衡美水處理之反滲透膜綜述

如何進行水處理？

衡美水處理為您介紹一種經久耐用、性能卓越的水處理設備球盟会(中国)——反滲透膜。

反滲透膜是一種模擬生物半透膜製成的具有一定特性的人工半透膜，是反滲透技術的核心構件。反滲透技術原理是在高於溶液滲透壓的作用下，依據其他物質不能透過半透膜 而將這些物質和水分離開來。反滲透膜的膜孔徑非常小，因此能夠有效地去除水中的溶解鹽類、膠體、微生物、有機物等。係統具有水質好、耗能低、無汙染、工藝簡單、操作簡便等優點。

一、反滲透膜簡介

反滲透膜是實現反滲透的核心元件，是一種模擬生物半透膜製成的具有一定特性的人工半透膜。一般用高分子材料製成。如醋酸纖維素膜、芳香族聚酰肼膜、芳香族聚酰胺膜。表麵微孔的直徑一般在0.5～10nm之間，透過性的大小與膜本身的化學結構有關。有的高分子材料對鹽的排斥性好，而水的透過速度並不好。有的高分子材料化學結構具有較多親水基團，因而水的透過速度相對較快。因此一種滿意的反滲透膜應具有適當的滲透量或脫鹽率。

1、反滲透膜應具有以下特征：

（1）在高流速下應具有高效脫鹽率；

（2）具有較高機械強度和使用壽命；

（3）能在較低操作壓力下發揮功能；

（4）能耐受化學或生化作用的影響；

（5）受pH值、溫度等因素影響較小；

（6）製膜原料來源容易，加工簡便，成本低廉。

反滲透膜的結構，有非對稱膜和均相膜兩類。當前使用的膜材料主要為醋酸纖維素和芳香聚酰胺類。其組件有中空纖維式、卷式、板框式和管式。可用於分離、濃縮、純化等化工單元操作，主要用於純水製備和水處理行業中。

2、反滲透膜原理

反滲透又稱逆滲透，一種以壓力差為推動力，從溶液中分離出溶劑的膜分離操作。對膜一側的料液施加壓力，當壓力超過它的滲透壓時，溶劑會逆著自然滲透的方向作反向滲透。從而在膜的低壓側得到透過的溶劑，即滲透液；高壓側得到濃縮的溶液，即濃縮液。若用反滲透處理海水，在膜的低壓側得到淡水，在高壓側得到鹵水。　

反滲透時，溶劑的滲透速率即液流能量N為：　

N=Kh（Δp－Δπ） 　

式中Kh為水力滲透係數，它隨溫度升高稍有增大；

Δp為膜兩側的靜壓差；

Δπ為膜兩側溶液的滲透壓差。

稀溶液的滲透壓π為：　

π=iCRT　

式中i為溶質分子電離生成的離子數；

C為溶質的摩爾濃度；

R為摩爾氣體常數；

T為絕對溫度。　

反滲透通常使用非對稱膜和複合膜。反滲透所用的設備，主要是中空纖維式或卷式的膜分離設備。　反滲透膜能截留水中的各種無機離子、膠體物質和大分子溶質，從而取得淨製的水。也可用於大分子有機物溶液的預濃縮。由於反滲透過程簡單，能耗低，近20年來得到迅速發展。現已大規模應用於海水和苦鹹水（見鹵水）淡化、鍋爐用水軟化和廢水處理，並與離子交換結合製取高純水，其應用範圍正在擴大，已開始用於乳品、果汁的濃縮以及生化和生物製劑的分離和濃縮方麵。

3、反滲透膜過濾精度

反滲透膜能截留大於0.0001微米的物質，是最精細的一種膜分離產品，其能有效截留所有溶解鹽份及分子量大於100的有機物，同時允許水分子通過。

二、反滲透膜選型

經常有客戶問到在我們選擇反滲透RO膜需要考慮哪些性能指標。通常分為三個：脫鹽率、產水量、回收率。

1、RO反滲透膜的脫鹽率和透鹽率

RO反滲透膜元件的脫鹽率在其製造成形時就已確定，脫鹽率的高低取決於反滲透RO膜元件表麵超薄脫鹽層的致密度，脫鹽層越致密脫鹽率越高，同時產水量越低。反滲透膜對不同物質的脫鹽率主要由物質的結構和分子量決定，對高價離子及複雜單價離子的脫鹽率可以超過99%，對單價離子如：鈉離子、鉀離子、氯離子的脫鹽率稍低，但也可超過了98%（反滲透膜使用時間越長，化學清洗次數越多，反滲透膜脫鹽率越低）對分子量大於100的有機物脫除率也可過到98%，但對分子量小於100的有機物脫除率較低。

