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反渗透膜

王朝百科·作者佚名  2009-12-06
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反渗透膜

reverse osmosis membrane;reverse osmosis film

反渗透技术原理是在高于溶液渗透压的作用下,依据其他物质不能透过半透膜 而将这些物质和水分离开来。反渗透膜的膜孔径非常小,因此能够有效地去除水中的溶解盐类、胶体、微生物、有机物等。系统具有水质好、耗能低、无污染、工艺简单、操作简便等优点。 反渗透系统优点 1、连续运行,产水水质稳定 2、无须用酸碱再生,不会因再生而停机,节省了反冲和清洗用水 3、以高产率产生超纯水(产率可以高达95%) 4、无再生污水,不须污水处理设施 5、应用于预除盐处理也取得较好的效果,能使离子交换树脂的负荷减轻松90%以上,树脂的再生剂用量也可减少90% 6、使用安全可靠,避免工人接触酸碱 7、减低运行及维修成本 8、安装简单、安装费用低廉 主要品牌反渗透膜 国内现主要应用国外反渗透膜品牌,具体品牌有: 海德能膜HYDRANAUTICS 陶氏膜DOW 东丽膜TORAY 日东电工膜NittoDenko 世韩膜SAEHAN等

用于反渗透法中制备纯水的半透膜。

一般用高分子材料制成。如醋酸纤维素膜、芳香族聚酰肼膜、芳香族聚酰胺膜。表面微孔的直径一般在0.5~10nm之间,透过性的大小与膜本身的化学结构有关。有的高分子材料对盐的排斥性好,而水的透过速度并不好。有的高分子材料化学结构具有较多亲水基团,因而水的透过速度相对较快。因此一种满意的反渗透膜应具有适当的渗透量或脱盐率。

反渗透膜应具有以下特征:(1)在高流速下应具有高效脱盐率;(2)具有较高机械强度和使用寿命;(3)能在较低操作压力下发挥功能;(4)能耐受化学或生化作用的影响;(5)受pH值、温度等因素影响较小;(6)制膜原料来源容易,加工简便,成本低廉。

反渗透膜的结构,有非对称膜和复合膜两类。当前使用的膜材料主要为三醋酸纤维素和芳香聚酰胺类。其组件有中空纤维式、卷式、板框式和管式。可用于分离、浓缩、纯化等化工单元操作,主要用于纯水制备和水处理行业中。

“反渗透法”是目前海水淡化中最有效、最节能的技术。它的装置包括去除浑浊物质的前处理设备、高压泵、反渗透装置、后处理设备、浓缩水能量回收器等。反渗透装置是其关键,而它的核心则是反渗透膜。

反渗透指的是沿与溶液自然渗透方向相反的方向进行的渗透,即溶剂从高浓度向低浓度溶液进行渗透。生物体内,膜是不同组织间的屏障。物质交换时,它只允许其中的某些通过,而排斥其他。这种对物质具有一定选择能力的膜叫做半透膜。假设有一张膜只允许淡水通过,把它放在淡水和盐水中间,在自然状态下,淡水会透过半透膜稀释盐水来减小浓度差,当高度相差一定程度时,渗透会自动停止(这个高度差产生的压强称为“渗透压”)。如果在盐水一边施加压强,使它大于渗透压,盐水中的水分子就摘迫渗人淡水一方,这就是反渗现象。只要保持足够的压强,并及时取走淡水,盐水中的水分子源源不断地透过半透膜进入淡水中,盐分就被“过滤”掉了。所谓渗透膜就是利用反渗透原理进行分离的液体分离膜。具体的说,反渗透膜上有许多小孔,孔的大小只允许水分子通过,盐类和杂质分子都比孔大而无法通过 -- 多像个筛子呀。

反渗透膜的优点是装置结构紧凑、安装简单、操作简便、能耗低,并可在常温下操作,易于工业化生产。制膜技术的关键是选择最佳材料,使其适于大规模工业化生产。孔的尺寸也是个重要因素,要让它小到最小的细菌和病毒都无法通过,才能保证水的纯净。80年代发明的复合膜,由超薄反渗透膜、多孔支撑层、织物增强自叠加而成,透水量极大,除盐率高达99%,是理想的反渗透膜。 反渗透膜在分离小分子有机化合物时也特别有效,因此对有机化工、酿造工业、三废处理等领域也得到了很好的应用。

在21世纪以前,反渗透膜技术都是被国外所垄断,而中国是直到90年代末期才开始掌握了反渗透膜的生产技术.这个历史要追述到建国初期,当时我们国家的领导人已经意识到海水淡化的前景和将来在社会中的作用。

