反滲透膜分離技術的發展及其在城市污水處理中的應用
摘要：本文首先簡要地(di)回(hui)顧了(le)國內(nei)外反(fan)(fan)滲(shen)透(tou)膜(mo)技(ji)(ji)術的 發展(zhan) 概況(kuang)(kuang)，然后(hou)詳細(xi)論(lun)述了(le)反(fan)(fan)滲(shen)透(tou)膜(mo)分離(li)技(ji)(ji)術。通過(guo)介紹(shao)反(fan)(fan)滲(shen)透(tou)的基本原理(li)、污染(ran)物去(qu)除機(ji)理(li)、反(fan)(fan)滲(shen)透(tou)裝置(zhi)型式、主要性能參(can)數與運行(xing)工況(kuang)(kuang)條件和基本流程，以美國和日本采(cai)用反(fan)(fan)滲(shen)透(tou)處理(li)生活(huo)污水(shui)為例，探討(tao)了(le)反(fan)(fan)滲(shen)透(tou)膜(mo)分離(li)技(ji)(ji)術在(zai)城市污水(shui)處理(li)中(zhong)的 應(ying)用 情況(kuang)(kuang)，最后(hou)就其(qi)發展(zhan)方向作出了(le)初步地(di)歸納(na)和展(zhan)望。
關鍵詞：城市污水處理 膜(mo)分離技術 反滲透膜(mo) 實際應(ying)用(yong) 前(qian)景展(zhan)望
近來，物(wu)理化學(xue)處(chu)(chu)(chu)(chu)理技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)、光(guang)照射技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)及膜(mo)過濾技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)已(yi)形成三大水(shui)(shui)處(chu)(chu)(chu)(chu)理技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)。在這些(xie)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)中引人注(zhu)目的是膜(mo)分離法(fa)污水(shui)(shui)處(chu)(chu)(chu)(chu)理技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)[1]。膜(mo)分離是通(tong)過膜(mo)對(dui)混(hun)合物(wu)中各組(zu)分的選擇滲(shen)透(tou)作用的差(cha)異，以(yi)外界(jie)(jie)能量或化學(xue)位差(cha)為推動力(li)對(dui)雙組(zu)分或多組(zu)分混(hun)合物(wu)的氣體(ti)或液體(ti)進行分離、分級、提純和(he)富集的 方法(fa) 。而反滲(shen)透(tou)膜(mo)分離技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)作為當(dang)今世(shi)界(jie)(jie)水(shui)(shui)處(chu)(chu)(chu)(chu)理先進的技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)，具(ju)有(you)清潔、高效、無污染(ran)等優點，已(yi)在海(hai)水(shui)(shui)淡化、城(cheng)(cheng)市給(gei)水(shui)(shui)處(chu)(chu)(chu)(chu)理、純水(shui)(shui)和(he)超純水(shui)(shui)制備、城(cheng)(cheng)市污水(shui)(shui)處(chu)(chu)(chu)(chu)理及利用、 工業 廢水(shui)(shui)處(chu)(chu)(chu)(chu)理、放射性廢水(shui)(shui)處(chu)(chu)(chu)(chu)理等方面得到廣泛的應用。
膜(mo)(mo)分離(li)技(ji)術作為新(xin)的分離(li)凈化和(he)(he)濃縮方法(fa)，與傳(chuan)統分離(li)操作(如(ru)蒸發、萃(cui)取、沉(chen)淀、混(hun)凝和(he)(he)離(li)子交換樹脂等)相(xiang)比較(jiao)，過程(cheng)中大多無相(xiang)變化，可以(yi)在常溫(wen)下操作，具(ju)有能耗(hao)低、效(xiao)率高(gao)、工藝簡單、投資小等特點。膜(mo)(mo)分離(li)技(ji)術應(ying)用到(dao)污水(shui)(shui)處理領域，形成了(le)新(xin)的污水(shui)(shui)處理方法(fa)，它包(bao)含微濾(MF)、超濾(UF)、滲(shen)(shen)析(D)、電滲(shen)(shen)析(ED)、納濾(NF)、和(he)(he)反滲(shen)(shen)透(tou)(RO)等，本文僅對反滲(shen)(shen)透(tou)(RO)膜(mo)(mo)法(fa)對城市污水(shui)(shui)處理技(ji)術進行探(tan)討。
1 反滲(shen)透(tou)膜發展概況
膜(mo)廣(guang)泛的存(cun)在于 自(zi)然 界中，特別是生(sheng)物體內。人(ren)類對(dui)于膜(mo)現象的 研究 源于1748年(nian)(nian)(nian)(nian)，但是人(ren)類對(dui)它的認識和研究則(ze)較晚。1748年(nian)(nian)(nian)(nian)，Abbe Nollet觀(guan)察到水可以(yi)通過(guo)覆蓋在裝有酒精溶液瓶口的豬膀肌進入瓶中時，發現了滲(shen)透(tou)(tou)(tou)現象。然而認識到膜(mo)的功能并用于為(wei)人(ren)類服務，卻經歷(li)了200多(duo)年(nian)(nian)(nian)(nian)的漫長(chang)過(guo)程。人(ren)們對(dui)膜(mo)進行 科學(xue) 研究則(ze)是近(jin)幾十年(nian)(nian)(nian)(nian)來(lai)的事。其發展(zhan)的 歷(li)史 大致(zhi)為(wei);30年(nian)(nian)(nian)(nian)代(dai)(dai)(dai)微孔過(guo)濾(lv);40年(nian)(nian)(nian)(nian)代(dai)(dai)(dai)透(tou)(tou)(tou)析;50年(nian)(nian)(nian)(nian)代(dai)(dai)(dai)電(dian)滲(shen)析;60年(nian)(nian)(nian)(nian)代(dai)(dai)(dai)反滲(shen)透(tou)(tou)(tou);70年(nian)(nian)(nian)(nian)代(dai)(dai)(dai)超濾(lv)和液膜(mo);80年(nian)(nian)(nian)(nian)代(dai)(dai)(dai)氣體分(fen)離(li);90年(nian)(nian)(nian)(nian)代(dai)(dai)(dai)滲(shen)透(tou)(tou)(tou)汽化(hua)[2]。
在國(guo)(guo)(guo)(guo)外(wai)，其(qi)發(fa)展概況(kuang)為：1953年(nian)美國(guo)(guo)(guo)(guo)的(de)(de)REid 提出(chu)從(cong)海水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)和苦鹽水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)中(zhong)獲得(de)廉價的(de)(de)淡水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)的(de)(de)反滲透(tou)研(yan)究(jiu)方案，1960年(nian)美國(guo)(guo)(guo)(guo)的(de)(de)Sourirajan 和Leob 教授研(yan)制出(chu)新的(de)(de)不(bu)對(dui)稱(cheng)膜(mo)，從(cong)此RO作為 經濟(ji) 的(de)(de)淡化(hua)技(ji)(ji)術進入了(le)(le)實(shi)(shi)用(yong)(yong)和裝置的(de)(de)研(yan)究(jiu)階段。20世紀70年(nian)代初期開始(shi)用(yong)(yong)RO法(fa)處(chu)理(li)(li)電(dian)鍍(du)(du)污(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)，首(shou)先用(yong)(yong)于鍍(du)(du)鎳污(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)的(de)(de)回收處(chu)理(li)(li)，此后又(you)應用(yong)(yong)于處(chu)理(li)(li)鍍(du)(du)鉻、鍍(du)(du)銅(tong)、鍍(du)(du)鋅等(deng)漂洗水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)以及(ji)混合(he)電(dian)鍍(du)(du)污(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)。1965年(nian)英國(guo)(guo)(guo)(guo)首(shou)先發(fa)表了(le)(le)用(yong)(yong)半透(tou)膜(mo)處(chu)理(li)(li)電(dian)泳涂(tu)(tu)料(liao)污(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)的(de)(de)專利。此后美國(guo)(guo)(guo)(guo)P.P.G公司提出(chu)用(yong)(yong)UF和RO的(de)(de)組合(he)技(ji)(ji)術處(chu)理(li)(li)電(dian)泳涂(tu)(tu)料(liao)污(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)，并且實(shi)(shi)現了(le)(le)工業(ye)化(hua)。1972-1975年(nian)J J .Porter 等(deng)人用(yong)(yong)動態膜(mo)進行染色污(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)處(chu)理(li)(li)和再利用(yong)(yong)實(shi)(shi)驗(yan)。1983年(nian)L.Tinghuis等(deng)人發(fa)表了(le)(le)用(yong)(yong)RO法(fa)處(chu)理(li)(li)染料(liao)溶(rong)液的(de)(de)研(yan)究(jiu)結(jie)果。1969年(nian)美國(guo)(guo)(guo)(guo)的(de)(de)J . C. V Smith 首(shou)先報道了(le)(le)處(chu)理(li)(li)城市污(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)的(de)(de)方法(fa)。30年(nian)來(lai)，反滲透(tou)(RO)技(ji)(ji)術先后在含油、脫脂廢(fei)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)、纖維工業(ye)廢(fei)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)、造紙(zhi)工業(ye)廢(fei)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)、放(fang)(fang)射性廢(fei)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)等(deng)工業(ye)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)處(chu)理(li)(li)、苦咸水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)淡化(hua)、純(chun)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)和高純(chun)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)制備、醫(yi)藥工業(ye)和特殊的(de)(de)化(hua)工過程和高層建筑(zhu)廢(fei)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)等(deng)各類污(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)處(chu)理(li)(li)中(zhong)得(de)到了(le)(le)廣(guang)泛的(de)(de)應用(yong)(yong)。尤其(qi)是(shi)近幾(ji)年(nian)，一些新型的(de)(de)膜(mo)法(fa)污(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)處(chu)理(li)(li)技(ji)(ji)術逐一問世，如(ru)膜(mo)蒸餾、液膜(mo)、膜(mo)生化(hua)反應器(qi)、控制釋放(fang)(fang)膜(mo)、膜(mo)分相、膜(mo)萃取等(deng)[3]。
