关,也与膜的表面化学性质有关。索里拉金认为孔径必须等于或小于纯水层厚度的二倍,才能达到完全脱盐而连续地获得纯水,但在膜孔径等于纯水层厚度二倍时工作效率最高。根据膜的吸附作用有选择性,可以推知膜对溶质的脱除应有选择性。

    特性

    反渗透方法可以从水中除去90 %以上的溶解性盐类和99 %以上的胶体微生物及有机物等。尤其以风能、太阳能作动力的反渗透净化苦咸水装置,是解决无电和常规能源短缺地区人们生活用水问题的既经济又可靠的途径。反渗透淡化法不仅适用于海水淡化,也适合于苦咸水淡化。现有的淡化法中,反渗透淡化法是最经济的,它甚至已经超过电渗析淡化法。由于反渗透过程的推动力是压力,过程中没有发生相变化,膜仅起着"筛分"的作用,因此反渗透分离过程所需能耗较低。在现有海水和苦咸水淡化中,反渗透法是最节能的。反渗透膜分离的特点是它的"广谱"分离,即它不但可以脱除水中的各种离子,而且可以脱除比离子大的微粒,如大部分的有机物、胶体、病毒、细菌、悬浮物等,故反渗透分离法又有广谱分离法之称。

    优点

    与其他水处理方法相比具有无相态变化、常温操作、设备简单、效益高、占地少、操作方便、能量消耗少、适应范围广、自动化程度高和出水质量好等优点。反渗透法脱盐率及产水纯净程度都比电渗析法高,出水水质优于我国《生活饮用水卫生标准》,对高氟低矿化度苦咸水通过反渗透法淡化,出水水质可达到我国《饮用纯净水卫生标准》。有资料表明,反渗透法淡化苦咸水的能耗---电耗、水耗均低于电渗析法,而且反渗透法设备结构紧凑、占地面积小、运行效果稳定可靠、符合"清洁生产"要求,反渗透法是较其他方法更为合理、有效的苦咸水淡化方法。

    采用反渗透法对不同含盐量的苦咸水进行脱盐淡化,淡化过程中,系统运行稳定。系统的脱盐率达96 %以上,淡化水水质达到国家生活饮用水标准。反渗透系统苦咸水淡化装置具有较强的适应性,可根据原水的水质情况,调整运行参数来实现对不同含盐量的苦咸水连续进行处理。该装置高度集成化,可望成为定型的成套设备。

    缺点

    需要高压设备,原水利用率只有75-80%。膜要定期清洗。

    应用

    反渗透法是20世纪50年代美国政府援助开发的净水系统。60年代用于反渗透法
    反渗透装置海水淡化。1981年美国曾将反渗透制造的纯水作为航天员的循环饮用水,因此用反渗透处理的纯水又称太空水。采用反渗透法制造纯净水的优点是脱盐率高,产水量大,化学试剂消耗少,劳动强度低,水质稳定,离子交换树脂寿命长,终端过滤器寿命长。反渗透技术在未来20年内将是最有效、最关键的水处理方式。这就是说纯水机的诞生无疑是饮用水市场发展的必然规律。

    实现

    在水处理方面使用反渗透技术在全世界的公认度:

    1、Harvard美国哈佛大学医学院检验合格。

    2、美国国家卫生试验所检验标准。

    National Sanitation Foundation Testing Laboratory Seal

    3、美国LOMA LINDA大学医学院检验合格。

    4、美国加洲ORANGE COUNTY自来水管理局奖赏。

    5、Dr.T.C.McDANIEL美国医学学会推荐。

    6、Wcts检验合格。

    7、CCEL检验超标准。

    8、NASA美国太空总署采用航天飞机装备。

    9、Coca cola(可口可乐)公司采用。

    10、美国海军采用使海水变淡水。

    工艺流程

    常规反渗透法工艺流程是:原水→预处理系统→高压水泵→反渗透膜组件→净化水。其中预处理系统视原水的水质情况和出水要求 可采取粗滤、活性炭吸附、精滤等,精滤必不可少,是为了保护反渗透膜、延长其使用寿命而设立的,另外,复合膜对水中的游离氯非常敏感,因而预处理系统中通常都配备活性炭吸附。

