反滲透设备过滤基础知识

　　膜分离：物质世界是由原子、分子和细胞等微观单元构成的，然而这些很小的物质单元总是杂居共生，热力学第二定律揭示了微观粒子都会倾向于无序的混合状态。膜分理技术得基础是分离膜。分离莫是具有选择性透过性的薄膜，某些分子(或微粒)可以透过薄膜，而其他的则被阻隔。这种分离总是依赖于不同的分子(或微粒)之间的某种区别，的区别就是尺寸大小，三维空间之中，什么都有大上巨细而膜有孔径。

　　全量过滤：全量过滤也称为直流过滤、死端过滤。与常规的滤布过滤相似，被处理物料进入膜组件，等量透过液流出膜组件，截留物留在膜组件内。为了保证膜性能的可恢复性，必须及时从膜组件内卸载截留物，因此需要定时反冲洗(过滤的反过程)等措施来去除膜面沉积物、恢复膜通量。膜组件污染后不能拆开清洗，通常使用在线清洗方式(CIP)超滤/微滤水处理过程一般采用全量过滤模式。

　　错流过滤：被处理料液以一定的速度流过膜面，透过液以垂直方向透过膜，同时大部分截留物被浓缩液夹带出膜组件。错流过滤模式减小了膜面浓度极化层的厚度，可以有效降低膜污染，反滲透、纳滤均采用错流过滤方式。

　　膜系统：膜系统是指膜分离装置单元。压力驱动膜系统主要由预处理系统、升压泵、膜组件(压力容器和膜元件)、管道阀门和控制系统构成。

　　膜污染：各种原水中均含有一定浓度的悬浮物和溶解性物质。悬浮物主要有无机颗粒物、胶体和微生物、藻类等生物性颗粒。溶解性物质主要是易溶盐(如氯化物)和难溶盐(如碳酸盐、硫酸盐和硅酸盐)。在反渗透过程中，进水的体积在减少，悬浮物和溶解性物质的浓度在增加。悬浮颗粒会沉积在膜上，堵塞进水流道、增加摩擦阻力(压力降)。难溶盐会从浓水中沉淀出来，在磨面上形成结垢，降低RO膜的通量。这种在膜面上形成沉积层的现象叫膜污染，膜污染是膜系统性能的劣化。

　　反滲透设备过滤基本原理

　　半透膜：半透膜是具有选择性透过性能的薄膜。当液体或气体透过半透膜时，一些组分透过，而另外一些组分被截留。实际上半透膜对任何组分都有透过性，只是透过的速率相差很大。在反渗透过程中，溶剂(水)的透过速率远远大于溶解在水中的溶质(盐分)。通过半透膜实现了溶剂和溶质的分离，得到纯水以及浓缩的盐溶液。

　　渗透：渗透是当流体在跨越半透膜屏障时的一种自然过程。如果将一箱纯水用一张半透膜垂直分为两部分，纯水于理想的半透膜的两面以相同的温度和压力接触，在这样的条件下没有跨越半透膜的水流动产生，因为在膜两侧的化学势相等。如果在其中一侧加入溶解性盐，盐溶液一边的化学势降低了，纯水便会向盐溶液一侧渗透，从而产生一个渗透流，直到化学势的平衡重新建立为止。

　　渗透压：按照科学术语在半透膜的两侧存在一个“化学势”(离子或溶解分子的浓度差)的差值，通过溶液的渗透过程对化学势差进行补偿。当平衡重新建立时，在半透膜的两侧形成一个水位差即静压差，这个压力差便是渗透压。渗透压是溶液本生的性质，取决于溶液浓度，于半透膜没有关系。

　　渗透压与溶质浓度之间的关系为：Posm=1.19(T+273)*Σ(mi)(1)

　　其中Posm=渗透压(psi)，T为温度(℃)，Σ(mi)是溶液中所有溶质的总摩尔浓度。TDS为1000ppm的水溶液的近似渗透压约为11 psi(0.76bar)。

　　反渗透介绍

　　水通过渗透作用流向盐溶液一侧，直到达到新的平衡建立。在盐溶液一边施加一个额外的压力与渗透压相等，原有的平衡会受到影响(图-6b)。外加压力将会使盐溶液一边的化学势增加，使溶剂流向纯水一边。这种现象便是反渗透。反渗透过程的驱动力是外加压力，反渗透分离所需能量与溶液的难度直接相关。因此，从盐溶液中生产同样体积的水，盐的浓度越高，所需能耗也越高。

