1、NoImage2022-1-4膜材料與膜過程膜材料與膜過程第六章第六章 反滲透反滲透6.16.1反滲透膜的發展概況反滲透膜的發展概況 19601960年，美國加利福尼亞大學年，美國加利福尼亞大學Loeb 和和Sourirajan等采用氯酸鎂水溶等采用氯酸鎂水溶液作為添加劑，首次研制出了具有高脫鹽率液作為添加劑，首次研制出了具有高脫鹽率（98.6%）和高通量和高通量259L/m2d的非對稱醋酸纖維素反滲透膜，使得反滲透膜分離技術進入的非對稱醋酸纖維素反滲透膜，使得反滲透膜分離技術進入實用階段。目前在實用階段。目前在海水和苦咸水淡化海水和苦咸水淡化、純水和超純水制備純水和超純水制備、鍋爐水軟化鍋爐

2、水軟化等方面發揮著巨大的作用。等方面發揮著巨大的作用。 19701970年，美國年，美國Du Pont公司推出由芳香族聚酰胺中空纖維制成的滲公司推出由芳香族聚酰胺中空纖維制成的滲透器，與此同時透器，與此同時Dow和東洋紡公司先后開發出三乙酸纖維素中空纖維反和東洋紡公司先后開發出三乙酸纖維素中空纖維反滲透器，滲透器，UOP( (環球油品公司）成功推出卷式反滲透元件。環球油品公司）成功推出卷式反滲透元件。 19801980年，年，Filmtec公司推出性能優異、實用的公司推出性能優異、實用的FT-30復合膜，復合膜，8080年代年代末高脫鹽率的全芳香聚酰胺復合膜工業化。末高脫鹽率的全芳香聚酰胺復合

3、膜工業化。9090年代中，超低壓高脫鹽全年代中，超低壓高脫鹽全芳香聚酰胺復合膜開發進入市場。芳香聚酰胺復合膜開發進入市場。NoImage2022-1-4膜材料與膜過程膜材料與膜過程圖圖6-1膜分離譜圖膜分離譜圖NoImage2022-1-4膜材料與膜過程膜材料與膜過程6.2 反滲透膜分離原理反滲透膜分離原理6.2.1 滲透滲透 只透過溶劑而不透過溶質的膜稱為理想只透過溶劑而不透過溶質的膜稱為理想半透膜。當把溶劑和溶液半透膜。當把溶劑和溶液( (或兩種不同濃度的或兩種不同濃度的溶液溶液) )分置于此膜的兩側時，溶劑將自發地穿分置于此膜的兩側時，溶劑將自發地穿過半透膜向溶液過半透膜向溶液( (或從

4、低濃度向高濃度溶液或從低濃度向高濃度溶液) )側流動，這種自然現象叫做滲透側流動，這種自然現象叫做滲透(Osmosis)。如果上述過程中溶劑是純水，溶質是鹽份，如果上述過程中溶劑是純水，溶質是鹽份，當用理想半透膜將它們分離開時，純水側的當用理想半透膜將它們分離開時，純水側的水會自發地通過半透膜流入鹽水側，此過程水會自發地通過半透膜流入鹽水側，此過程如右圖所示：如右圖所示：NoImage2022-1-4膜材料與膜過程膜材料與膜過程6.2.2 滲透壓滲透壓 純水側的水流入鹽水側，濃水側的液位上升，當上升到一定高度后，純水側的水流入鹽水側，濃水側的液位上升，當上升到一定高度后，水通過膜的凈流量等于零

5、，此時該過程達到平衡，與該液位高度對應的壓水通過膜的凈流量等于零，此時該過程達到平衡，與該液位高度對應的壓力稱為滲透壓（力稱為滲透壓（Osmotic pressureOsmotic pressure）。）。該過程如下圖所示：該過程如下圖所示： 一般來說滲透壓的大小，取決于溶液的種類、濃度和溫度，而與半透一般來說滲透壓的大小，取決于溶液的種類、濃度和溫度，而與半透膜本身無關，通常可用下式來計算滲透壓：膜本身無關，通常可用下式來計算滲透壓：=CRT滲透壓，大氣壓滲透壓，大氣壓CC濃度差，摩爾濃度差，摩爾/ /升升RR氣體常數，等于氣體常數，等于0.082060.08206升升TT絕對溫度絕對溫度

6、O OK K上式是應用熱力學公式推導出來的，上式是應用熱力學公式推導出來的，因此只對稀溶液才是準確的。因此只對稀溶液才是準確的。C C為為水中離子濃度，若為非電解質則為分子的濃度。水中離子濃度，若為非電解質則為分子的濃度。NoImage2022-1-4膜材料與膜過程膜材料與膜過程6.2.3 反滲透反滲透 當在膜的鹽水側施加一個大于滲透壓的當在膜的鹽水側施加一個大于滲透壓的壓力時，水的流向就會逆轉，此時鹽水中的壓力時，水的流向就會逆轉，此時鹽水中的水 將 流 入 純 水 側 ， 這 種 現 象 叫 反 滲 透水 將 流 入 純 水 側 ， 這 種 現 象 叫 反 滲 透（Reverse Osmo