    预处理

    给水预处理对反渗透法安全运行是至关重要的。无论地表水或地下水,都含有一些可溶或不可溶的有机物和无机物。虽然反渗透能截留这些物质,但反渗透主要是用来脱盐。如果反渗透给水中含有过多的浊度、悬浮物质,这些物质将会淤积在膜表面上,此外还可使水中硬度过高而结垢,这些将使流道堵塞,造成膜组件压差增大、产水量和脱盐率下降,甚至使膜组件报废的严重结果。另外不同膜材料具有不同的化学稳定性,它们对p H、余氯、温度、细菌、某些化学物质等的稳定性也有很大的影响,对给水预处理的要求也不同。一般来讲,膜组件生产厂商均会提出给水水质指标。这些指标包括:

    (1) 淤泥密度指数( S D I) 。该指数能较好地反映给水中胶体、浊度和悬浮物的含量,给水预处理后, S D I 越低对膜组件的使用年限越长, 一般要求S D I ≤4 。降低给水中的S D I ,可采取絮凝、沉淀、过滤等方法。

    (2) p H。复合膜耐p H 范围较宽(2~11) ,而三醋酸纤维素耐p H 范围较窄(3~8) ,超过规定范围膜易水解。调节p H 的另一个目的是降低给水中的碱度。

    (3)碱度。碱度是度量水样中和酸的能力,能与酸中和的物质是氢氧根离子、碳酸盐、碳酸氢盐、硅酸盐和磷酸盐等,碱度与氢氧化物和碳酸盐结垢有密切关系。碱度过高就必须用酸中和加以破坏。

    (4) 温度。不同膜材料的耐温能力有所不同。如复合膜耐温可高达45 ℃,而三醋酸纤维膜则不能超过35 ℃,水温度过高还会增加膜的压密性,膜组件产水量会大大下降。此外较高的水温( 超过25 ℃) 会加速细菌的繁殖,这时更要注意灭菌措施。

    (5) 铁锰的含量。铁、锰易造成膜面上污垢的沉积。

    (6) 硫酸盐。硫酸盐(如CaSO4 ) 不易清除,当硫酸盐和钙、镁含量较高时,必须注意加防垢剂,严格控制水的回收率。

    (7) 硬度。硬度主要指钙离子和镁离子的含量,它是碳酸盐垢和硫酸盐垢的主要成分。通过计算水中Lange2lier 饱和指数、Stiff 和Davis稳定指数可判断结垢的趋势。

    (8)余氯。加氯灭菌也是反渗透淡化过程中不可少的过程,但不同膜材料的耐氯性有很大的差别。三醋酸纤维素耐氯性能较好,可耐1. 0 mg/ L 的余氯,而复合膜则只能在低于0. 1 mg/ L 下运行。通过加入亚硫酸氢钠可以降低余氯。

    (9)总有机碳( TOC) 。TOC 过多可能引起微生物的污染,特别是经过杀菌消毒过程,如水温较高,消毒分解的有机物,正是细菌的饵料,以致残存的细菌繁殖更快,醋酸纤维素膜对此非常敏感。降低给水中的TOC ,可通过活性碳吸附。

    淡化系统

    虽然反渗透系统运行已证明是可靠的,但产生的故障报道也不少,如给水预处理不当、没有按规定控制各种运行参数,均系操作不当引起。因此,反渗透淡化系统安全运行必须注意以下问题:

    (1) 定期测试S D I 指数。S D I 过高,会造成膜组件的不可逆污染,缩短组件的寿命。

    (2) 控制回收率。回收率过高,一方面使难溶盐的组分超过溶度积而结垢,另一方面组件里的浓水流速过低,易于产生浓差极化引起结垢,同时不利于把水中胶体、悬浮物等排出。

    (3) 注意膜组件的压差。膜组件的初期压差是很小的,如若压差增大较快,预示膜组件被污染或结垢,必须查出原因,并予以纠正。

    (4) 注意产水量和脱盐率的变化,通常与压差变化同时出现。如在短时间内,产水量和脱盐率明显变化,必须检查预处理系统运行是否正常,如加药量是否合适、过滤器是否漏砂等。

    苦咸水

    (1)反渗透系统对二价及多价阳阴离子的截留效果高于单价离子(表1) 。

    表1 阴、阳离子截留率( %)

    阳离子阴离子

    Fe3 + Ca2 + Mg2 + K+ Na + SO2 -4 Cl - F - HCO -3

    100. 0 98. 8 99. 5 98. 5 96. 5 98. 4 96. 4 96. 0 94. 7

    (2 )反渗透系统对水质极差的SO4 ·Cl2Na ·Mg型和SO4 ·Cl2Na 型苦咸水中的溶解性总固体、总硬度、铁、锰、钙、镁、钾、钠、硫酸盐、氯化物、二氧化硅等无机盐的去除率为96 %~100 %;总硬度、氯化物、硫酸盐、溶解性固体等指标去除率大于 98 % ,出水水质优于国家和国际水质标准.