　　反渗透原理

　　对于反渗透过程分离水和盐的机理还没有一个的统一解释。目前一般推荐两种传递模型：毛细孔流模型和溶解扩散模型。水通过膜有两种方式，一种是通过膜上存在的孔，另外一种是通过膜中的分子节点之间的扩散。根据理论，膜的化学性质是，在固液界面上水优先吸附并通过，盐被截留。水与膜表面之间有弱的化学结合力，使得水能够在膜的结构中分散。膜的物理和化学性质决定了在传递过程中水比盐的优先地位。

　　水的传递

　　水通过半透膜的速率由方程(2)确定。

　　Qw=(ΔP-ΔPosm)×Kw×S/d(2)

　　其中Qw为苏水透过膜的速率，ΔP为膜两侧压力差，ΔPosm为膜两侧的渗透压差，Kw为膜的纯水渗透系数，S为膜面积。(2)式通常被简化为：Qw=A×(NDP)(3)

　　其中A为膜常数，NDP为跨过膜的水传质净驱动压力或净驱动力。

　　盐的传递

　　透过膜的盐流量定义为：Qs=ΔC×Ks×S/d(4)

　　其中Qs为膜的透盐量，Ks为膜的盐渗透系数，ΔC为膜两侧盐浓度差，S为膜面积，d为膜厚度。该方程可简化为：Qs=B×(ΔC)(5)

　　其中B代表膜常数，ΔC为盐传质驱动力。

　　从方程(4)和(5)可以看出。对于一个已知的膜来说：膜的水通量与总驱动压力差成比例。膜的透盐量与膜两侧的浓度差成比例，与操作压力无关。

　　透过液的盐浓度Cp，取决于透过反渗透膜的盐量和水量的比：Cp=Qs/Qw(6)

　　膜对水和盐的传质系数不同，所以才有脱盐率。没有什么理想的膜具有对盐的脱除性能，实际上是传质速率的差别早就了脱盐率。方程(2)、(4)和(5)给出了设计反渗透系统必须考虑的一些主要因素。比如操作压力的增加会提高水通量，但对盐的透过没有影响，所以透过液的盐度会更低。

　　透盐率

　　原水中溶解性杂质透过膜的百分率，计算公式为：SP=99%×(Cp/Cfm)(7)

　　其中SP为透盐率(%)，Cp为透过液盐浓度，Cfm为料液的平均盐浓度。

　　水通量和透盐率的基本关系式是反渗透的基本原理。可以看出，透盐率随操作压力增加而降低，其原因是水通量随压力增加，但盐的透过速率在压力变化情况下保持不变。

　　脱盐率

　　通过反渗透膜从原水中脱除总可溶性杂质浓度或特定溶质浓度的百分率。计算公式为：SR=99%-SP(8)

　　其中SR为脱盐率(%)，SP为透盐率(见7式)。

　　产水-透过液

　　反渗透、纳滤膜的透过液为净化水，因此也称为系统产水。

　　浓水-浓缩液

　　未透过膜的溶液，原水中的溶质在其中被浓缩。在水处理反渗透系统中浓水作为废水排出。

　　回收率(转化率)

　　料液转化为透过液的百分率。回收率是反渗透系统设计和运行的重要参数，计算公式为：R=99%×(Qp/Qf)(9)

　　其中R为回收率(%)，Qp为产水流量，Qf为原水流量。回收率影响透盐量和产水量。回收率增加时料液侧中的盐浓度也会增加，致使透盐量增加、渗透压上升以及NDP降低，产水量降低。

　　浓差极化比(b系数)

　　膜透过水并截留盐时，在膜表面附近会形成一个边界层，边界层中的盐浓度比本体溶液浓度高，这种盐浓度在膜面附近的增加叫做浓差极化。浓差极化会使实际的产水通量和脱盐率低于理论估算值。浓差极化效应如下：

　　膜面上的渗透压比本体溶液中高，从而降低NDP(净驱动压力)。

　　降低水通量(Qw)。

　　增加透盐量(Qs)。

　　增加难溶盐在膜面上超过其溶度积形成沉淀结垢的可能性。

　　浓差极化因子(CPF)被定义为膜面浓度(Cs)与本体浓度(Cb)的比：CPF =Cs/Cb(10)

　　水通量的增加会增加离子向膜面的输送量，从而增加Cs。料液流速的增加加剧了紊流效果，减少了膜面高浓度层的厚度。因此CPF与透过通量(Qp)成正比，与平均料液流量(Qfavg)成反比：CPF = Kp×exp(Qp/ Qfavg) (11)

　　其中Kp是取决于系统结构的比例常数。料液平均流量采用料液和浓缩液的算术平均数，CPF可以表达为膜元件透过液回收率(r)的函数：CPF = Kp×exp[2R/(2-R)](12)

　　反渗透设备浓差极化因子极限值为1.20，对于40英寸长的膜元件来说，相当于18%的回收率。