7、sis, ,簡稱簡稱RO）。該過程如右）。該過程如右圖所示：圖所示：6.2.4 定義定義反滲透反滲透 reverse osmosis, ROreverse osmosis, RO 在高于滲透壓差的壓力作用下，溶劑（如水）通過半透膜進入膜的在高于滲透壓差的壓力作用下，溶劑（如水）通過半透膜進入膜的低壓側，而溶液中的其他組份（如鹽）被阻擋在膜的高壓側并隨濃溶液低壓側，而溶液中的其他組份（如鹽）被阻擋在膜的高壓側并隨濃溶液排出，從而達到有效分離的過程。排出，從而達到有效分離的過程。反滲透膜反滲透膜 reverse osmosis membranereverse osmosis membrane 用于

8、反滲透過程使溶劑與溶質分離的半透膜。用于反滲透過程使溶劑與溶質分離的半透膜。NoImage2022-1-4膜材料與膜過程膜材料與膜過程表表6-1 幾種主要的膜分離過程幾種主要的膜分離過程膜過程膜過程推動力推動力傳遞機理傳遞機理透過物透過物截留物截留物膜類型膜類型微濾微濾壓力差壓力差篩分作用篩分作用水、溶劑溶解物水、溶劑溶解物懸浮物顆粒懸浮物顆粒纖維多孔膜纖維多孔膜超濾超濾壓力差壓力差篩分作用篩分作用水、溶劑小分子水、溶劑小分子膠體和超過膠體和超過截留分子量截留分子量的分子的分子非對稱膜非對稱膜納濾納濾壓力差壓力差篩分作用和電篩分作用和電荷效用荷效用水、一價離子、水、一價離子、部分二價離子部分二

9、價離子多價離子多價離子有機物有機物復合膜復合膜反滲透反滲透壓力差壓力差溶劑的溶解擴溶劑的溶解擴散散水、溶劑水、溶劑溶質、鹽溶質、鹽非對稱膜、非對稱膜、復合膜復合膜NoImage2022-1-4膜材料與膜過程膜材料與膜過程6.3 反滲透過程脫鹽機理反滲透過程脫鹽機理6.3.1 溶解擴散理論（模型）溶解擴散理論（模型） 溶解擴散理論是朗斯代爾（溶解擴散理論是朗斯代爾（Lonsdale)和賴利和賴利(Riley)等人提出的應等人提出的應用比較廣泛的理論。該理論假設膜是無缺陷的致密無孔膜，溶劑與溶質用比較廣泛的理論。該理論假設膜是無缺陷的致密無孔膜，溶劑與溶質都能溶解于均質的非多孔膜的表皮層內，溶解量

10、的大小服從亨利定律，都能溶解于均質的非多孔膜的表皮層內，溶解量的大小服從亨利定律，在濃度或壓力造成的化學位差推動下，從膜的一側向另一側擴散，再在在濃度或壓力造成的化學位差推動下，從膜的一側向另一側擴散，再在膜的另一側解吸。任意組分（水或鹽）的通量主要取決于化學位梯度，膜的另一側解吸。任意組分（水或鹽）的通量主要取決于化學位梯度，水和鹽傳質的推動力有兩部分：濃度梯度和壓力梯度。水和鹽傳質的推動力有兩部分：濃度梯度和壓力梯度。 溶解擴散理論的具體滲透過程為：溶解擴散理論的具體滲透過程為：溶質和溶劑在膜的料液側表面吸附溶解；溶質和溶劑在膜的料液側表面吸附溶解；溶質和溶劑之間沒有相互作用，它們在化學位

11、差的作用下以分子擴散溶質和溶劑之間沒有相互作用，它們在化學位差的作用下以分子擴散的形式滲透過反滲透膜的活性層；的形式滲透過反滲透膜的活性層；溶質和溶解在膜的另一側表面解吸。溶質和溶解在膜的另一側表面解吸。NoImage2022-1-4膜材料與膜過程膜材料與膜過程6.3.2 優先吸附優先吸附- -毛細孔流動模型毛細孔流動模型 溶液界面張力和溶質（活度）在界面的吸附溶液界面張力和溶質（活度）在界面的吸附GibbsGibbs方程，預示了在界方程，預示了在界面處存在著急劇的濃度梯度，也就是說在膜的表面形成水分子薄層，在面處存在著急劇的濃度梯度，也就是說在膜的表面形成水分子薄層，在外力的作用下，優先通過