在我國(guo)，膜(mo)(mo)(mo)技(ji)術的(de)(de)發(fa)展(zhan)是從1958年離(li)子(zi)交(jiao)換膜(mo)(mo)(mo)研究(jiu)(jiu)開(kai)(kai)始(shi)的(de)(de)。1958年開(kai)(kai)始(shi)進(jin)(jin)(jin)行離(li)子(zi)交(jiao)換膜(mo)(mo)(mo)的(de)(de)研究(jiu)(jiu)，并對電滲(shen)析法(fa)淡化海水(shui)展(zhan)開(kai)(kai)了(le)試(shi)驗(yan)研究(jiu)(jiu);1965年開(kai)(kai)始(shi)對反滲(shen)透(tou)膜(mo)(mo)(mo)進(jin)(jin)(jin)行探(tan)索，1966年上海化工廠聚乙烯(xi)異相離(li)子(zi)交(jiao)換膜(mo)(mo)(mo)正式投(tou)產(chan)，為電滲(shen)析工業(ye)應(ying)(ying)用(yong)奠(dian)定(ding)了(le)基礎。1967年海水(shui)淡化會戰對我國(guo)膜(mo)(mo)(mo)科(ke)學技(ji)術的(de)(de)進(jin)(jin)(jin)步起了(le)積極的(de)(de)推動作用(yong)。1970年代(dai)相繼對電滲(shen)析、反滲(shen)透(tou)、超濾和微濾膜(mo)(mo)(mo)及組件進(jin)(jin)(jin)行研究(jiu)(jiu)開(kai)(kai)發(fa)，1980年代(dai)進(jin)(jin)(jin)入(ru)推廣應(ying)(ying)用(yong)階(jie)段。1980年代(dai)中期我國(guo)氣體分離(li)膜(mo)(mo)(mo)的(de)(de)研究(jiu)(jiu)取得長(chang)足進(jin)(jin)(jin)步，1985年 中國(guo) 科(ke)學院大(da)連(lian)化物所，首(shou)次研制成(cheng)(cheng)功中空纖維(wei)N2/H2分離(li)器，主要性能指(zhi)標接近國(guo)外(wai)同類產(chan)品(pin)指(zhi)標，現己投(tou)入(ru)批(pi)量生產(chan)，每套成(cheng)(cheng)本僅為進(jin)(jin)(jin)口裝置的(de)(de)1/3。進(jin)(jin)(jin)入(ru)90年代(dai)以來(lai)，復合膜(mo)(mo)(mo)的(de)(de)制備取得了(le)較(jiao)大(da)進(jin)(jin)(jin)展(zhan)[2]。
2 反(fan)滲透膜分離技術基本(ben) 理(li)論
反滲透(tou)膜(mo)(mo)(mo)分(fen)離法的(de)基(ji)本特點是其推動力(li)為壓(ya)力(li)差(1-10MPa)，傳質機理一般(ban)認為是溶劑的(de)擴散(san)傳遞，透(tou)過膜(mo)(mo)(mo)的(de)物質是水溶劑，截留物為溶質、鹽(懸浮物、大(da)分(fen)子(zi)、離子(zi))，膜(mo)(mo)(mo)的(de)類(lei)型為非(fei)對稱膜(mo)(mo)(mo)或復合膜(mo)(mo)(mo)。反滲透(tou)的(de)選擇透(tou)過性與(yu)組分(fen)在膜(mo)(mo)(mo)的(de)溶解(jie)、吸附和擴散(san)有關(guan)(guan)，因此除(chu)與(yu)膜(mo)(mo)(mo)孔(kong)大(da)小結構(gou)有關(guan)(guan)外，還與(yu)膜(mo)(mo)(mo)的(de)化學、物理性質有密切關(guan)(guan)系，即與(yu)組分(fen)和膜(mo)(mo)(mo)之(zhi)間的(de)相互作(zuo)用密切相關(guan)(guan)[4]。
2.1 反滲透原理
滲(shen)透現(xian)象早在1748年已(yi)由(you)Abbe Nollet首次得到(dao)證明，直(zhi)到(dao)20世紀50年代，科學家們才開始利用反滲(shen)透或超濾作為溶(rong)液中(zhong)溶(rong)質(zhi)和溶(rong)劑的有效分離方(fang)法，并使其成為一種實驗室(shi)技術。
滲(shen)(shen)透(tou)是(shi)指一(yi)種(zhong)溶劑(即水)通過一(yi)種(zhong)半透(tou)膜進入一(yi)種(zhong)溶液(ye)(ye)(ye)或是(shi)從(cong)一(yi)種(zhong)稀溶液(ye)(ye)(ye)向一(yi)種(zhong)比較(jiao)濃(nong)的(de)(de)(de)溶液(ye)(ye)(ye)的(de)(de)(de)自然(ran)滲(shen)(shen)透(tou)。但是(shi)在濃(nong)溶液(ye)(ye)(ye)一(yi)邊(bian)加(jia)上(shang)(shang)適當的(de)(de)(de)壓(ya)(ya)力(li)，即可(ke)使(shi)滲(shen)(shen)透(tou)停止，此時的(de)(de)(de)壓(ya)(ya)力(li)稱(cheng)(cheng)為該溶液(ye)(ye)(ye)的(de)(de)(de)滲(shen)(shen)透(tou)壓(ya)(ya)。若在濃(nong)溶液(ye)(ye)(ye)一(yi)邊(bian)加(jia)上(shang)(shang)比自然(ran)滲(shen)(shen)透(tou)壓(ya)(ya)更高的(de)(de)(de)壓(ya)(ya)力(li)，扭轉自然(ran)滲(shen)(shen)透(tou)方向，把(ba)濃(nong)溶液(ye)(ye)(ye)中的(de)(de)(de)溶劑(水)壓(ya)(ya)到半透(tou)膜的(de)(de)(de)另一(yi)邊(bian)稀溶液(ye)(ye)(ye)中，這是(shi)和(he)自然(ran)界正常滲(shen)(shen)透(tou)過程(cheng)相反的(de)(de)(de)，此時就稱(cheng)(cheng)為反滲(shen)(shen)透(tou)。
這(zhe)就(jiu)說明，當(dang)對鹽水(shui)一側(ce)施加的壓(ya)力(li)超過(guo)水(shui)的滲(shen)透(tou)(tou)壓(ya)時，可以利用半(ban)透(tou)(tou)膜(mo)裝置從鹽水(shui)中(zhong)獲取淡水(shui)。因此，反(fan)滲(shen)透(tou)(tou)過(guo)程(cheng)必(bi)須具備兩個條件：一是必(bi)須有一種高(gao)選擇(ze)性(xing)和(he)高(gao)滲(shen)透(tou)(tou)性(xing)(一般指(zhi)透(tou)(tou)水(shui)性(xing))的選擇(ze)性(xing)半(ban)透(tou)(tou)膜(mo)，二是操作(zuo)壓(ya)力(li)必(bi)須高(gao)于(yu)溶液的滲(shen)透(tou)(tou)壓(ya)。
2.2 反滲(shen)透(tou)膜的透(tou)過機理
關于反滲透(tou)(tou)膜(mo)的透(tou)(tou)過機(ji)理，自20世(shi)紀50年代末(mo)以來，許(xu)多學者先(xian)后提出(chu)了各種(zhong)不對稱反滲透(tou)(tou)膜(mo)的透(tou)(tou)過機(ji)理和模型(xing)，現介(jie)紹如下：
2.2.1 氫鍵(jian)理論(lun)[3]
這個理論(lun)是由(you)里德(Ried)等人提出的(de)(de)，并用醋酸(suan)纖維膜加以解釋(shi)。這種(zhong)理論(lun)是基(ji)于一些(xie)離(li)子和(he)分(fen)(fen)子能(neng)通過膜的(de)(de)氫(qing)鍵的(de)(de)結合(he)而(er)發生聯(lian)系，從而(er)通過這些(xie)聯(lian)系發生線(xian)形(xing)排列型的(de)(de)擴(kuo)散來(lai)進(jin)行傳遞。在壓力的(de)(de)作用下(xia)，溶液中的(de)(de)水分(fen)(fen)子和(he)醋酸(suan)纖維素的(de)(de)活(huo)化(hua)點——羰基(ji)上氧(yang)原(yuan)子形(xing)成(cheng)氫(qing)鍵，而(er)原(yuan)來(lai)的(de)(de)水分(fen)(fen)子形(xing)成(cheng)的(de)(de)氫(qing)鍵被斷(duan)開，水分(fen)(fen)子解離(li)出來(lai)并隨之轉移到下(xia)一個活(huo)化(hua)點，并形(xing)成(cheng)新的(de)(de)氫(qing)鍵，如是通過這一連串(chuan)氫(qing)鍵的(de)(de)形(xing)成(cheng)與斷(duan)開，使水分(fen)(fen)子離(li)開膜表面的(de)(de)致(zhi)密活(huo)化(hua)層，由(you)于多孔層含(han)有大(da)量(liang)的(de)(de)毛(mao)細(xi)管水，水分(fen)(fen)子能(neng)暢(chang)通流出膜外。
2.2.2 優先(xian)吸附-毛(mao)細孔流理論[4]
索(suo)里拉金等(deng)人提出了(le)優(you)(you)先吸(xi)(xi)附-毛(mao)細孔流(liu)理論。他(ta)們以(yi)氯(lv)化(hua)鈉(na)(na)水(shui)(shui)(shui)溶(rong)液為例(li)，溶(rong)質是(shi)氯(lv)化(hua)鈉(na)(na)，溶(rong)劑(ji)是(shi)水(shui)(shui)(shui)，膜(mo)的(de)(de)(de)表(biao)面(mian)能(neng)選(xuan)(xuan)擇性(xing)吸(xi)(xi)水(shui)(shui)(shui)，因此水(shui)(shui)(shui)被優(you)(you)先吸(xi)(xi)附在(zai)膜(mo)表(biao)面(mian)上，而對氯(lv)化(hua)鈉(na)(na)排斥。在(zai)壓力(li)作用(yong)下，優(you)(you)先吸(xi)(xi)附的(de)(de)(de)水(shui)(shui)(shui)通過膜(mo)，就(jiu)形(xing)成了(le)脫鹽的(de)(de)(de)過程(cheng)。這種模型(xing)同時給(gei)出了(le)混合物分離(li)和滲(shen)透性(xing)的(de)(de)(de)一種臨(lin)界(jie)(jie)孔徑的(de)(de)(de)概念。臨(lin)界(jie)(jie)孔徑顯(xian)然(ran)是(shi)選(xuan)(xuan)擇性(xing)吸(xi)(xi)著(zhu)界(jie)(jie)面(mian)水(shui)(shui)(shui)層的(de)(de)(de)兩倍。基于這種模型(xing)在(zai)膜(mo)的(de)(de)(de)表(biao)面(mian)必(bi)須有相應大小(xiao)的(de)(de)(de)毛(mao)細孔，根(gen)據這種理論，索(suo)里拉金等(deng)研制(zhi)出具(ju)有高脫鹽率、高脫水(shui)(shui)(shui)性(xing)的(de)(de)(de)實用(yong)反(fan)滲(shen)透膜(mo)，奠定了(le)實用(yong)反(fan)滲(shen)透膜(mo)的(de)(de)(de)發展基礎。
2.2.3 溶液擴散理(li)論[3]