    (3)反渗透系统对人体健康危害较大的氟化物去除率为96 % ,六价铬去除率为92. 5 %。

    (4)反渗透系统对污染性及毒理学指标、耗氧量、N H32N、NO22N 、NO32N、砷去除率40 %~83 %,低于上述无机盐类去除率,但原水中污染性指标含量相对较低,40 %~83 %的去除率完全可以满足生活饮用水卫生标准要求。

    (5) 苦咸水中,微生物含量在地表水、地下水中差异较大,反渗透系统对细菌总数检测的去除率从44. 6 %提高到93. 2 % ,去除效果明显。

    (6) 原水中毒理学指标及部分理化指标如铜、锌、铅、铬、镉、银、汞、硒、氰、挥发酚类、三氯甲烷、四氯化碳、苯并(a) 芘、滴滴涕、六六六含量均较低,大都低于检验方法的检出下限,不做加标检验,难以从运行水质指标中确定反渗透器对它们的去除效果,但根据中国预防医学科学院环境卫生监测所1997年7 月对一些反渗透装置加标检验报告来看,上述指标的去除率绝大部分达到100 %。

    其他应用

    锅炉补给水、除盐水设备------各种蒸汽锅炉、火力发电厂、热水炉、石化热力锅炉等补给水。

    中水、废水回用设备------石油化工、钢铁、市政、纺织印染等工业领域的中水、废水回用。

    电子工业用超纯水设备------单晶硅、半导体晶片切割制造、半导体芯片、半导体封装、引线框架、集成电路、液晶显示器、导电玻璃、显像管、线路板、光通信、电脑元件、电容器洁净产品及各种元器件等生产工艺用纯水。

    一般工业用纯水设备-----镀膜玻璃、电镀、表面涂装、纺织印染、工业配液、工业产品清洗等用水。

    生物医药行业用纯水设备-----针剂、粉针剂、大输液、生化制品用水、医用无菌水、口服液等符合GMP标准。

    精细化工行业用纯水设备------化工工艺用水、化学药剂、化妆品等用纯水。

    饮料、食品行业水处理设备---饮用纯净水、蒸馏水、矿泉水、天然水、矿化水、啤酒生产用水、白酒勾兑用纯水。

    苦咸水淡化、海水淡化设备。

    膜分离设备--药物分离、回收、浓缩、提纯设备。

    生活饮用水处理、宾馆、楼宇、社区优质供水设备、直饮水工程。

    发展

    发展前景

    反渗透海水淡化技术发展很快,工程造价和运行成本持续降低,主要发展趋势为降低反渗透膜的操作压力,提高反渗透系统回收率,廉价高效预处理技术,增强系统抗污染能力等。

    发展历程

    反渗透,英文为Reverse Osmosis,它所描绘的是一个自然界中水分自然渗透过程的反向过程。早在1950年美国科学家DR.S.Sourirajan有一回无意中发现海鸥在海上飞行时从海面啜起一大口海水,隔了几秒后吐出一小口的海水。他由此而产生疑问:陆地上由肺呼吸的动物是绝对无法饮用高盐份的海水,那为什么海鸥就可以饮用海水呢?这位科学家把海鸥带回了实验室,经过解剖发现在海鸥囔嗉位置有一层薄膜,该薄膜构造非常精密。海鸥正是利用了这薄膜把海水过滤为可饮用的淡水,而含有杂质及高浓缩盐份的海水则吐出嘴外。这就是以后逆渗透法(Reverse Osmosis 简称 R.O)的基本理论架构。

    对透过的物质具有选择性的薄膜成为半透膜。一般将只能透过溶剂而不能透过溶质的薄膜视为理想的半透膜。当把相同体积的稀溶液(如淡水)和浓液(如海水或盐水)分别置于一容器的两侧,中间用半透膜阻隔,稀溶液中的溶剂将自然的穿过半透膜,向浓溶液侧流动,浓溶液侧的液面会比稀溶液的液面高出一定高度,形成一个压力差,达到渗透平衡状态,此种压力差即为渗透压。渗透压的大小决定于浓液的种类,浓度和温度与半透膜的性质无关。若在浓溶液侧施加一个大于渗透压的压力时,浓溶液中的溶剂会向稀溶液流动,此种溶剂的流动方向与原来渗透的方向相反,这一过程称为反渗透,这种装置称为反渗透装置。

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