12、反滲透膜。外力的作用下，優先通過反滲透膜。6.3.3 6.3.3 氫鍵模型氫鍵模型 膜的表面很致密，其上有大量的活化點，鍵合一定數目的結合水，膜的表面很致密，其上有大量的活化點，鍵合一定數目的結合水，這種水已失去溶劑化能力，鹽水中的鹽不溶于其中。進料中的水分子在這種水已失去溶劑化能力，鹽水中的鹽不溶于其中。進料中的水分子在壓力下可與膜上的活化點形成氫鍵而締合，使該活化點上其他結合水解壓力下可與膜上的活化點形成氫鍵而締合，使該活化點上其他結合水解締下來，該解締的結合水又與下面的活化點締合，使該點原有的結合水締下來，該解締的結合水又與下面的活化點締合，使該點原有的結合水解締下來，此過程不斷地從膜面

13、向下層進行，就是以這種順序型擴散，解締下來，此過程不斷地從膜面向下層進行，就是以這種順序型擴散，水分子從膜面進入膜內，最后從底層解脫下來成為產品水。而鹽是通過水分子從膜面進入膜內，最后從底層解脫下來成為產品水。而鹽是通過高分子鏈間空穴，以空穴型擴散，從膜面逐漸到產品水中的，但該模型高分子鏈間空穴，以空穴型擴散，從膜面逐漸到產品水中的，但該模型缺乏更多的關于傳質的定量描述。缺乏更多的關于傳質的定量描述。 除上述模型，許多學者還提出不小另外的模型，如除上述模型，許多學者還提出不小另外的模型，如DonnanDonnan平衡模平衡模型，脫鹽中心模型，表面力型，脫鹽中心模型，表面力- -孔流模型，有機溶

14、質脫鹽機理等。孔流模型，有機溶質脫鹽機理等。 NoImage2022-1-4膜材料與膜過程膜材料與膜過程6.4 反滲透膜的種類反滲透膜的種類 反滲透膜的種類多，分類方法也很多，但大體上可按膜材料的化學反滲透膜的種類多，分類方法也很多，但大體上可按膜材料的化學組成和膜材料的物理結構外型結構及來區分。組成和膜材料的物理結構外型結構及來區分。 按膜材料的化學組成大致可分為：按膜材料的化學組成大致可分為：醋酸纖維膜、芳香聚酰胺膜醋酸纖維膜、芳香聚酰胺膜等。等。 按膜材料的物理結構大致可分為：按膜材料的物理結構大致可分為：非對稱膜、復合膜非對稱膜、復合膜等。等。 按外型結構大致可分為：按外型結構大致可分

15、為：管式、平板式、中空纖維式及螺旋卷式管式、平板式、中空纖維式及螺旋卷式（卷式）。（卷式）。按操作壓力分為：按操作壓力分為：高壓反滲透、低壓反滲透和超低壓反滲透高壓反滲透、低壓反滲透和超低壓反滲透三種。三種。 在反滲透技術剛起步時，主要采用管式和平板式膜元件。但這兩種在反滲透技術剛起步時，主要采用管式和平板式膜元件。但這兩種膜元件初始投資高、膜的填充密度低，因此逐漸淘汰。卷式膜元件（占膜元件初始投資高、膜的填充密度低，因此逐漸淘汰。卷式膜元件（占95%95%以上）是把兩層膜以上）是把兩層膜背對背背對背粘結成膜袋，之后將多個膜袋卷繞到多孔產粘結成膜袋，之后將多個膜袋卷繞到多孔產水管上形成的。該膜

16、元件組成的系統投資低、耗電省，它是工業系統中水管上形成的。該膜元件組成的系統投資低、耗電省，它是工業系統中應用普遍的膜元件。其研制發展速度快，單個膜元件的脫鹽率高達應用普遍的膜元件。其研制發展速度快，單個膜元件的脫鹽率高達99.7%99.7%。NoImage2022-1-4膜材料與膜過程膜材料與膜過程 卷式膜元件是美國卷式膜元件是美國UOPUOP公司受美國內務部鹽水局（公司受美國內務部鹽水局（OSWOSW）委托于）委托于19641964年首先開發出來的一種新型膜元件。卷式膜元件中所采用的膜為平面膜年首先開發出來的一種新型膜元件。卷式膜元件中所采用的膜為平面膜（平板膜），為了使產品水在膜袋中流動

17、，（平板膜），為了使產品水在膜袋中流動，在信封狀的半透膜之內夾有在信封狀的半透膜之內夾有產品水通道織物層產品水通道織物層。 RO RO系統運行時，原水中一部分原水與膜垂直的方向通過膜，此時鹽類系統運行時，原水中一部分原水與膜垂直的方向通過膜，此時鹽類和膠體物質將在膜表面濃縮，剩余一部分原水沿與膜平行的方向將濃縮和膠體物質將在膜表面濃縮，剩余一部分原水沿與膜平行的方向將濃縮的物質帶走。膜元件的水通量越大、回收率越高，則其在膜表面濃縮程的物質帶走。膜元件的水通量越大、回收率越高，則其在膜表面濃縮程度越高。膜表面的物質濃度與主體水流中物質濃度不同，這種情況稱為度越高。膜表面的物質濃度與主體水流中物質