朗斯代爾(Lonsdale)和賴(lai)利(Riley)等人提出溶(rong)(rong)解(jie)擴(kuo)散(san)理論(lun)(lun)。該理論(lun)(lun)假定膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)是(shi)無缺陷的(de)(de)“完整的(de)(de)膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)”，溶(rong)(rong)劑和溶(rong)(rong)質(zhi)透過(guo)膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)的(de)(de)機理是(shi)由于(yu)(yu)(yu)溶(rong)(rong)劑與溶(rong)(rong)質(zhi)在膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)中(zhong)的(de)(de)溶(rong)(rong)解(jie)，然后在化學位(wei)差的(de)(de)推動(dong)(dong)(dong)力(li)下(xia)(xia)，從(cong)(cong)膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)的(de)(de)一(yi)側(ce)向另一(yi)側(ce)進行擴(kuo)散(san)，直(zhi)至透過(guo)膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)。溶(rong)(rong)劑和溶(rong)(rong)質(zhi)在膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)中(zhong)的(de)(de)擴(kuo)散(san)服從(cong)(cong)(Fick)定律(lv)，這(zhe)種模(mo)型認為(wei)溶(rong)(rong)劑和溶(rong)(rong)質(zhi)都可能溶(rong)(rong)于(yu)(yu)(yu)均質(zhi)或非多孔型膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)表面(mian)，以化學位(wei)差為(wei)推動(dong)(dong)(dong)力(li)(常用(yong)濃(nong)度差或壓(ya)力(li)差來表示)，分子擴(kuo)散(san)使(shi)它們從(cong)(cong)膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)中(zhong)傳遞到膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)下(xia)(xia)部。因此，物質(zhi)的(de)(de)滲(shen)透能力(li)不僅取決(jue)于(yu)(yu)(yu)擴(kuo)散(san)系數(shu)(shu)，而且取決(jue)于(yu)(yu)(yu)其在膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)中(zhong)的(de)(de)溶(rong)(rong)解(jie)度。溶(rong)(rong)質(zhi)的(de)(de)擴(kuo)散(san)系數(shu)(shu)比水(shui)分子的(de)(de)擴(kuo)散(san)系數(shu)(shu)小得(de)越(yue)多，高壓(ya)下(xia)(xia)水(shui)在膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)內的(de)(de)移動(dong)(dong)(dong)速度就越(yue)快(kuai)，因而透過(guo)膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)的(de)(de)水(shui)分子數(shu)(shu)量就比通(tong)過(guo)擴(kuo)散(san)而透過(guo)去的(de)(de)溶(rong)(rong)質(zhi)數(shu)(shu)量更多。
目(mu)前 一(yi)般認為，溶(rong)解擴散(san)理(li)論(lun)(lun)較好的說明(ming)膜(mo)透(tou)過現象(xiang)，當然(ran)氫鍵理(li)論(lun)(lun)、優(you)先(xian)吸附-毛細(xi)孔流理(li)論(lun)(lun)也能夠對反(fan)(fan)滲透(tou)膜(mo)的透(tou)過機理(li)進(jin)行解釋。此外還有(you)學者提出擴散(san)-細(xi)孔流理(li)論(lun)(lun)，結(jie)合水-空穴(xue)有(you)序理(li)論(lun)(lun)以及自(zi)由(you)體積理(li)論(lun)(lun)等。也有(you)人(ren)根據反(fan)(fan)滲透(tou)現象(xiang)是(shi)一(yi)種(zhong)膜(mo)透(tou)過現象(xiang)，因此把它當作非(fei)可逆熱力學現象(xiang)來對待。總之，反(fan)(fan)滲透(tou)膜(mo)透(tou)過機理(li)還在發展和完(wan)善中。
2.3有機物去除機理
對(dui)于有機(ji)溶質的(de)(de)脫(tuo)除(chu)機(ji)理最初認為純屬篩網(wang)效應(ying)其(qi)脫(tuo)除(chu)率主子量大(da)(da)小(xiao)和(he)形狀有關(guan)。后來(lai)經過大(da)(da)量的(de)(de)研究，發現膜(mo)與有機(ji)溶質的(de)(de)電荷斥力(li)對(dui)脫(tuo)除(chu)率的(de)(de) 影(ying)響(xiang)(xiang) 有時不(bu)容(rong)忽視。近年(nian)來(lai)的(de)(de)研究證明，膜(mo)對(dui)有機(ji)溶質的(de)(de)脫(tuo)除(chu)主要受兩方面(mian)的(de)(de)影(ying)響(xiang)(xiang)：一(yi)是(shi)(shi)膜(mo)孔徑(jing)的(de)(de)機(ji)械(xie)篩除(chu)作(zuo)用;二是(shi)(shi)膜(mo)與有機(ji)物(wu)間排(pai)斥力(li)的(de)(de)作(zuo)用，這種排(pai)斥作(zuo)用的(de)(de)大(da)(da)小(xiao)與膜(mo)材料和(he)有機(ji)物(wu)的(de)(de)物(wu)理化學特(te)征參數有很大(da)(da)的(de)(de)關(guan)系。這些(xie)物(wu)理比學特(te)征參數及其(qi)對(dui)分離度的(de)(de)影(ying)響(xiang)(xiang)(不(bu)考(kao)慮(lv)膜(mo)孔徑(jing)的(de)(de)機(ji)械(xie)篩除(chu)作(zuo)用)介(jie)紹(shao)如下[5]。
2.3.1 極性參數[5]
極性效應表(biao)征的(de)是有關分(fen)子(zi)的(de)酸性或堿性。以下參數中的(de)任何一(yi)個均可(ke)以給出(chu)極性效應以定量的(de)量度。
(1)△Ms(酸(suan)性)或△Ms(堿性)
△Ms(酸(suan)性(xing))是溶(rong)(rong)質(zhi)(zhi)(ROH)在CC14和(he)醚溶(rong)(rong)液中測(ce)得(de)的(de)(de)(de)紅(hong)外光譜(pu)中OH譜(pu)帶(dai)最大(da)(da)(da)值(zhi)的(de)(de)(de)相對(dui)位移，△Ms(堿性(xing))是溶(rong)(rong)質(zhi)(zhi)(CH3OD)在苯(ben)中測(ce)得(de)的(de)(de)(de)紅(hong)外光譜(pu)中OD譜(pu)帶(dai)最大(da)(da)(da)值(zhi)的(de)(de)(de)相對(dui)位移△Ms(酸(suan)性(xing))或△Ms(堿性(xing))的(de)(de)(de)數據(ju)分(fen)別與(yu)質(zhi)(zhi)子(zi)給予(yu)(yu)體(ti)或質(zhi)(zhi)子(zi)接(jie)受(shou)體(ti)的(de)(de)(de)分(fen)子(zi)的(de)(de)(de)相對(dui)氫鍵鍵合(he)(he)能(neng)力相聯系(xi)。氫鍵鍵合(he)(he)能(neng)力愈(yu)大(da)(da)(da)，表(biao)示一種(zhong)酸(suan)(如(ru)醇或酚)給予(yu)(yu)質(zhi)(zhi)子(zi)的(de)(de)(de)能(neng)力愈(yu)大(da)(da)(da)或一種(zhong)堿(如(ru)醛、酮)接(jie)受(shou)質(zhi)(zhi)子(zi)的(de)(de)(de)能(neng)力愈(yu)大(da)(da)(da)。由于質(zhi)(zhi)子(zi)給予(yu)(yu)能(neng)力與(yu)質(zhi)(zhi)子(zi)接(jie)受(shou)能(neng)力表(biao)現出相反的(de)(de)(de)趨勢，因此△Ms(酸(suan)性(xing))的(de)(de)(de)增加值(zhi)等于△Ms(堿性(xing))的(de)(de)(de)減(jian)小(xiao)值(zhi)。
一般來說，有機(ji)(ji)溶(rong)(rong)質(zhi)的(de)(de)(de)△Ms(酸(suan)性(xing)(xing)(xing))增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加，表示有關分(fen)(fen)子與膜(mo)(mo)的(de)(de)(de)氫鍵(jian)鍵(jian)合能力(li)(li)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)強，這種增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)強的(de)(de)(de)結果就會減小(xiao)膜(mo)(mo)與有機(ji)(ji)溶(rong)(rong)質(zhi)間(jian)的(de)(de)(de)排(pai)斥力(li)(li)。因此，隨(sui)著△Ms(酸(suan)性(xing)(xing)(xing))的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加，有機(ji)(ji)物(wu)的(de)(de)(de)分(fen)(fen)離度(du)減小(xiao)。或者(zhe)說，隨(sui)著△Ms(堿(jian)性(xing)(xing)(xing))的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加，有機(ji)(ji)溶(rong)(rong)質(zhi)與膜(mo)(mo)的(de)(de)(de)氫鍵(jian)鍵(jian)合能力(li)(li)減小(xiao)，因此膜(mo)(mo)與有機(ji)(ji)溶(rong)(rong)質(zhi)間(jian)的(de)(de)(de)排(pai)斥力(li)(li)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，有機(ji)(ji)物(wu)的(de)(de)(de)分(fen)(fen)離度(du)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加。但當△Ms(堿(jian)性(xing)(xing)(xing))值超過隨(sui)某一化合物(wu)的(de)(de)(de)種類而(er)異的(de)(de)(de)值時，隨(sui)著△Ms(堿(jian)性(xing)(xing)(xing))的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加，溶(rong)(rong)質(zhi)分(fen)(fen)離度(du)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加甚微。
(2)解離常(chang)數Ka或pKa (PK=-logKa )
解離常數是(shi)水(shui)溶(rong)液中具有一(yi)定(ding)離解度的溶(rong)質的的極性參數。離解常數給(gei)予分子的酸(suan)性或堿性以定(ding)量的量度，pKa減小，對于(yu)質子給(gei)予體(ti)來說，其(qi)酸(suan)性增加;對于(yu)質子接受體(ti)來說，其(qi)堿性增加。
對于酸性(xing)有(you)機(ji)(ji)(ji)(ji)物(wu)(wu)來(lai)說，隨(sui)著(zhu)(zhu)pKa的(de)(de)(de)(de)減小(xiao)，一方面(mian)，有(you)機(ji)(ji)(ji)(ji)溶(rong)質與膜(mo)的(de)(de)(de)(de)氫鍵(jian)(jian)鍵(jian)(jian)合能力增強，相(xiang)當于溶(rong)質與膜(mo)間(jian)的(de)(de)(de)(de)吸(xi)引力增加(jia)，因而(er)分(fen)離(li)(li)(li)度(du)下降;另一方面(mian)，它離(li)(li)(li)解成為離(li)(li)(li)子的(de)(de)(de)(de)傾(qing)向增加(jia)，相(xiang)當于增強了該(gai)有(you)機(ji)(ji)(ji)(ji)物(wu)(wu)與膜(mo)之間(jian)的(de)(de)(de)(de)靜(jing)電斥力，從而(er)分(fen)離(li)(li)(li)度(du)升高。上述兩種作用的(de)(de)(de)(de)相(xiang)伴相(xiang)克，起主導作用的(de)(de)(de)(de)因素決定(ding)著(zhu)(zhu)分(fen)離(li)(li)(li)度(du)高低(di)的(de)(de)(de)(de)走向。因此(ci)，對于酸性(xing)分(fen)子來(lai)說，酸性(xing)的(de)(de)(de)(de)大小(xiao)和pKa共同影響著(zhu)(zhu)溶(rong)質分(fen)離(li)(li)(li)度(du)。與酸性(xing)有(you)機(ji)(ji)(ji)(ji)物(wu)(wu)有(you)所不同，對于堿性(xing)有(you)機(ji)(ji)(ji)(ji)溶(rong)質來(lai)說，隨(sui)著(zhu)(zhu)pKa的(de)(de)(de)(de)減小(xiao)，有(you)機(ji)(ji)(ji)(ji)溶(rong)質與膜(mo)間(jian)的(de)(de)(de)(de)靜(jing)電斥力增加(jia)，去除(chu)率升高。