反滲透膜的脫鹽率和透鹽率計算方法：

RO膜的鹽透過率=RO膜產水濃度/進水濃度×100%

RO膜的脫鹽率=（1–RO膜的產水含鹽量/進水含鹽量）×100%

RO膜的透鹽率=100%–脫鹽率

2、RO反滲透膜的產水量和滲透流率

RO膜的產水量——指反滲透係統的產水能力，即單位時間內透過RO膜的水量，通常用噸/小時或加侖/天來表示。

RO膜的滲透流率——也是表示反滲透膜元件產水量的重要指標。指單位膜麵積上透過液的流率，通常用加侖每平方英尺每天（GFD）表示。過高的滲透流率將導致垂直於RO膜表麵的水流速加快，加劇膜汙染。

3、RO反滲透膜的回收率

RO膜的回收率——指反滲透膜係統中給水轉化成為產水或透過液的百分比。依據反滲透係統中預處理的進水水質及用水要求而定的。RO膜係統的回收率在設計時就已經確定。

（1）RO膜的回收率=（RO膜的產水流量/進水流量）×100%

（2）反滲透（納濾）膜組件的回收率、鹽透過率、脫鹽率計算公式如下：

反滲透膜組件的回收率= RO膜組件產水量/進水量×100%

反滲透膜組件的鹽分透過率=RO膜組件產水濃度/進水濃度×100%

三、清洗方案

1、超聲波清洗的基礎：

（1）空化作用：

空化作用就是超聲波以每秒兩萬次以上的壓縮力和減壓力交互性的高頻變換方式向液體進行透射。在減壓力作用時，液體中產生真空核群泡的現象，在壓縮力作用時，真空核群泡受壓力壓碎時產生強大的衝擊力，由此剝離被清洗物表麵的汙垢，從而達到精密洗淨目的。

（2）直進流作用：

超聲波在液體中沿聲的傳播方向產生流動的現象稱為直進流。聲波強度在0.5W/cm2時，肉眼能看到直進流，垂直於振動麵產生流動，流速約為10cm/s。通過此直進流使被清洗物表麵的微油汙垢被攪拌，汙垢表麵的清洗液也產生對流，溶解汙物的溶解液與新液混合，使溶解速度加快，對汙物的搬運起著很大的作用。

（3）加速度：液體粒子推動產生的加速度。對於頻率較高的超聲波清洗機，空化作用就很不顯著了，這時的清洗主要靠液體粒子超聲作用下的加速度撞擊粒子對汙物進行超精密清洗。

2、超聲波清洗的原理：

由超聲波發生器發出的高頻振蕩信號，通過換能器轉換成高頻機械振蕩而傳播到介質---清洗溶劑中，超聲波在清洗液中疏密相間的向前輻射，使液體流動而產生數以萬計的直徑為50-500μm的微小氣泡，存在於液體中的微小氣泡在聲場的作用下振動。這些氣泡在超聲波縱向傳播的負壓區形成、生長，而在正壓區，當聲壓達到一定值時,氣泡迅速增大,然後突然閉合。並在氣泡閉合時產生衝擊波,在其周圍產生上千個大氣壓,破壞不溶性汙物而使他們分散於清洗液中,當團體粒子被油汙裹著而黏附在清洗件表麵是,油被乳化,固體粒子及脫離,從而達到清洗件淨化的目的。在這種被稱之為“空化”效應的過程中，氣泡閉合可形成幾百度的高溫和超過1000個氣壓的瞬間高壓，連續不斷地產生瞬間高壓就象一連串小“爆炸”不斷地衝擊物件表麵，使物件的表麵及縫隙中的汙垢迅速剝落，從而達到物件表麵清洗淨化的目的。

四、材料

根據脫鹽的需要，經過大量的研究試驗，從大量的高分子材料中篩選出了醋酸纖維素（CA）和芳香聚酰胺兩大類膜材料。

此外，複合膜的表皮層還用到了其他一些特殊材料。

1、醋酸纖維素

醋酸纖維素又稱乙酰纖維素或纖維素醋酸酯。常以含纖維素的棉花、木材等為原料，經過酯化和水解反應製成醋酸纖維素，再加工成反滲透膜。

2、聚酰胺

聚酰胺包括脂肪族聚酰胺和芳香族聚酰胺兩大類。20世紀70年代應用的主要是脂肪族聚酰胺，如尼龍—4、尼龍—6和尼龍—66膜；目前使用最多的是芳香族聚酰胺膜。膜材料為芳香族聚酰胺、芳香族聚酰胺—酰肼以及一些含氮芳香聚合物。