18、濃度不同，這種情況稱為濃差極化。濃差極化。 卷式膜元件的主要規格參數有：外型尺寸、有效膜面積、產水量、脫卷式膜元件的主要規格參數有：外型尺寸、有效膜面積、產水量、脫鹽率、操作及最高操作壓力、最高使用溫度和進水水質要求。鹽率、操作及最高操作壓力、最高使用溫度和進水水質要求。NoImage2022-1-4膜材料與膜過程膜材料與膜過程NoImage2022-1-4膜材料與膜過程膜材料與膜過程NoImage2022-1-4膜材料與膜過程膜材料與膜過程NoImage2022-1-4膜材料與膜過程膜材料與膜過程NoImage2022-1-4膜材料與膜過程膜材料與膜過程Product (Permeate)C

19、oncentrate (Reject)FeedFeedwater becomes more concentratedNoImage2022-1-4膜材料與膜過程膜材料與膜過程6.5 反滲透膜的進水指標與設備安全反滲透膜的進水指標與設備安全6.5.1 余氯余氯 醋酸纖維膜要求給水中含有殘余氯，可防止細菌滋生，但含氯量過醋酸纖維膜要求給水中含有殘余氯，可防止細菌滋生，但含氯量過高會破壞膜，最大允許連續余氯的含量為高會破壞膜，最大允許連續余氯的含量為1 1毫克毫克/ /升升。 復合膜抗氯性差，一般不允許余氯，采用加氯殺菌后，需加復合膜抗氯性差，一般不允許余氯，采用加氯殺菌后，需加亞硫酸亞硫酸氫鈉或經

20、活性炭過濾消除余氯氫鈉或經活性炭過濾消除余氯。使用壓硫酸氫鈉除余氯的反應如下：使用壓硫酸氫鈉除余氯的反應如下： Na Na2 2S S2 2O O5 5+H+H2 2ONaHSOONaHSO3 3 NaHSO NaHSO3 3+HCLOHCL+NaHSO+HCLOHCL+NaHSO4 4 使用活性炭過濾清除余氯的反應如下：使用活性炭過濾清除余氯的反應如下：C+2CLC+2CL2 2+2H+2H2 2O4HCL+COO4HCL+CO2 2 NoImage2022-1-4膜材料與膜過程膜材料與膜過程6.5.2 SDISDI和濁度和濁度 反滲透設備運行過程中，不允許大于反滲透設備運行過程中，不允許大

21、于5 5微米微米的顆粒進入高壓泵及反滲透器，的顆粒進入高壓泵及反滲透器，這點必須確保，以免破壞設備。一般在高壓泵前安裝這點必須確保，以免破壞設備。一般在高壓泵前安裝5 5微米微米過濾器，再微過濾器過濾器，再微過濾器前后安裝壓力表，當壓力表超過一定數值后，更換濾芯，通常情況下更換周期為前后安裝壓力表，當壓力表超過一定數值后，更換濾芯，通常情況下更換周期為1-31-3個月，若使用時間小于個月，若使用時間小于1 1個月，則需改善預處理系統，不允許使用帶反洗的個月，則需改善預處理系統，不允許使用帶反洗的微過濾器。微過濾器。 對于不同的原水水源，由于選用的通量不同，要求的對于不同的原水水源，由于選用的通

22、量不同，要求的SDISDI值也不一樣，一般值也不一樣，一般要求要求SDISDI小于小于5 5（越小越好）；濁度應小于（越小越好）；濁度應小于0.3NTU0.3NTU（最大允許濁度為（最大允許濁度為1 NTU1 NTU）。）。 SDI SDI 污泥污染指數：由堵塞污泥污染指數：由堵塞0.45m0.45m微孔濾膜的速率所計算得出的、表征水微孔濾膜的速率所計算得出的、表征水中細微懸浮固體物含量的指數。中細微懸浮固體物含量的指數。它代表了水中顆粒、膠體和其他能阻塞各種水凈它代表了水中顆粒、膠體和其他能阻塞各種水凈化設備的物體含量化設備的物體含量 , ,是水質指標的重要參數之一。是水質指標的重要參數之一。 水中含有泥土、粉砂、微細有機物、無機物、浮游生物等懸浮物和膠體物水中含有泥土、粉砂、微細有機物、無機物、浮游生物等懸浮物和膠體物都可以使水質變的渾濁而呈現一定濁度，