(3)Hammet數或Taft數
Hammet數σ是(shi)表示(shi)芳(fang)香(xiang)族間位或(huo)(huo)(huo)對位取(qu)代基的(de)極性(xing)常數，Taft數σ*是(shi)表示(shi)芳(fang)香(xiang)族鄰位化合物(wu)(wu)或(huo)(huo)(huo)脂肪族化合物(wu)(wu)中取(qu)代基的(de)極性(xing)常數。σ和(he)(he)σ*兩者定量表示(shi)取(qu)代基對有機分子的(de)極性(xing)效應的(de)影(ying)響(xiang);σ和(he)(he)σ*具(ju)有加(jia)(jia)和(he)(he)性(xing);取(qu)代基的(de)σ和(he)(he)σ*值愈低(di)，它的(de) 電子 收回能力(或(huo)(huo)(huo)質子給予(yu)能力)愈小。因(yin)此對一(yi)給定的(de)官(guan)能團(tuan)，σ和(he)(he)σ*值的(de)降低(di)相當于分子的(de)酸(suan)性(xing)降低(di)或(huo)(huo)(huo)堿(jian)性(xing)增(zeng)加(jia)(jia)。
一般來說，無論(lun)是(shi)酸還是(shi)堿，有機溶質(zhi)的(de)分離度隨著(zhu)σ和(he)σ*值的(de)減小而增加。
2.3.2 位阻(zu)參數(Es)
Es是表示有機物原(yuan)子(zi)(zi)之(zhi)間或原(yuan)子(zi)(zi)與官能(neng)(neng)團之(zhi)間相(xiang)互排斥(chi)力的常(chang)數，ΣEs為(wei)所有官能(neng)(neng)團的Es之(zhi)和。ΣEs減小，表明有機溶質的位阻障礙增(zeng)大，因而去除率增(zeng)加(jia)。ΣEs正(zheng)常(chang)用來表示對醚(mi)的分(fen)離度的影響。ΣEs降(jiang)低，溶質的分(fen)離度趨于(yu)增(zeng)加(jia)。
2.3.3 非極性參(can)數(Small數或修正Small數)[6]
Small數S是(shi)(shi)表(biao)示非極(ji)性(xing)有機分(fen)子(zi)間凝聚(ju)力的(de)常(chang)數，又稱摩爾吸引常(chang)數：修(xiu)(xiu)正(zheng)(zheng)(zheng)Small數(ΣS*)是(shi)(shi)表(biao)示非極(ji)性(xing)有機分(fen)子(zi)疏水(shui)程度相對(dui)(dui)大小(xiao)的(de)常(chang)數，它(ta)是(shi)(shi)松蒲和Souriragan等利(li)用(yong)溶質的(de)溶解度數據(ju)對(dui)(dui)凝聚(ju)力進行修(xiu)(xiu)正(zheng)(zheng)(zheng)后而得到(dao)的(de)，故(gu)稱修(xiu)(xiu)正(zheng)(zheng)(zheng)Small數。Small數或修(xiu)(xiu)正(zheng)(zheng)(zheng)Small數常(chang)用(yong)來(lai)表(biao)示對(dui)(dui)碳氫化合(he)物(wu)分(fen)離(li)度的(de)影響(xiang)。碳氫化合(he)物(wu)的(de)的(de)溶解度越高(gao)，修(xiu)(xiu)正(zheng)(zheng)(zheng)Small數越小(xiao)。
溶(rong)質(zhi)的(de)(de)Small數或(huo)修正Small數增大(da)，意味著疏(shu)水或(huo)非極性增強。松蒲等(deng)人(ren)通過(guo)大(da)量(liang)的(de)(de)研(yan)究發(fa)現，對于同一張膜來說，ΣS*值增加，溶(rong)質(zhi)的(de)(de)分離度(du)趨于增加。
2.4無機物去除機理
關(guan)于(yu)反滲透膜去除無機物的原理有多(duo)種理淪，現(xian)將幾種主(zhu)要的介紹如(ru)下(xia)[6]。
2.4.1 Scatchafd理論(lun)
該理(li)論認為溶質的(de)分離(li)(li)與膜(mo)及溶液(ye)的(de)介電常數(shu)(shu)(shu)有關，荷電離(li)(li)子(zi)在(zai)不同(tong)介電常數(shu)(shu)(shu)的(de)介質中具(ju)有不同(tong)的(de)離(li)(li)子(zi)濃(nong)度，介電常數(shu)(shu)(shu)越低，該離(li)(li)子(zi)濃(nong)度也越低。這里把(ba)溶液(ye)和(he)膜(mo)分別(bie)記作(zuo)為I相和(he)II相，相應的(de)介電常數(shu)(shu)(shu)分別(bie)為和(he)II，并以“膜(mo)一溶液(ye)”兩相界(jie)面(mian)(記作(zuo)I-)作(zuo)為 計算 距(ju)離(li)(li)的(de)基準。離(li)(li)子(zi)濃(nong)度是距(ju)離(li)(li)的(de)函(han)數(shu)(shu)(shu)，因為>1I，所以在(zai)液(ye)相中，距(ju)離(li)(li)I-界(jie)面(mian)越遠(yuan)，離(li)(li)子(zi)濃(nong)度越高(gao);在(zai)膜(mo)中，距(ju)離(li)(li)I-II界(jie)面(mian)越遠(yuan)，離(li)(li)子(zi)濃(nong)度越低。
Scatchard認(ren)為，膜(mo)與溶(rong)液(ye)的(de)(de)(de)(de)介電常數差別越(yue)大(da)(da)，或者說膜(mo)的(de)(de)(de)(de)介電常數越(yue)小溶(rong)液(ye)的(de)(de)(de)(de)介電常數越(yue)大(da)(da)，則離子在膜(mo)表面處及膜(mo)內(nei)的(de)(de)(de)(de)渡度越(yue)小。膜(mo)內(nei)離子濃度越(yue)低，膜(mo)對溶(rong)質的(de)(de)(de)(de)去(qu)除率(lv)越(yue)高(gao)。因(yin)此，為了提高(gao)膜(mo)的(de)(de)(de)(de)分離性能(neng)，應選擇介電常數較低的(de)(de)(de)(de)膜(mo)材料。Scatchafd還發(fa)現，溶(rong)液(ye)的(de)(de)(de)(de)濃度越(yue)高(gao)，膜(mo)的(de)(de)(de)(de)去(qu)除率(lv)越(yue)低。
2.4.2 Gluckauf理(li)論
Gluckauf認(ren)為膜存在著(zhu)細孔，細孔半徑為r，如圖6-2所(suo)示。由于膜與溶(rong)液(ye)的介電(dian)常數(shu)不同(tong)， 離子從溶(rong)液(ye)中進入膜內需要一定的能氫E)：
式(shi)中(zhong)，4為離子(zi)(zi)(zi)電荷;是與Debye -Huckel模型中(zhong)的離子(zi)(zi)(zi)半(ban)徑( 1/Kρ)和膜孔徑有(you)關的常數，為離子(zi)(zi)(zi)半(ban)徑。孔中(zhong)B處離子(zi)(zi)(zi)濃(nong)度(du)(C孔)服從Boltzmann分布; C孔=Cexp(-E/(Kρ))式(shi)中(zhong)，kc為Boltzmann常數;T為溶液的溫(wen)度(du)。
對比可得：
由(you)上式可(ke)以(yi)(yi)看出(chu)，溶質的(de)(de)(de)(de)去除率與(yu)膜(mo)的(de)(de)(de)(de)孔徑、膜(mo)的(de)(de)(de)(de)介電(dian)常數、離(li)子(zi)的(de)(de)(de)(de)水(shui)化體積、離(li)子(zi)所帶的(de)(de)(de)(de)電(dian)荷、離(li)子(zi)的(de)(de)(de)(de)濃度(du)以(yi)(yi)及(ji)溶液的(de)(de)(de)(de)溫度(du)有(you)關(guan)。
2.4.3 Bean理(li)論
Bean在(zai)Gluckauf理論的基(ji)礎上，利用Parsegian的研究成果計算得到去除率(lv)R為(wei);
式中，μ為細孔(kong)內溶(rong)液的(de)粘度;D為水中溶(rong)質的(de)擴散(san)系數。
由上式可以看出，溶質的去除率與(yu)操作壓力及膜孔(kong)徑有(you)關(guan)。
2.4.4離子與溶(rong)劑的相互作用
松浦(pu)等人為了研究(jiu)離(li)(li)子與溶劑(ji)的(de)相互作(zuo)用對膜透過性能的(de)影響，提(ti)出了的(de)△△G概念。△△G是離(li)(li)子從主體溶液(ye)進入Ⅰ-Ⅱ相界面所需要的(de)自由焙差。即
△△G=△Gr-△GB
式中(zhong)，△△G為(wei)Ⅰ-Ⅱ相界面處離(li)子與溶(rong)劑相互(hu)作用的自由烙(luo)差(cha)，由離(li)子水(shui)化(hua)自由燴△GB為(wei)主體溶(rong)液中(zhong)離(li)子與溶(rong)劑相互(hu)作用自由焙差(cha)，由反(fan)滲透實驗數據推算。
△△G >0，表(biao)明(ming)離子(zi)從主體(ti)溶液遷移至(zhi)(zhi)膜(mo)表(biao)面(mian)為(wei)反(fan)自發(fa)過程(cheng)(cheng)，即(ji)(ji)膜(mo)排斥(chi)該離子(zi);反(fan)之△△G < 0，則離子(zi)從主體(ti)溶液遷移至(zhi)(zhi)膜(mo)表(biao)面(mian)為(wei)自發(fa)過程(cheng)(cheng)，即(ji)(ji)膜(mo)吸引該離子(zi)。
松浦等人(ren)根據醋酸纖維素膜對(dui)各電解(jie)質分離(li)的實驗結果和離(li)子的水化(hua)自由焙，求出了離(li)子的△△G。發(fa)現有(you)如下 規律 ;
(1) 陽(yang)(yang)離子的G為(wei)負值，陰離子的G為(wei)正值。這表明膜(mo)吸引陽(yang)(yang)離子而排斥陰離子，可以(yi)推測(ce)醋酸(suan)纖維素膜(mo)呈負電(dian)性。
(2) 1價(jia)陽離(li)(li)子(zi)(zi)的(de)G比2價(jia)陽離(li)(li)子(zi)(zi)的(de)G更負，這預示著1價(jia)陽離(li)(li)子(zi)(zi)的(de)分離(li)(li)效果比2價(jia)陽離(li)(li)子(zi)(zi)的(de)差。
(3) 對于鹵素離子(zi)，隨(sui)著離子(zi)半(ban)徑增(zeng)(zeng)加G下(xia)降(jiang)，因(yin)而去除率隨(sui)離子(zi)半(ban)徑增(zeng)(zeng)大而下(xia)降(jiang)。
3 反滲透膜及膜裝置類(lei)型
3.1 反(fan)滲透膜類型
一般來說，反滲透膜應具(ju)備以(yi)下性能：
。
①單位面積上(shang)透水量大(da)，脫鹽(yan)率高;
②機(ji)械強度好(hao)，多(duo)孔支撐層的壓實作用(yong)小(xiao);
③化學穩定性好，耐酸、堿(jian)腐蝕(shi)和(he)微生物侵蝕(shi);
④結構均勻，使用壽命長(chang)，性(xing)能衰降慢(man);
⑤制膜容易，價格便宜，原料充足。
影響 膜性(xing)能因素(su)[7]：
①回收(shou)率/轉變率;
③壓力;
④壓密;
⑤濃差極化。
據(ju)此(ci)， 目前 較常用(yong)的膜類型有：
①醋酸纖維(wei)膜(CA膜)
CA膜(mo)(mo)又可(ke)以分(fen)為平膜(mo)(mo)、管式膜(mo)(mo)和中空纖維膜(mo)(mo)幾(ji)類(lei)。CA膜(mo)(mo)具有反滲(shen)透膜(mo)(mo)所需的三(san)個基(ji)本性(xing)(xing)質：高(gao)透水性(xing)(xing)、對大多(duo)數(shu)水溶性(xing)(xing)組(zu)分(fen)的滲(shen)透性(xing)(xing)相當低、具有良(liang)好的成膜(mo)(mo)性(xing)(xing)能(neng)。
②聚酰(xian)胺膜(PA膜)
聚酰(xian)胺膜(mo)又可以分為(wei)脂肪族聚酰(xian)胺膜(mo)、芳香(xiang)聚酰(xian)胺膜(mo)(成膜(mo)材(cai)料為(wei)芳香(xiang)聚酰(xian)胺、芳香(xiang)聚酰(xian)胺-酰(xian)肼以及(ji)一些含氮芳香(xiang)聚合物)