早在1958年,石松研究员等首先在我国开展离子交换膜电渗析海水淡化研究。而在此前1953年美国C.E.Reid建议美国内务部将反渗透研究列入国家计划。

随后1967年,国家科委组织全国海水淡化会战,组织全国在水处理和分析化学、材料化学、流体力学等各个学科的精英会战海水淡化。

1970年,会战主力汇集我国浙江省的杭州市,组织了全国第一个海水淡化研究室。此期间,他们一直用电渗析技术进行海水淡化,研制成功海洋监测专用微孔滤膜,建成了世界最大的电渗析海水淡化站——西沙永兴岛海水淡化站。一度在海水淡化方面成为世界领军人物。

1982年,中国海水淡化与水再利用学会经中国科协学会部批准在杭州成立。但是,因为经历了十年浩劫,毕竟还是衰弱下去了,此时,远在大洋彼岸的美国的全芳香族聚酰胺复合膜及其卷式元件已经赫然问世。

1984年,国家海洋局以海水淡化研究室为主体,组建国家海洋局杭州水处理技术研究开发中心,中国开始对膜技术重视了,但是,美国海水淡化用复合膜及其卷式元件已经大面积商业化了,投入到了国家和民用中去了。

1992年,国家为了追赶膜方面技术与世界的差距,,国家科委军顶,以“中心”为依托,组建国家液体分离膜工程技术研究中心,并开始悄悄研制国产反渗透膜。

直到2001年,“中心”实行集团化分体管理,所辖三个控股的中外合资公司,两个中资公司和一个研发中心。

同年,杭州北斗星膜制品有限公司正式公开问世,从此,中国有了自己的反渗透膜产品,享有完全自主知识产权、由中国制造、具有民族品牌的高性能复合膜元件开始投放市场,中国成为世界上第四个掌握自主反渗透膜技术的国家。而杭州水处理下的杭州北斗星膜制品有限公司也成为全球八家自主反渗透膜生产厂家之一。也称为RO膜。我们无法去追究是工业文明还是人口无休止的增长使我们面临了这场水的危机:早在70年代中期,由于众多的河流遭到严重污染,全世界有70%的人无法保证卫生、安全地用水。淡水资源的日益匮乏,使人们一再把目光投向浩瀚的海洋,只要将导致海水又苦又咸的盐类物质从中去除,就能获得淡水。地中海中部的马耳他,建有世界上最大的反渗透海水淡化厂。海水在这里乖乖地缴械投降,变成卫生的淡水,为岛上的3万居民和前来观光的旅游者提供忠实的服务。

反渗透装置具有设备构造紧凑,占地面积小,单位产水量高,能量消耗少,去除杂质彻底,使用范围广,自动化程度高,使用操作方便,无污染等等多种优点。

反渗透机理模型有几个经典模型

1.优先吸附毛细孔模型

:弱点干态电镜下,没发现孔。湿态膜标本不是电镜的样品。

2.溶解扩散模型

:不认为有孔。

3.干闭湿开模型:

上工世纪80,90年代,国人邓宇等提出的,能够解释1和2模型的统一的现代最贴切的逆渗透机理模型。既“干闭湿开”反渗透模型,统一了两个最经典的反渗透机制模型,细孔模型,溶解扩散模型。

非加压反渗透方法上个世纪90年代,发明:用吸附渗透法加强膜的吸力,节能的脱盐,海水淡化方法。

反渗透膜技术的特点

反渗透法具有设备构型紧凑,占地面积小、单位体积产水量及能量消耗少等优点,已应用于几乎所以行业。如前所述,它是在没有相变的情况下,依靠大于渗透压的压力推动,通过膜的毛细管作用流出淡化的水,而且它还具有膜的筛分作用,能除去极小的细菌、病毒和热原。因此自从开发以来发展迅速,不仅用于海水或苦咸水的淡化,也作为锅炉补给水的预除盐和制取超纯水,离子交换前的预除盐,受到需要既能除盐又要求除去细菌、微粒等行业的欢迎。近年来,国外开始认为饮用水主要要纯而不需要靠饮用矿泉水来提供矿物质,所以它又被广泛用来处理一般的自来水从而提供优质的饮用水(俗称太空水) .

反渗透膜的保养[1]随着净水设备在水处理行业的广泛应用,反渗透膜也渐渐的被人重视。反渗透膜的成本是消费者最关心的问题之一,良好的保养,有助于延长反渗透膜的使用寿命。

新的反渗透膜元件通常浸润1%NaHSO3和18%的甘油水溶液后贮存在密封的塑料袋中。在塑料袋不破的情况下,贮存1年左右,也不会影响反渗透膜寿命和性能。当塑料袋开口后,应尽快使用,以免因NaHSO3在空气中氧化,对元件产生不良影响。因此膜应尽量在使用前开封。

设备试机完后,我们两种方法保护反渗透膜。设备试机运行两天(15~24h),然后采用2%的甲醛溶液保养;或运行2~6h后,用1%的NaHSO3的水溶液进行保养反渗透膜(应排尽设备管路中的空气,保证设备不漏,关闭所有的进出口阀)。两种方法均可得到满意的效果,第一种方法成本高些,在闲置时间长时使用,第二种保养反渗透膜的方法在闲置时间较短时使用。