芳香族聚酰胺膜適應的pH範圍可以寬到2~11，但對水中的遊離氯很敏感。

3、複合膜

複合膜的特征是主要由以上兩種材料製成，它是以很薄的致密層和多孔支撐層複合而成。多孔支撐層又稱基膜，起增強機械強度的作用；致密層也稱表皮層，起脫鹽作用，故又稱脫鹽層。脫鹽層厚度一般為50nm，最薄的為30nm。

4、由單一材料製成的非對稱膜有下列不足之處：

（1）致密層和支持層之間存在被壓密的過渡層。

（2）表皮層厚度最薄極限為100nm，很難通過減小膜厚度降低推動壓力。

（3）脫鹽率與透水速度相互製約，因為同種材料很難兼具脫鹽和支撐兩者均優。

複合膜很好地解決了上述問題，它可以分別針對致密層和支持層的要求選擇脫鹽性能好的材料和機械強度高的材料。從而複合膜的致密層可以做得很薄，有利於降低拖動壓力；同時消除了過渡區，抗壓密性能好。

基膜的材料以聚碸最為普遍，其次為聚丙烯和聚丙烯腈。因為聚碸價廉易得，製膜簡單，機械強度好，抗壓密性能好，化學性能穩定，無毒，能抗生物降解。

為進一步增強多孔支撐層的強度，常用聚酯無紡布。

脫鹽層的材料主要為芳香聚酰胺。此外還有呱嗪酰胺、丙烯-烷基聚酰胺與縮合尿素、糠醇與三羥乙基異氰酸酯、間苯二胺與均苯三甲酰氯等。

五、工作原理

對透過的物質具有選擇性的薄膜稱為半透膜，一般將隻能透過溶劑而不能透過溶質的薄膜稱之為理想半透膜。當把相同體積的稀溶液（例如淡水）和濃溶液（例如鹽水）分別置於半透膜的兩側時，稀溶液中的溶劑將自然穿過半透膜而自發地向濃溶液一側流動，這一現象稱為滲透。當滲透達到平衡時，濃溶液側的液麵會比稀溶液的液麵高出一定高度，即形成一個壓差，此壓差即為滲透壓。滲透壓的大小取決於溶液的固有性質，即與濃溶液的種類、濃度和溫度有關而與半透膜的性質無關。若在濃溶液一側施加一個大於滲透壓的壓力時，溶劑的流動方向將與原來的滲透方向相反，開始從濃溶液向稀溶液一側流動，這一過程稱為反滲透。 反滲透是滲透的一種反向遷移運動，是一種在壓力驅動下，借助於半透膜的選擇截留作用將溶液中的溶質與溶劑分開的分離方法，它已廣泛應用於各種液體的提純與濃縮，其中最普遍的應用實例便是在水處理工藝中，用反滲透技術將原水中的無機離子、細菌、病毒、有機物及膠體等雜質去除，以獲得高質量的純淨水。

六、性能指標

1、脫鹽率

脫鹽率=（1–產水含鹽量/進水含鹽量）×100%

膜元件的脫鹽率在其製造成形時就已確定，脫鹽率的高低取決於膜元件表麵超薄脫鹽層的致密度，脫鹽層越致密脫鹽率越高，同時產水量越低。反滲透對不同物質的脫鹽率主要由物質的結構和分子量決定，對高價離子及複雜單價離子的脫鹽率可以超過99%，對單價離子如：鈉離子、鉀離子、氯離子的脫鹽率稍低，但也可超過了98%（膜使用時間越長，化學清洗次數越多，反滲透膜脫鹽率越低。）；對分子量大於100的有機物脫除率也可過到98%，但對分子量小於100的有機物脫除率較低。

2、透過速度

水通量——指反滲透係統的產水能力，即單位時間內透過膜水量，通常用噸/小時或加侖/天來表示。

鹽透過速度——在單位時間、單位膜麵積上透過的鹽量，也叫透鹽率、鹽通量。

3、回收率

回收率——指膜係統中給水轉化成為產水或透過液的百分比。依據預處理的進水水質及用水要求而定的。膜係統的回收率在設計時就已經確定，

回收率=（產水流量/進水流量）×100%

七、影響因素

1、進水壓力對反滲透膜的影響

進水壓力本身並不會影響鹽透過量，但是進水壓力升高使得驅動反滲透的淨壓力升高，使得產水量加大，同時鹽透過量幾乎不變，增加的產水量稀釋了透過膜的鹽分，降低了透鹽率，提高脫鹽率。當進水壓力超過一定值時，由於過高的回收率，加大了濃差極化，又會導致鹽透過量增加，抵消了增加的產水量，使得脫鹽率不再增加。