③復合膜
這是(shi)近(jin)些年來開發(fa)的(de)(de)(de)(de)一種(zhong)新型反(fan)滲透膜，它是(shi)由很(hen)薄的(de)(de)(de)(de)而(er)且致密的(de)(de)(de)(de)符合(he)層(ceng)與高(gao)(gao)空隙(xi)率的(de)(de)(de)(de)基膜復(fu)合(he)而(er)成的(de)(de)(de)(de)，它的(de)(de)(de)(de)膜通(tong)量在相同的(de)(de)(de)(de)條件下比(bi)非對稱膜高(gao)(gao)約50%-100%。目前復(fu)合(he)膜有以下幾種(zhong)：
a.交(jiao)聯芳香族聚(ju)酰胺(an)復合膜(PA);
b.丙烯-烷基聚酰胺和縮合(he)尿(niao)素復(fu)合(he)膜;
c.聚(ju)哌嗪酰胺(an)復合(he)膜;
d.氧(yang)化鋯-聚丙烯酸復合(he)膜(mo)。
3.2反滲(shen)透(tou)裝置型式(shi)
3.2.1 板框式反滲透(tou)裝置
這(zhe)種形式的裝(zhuang)置(zhi)由Aerojet通用公(gong)司 發展 起來(lai)的，教適合(he)于小的和低壓工廠。膜支撐體在一種圓形平(ping)板上，這(zhe)塊(kuai)平(ping)板稱為(wei)多(duo)孔(kong)板，常見的有不(bu)銹鋼多(duo)孔(kong)板和聚氯乙烯多(duo)孔(kong)板，產水通過多(duo)孔(kong)板匯集起來(lai)。這(zhe)種裝(zhuang)置(zhi)存在以下缺點(dian)：①安裝(zhuang)和維護費用高，②進料分布不(bu)均勻，③流槽(cao)窄，④多(duo)級(ji)膜裝(zhuang)卸復(fu)雜(za)，⑤單位體積中膜的比表面積低，產水量少(shao)。
盡(jin)管有這些缺點，但由于它(ta)的結(jie)構簡(jian)單可(ke)靠(kao)，體積比管式裝置小(xiao)，在小(xiao)規(gui)模的生(sheng)產場所還是有一(yi)定的優勢(shi)的。
3.2.2 管(guan)式反(fan)滲透(tou)裝(zhuang)置
這種裝置在實際(ji) 應用 中是很有(you)意義(yi)的(de)。它能(neng)夠處(chu)理(li)含懸(xuan)浮顆粒和(he)溶解性物質的(de)液(ye)(ye)體(ti)，像沉淀(dian)一(yi)樣在管式裝置中把料(liao)液(ye)(ye)進行濃縮，運(yun)行期間系統(tong)處(chu)處(chu)都可以保持良好的(de)排(pai)水作用，適當調(diao)節(jie)水力(li)條件，常常可以預防溶液(ye)(ye)的(de)濃縮弄臟(zang)或堵塞膜。其主(zhu)要(yao)優(you)缺點可以歸納如下：
優點：①能夠處(chu)理(li)含懸浮固體的溶液，②合適的流(liu)動(dong)狀態就可以防止濃差極化和膜污(wu)染等，并容易調整。
缺點(dian)：①設備端(duan)部用(yong)膜較多，裝(zhuang)置制造(zao)和安裝(zhuang)費用(yong)較昂貴。②單(dan)位體積中(zhong)膜的比表(biao)面積小。③必(bi)須把管子外(wai)部包(bao)起來。④要使(shi)用(yong)支撐材(cai)料
3.2.3 螺旋式反(fan)滲透(tou)裝(zhuang)置
美國通用(yong)原子公司(Gulf General Atomic Co)發展了(le)這(zhe)種(zhong)裝置。這(zhe)種(zhong)螺(luo)旋式(shi)(shi)結構的(de)(de)中間為多(duo)孔(kong)支(zhi)(zhi)撐(cheng)材(cai)料(liao)(liao)(liao)，兩邊(bian)是膜(mo)的(de)(de)“雙(shuang)層(ceng)結構”，它的(de)(de)末(mo)端是沖孔(kong)的(de)(de)塑料(liao)(liao)(liao)管(guan)。雙(shuang)層(ceng)膜(mo)的(de)(de)邊(bian)緣與(yu)多(duo)孔(kong)支(zhi)(zhi)撐(cheng)材(cai)料(liao)(liao)(liao)密封形成(cheng)一個膜(mo)袋(收集(ji)產水(shui))，在膜(mo)袋之間再(zai)鋪上一層(ceng)隔網，然后沿中心管(guan)卷繞這(zhe)種(zhong)多(duo)層(ceng)材(cai)料(liao)(liao)(liao)(膜(mo)/多(duo)孔(kong)支(zhi)(zhi)撐(cheng)材(cai)料(liao)(liao)(liao)/膜(mo)/料(liao)(liao)(liao)液隔網)，就(jiu)形成(cheng)了(le)一個螺(luo)旋式(shi)(shi)反滲透(tou)組件(jian)。將卷好(hao)的(de)(de)螺(luo)旋式(shi)(shi)組件(jian)，放(fang)入壓(ya)力容器(qi)中，就(jiu)成(cheng)為完整的(de)(de)螺(luo)旋式(shi)(shi)反滲透(tou)裝置。使(shi)用(yong)這(zhe)種(zhong)螺(luo)旋式(shi)(shi)反滲透(tou)裝置時應注意：①中心管(guan)主要(yao)褶皺處的(de)(de)泄(xie)露②膜(mo)及支(zhi)(zhi)撐(cheng)材(cai)料(liao)(liao)(liao)在粘結線上發生皺紋③膠線太厚可能(neng)會產生張力或壓(ya)力不均勻④支(zhi)(zhi)撐(cheng)材(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)移(yi)動會使(shi)膜(mo)的(de)(de)支(zhi)(zhi)撐(cheng)不合理，導致平衡(heng)線移(yi)動⑤膜(mo)上有小孔(kong)洞，這(zhe)是由于膜(mo)的(de)(de)質(zhi)量不合格所(suo)致。
目前，美國制作螺旋式(shi)組(zu)件已實現機械化(hua)，采用(yong)一種0.91m滾(gun)壓機，連續噴膠將膜與支撐材料粘密封(feng)結(jie)在一起，并滾(gun)轉成(cheng)螺旋式(shi)組(zu)件，牢(lao)固后不必打開即(ji)可使用(yong)。
螺旋式組件的主要優缺(que)點是(shi)：
優點：①單(dan)位體積(ji)中膜的(de)表面(mian)積(ji)比率大(da)②壓力導(dao)管的(de)設(she)計(ji)簡(jian)單(dan)，具(ju)有擾性，安裝和更(geng)換容(rong)易，結構可以緊(jin)密放在一起。
缺點：①料液(ye)含懸浮固體時不適(shi)宜(yi)②料液(ye)流(liu)動路(lu)線短③壓力消耗高④再循環濃縮困難。
3.2.4 中空纖維式反滲透裝(zhuang)置
美國杜(du)邦公司(si)和道斯化(hua)學公司(si)提出(chu)用純中(zhong)空(kong)纖維(wei)(wei)(wei)素作(zuo)為反(fan)滲透(tou)膜(mo)(mo)，制造(zao)出(chu)中(zhong)空(kong)纖維(wei)(wei)(wei)式反(fan)滲透(tou)裝(zhuang)置。這(zhe)種裝(zhuang)置類似于(yu)一(yi)(yi)端(duan)封(feng)死的(de)(de)熱交換器，其中(zhong)含有外徑(jing)50μm、內徑(jing)25μm;裝(zhuang)成(cheng)一(yi)(yi)種圓柱形耐壓(ya)容(rong)器中(zhong)，或是(shi)將中(zhong)空(kong)纖維(wei)(wei)(wei)彎成(cheng)U形裝(zhuang)入耐壓(ya)容(rong)器中(zhong)，由于(yu)這(zhe)種中(zhong)空(kong)纖維(wei)(wei)(wei)極細，通(tong)常可(ke)以裝(zhuang)填幾百萬根。高壓(ya)溶液(ye)從(cong)(cong)容(rong)器旁打進去，經過中(zhong)空(kong)纖維(wei)(wei)(wei)膜(mo)(mo)的(de)(de)外壁，從(cong)(cong)中(zhong)空(kong)纖維(wei)(wei)(wei)管(guan)束的(de)(de)另(ling)一(yi)(yi)端(duan)把滲透(tou)液(ye)收集起(qi)來(lai)，濃縮(suo)后的(de)(de)料液(ye)從(cong)(cong)另(ling)一(yi)(yi)端(duan)連(lian)續排掉。
中(zhong)空纖維式反滲透裝置的主要優缺點如下：
優點：①單位體(ti)積中膜(mo)的表面積比率高(gao)，一般可達到(dao)16000-30000m2/m3，因此組(zu)件(jian)可以小(xiao)型化;②膜(mo)不(bu)需支撐材料，中空纖維本身可以受壓而不(bu)破裂。
缺點：①膜表面去污困難，料液需經嚴格預(yu)處理(li);②中(zhong)空纖維膜一旦(dan)損壞是無(wu)法更換的。
由此我們可以給優(you)質反滲透裝(zhuang)置作(zuo)出以下(xia)要求：
① 對膜能提供合適的(de)支撐
② 處理溶液在整個膜面上必須(xu)均勻分布
③ 在最小(xiao)能耗情(qing)況(kuang)下，對處理溶液提供良好的(de)流動狀(zhuang)態(tai)
④ 單(dan)位體積(ji)中膜的有效(xiao)面積(ji)比率高(gao)
⑤ 組件(jian)容易拆卸(xie)和(he)更換
⑥ 便于膜的(de)拆卸和(he)組裝(zhuang)
⑦ 在運行壓(ya)力下，有效的工作時安全與可靠性高
⑧ 外部泄(xie)露能盡可能從壓力的變化上(shang)發現
⑨ 建造、維護費用都是(shi)方便的。
目(mu)前流行的(de)這四(si)種裝置的(de)一些主要特性比較見表3-1
表(biao)3-1 四種反滲透裝置的主要特性比較
|
種 類 |
膜裝填密度m2/m3 | 操作壓力MPa | 透水量m3/m2*d | 單位體積產水量m3/m3*d |
|
板(ban)框式 管 式 螺旋式 中空纖維式 |
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：原料液為(wei)500mg/L NaCl，脫鹽率為(wei)92%-96%
4 反(fan)滲透(tou)膜(mo)的主要性能參數與運行(xing)工況條(tiao)件(jian)
4.1 反滲(shen)透的主要(yao)性(xing)能參數[8]
1) 透水(shui)率(lv)(lv)(lv)。是指(zhi)單位時間(jian)透過單位膜(mo)(mo)(mo)面積(ji)的(de)(de)水(shui)量。主要取(qu)決于膜(mo)(mo)(mo)的(de)(de)材質和結構等因素,但一定的(de)(de)反滲(shen)透膜(mo)(mo)(mo)其(qi)透水(shui)率(lv)(lv)(lv)則(ze)取(qu)決于運行條件;a. 透水(shui)率(lv)(lv)(lv)隨(sui)溫(wen)度的(de)(de)升高而(er)增加(jia)(jia),隨(sui)工(gong)作(zuo)壓力的(de)(de)增加(jia)(jia)成比例的(de)(de)上升;b. 透水(shui)率(lv)(lv)(lv)隨(sui)進水(shui)濃度的(de)(de)增加(jia)(jia)而(er)下(xia)降;c. 透水(shui)率(lv)(lv)(lv)隨(sui)回收率(lv)(lv)(lv)的(de)(de)增加(jia)(jia)而(er)下(xia)降。
2) 回(hui)收(shou)率。即供水對滲透液(ye)的轉(zhuan)換率,直接(jie)影響(xiang)除鹽系(xi)統的成(cheng)本。對于苦鹽水的回(hui)收(shou)率大約為90 %;高苦鹽水降為60 %-65 %; 工業 海水系(xi)統回(hui)收(shou)率是(shi)35 %-45 %。
3) 膜(mo)(mo)通量。是(shi)表明通過(guo)膜(mo)(mo)表面的一個特定區域的水流速度。
對于地表水是(shi)8 GFD-14 GFD(13 L/ m3·h-23 L/ m3·h) ;經過反(fan)滲(shen)透出(chu)水是(shi)14 GFD-18 GFD(23 L/ m3·h-30 L/ m3·h) ;對于海水為7 GFD-8 GFD。
4.2 反滲透裝置的運行(xing)工況(kuang)條件[8]
為(wei)了確保反滲(shen)透裝置安全(quan)可靠運行,選擇一(yi)定適宜的(de)(de)工況條(tiao)件(jian)(jian)是非常必要(yao)的(de)(de)。反滲(shen)透裝置的(de)(de)主要(yao)工況條(tiao)件(jian)(jian)為(wei)進水pH值、進水溫度與運行壓力。