衡量反渗透膜性能的主要指标1. 脱盐率和透盐率

盐透过率=产水浓度/进水浓度×100%

脱盐率=(1–产水含盐量/进水含盐量)×100%

透盐率=100%–脱盐率

膜元件的脱盐率在其制造成形时就已确定,脱盐率的高低取决于膜元件表面超薄脱盐层的致密度,脱盐层越致密脱盐率越高,同时产水量越低。反渗透对不同物质的脱盐率主要由物质的结构和分子量决定,对高价离子及复杂单价离子的脱盐率可以超过99%,对单价离子如:钠离子、钾离子、氯离子的脱盐率稍低,但也超过了98%;对分子量大于100的有机物脱除率也可过到98%,但对分子量小于100的有机物脱除率较低。

2. 产水量

产水量——指反渗透系统的产水能力,即单位时间内透过膜水量,通常用吨/小时或加仑/天来表示。

渗透流率——也是表示反渗透膜元件产水量的重要指标。指单位膜面积上透过液的流率,通常用加仑每平方英尺每天(GFD)表示。过高的渗透流率将导致垂直于膜表面的水流速加快,加剧膜污染。

3. 回收率

回收率——指膜系统中给水转化成为产水或透过液的百分比。依据预处理的进水水质及用水要求而定的。膜系统的回收率在设计时就已经确定,

回收率=(产水流量/进水流量)×100%

反渗透(纳滤)膜组件的回收率、盐透过率、脱盐率计算公式如下。

回收率= 产水量/进水量×100%

盐透过率=产水浓度/进水浓度×100%

脱盐率=(1-盐通过率)×100%

这个问题太深奥了,至今科学家们都无法完全明确解释。其实把反渗透现象理解清楚就可以。学界对于反渗透分离机理的解释主要流行以下三种理论:

1、溶解-扩散模型

Lonsdale等人提出解释反渗透现象的溶解-扩散模型。他将反渗透的活性表面皮层看作为致密无孔的膜,并假设溶质和溶剂都能溶于均质的非多孔膜表面层内,各自在浓度或压力造成的化学势推动下扩散通过膜。溶解度的差异及溶质和溶剂在膜相中扩散性的差异影响着他们通过膜的能量大小。其具体过程分为:第一步,溶质和溶剂在膜的料液侧表面外吸附和溶解;第二步,溶质和溶剂之间没有相互作用,他们在各自化学位差的推动下以分子扩散方式通过反渗透膜的活性层;第三步,溶质和溶剂在膜的透过液侧表面解吸。

在以上溶质和溶剂透过膜的过程中,一般假设第一步、第三步进行的很快,此时透过速率取决于第二步,即溶质和溶剂在化学位差的推动下以分子扩散方式通过膜。由于

膜的选择性,使气体混合物或液体混合物得以分离。而物质的渗透能力,不仅取决于扩散系数,并且决定于其在膜中的溶解度。

2、 优先吸附—毛细孔流理论

当液体中溶有不同种类物质时,其表面张力将发生不同的变化。例如水中溶有醇、酸、醛、脂等有机物质,可使其表面张力减小,但溶入某些无机盐类,反而使其表面张力稍有增加,这是因为溶质的分散是不均匀的,即溶质在溶液表面层中的浓度和溶液内部浓度不同,这就是溶液的表面吸附现象。当水溶液与高分子多孔膜接触时,若膜的化学性质使膜对溶质负吸附,对水是优先的正吸附,则在膜与溶液界面上将形成一层被膜吸附的一定厚度的纯水层。它在外压作用下,将通过膜表面的毛细孔,从而可获取纯水。

3、 氢键理论

在醋酸纤维素中,由于氢键和范德华力的作用,膜中存在晶相区域和非晶相区域两部分。大分子之间存在牢固结合并平行排列的为晶相区域,而大分子之间完全无序的为非晶相区域,水和溶质不能进入晶相区域。在接近醋酸纤维素分子的地方,水与醋酸纤维素羰基上的氧原子会形成氢键并构成所谓的结合水。当醋酸纤维素吸附了第一层水分子后,会引起水分子熵值的极大下降,形成类似于冰的结构。在非晶相区域较大的孔空间里,结合水的占有率很低,在孔的中央存在普通结构的水,不能与醋酸纤维素膜形成氢键的离子或分子则进入结合水,并以有序扩散方式迁移,通过不断的改变和醋酸纤维素形成氢键的位置来通过膜。

在压力作用下,溶液中的水分子和醋酸纤维素的活化点——羰基上的氧原子形成氢键,而原来水分子形成的氢键被断开,水分子解离出来并随之移到下一个活化点并形成新的氢键,于是通过一连串的氢键形成与断开,使水分子离开膜表面的致密活性层而进入膜的多孔层。由于多孔层含有大量的毛细管水,水分子能够畅通流出膜外。

 
 
 
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