3 反渗透膜及膜装置类型

3.1 反渗透膜类型

一般来说，反渗透膜应具备以下性能：

①单位面积上透水量大，脱盐率高；

②机械强度好，多孔支撑层的压实作用小；

③化学稳定性好，耐酸、碱腐蚀和微生物侵蚀；

④结构均匀，使用寿命长，性能衰降慢；

⑤制膜容易，价格便宜，原料充足。

影响膜性能因素[7]：

①回收率/转变率；

③压力；

④压密；

⑤浓差极化。

据此，目前较常用的膜类型有：

①醋酸纤维膜（CA膜）

CA膜又可以分为平膜、管式膜和中空纤维膜几类。CA膜具有反渗透膜所需的三个基本性质：高透水性、对大多数水溶性组分的渗透性相当低、具有良好的成膜性能。

②聚酰胺膜（PA膜）

聚酰胺膜又可以分为脂肪族聚酰胺膜、芳香聚酰胺膜（成膜材料为芳香聚酰胺、芳香聚酰胺-酰肼以及一些含氮芳香聚合物）

③复合膜

这是近些年来开发的一种新型反渗透膜，它是由很薄的而且致密的符合层与高空隙率的基膜复合而成的，它的膜通量在相同的条件下比非对称膜高约50%－100%。目前复合膜有以下几种：

a.交联芳香族聚酰胺复合膜（PA）；

b.丙烯-烷基聚酰胺和缩合尿素复合膜；

c.聚哌嗪酰胺复合膜；

d.氧化锆-聚丙烯酸复合膜。

3.2反渗透装置型式

3.2.1 板框式反渗透装置

这种形式的装置由Aerojet通用公司发展起来的，教适合于小的和低压工厂。膜支撑体在一种圆形平板上，这块平板称为多孔板，常见的有不锈钢多孔板和聚氯乙烯多孔板，产水通过多孔板汇集起来。这种装置存在以下缺点：①安装和维护费用高，②进料分布不均匀，③流槽窄，④多级膜装卸复杂，⑤单位体积中膜的比表面积低，产水量少。

尽管有这些缺点，但由于它的结构简单可靠，体积比管式装置小，在小规模的生产场所还是有一定的优势的。

3.2.2 管式反渗透装置

这种装置在实际应用中是很有意义的。它能够处理含悬浮颗粒和溶解性物质的液体，像沉淀一样在管式装置中把料液进行浓缩，运行期间系统处处都可以保持良好的排水作用，适当调节水力条件，常常可以预防溶液的浓缩弄脏或堵塞膜。其主要优缺点可以归纳如下：

优点：①能够处理含悬浮固体的溶液，②合适的流动状态就可以防止浓差极化和膜污染等，并容易调整。

缺点：①设备端部用膜较多，装置制造和安装费用较昂贵。②单位体积中膜的比表面积小。③必须把管子外部包起来。④要使用支撑材料

3.2.3 螺旋式反渗透装置

美国通用原子公司（Gulf General Atomic Co）发展了这种装置。这种螺旋式结构的中间为多孔支撑材料，两边是膜的“双层结构”，它的末端是冲孔的塑料管。双层膜的边缘与多孔支撑材料密封形成一个膜袋（收集产水），在膜袋之间再铺上一层隔网，然后沿中心管卷绕这种多层材料（膜/多孔支撑材料/膜/料液隔网），就形成了一个螺旋式反渗透组件。将卷好的螺旋式组件，放入压力容器中，就成为完整的螺旋式反渗透装置。使用这种螺旋式反渗透装置时应注意：①中心管主要褶皱处的泄露②膜及支撑材料在粘结线上发生皱纹③胶线太厚可能会产生张力或压力不均匀④支撑材料的移动会使膜的支撑不合理，导致平衡线移动⑤膜上有小孔洞，这是由于膜的质量不合格所致。

目前，美国制作螺旋式组件已实现机械化，采用一种0.91m滚压机，连续喷胶将膜与支撑材料粘密封结在一起，并滚转成螺旋式组件，牢固后不必打开即可使用。

螺旋式组件的主要优缺点是：

优点：①单位体积中膜的表面积比率大②压力导管的设计简单，具有扰性，安装和更换容易，结构可以紧密放在一起。

缺点：①料液含悬浮固体时不适宜②料液流动路线短③压力消耗高④再循环浓缩困难。

3.2.4 中空纤维式反渗透装置

美国杜邦公司和道斯化学公司提出用纯中空纤维素作为反渗透膜，制造出中空纤维式反渗透装置。这种装置类似于一端封死的热交换器，其中含有外径50μm、内径25μm；装成一种圆柱形耐压容器中，或是将中空纤维弯成U形装入耐压容器中，由于这种中空纤维极细，通常可以装填几百万根。高压溶液从容器旁打进去，经过中空纤维膜的外壁，从中空纤维管束的另一端把渗透液收集起来，浓缩后的料液从另一端连续排掉。