1) 進水pH 值(zhi)。對于醋酸纖維(wei)膜(mo)運行時,水以偏酸性(xing)為(wei)宜，pH值(zhi)一(yi)般控制在4～7之間(jian)，在此(ci)范圍外加速(su)膜(mo)的(de)水解與老化。目前認為(wei)pH值(zhi)在5-6 之間(jian)最(zui)佳。膜(mo)的(de)水解不僅會引(yin)起產水量的(de)減(jian)少，而且會造成膜(mo)對鹽去除能力的(de)持(chi)續性(xing)降(jiang)低(di)，直至膜(mo)損(sun)壞為(wei)止(zhi)。
2) 進(jin)水溫(wen)度(du)對產水量(liang)有一定的(de)(de)影(ying)響(xiang),溫(wen)度(du)增加(jia)1 ℃，膜(mo)的(de)(de)透水能(neng)力增加(jia)約2.7 %。反滲透膜(mo)的(de)(de)進(jin)水溫(wen)度(du)底(di)限為5℃-8℃,此時(shi)的(de)(de)滲濾速率很慢(man)。當溫(wen)度(du)從(cong)11℃升至25℃時(shi)，產水量(liang)提高50 %。但當溫(wen)度(du)高于(yu)30℃時(shi),大多數膜(mo)變得不穩定，加(jia)速水解的(de)(de)速度(du)。一般(ban)醋酸纖(xian)維膜(mo)運行與保(bao)管的(de)(de)最高溫(wen)度(du)為35℃，宜控制在(zai)25℃-35℃之(zhi)間(jian)。
3) 運(yun)行(xing)壓(ya)(ya)(ya)力。滲(shen)透(tou)壓(ya)(ya)(ya)與原(yuan)水(shui)中的(de)含鹽量成(cheng)正比，與膜(mo)無關。提高(gao)運(yun)行(xing)壓(ya)(ya)(ya)力后(hou)，膜(mo)被壓(ya)(ya)(ya)密實，鹽透(tou)過(guo)率會(hui)減(jian)少，水(shui)的(de)透(tou)過(guo)率會(hui)增加，提高(gao)水(shui)的(de)回(hui)收率。但當(dang)壓(ya)(ya)(ya)力超(chao)過(guo)一定(ding)限度時會(hui)造成(cheng)膜(mo)的(de)老化，膜(mo)的(de)變(bian)形加劇，透(tou)水(shui)能力下降。
4.3 影響反滲(shen)透運行參數的主要因素[9]
膜(mo)的水通量和脫(tuo)鹽率是反滲透過程中關鍵的運行參(can)數，這兩個參(can)數將受到(dao)壓力(li)、溫度、回收率、給(gei)(gei)水含鹽量、給(gei)(gei)水PH值(zhi)因素的影響(xiang)。
(1)壓力
給(gei)水壓力(li)升高使(shi)膜的水通(tong)量(liang)增(zeng)大(da)，壓力(li)升高并不(bu)影響鹽(yan)(yan)透過量(liang)。在(zai)鹽(yan)(yan)透過量(liang)不(bu)變(bian)的情況下(xia)，水通(tong)量(liang)增(zeng)大(da)時產(chan)品水含鹽(yan)(yan)量(liang)下(xia)降(jiang)，脫(tuo)鹽(yan)(yan)率提高了。
(2)溫度
溫度(du)(du)對反滲透(tou)的運(yun)行壓力(li)、脫(tuo)鹽率、壓降(jiang)(jiang)影響最為明顯。溫度(du)(du)上(shang)升，滲透(tou)性能增加，在一定水通量(liang)下要求的凈推動力(li)減少，因此實際運(yun)行壓力(li)降(jiang)(jiang)低。同時溶質透(tou)過速(su)率也隨溫度(du)(du)的
升高(gao)而增(zeng)加(jia)，鹽透過(guo)量增(zeng)加(jia)，直接表現為產品水電導率升高(gao)。
溫度(du)對反滲透各段的(de)壓(ya)降(jiang)(jiang)也有一定的(de)影(ying)響(xiang)，溫度(du)升(sheng)高，水的(de)粘度(du)降(jiang)(jiang)低，壓(ya)降(jiang)(jiang)減少，對于膜的(de)通道(dao)由于污(wu)堵而使湍(tuan)流程度(du)增(zeng)強的(de)裝置(zhi)，粘度(du)對壓(ya)降(jiang)(jiang)的(de)影(ying)響(xiang)更為明(ming)顯(xian)。
(3)回收率
回收(shou)率(lv)(lv)(lv)對各段壓(ya)降有(you)很(hen)大的(de)影響(xiang)，在進水(shui)總流量(liang)保持(chi)一定(ding)的(de)條(tiao)件下，回收(shou)率(lv)(lv)(lv)增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)，由于流經反(fan)滲(shen)透高壓(ya)側的(de)濃(nong)水(shui)流量(liang)減少(shao)(shao)，總壓(ya)降降低(di)，回收(shou)率(lv)(lv)(lv)減少(shao)(shao)，總壓(ya)降增(zeng)(zeng)大，實際運(yun)行表明，回收(shou)率(lv)(lv)(lv)即使變(bian)化很(hen)小(xiao)，如1%，也(ye)會使總壓(ya)差產(chan)生0. 02MPa左右的(de)變(bian)化。回收(shou)率(lv)(lv)(lv)對產(chan)品水(shui)電導率(lv)(lv)(lv)的(de)影響(xiang)取決(jue)于鹽透過(guo)量(liang)和產(chan)品水(shui)量(liang)，一般說來，系(xi)統回收(shou)率(lv)(lv)(lv)增(zeng)(zeng)大，會增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)濃(nong)水(shui)中的(de)含鹽量(liang)，并相應增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)產(chan)品水(shui)的(de)電導率(lv)(lv)(lv)。
(4)進(jin)水(shui)含鹽量
對同(tong)一(yi)系統來說，給(gei)水(shui)含鹽量不同(tong)，其運行壓力和產品水(shui)電導(dao)率也有差(cha)別，給(gei)水(shui)含鹽量每增加(jia)(jia)l00ppm，進水(shui)壓力需增加(jia)(jia)約0.007MPa，同(tong)時由于濃度的(de)增加(jia)(jia)，產品水(shui)電導(dao)率也相應的(de)增加(jia)(jia)。
(5)pH值
各種(zhong)膜(mo)組(zu)件都有(you)一個允許的pH值范圍(wei)(wei)，即使在允許范圍(wei)(wei)內，pH值對產品水(shui)的電(dian)導率(lv)也有(you)一定的影(ying)響(xiang)，這(zhe)是因為反滲透膜(mo)本(ben)身(shen)大都帶有(you)一些活性基(ji)團，pH值可以影(ying)響(xiang)膜(mo)表面的電(dian)場進(jin)而影(ying)響(xiang)到(dao)離子(zi)的遷(qian)移，另一方面pH值對進(jin)水(shui)中雜質的形態有(you)直接影(ying)響(xiang)，如對可離解的有(you)機(ji)物，其截留率(lv)隨pH值的降低而下降。
5 反滲透的流(liu)程
反滲透(tou)(tou)的(de)流程是由反滲透(tou)(tou)的(de)設計(ji)依據確定的(de)。
5.1 反滲透的流程的設計依據
RO過程應視(shi)為一(yi)(yi)個(ge)總的(de)(de)(de)系(xi)(xi)統，它包含各組(zu)成部(bu)(bu)分及(ji)依據(ju)。這些依據(ju)可作為設計RO系(xi)(xi)統時的(de)(de)(de)入(ru)門指南。每(mei)(mei)一(yi)(yi)部(bu)(bu)分與(yu)每(mei)(mei)一(yi)(yi)交接處都將有合(he)宜(yi)的(de)(de)(de)操縱開關及(ji)連接，以保證系(xi)(xi)統的(de)(de)(de)長期使用(yong)性能即(ji)可靠性。每(mei)(mei)一(yi)(yi)部(bu)(bu)分及(ji)每(mei)(mei)一(yi)(yi)系(xi)(xi)統均(jun)有可考慮滿足各個(ge)用(yong)戶(hu)需要的(de)(de)(de) 經濟 /性能的(de)(de)(de)折中(zhong)辦法。我(wo)們(men)沿與(yu)流程相反的(de)(de)(de)方向來(lai)討論：
①最終用(yong)途：首(shou)先(xian)的(de)(de)考慮是(shi)產(chan)品水(shui)(shui)(shui)的(de)(de)具體用(yong)途，它決定了為滿足用(yong)戶(hu)需要的(de)(de)水(shui)(shui)(shui)質和(he)水(shui)(shui)(shui)量。對飲用(yong)水(shui)(shui)(shui)，通常要求滿足公共衛生標(biao)準或世界衛生組(zu)織(zhi)標(biao)準。對超(chao)純 電(dian)子(zi) 工業用(yong)水(shui)(shui)(shui)，水(shui)(shui)(shui)電(dian)阻率需達18MΩcm。然而(er)產(chan)品的(de)(de)性能并不嚴格的(de)(de)要超(chao)過所需值(zhi)，因為高(gao)于所需的(de)(de)產(chan)水(shui)(shui)(shui)量或產(chan)水(shui)(shui)(shui)水(shui)(shui)(shui)質將(jiang)增加產(chan)品水(shui)(shui)(shui)的(de)(de)費用(yong)，產(chan)生明顯的(de)(de)負面影響。
②后(hou)處理：在RO透過液使用(yong)(yong)(yong)前，通(tong)常需要(yao)對(dui)其作些(xie)后(hou)處理。至少，需要(yao)脫氣以(yi)去除為控(kong)制結(jie)垢對(dui)進(jin)(jin)料水酸化(hua)而產生的CO2和進(jin)(jin)行pH調節，以(yi)防(fang)止下游系統發(fa)生腐(fu)蝕。后(hou)處理的要(yao)求取(qu)決于(yu)應(ying)用(yong)(yong)(yong)，需按具體情況(kuang)加以(yi)確定。對(dui)許多工業應(ying)用(yong)(yong)(yong)，后(hou)處理包括采用(yong)(yong)(yong)樹(shu)脂除鹽和紫外(wai)線(xian)消毒。對(dui)城(cheng)市(shi)應(ying)用(yong)(yong)(yong)要(yao)附加pH調節、脫氣及(ji)用(yong)(yong)(yong)氯消毒。
③膜：膜為系統(tong)的心臟，其性能可受(shou)與膜本身及其構型無(wu)關的一些因素的影響，例如預處(chu)理及系統(tong)的操作與維(wei)護，然而，需根據(ju)進料(liao)水(shui)的水(shui)質(zhi)及最(zui)終用途仔(zi)細考(kao)慮選(xuan)擇膜材料(liao)及膜構型。
④操作(zuo)(zuo)與維護：操作(zuo)(zuo)與維護是(shi)成功的(de)(de)(de)(de)系統(tong)性(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)關鍵(jian)。為(wei)了盡早的(de)(de)(de)(de)發現(xian)潛(qian)隱(yin)的(de)(de)(de)(de) 問題 ，須收(shou)集(ji)系統(tong)性(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)數(shu)據并定期 分析 。若(ruo)發生(sheng)了問題，應該(gai)采用合宜(yi)的(de)(de)(de)(de)尋找(zhao)故障的(de)(de)(de)(de)技(ji)(ji)術(shu)，并與膜(mo)制造(zao)商和/或(huo)系統(tong)設計者(zhe)切磋(cuo)商量(liang)(liang)合宜(yi)的(de)(de)(de)(de)消(xiao)除問題的(de)(de)(de)(de)措施(shi)。對不能(neng)(neng)(neng)控制的(de)(de)(de)(de)結垢、污(wu)染(ran)或(huo)堵塞，則(ze)需經常(chang)清(qing)(qing)洗(xi)膜(mo)以保持膜(mo)的(de)(de)(de)(de)性(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)。在膜(mo)裝置中，這(zhe)些物質不可(ke)逆的(de)(de)(de)(de)積(ji)累將導(dao)致(zhi)流體分布不均和產生(sheng)濃差極化，這(zhe)將造(zao)成膜(mo)通量(liang)(liang)與鹽截留率(lv)的(de)(de)(de)(de)減退，有(you)時(shi)會使(shi)膜(mo)材料發生(sheng)降(jiang)解(jie)。這(zhe)些導(dao)致(zhi)了昂貴的(de)(de)(de)(de)膜(mo)單(dan)元(yuan)的(de)(de)(de)(de)更換。已開發出(chu)(chu)的(de)(de)(de)(de)用于恢復因結垢或(huo)污(wu)染(ran)造(zao)成的(de)(de)(de)(de)不良的(de)(de)(de)(de)膜(mo)性(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)技(ji)(ji)術(shu)，若(ruo)能(neng)(neng)(neng)及早的(de)(de)(de)(de)識別出(chu)(chu)膜(mo)需清(qing)(qing)洗(xi)，則(ze)這(zhe)些技(ji)(ji)術(shu)是(shi)非常(chang)有(you)效的(de)(de)(de)(de)。清(qing)(qing)晰劑可(ke)用以從(cong)膜(mo)裝置中將微粒、膠體、生(sheng)物和有(you)機物移出(chu)(chu)。通常(chang)的(de)(de)(de)(de)做(zuo)法是(shi)將清(qing)(qing)洗(xi)液按正向流動，低壓下通過膜(mo)裝置進行循環，直(zhi)至污(wu)染(ran)物被去除。很少(shao)推薦進行反(fan)洗(xi)。