2、進水溫度對反滲透膜的影響

反滲透膜產水電導對進水水溫的變化十分敏感，隨著水溫的增加水對通量也線性的增加，進水水溫每升高1℃，產水量就增加2.5%-3.0%；（以25℃為標準）

3、進水PH值對反滲透膜的影響

進水PH值對產水量幾乎沒有影響，而對脫鹽率有較大影響。PH值在7.5-8.5之間，脫鹽率達到最高。

4、進水鹽濃度對反滲透膜的影響

滲透壓是水中所含鹽分或有機物濃度的函數，進水含鹽量越高，濃度差也越大，透鹽率上升，從而導致脫鹽率下降。

八、研究曆史

反滲透裝置結構緊湊、安裝簡單、操作簡便、能耗低，在常溫下操作，易於工業化生產。

80年代發明的複合膜，由超薄反滲透膜、多孔支撐層、織物增強自疊加而成，透水量極大，除鹽率高達99%，是理想的反滲透膜。反滲透膜在分離小分子有機化合物時也特別有效，因此對有機化工、釀造工業、三廢處理等領域也得到了很好的應用。

在21世紀以前，反滲透膜技術都是被國外所壟斷，而中國是直到90年代末期才開始掌握了反滲透膜的生產技術．這個曆史要追述到建國初期，當時我們國家的領導人已經意識到海水淡化的前景和將來在社會中的作用。

早在1958年，石鬆研究員等首先在中國開展離子交換膜電滲析海水淡化研究。而在此前1953年美國C.E.Reid建議美國內務部將反滲透研究列入國家計劃。

隨後1967年，國家科委組織全國海水淡化會戰，組織全國在水處理和分析化學、材料化學、流體力學等各個學科的精英會戰海水淡化。

1970年，會戰主力匯集中國浙江省的杭州市，組織了全國第一個海水淡化研究室。此期間，他們一直用電滲析技術進行海水淡化，研製成功海洋監測專用微孔濾膜，建成了世界最大的電滲析海水淡化站——西沙永興島海水淡化站。一度在海水淡化方麵成為世界領軍人物。

1982年，中國海水淡化與水再利用學會經中國科協學會部批準在杭州成立。但是，因為經曆了十年浩劫，畢竟還是衰弱下去了，此時，遠在大洋彼岸的美國的全芳香族聚酰胺複合膜及其卷式元件已經赫然問世。

1984年，國家海洋局以海水淡化研究室為主體，組建國家海洋局杭州水處理技術研究開發中心，中國開始對膜技術重視了，但是，美國海水淡化用複合膜及其卷式元件已經大麵積商業化了，投入到了國家和民用中去了。

1992年，國家為了追趕膜方麵技術與世界的差距，，國家科委軍頂，以“中心”為依托，組建國家液體分離膜工程技術研究中心，並開始悄悄研製國產反滲透膜。

直到2001年，“中心”實行集團化分體管理，所轄三個控股的中外合資公司，兩個中資公司和一個研發中心。

同年，杭州北鬥星膜製品有限公司正式公開問世，從此，中國有了自己的反滲透膜產品，享有完全自主知識產權、由中國製造、具有民族品牌的高性能複合膜元件開始投放市場，中國成為世界上第四個掌握自主反滲透膜技術的國家。而杭州水處理下的杭州北鬥星膜製品有限公司也成為全球八家自主反滲透膜生產廠家之一..

九、保養

隨著淨水設備在水處理行業的廣泛應用，反滲透膜也漸漸的被人重視。反滲透膜的成本是消費者最關心的問題之一，良好的保養，有助於延長反滲透膜的使用壽命。

設備試機完後，我們兩種方法保護反滲透膜。設備試機運行兩天（15～24h），然後采用2%的甲醛溶液保養；或運行2～6h後，用1%的NaHSO3的水溶液進行保養反滲透膜（應排盡設備管路中的空氣，保證設備不漏，關閉所有的進出口閥）。兩種方法均可得到滿意的效果，第一種方法成本高些，在閑置時間長時使用，第二種保養反滲透膜的方法在閑置時間較短時使用。

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