中空纤维式反渗透装置的主要优缺点如下：

优点：①单位体积中膜的表面积比率高，一般可达到16000－30000m2/m3，因此组件可以小型化；②膜不需支撑材料，中空纤维本身可以受压而不破裂。

缺点：①膜表面去污困难，料液需经严格预处理；②中空纤维膜一旦损坏是无法更换的。

由此我们可以给优质反渗透装置作出以下要求：

① 对膜能提供合适的支撑

② 处理溶液在整个膜面上必须均匀分布

③ 在最小能耗情况下，对处理溶液提供良好的流动状态

④ 单位体积中膜的有效面积比率高

⑤ 组件容易拆卸和更换

⑥ 便于膜的拆卸和组装

⑦ 在运行压力下，有效的工作时安全与可靠性高

⑧ 外部泄露能尽可能从压力的变化上发现

⑨ 建造、维护费用都是方便的。

目前流行的这四种装置的一些主要特性比较见表3-1

表3-1  四种反渗透装置的主要特性比较

种　类	膜装填密度m2/m3	操作压力MPa	透水量m3/m2*d	单位体积产水量m3/m3*d
板框式 管　式 螺旋式 中空纤维式	493 330 660 9200	5.6 5.6 5.6 2.8	0.2 1.02 1.02｀ 0.073	500 336 673 673

注：原料液为500mg/L NaCl，脱盐率为92%－96%

4 反渗透膜的主要性能参数与运行工况条件

4.1 反渗透的主要性能参数[8]

1) 透水率。是指单位时间透过单位膜面积的水量。主要取决于膜的材质和结构等因素,但一定的反渗透膜其透水率则取决于运行条件；a. 透水率随温度的升高而增加,随工作压力的增加成比例的上升;b. 透水率随进水浓度的增加而下降;c. 透水率随回收率的增加而下降。

2) 回收率。即供水对渗透液的转换率,直接影响除盐系统的成本。对于苦盐水的回收率大约为90 %;高苦盐水降为60 %－65 %;工业海水系统回收率是35 %－45 %。

3) 膜通量。是表明通过膜表面的一个特定区域的水流速度。

对于地表水是8 GFD－14 GFD(13 L/ m3·h－23 L/ m3·h) ;经过反渗透出水是14 GFD－18 GFD(23 L/ m3·h－30 L/ m3·h) ;对于海水为7 GFD－8 GFD。

4.2 反渗透装置的运行工况条件[8]

为了确保反渗透装置安全可靠运行,选择一定适宜的工况条件是非常必要的。反渗透装置的主要工况条件为进水pH值、进水温度与运行压力。

1) 进水pH 值。对于醋酸纤维膜运行时,水以偏酸性为宜，pH值一般控制在4～7之间，在此范围外加速膜的水解与老化。目前认为pH值在5－6 之间最佳。膜的水解不仅会引起产水量的减少，而且会造成膜对盐去除能力的持续性降低，直至膜损坏为止。

2) 进水温度对产水量有一定的影响,温度增加1 ℃，膜的透水能力增加约2.7 %。反渗透膜的进水温度底限为5℃－8℃,此时的渗滤速率很慢。当温度从11℃升至25℃时，产水量提高50 %。但当温度高于30℃时,大多数膜变得不稳定，加速水解的速度。一般醋酸纤维膜运行与保管的最高温度为35℃，宜控制在25℃－35℃之间。

3) 运行压力。渗透压与原水中的含盐量成正比，与膜无关。提高运行压力后，膜被压密实，盐透过率会减少，水的透过率会增加，提高水的回收率。但当压力超过一定限度时会造成膜的老化，膜的变形加剧，透水能力下降。

4.3 影响反渗透运行参数的主要因素[9]

膜的水通量和脱盐率是反渗透过程中关键的运行参数，这两个参数将受到压力、温度、回收率、给水含盐量、给水PH值因素的影响。

（1）压力

给水压力升高使膜的水通量增大，压力升高并不影响盐透过量。在盐透过量不变的情况下，水通量增大时产品水含盐量下降，脱盐率提高了。

（2）温度

温度对反渗透的运行压力、脱盐率、压降影响最为明显。温度上升，渗透性能增加，在一定水通量下要求的净推动力减少，因此实际运行压力降低。同时溶质透过速率也随温度的

升高而增加，盐透过量增加，直接表现为产品水电导率升高。

温度对反渗透各段的压降也有一定的影响，温度升高，水的粘度降低，压降减少，对于膜的通道由于污堵而使湍流程度增强的装置，粘度对压降的影响更为明显。

（3）回收率

回收率对各段压降有很大的影响，在进水总流量保持一定的条件下，回收率增加，由于流经反渗透高压侧的浓水流量减少，总压降降低，回收率减少，总压降增大，实际运行表明，回收率即使变化很小，如1%，也会使总压差产生0. 02MPa左右的变化。回收率对产品水电导率的影响取决于盐透过量和产品水量，一般说来，系统回收率增大，会增加浓水中的含盐量，并相应增加产品水的电导率。

（4）进水含盐量

对同一系统来说，给水含盐量不同，其运行压力和产品水电导率也有差别，给水含盐量每增加l00ppm，进水压力需增加约0.007MPa，同时由于浓度的增加，产品水电导率也相应的增加。

（5）pH值

各种膜组件都有一个允许的pH值范围，即使在允许范围内，pH值对产品水的电导率也有一定的影响，这是因为反渗透膜本身大都带有一些活性基团，pH值可以影响膜表面的电场进而影响到离子的迁移，另一方面pH值对进水中杂质的形态有直接影响，如对可离解的有机物，其截留率随pH值的降低而下降。

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