⑤高(gao)壓泵(beng)(beng)：高(gao)壓泵(beng)(beng)提供膜生(sheng)產所需(xu)產水流(liu)量及水質的(de)壓力。常用泵(beng)(beng)的(de)類(lei)型是單(dan)級(ji)、高(gao)速離(li)(li)心(xin)(xin)泵(beng)(beng);柱塞(sai)泵(beng)(beng);多級(ji)離(li)(li)心(xin)(xin)泵(beng)(beng)。通常單(dan)級(ji)離(li)(li)心(xin)(xin)泵(beng)(beng)效率最低(di)，柱塞(sai)泵(beng)(beng)效率最高(gao)。對(dui)于(yu)小系(xi)統采用高(gao)速離(li)(li)心(xin)(xin)泵(beng)(beng)，對(dui)于(yu)大(da)系(xi)統采用多級(ji)離(li)(li)心(xin)(xin)泵(beng)(beng)為佳(jia)。
⑥預處理(li)(li)：預處理(li)(li)即垢的控(kong)制， 方法(fa) 有pH值(zhi)的調節、緩蝕劑軟(ruan)化、微生物(wu)(wu)控(kong)制、氯(lv)化/脫氯(lv)，對懸浮固體(ti)(ti)、膠體(ti)(ti)、金屬氧化物(wu)(wu)、有機物(wu)(wu)等的去除。
5.2 預處理過程
總的來講反滲透系(xi)統是由預處理過程和(he)膜(mo)分離過程組成的。
預處(chu)理(li)(li)(li)過程(cheng)(cheng)(cheng)是指被處(chu)理(li)(li)(li)的(de)(de)料(liao)液在進入(ru)膜分離過程(cheng)(cheng)(cheng)前需采(cai)用的(de)(de)預先(xian)處(chu)理(li)(li)(li)措(cuo)施。預處(chu)理(li)(li)(li)一般(ban)有(you)物(wu)理(li)(li)(li)處(chu)理(li)(li)(li)、化學處(chu)理(li)(li)(li)和光化學處(chu)理(li)(li)(li)三種。在預處(chu)理(li)(li)(li)過程(cheng)(cheng)(cheng)中可使(shi)(shi)用各種單元操(cao)作，也(ye)可以將幾種方(fang)法組合使(shi)(shi)用，預處(chu)理(li)(li)(li)過程(cheng)(cheng)(cheng)的(de)(de)好(hao)壞是反滲透膜的(de)(de)分離過程(cheng)(cheng)(cheng)成敗的(de)(de)關鍵，因此(ci)必須嚴格認真的(de)(de)做(zuo)好(hao)預處(chu)理(li)(li)(li)工作。
目(mu)前流行的方法主要有以下幾種(zhong)：
(1)物理法
物(wu)理方法包括①沉淀法或氣(qi)浮分(fen)離法，②砂過(guo)(guo)濾(lv)(lv)、預(yu)涂(tu)層(助濾(lv)(lv)劑)過(guo)(guo)濾(lv)(lv)、濾(lv)(lv)筒過(guo)(guo)濾(lv)(lv)、精過(guo)(guo)濾(lv)(lv)等，③活性(xing)炭(tan)吸附法，④冷(leng)卻(que)或加(jia)熱。
(2)化學法
化(hua)學方(fang)法(fa)(fa)包括①氧化(hua)法(fa)(fa)：利用臭氧、空氣(qi)、氧、氯等氧化(hua)劑進(jin)行(xing)氧化(hua)，②還原法(fa)(fa)，③pH值調節法(fa)(fa)
(3)光化(hua)學(xue)法
光化(hua)學預(yu)處理(li)方法主要指紫外線照射。
采用(yong)哪一(yi)種預(yu)處理方法，不(bu)(bu)僅取決于料(liao)液的(de)物理、化學(xue)(xue)和生物學(xue)(xue)性(xing)質，而且還要根據在膜(mo)分離(li)過(guo)程中所(suo)(suo)用(yong)組件(jian)的(de)類型構造(zao)作出判(pan)斷。實際運行中的(de)故障，一(yi)方面是由于膜(mo)表面上的(de)分離(li)所(suo)(suo)帶來的(de)直接污染;另一(yi)方面與膜(mo)組件(jian)本身的(de)構造(zao)有關。預(yu)處理所(suo)(suo)需要達到的(de)標準，根據所(suo)(suo)用(yong)的(de)膜(mo)件(jian)的(de)不(bu)(bu)同也不(bu)(bu)一(yi)致。
5.3 反滲透膜分離(li)常見(jian)的流(liu)程
反滲透膜分(fen)離(li)工(gong)藝(yi)設計中常見的(de)流程有如下幾種：
①一級一段法
這(zhe)種方式(shi)(shi)是料(liao)液(ye)進入(ru)膜組件后，濃(nong)縮液(ye)和產(chan)水(shui)(shui)被連續引出(chu)，這(zhe)種方式(shi)(shi)水(shui)(shui)的回(hui)收率不(bu)(bu)高(gao)，工業(ye)應用(yong)較少。另一種形式(shi)(shi)是一級一段(duan)循(xun)環式(shi)(shi)工藝，它是將濃(nong)水(shui)(shui)一部分(fen)返回(hui)料(liao)液(ye)槽，這(zhe)樣濃(nong)溶液(ye)的濃(nong)度不(bu)(bu)斷提高(gao)，因此產(chan)水(shui)(shui)量大，但產(chan)水(shui)(shui)水(shui)(shui)質下(xia)降(jiang)。
②一級多段法
當用反滲透(tou)作為濃(nong)(nong)縮(suo)過程時(shi)，一(yi)次濃(nong)(nong)縮(suo)達不到要求時(shi)，可(ke)以采用這種多步式方式，這種方式濃(nong)(nong)縮(suo)液體體積(ji)可(ke)減少而濃(nong)(nong)度提高(gao)，產(chan)水量相應(ying)加大。
③兩級一段法
當海水(shui)除(chu)鹽率(lv)(lv)要求(qiu)把NaCl從(cong)35000 mg/L降至(zhi)500mg/L時(shi)，則要求(qiu)除(chu)鹽率(lv)(lv)高(gao)(gao)達98.6%如一(yi)級(ji)達不到時(shi)，可(ke)分為兩步(bu)(bu)(bu)進行。即(ji)第(di)一(yi)步(bu)(bu)(bu)先除(chu)去NaCl 90%，而第(di)二步(bu)(bu)(bu)再(zai)從(cong)第(di)一(yi)步(bu)(bu)(bu)出水(shui)中去除(chu)NaCl 89%，即(ji)可(ke)達到要求(qiu)。如果膜的(de)除(chu)鹽率(lv)(lv)低(di)(di)(di)，而水(shui)的(de)滲(shen)透性又(you)高(gao)(gao)時(shi)，采(cai)用兩步(bu)(bu)(bu)法比較(jiao)經濟，同(tong)時(shi)在低(di)(di)(di)壓低(di)(di)(di)濃度下運行時(shi)，可(ke)提高(gao)(gao)膜的(de)使用壽命。
④多級反滲透(tou)流程
在此流程中，將第一(yi)(yi)級(ji)(ji)(ji)(ji)濃縮(suo)液(ye)(ye)作為(wei)(wei)第二級(ji)(ji)(ji)(ji)的供料液(ye)(ye)，而第二級(ji)(ji)(ji)(ji)濃縮(suo)液(ye)(ye)再作為(wei)(wei)下一(yi)(yi)級(ji)(ji)(ji)(ji)的供料液(ye)(ye)，此時由(you)于各級(ji)(ji)(ji)(ji)透過水都向體(ti)外直接排出，所以隨著(zhu)級(ji)(ji)(ji)(ji)數(shu)增加(jia)水的回(hui)收率上升，濃縮(suo)液(ye)(ye)體(ti)體(ti)積(ji)減少(shao)(shao)濃度(du)上升。為(wei)(wei)了保證液(ye)(ye)體(ti)的一(yi)(yi)定流速(su)，同時控制濃差極化，膜組(zu)件數(shu)目應(ying)逐漸減少(shao)(shao)。
當(dang)然，在選擇(ze)流(liu)程(cheng)時(shi)，對(dui)裝置(zhi)的整體壽命、設備(bei)費、維護(hu)管(guan)理、技術可靠性也必須(xu)考慮(lv)。例如，需將高壓(ya)一級流(liu)程(cheng)改為兩級時(shi)，那么就有可能在低壓(ya)下運行(xing)，因(yin)而對(dui)膜(mo)、裝置(zhi)、密(mi)封、水(shui)泵等方面均有益處(chu)。
6 反滲透技術在城市(shi)污水的應用(yong)
反滲透(tou)技(ji)術(shu)是(shi)20世紀60年代初發展起來的(de)(de)以(yi)壓力為驅動力的(de)(de)膜分離技(ji)術(shu)。該技(ji)術(shu)是(shi)從海(hai)水(shui)(shui)(shui)、苦(ku)咸水(shui)(shui)(shui)淡(dan)化(hua)而(er)發展起來的(de)(de)，通常稱為“淡(dan)化(hua)技(ji)術(shu)”。由于反滲透(tou)技(ji)術(shu)具有無(wu)相變、組(zu)件化(hua)、流程簡單、操作方便、占地面(mian)積小、投(tou)資(zi)省、耗電低(di)等(deng)優點，因此在水(shui)(shui)(shui)處理中得(de)到了大(da)量(liang)的(de)(de)運用。目前反滲透(tou)技(ji)術(shu)已廣泛應用于海(hai)水(shui)(shui)(shui)苦(ku)咸水(shui)(shui)(shui)淡(dan)化(hua)，純(chun)水(shui)(shui)(shui)、超純(chun)水(shui)(shui)(shui)制備，化(hua)工(gong)分離、濃縮(suo)、提純(chun)等(deng)領域(yu)。工(gong)程遍布電力、電子、化(hua)工(gong)、輕工(gong)、煤(mei)炭(tan)、環保、醫藥、食品(pin)等(deng)行(xing)業(ye)。
6.1 在美國反滲透法生活污水(shui)處理[1]
在(zai)(zai)美國(guo)，反滲(shen)透(tou)法(fa)(fa)曾作(zuo)為生活污(wu)(wu)(wu)(wu)水(shui)是(shi)一(yi)(yi)種(zhong)深(shen)度處(chu)理(li)方(fang)法(fa)(fa)而進(jin)行 研究(jiu)(jiu) 。過去(qu)深(shen)度處(chu)理(li)一(yi)(yi)般(ban)是(shi)將(jiang)(jiang)污(wu)(wu)(wu)(wu)水(shui)的(de)(de)(de)(de)二(er)級處(chu)理(li)的(de)(de)(de)(de)排水(shui)(活性(xing)污(wu)(wu)(wu)(wu)泥生化(hua)處(chu)理(li)后(hou)的(de)(de)(de)(de)出水(shui))再進(jin)行混凝、過濾、活性(xing)炭(tan)吸附處(chu)理(li)等，但對(dui)(dui)(dui)除(chu)鹽過程(cheng)卻一(yi)(yi)直未予考慮。目前由(you)于全球性(xing)水(shui)源(yuan)緊(jin)張，各(ge)國(guo)都在(zai)(zai)大(da)力推行節約用(yong)水(shui)，在(zai)(zai)大(da)型工業(ye)城市(shi)，將(jiang)(jiang)城市(shi)污(wu)(wu)(wu)(wu)水(shui)處(chu)理(li)后(hou)再回(hui)(hui)用(yong)于工業(ye)是(shi)今后(hou)的(de)(de)(de)(de)發(fa)展方(fang)向。或(huo)將(jiang)(jiang)城市(shi)污(wu)(wu)(wu)(wu)水(shui)深(shen)度處(chu)理(li)后(hou)作(zuo)為大(da)型建筑物(wu)、家庭洗刷的(de)(de)(de)(de)用(yong)水(shui)、灌(guan)溉及(ji)綠化(hua)用(yong)水(shui)，即(ji)“中水(shui)”來源(yuan)。以往的(de)(de)(de)(de)除(chu)鹽方(fang)法(fa)(fa)主(zhu)要有離(li)子交(jiao)換樹法(fa)(fa)和電滲(shen)析法(fa)(fa)，但這(zhe)些(xie)方(fang)法(fa)(fa)不(bu)能(neng)去(qu)除(chu)水(shui)中的(de)(de)(de)(de)有機物(wu)及(ji)不(bu)溶性(xing)雜質，把反滲(shen)透(tou)法(fa)(fa)作(zuo)為彌(mi)補(bu)這(zhe)一(yi)(yi)不(bu)足的(de)(de)(de)(de)一(yi)(yi)種(zhong)方(fang)法(fa)(fa)，并進(jin)行研究(jiu)(jiu)，其中加(jia)里福(fu)尼亞(ya)的(de)(de)(de)(de)波莫(mo)納(Pomona) 的(de)(de)(de)(de)試驗是(shi)與聯邦污(wu)(wu)(wu)(wu)水(shui)管(guan)理(li)局(FWPCA)進(jin)行協作(zuo)，主(zhu)要是(shi)確(que)定反滲(shen)透(tou)的(de)(de)(de)(de)脫鹽效果、對(dui)(dui)(dui)有機物(wu)及(ji)富(fu)營養化(hua)成分的(de)(de)(de)(de)去(qu)除(chu)程(cheng)度，還對(dui)(dui)(dui)運行中防止(zhi)污(wu)(wu)(wu)(wu)染的(de)(de)(de)(de)方(fang)法(fa)(fa)及(ji)經濟性(xing)作(zuo)出評價(jia)，波莫(mo)納的(de)(de)(de)(de)試驗流程(cheng)如圖(tu)1所示。試驗分兩組進(jin)行，第一(yi)(yi)組用(yong)85個膜組件，第二(er)組用(yong)68個膜組件，第一(yi)(yi)組水(shui)的(de)(de)(de)(de)回(hui)(hui)收率(lv)初期(qi)為80% ，后(hou)期(qi)降為78%，第二(er)組水(shui)的(de)(de)(de)(de)回(hui)(hui)收率(lv)初期(qi)為80%，后(hou)期(qi)降為64%。
6.2 在日本(ben)反(fan)滲(shen)透法生活污水處理[1]
在(zai)日本東京，建(jian)(jian)筑面積(ji)在(zai)3萬m2以上的(de)(de)高層建(jian)(jian)筑，其(qi)循(xun)環用水(shui)(shui)量在(zai)100 m3/ d 的(de)(de)場所，如不建(jian)(jian)設中(zhong)水(shui)(shui)道就拿(na)不到(dao)建(jian)(jian)筑許可證。大(da)樓排(pai)(pai)(pai)水(shui)(shui)可分為;比較干凈的(de)(de)排(pai)(pai)(pai)水(shui)(shui)，如洗手、洗臉、空調排(pai)(pai)(pai)水(shui)(shui)、洗衣(yi)排(pai)(pai)(pai)水(shui)(shui);比較臟的(de)(de)排(pai)(pai)(pai)污水(shui)(shui)，如廚(chu)房水(shui)(shui)等。對這類生活污水(shui)(shui)的(de)(de)處(chu)(chu)理要求(qiu)處(chu)(chu)理設備效率(lv)高，對負荷的(de)(de)變動適應性強，運轉容(rong)易，水(shui)(shui)的(de)(de)回收率(lv)大(da)，設備體積(ji)小，不發出(chu)惡臭。而(er)反(fan)滲透能夠滿足這些要求(qiu)。在(zai)北九州地區及大(da)阪(ban)地區，用反(fan)滲透(中(zhong)壓及低壓) 進行200 m3/d的(de)(de)下(xia)(xia)水(shui)(shui)再生利用試驗，再生水(shui)(shui)水(shui)(shui)質見(jian)表2。采取的(de)(de)流程如下(xia)(xia);
北九州地(di)區(qu);經二級處理的下(xia)水(shui)—細濾網—斜板沉淀池—精過濾—反(fan)滲(shen)透(中空纖維2. 0-2.5MPa) —再生水(shui)(200 m3/d) 。
大阪地區(qu);經二級處理的下水—斜板沉(chen)淀污—無(wu)煙(yan)煤(mei)過濾—反滲透(螺(luo)旋式(shi)組件2.0-3.0MPa) 。
表2 原水和再生水水質
|
組別 |
項目 | 料液/mg/L | 透過水/mg/L | 濃縮液/mg/L | 去除率/% |
|
1 |
COD |
10. 8 |
1. 7 |
43. 8 |
93.8 |
|
NH3– N |
9. 2 |
1. 7 |
49. 0 |
94.2 |
|
|
NO3- N |
2. 4 |
0. 8 |
7. 5 |
84.0 |
|
|
PO4– P |
10. 1 |
0. 2 |
57.7 |
99.4 |
|
|
TDS |
623 |
73 |
3 402 |
96.4 |
|
|
13 |
COD |
12. 2 |
1. 9 |
37.2 |
92.3 |
|
NH3– N |
5. 3 |
1. 5 |
26. 1 |
90. 1 |
|
|
NO3－N |
12. 2 |
6. 0 |
34. 9 |
74. 6 |
|
|
PO4－P |
9. 0 |
1. 4 |
43. 2 |
94. 6 |
|
|
TDS |
543 |
145 |
2 738 |
91. 2 |
|
|
2 |
COD |
11. 4 |
0. 7 |
37. 4 |
97. 1 |
|
NH3 – N |
17. 1 |
2. 9 |
59. 9 |
92. 5 |
|
|
NO3－N |
2. 1 |
0. 8 |
8. 9 |
85. 5 |
|
|
PO4 – P |
9. 7 |
0.07 |
39. 8 |
99. 7 |
|
|
TDS |
552 |
51 2 |
576 |
96. 7 |
6.3 在我國反滲(shen)透法生活污(wu)水處(chu)理
反滲透技術(shu)于80年代初在(zai)(zai)(zai)我國得到應(ying)用(yong)(yong)，首先用(yong)(yong)于電(dian)子工業超純水及(ji)飲料業用(yong)(yong)水的制備，而后用(yong)(yong)于電(dian)廠用(yong)(yong)水處(chu)(chu)(chu)(chu)理(li)(li)，90年代起在(zai)(zai)(zai)飲用(yong)(yong)水處(chu)(chu)(chu)(chu)理(li)(li)方面(mian)獲(huo)得普及(ji)。反滲透技術(shu)在(zai)(zai)(zai)我國工業水處(chu)(chu)(chu)(chu)理(li)(li)方面(mian)應(ying)用(yong)(yong)得比較多，但(dan)在(zai)(zai)(zai)城市(shi)污(wu)水處(chu)(chu)(chu)(chu)理(li)(li)方面(mian)，目前(qian)大(da)部分還停留在(zai)(zai)(zai)實驗(yan)室(shi)小(xiao)試階(jie)段，哈(ha)爾濱(bin)工業大(da)學曾(ceng)做過這方面(mian)的中試研究(jiu)(jiu)[2]，利用(yong)(yong)組合膜工藝來進行城市(shi)含鹽污(wu)水回(hui)用(yong)(yong)處(chu)(chu)(chu)(chu)理(li)(li)試驗(yan)研究(jiu)(jiu)。
7 反滲透膜的發展趨(qu)勢
最(zui)初反滲(shen)透是以脫鹽為目的(de)開發的(de)，對膜的(de)要(yao)求也只是為分離無機鹽和水，隨著(zhu)反滲(shen)透用(yong)(yong)途(tu)的(de)擴大(da)，目前已達到根據(ju)用(yong)(yong)途(tu)對膜的(de)構造進行設計的(de)階(jie)段。目前將傳統的(de)中壓膜改為低壓膜或超低壓膜的(de)動(dong)向非常活躍，其發展趨勢(shi)概括如(ru)下：
在脫(tuo)鹽領(ling)域(yu)中，對(dui)于海水(shui)淡化由(you)高壓(ya)(5-7 MPa)向(xiang)超高壓(ya)(8-8.5 MPa);對(dui)于咸水(shui)淡化將向(xiang)脫(tuo)鹽(地下水(shui)、江(jiang)河水(shui))、廢水(shui)處理(工業(ye)廢水(shui)、城市污(wu)水(shui))和超純水(shui)(電子工業(ye)用(yong)水(shui)、醫療(liao)用(yong)水(shui))等三(san)方(fang)面發展;對(dui)處理壓(ya)強將由(you)中壓(ya)(3-4 MPa)向(xiang)低(di)壓(ya)(1-2 MPa)甚至超低(di)壓(ya)(1 MPa以下);同時在有(you)用(yong)物(wu)質濃縮回收(shou)領(ling)域(yu)會(hui)有(you)更大(da)的(de)發展[10]。
目前，在(zai)海水淡(dan)化方面(mian)，利用復合膜成功的達到了高(gao)脫(tuo)鹽(yan)率。在(zai)咸水淡(dan)化方面(mian)，目前將(jiang)傳統的中壓膜改(gai)為低壓膜或超低壓膜，并保持脫(tuo)鹽(yan)率不變(或提(ti)高(gao))，可以說是 時(shi)代 的潮流。
反滲透(tou)工(gong)程應(ying)用的(de)另一個發展方(fang)向是(shi)反滲透(tou)膜(mo)組(zu)(zu)器與超濾、微濾、納(na)濾、EDI等組(zu)(zu)器的(de)有機(ji)地組(zu)(zu)合應(ying)用，充分(fen)發揮各(ge)種膜(mo)分(fen)離技術的(de)特(te)性，形成一個完整的(de)系統工(gong)程，達到濃縮、分(fen)離、提純的(de)目的(de)。
鑒(jian)于(yu)RO技術的(de)(de)(de)最近進展，在不久的(de)(de)(de)將來，該領域中可望有如下的(de)(de)(de)發展[11]：
(1) 將開發去除小的氯化(hua)物有機分子(zi)的聚合物膜。
(2) 將開(kai)發分離烴混合(he)物的無機RO膜。
(3) 以動(dong)力膜為基(ji)礎(chu)，將開發出無機和有機混合材(cai)料膜。
(4) 采用(yong)更先(xian)進的(de)物理方法獲悉(xi)膜的(de)結構(gou)及膜中的(de)液體(ti)的(de)結構(gou)。
(5) 以控(kong)制聚(ju)合物(wu)體球粒(li)的尺(chi)寸及球粒(li)中聚(ju)合物(wu)的密度來控(kong)制膜的孔尺(chi)寸。
(6) 聚合物球粒(li)的(de)概(gai)念也將被用于(yu)復合膜的(de)設(she)計。
(7) 在膜孔尺(chi)寸(cun)和聚合物-溶液相互(hu)作用基礎上，將發展(zhan)更精確的傳遞 理論 。
(8) 由控(kong)制(zhi)膜(mo)孔尺(chi)寸和膜(mo)溶(rong)質相互作(zuo)用(yong)，將開發能將混合溶(rong)質分(fen)級的膜(mo)。
(9) 膜(mo)污染將被膜(mo)的(de)設計及膜(mo)組件的(de)設計所控制。
(10) RO和(he)其它分(fen)離過(guo)程(cheng)的(de)(de)混(hun)合(he)分(fen)離系(xi)統將(jiang)(jiang)日益增長的(de)(de)滲(shen)入(ru)化學(xue)工業(ye)和(he)有關工業(ye)，越來越多的(de)(de)將(jiang)(jiang)化學(xue)和(he)生(sheng)物反應與膜分(fen)離技術相結合(he)。
總(zong)之(zhi)，反滲透(tou)法除在水(shui)處理方面有(you)(you)著(zhu)廣泛的(de)用(yong)途外，在化學(xue)工(gong)業、食品工(gong)業、醫藥工(gong)業以(yi)及氣體(ti)分離等(deng)許(xu)多學(xue)科和領(ling)(ling)域(yu)都(dou)有(you)(you)著(zhu)極其廣泛的(de)應用(yong)，特別是(shi)隨著(zhu)膜技(ji)術(shu)的(de)發(fa)展。其潛在應用(yong)領(ling)(ling)域(yu)將會(hui)不(bu)斷擴(kuo)大，這門新興的(de)反滲透(tou) 科學(xue) 將會(hui)在今后(hou)的(de)科學(xue)技(ji)術(shu)發(fa)展中大顯身手(shou)，發(fa)揮更大的(de)作用(yong)。
參考 文獻
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[5] Sourirajan編. 殷琦(qi)等譯. 反滲透(tou)與合成膜(mo)，1987.6， 中(zhong)國 建筑工業出(chu)版社(she)，第I版，21-4
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