反渗透

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当向溶液施加大于渗透压的压力时，水(溶剂)就会向与正常渗透现象相反的方向移动。反渗透与超滤的原理基本相同，但反渗透膜孔径较超滤膜小，截留粒子范围0．1～1．0nm，不仅能截留高分子物质，还能截留无机盐、糖、氨基酸等低分子物质，因此透过反渗透膜的物质几乎是纯水。由于原液和透过液的渗透压差较大，需要使用超过这种渗透压的压力才能进行反渗透，因此反渗透的操作压力通常在2MPa以上。海水淡水甚至需用5～10MPa的压力。超滤由于能透过低分子物质，渗透压相对较小，可在较低压力下(0．1～1．0MPa)进行。

(一)RO膜性能的评价

我国和国外生产的部分反渗透装置及其性能见表1－1－36和表1－1－37。与超滤膜一样，RO膜的性能包括产品纯度，膜的分离程度(截留率)及膜的处理能力(透过通量J_v)。

表1－1－36 我国研制的反渗透装置的性能

表1－1－37 国外部分反渗透装置的性能

评价RO膜性能的方法和因素有：

(1)过滤系数 包括纯水渗透系数L_p、溶质渗透系数P、反射系数σ。

(2)现象学系数 包括L_P、渗透流系数L_pD(=L_Dp)和L_D。

(3)膜的特性 包括膜内扩散系数D_AM、分配系数K和含水率Φ。

一般用得最多的是过滤系数，而3种评价方法是互相联系的，并具有各自的意义，对操作条件也有特殊影响。

另一方面，RO膜一般需在高压下操作，膜易被压实，从而影响膜的性能。纯水透过系数L_p与操作压力Δp的关系如下：

L_p=L_p0exp(－αΔp)

L_p0为Δp=0时的纯水透过系数。压实或堵塞以及水解和氧化引起的化学变化往往使膜的性能劣化。膜随时间劣化的程度为：

J_v／J_v0=(t／t₀)^－m

式中J_v0是时间t₀(一般第1小时)透过的通量，J_v为t小时后的通量，m为劣化系数，对高分离度CA膜m=0．01～0．1，m越小表明膜的寿命越长。

(二)反渗透过程的基本方程式与操作条件

1．各种操作条件对R_obs和J_v的影响

RO膜性能主要是表观截留率R_obs和体积通量J_v，主要影响因素归结起来有：

(1)膜 膜的材料、种类、制膜条件(组成、蒸发时间和温度、热处理温度等)，以及非对称膜和均匀膜。

(2)处理物料 溶质种类和浓度。

(3)操作条件 温度、压力、供液速度、运行时间。

RO过程的基本方程式有：

J_v=k·ln(c_M－c_p)／(c_F－c_p) (2)

J_v=L_p(Δp－σ·△π) (12)

(25)

式中 J_s——溶质通量

——膜的入口与出口外的溶液平均浓度

ω——溶质透过系数

(2)式表示高压侧溶液－膜间(境界层)的作用，(12)式和(25)式表示膜内各混合物和溶质的作用。实际的RO过程，反射系数多数场合为1，将σ=1代入以上公式分别进行无因次化，成为： (26)

式中——纯水通量，

P——溶质渗透系数，P=ΦiωRT≈(D／kL)

λ——相应于P的无因次传质系数，λ=k／P

r——相应于操作压力Δp的无因次渗透压，r=ΦiRT／Δp

θ——相对于的无因次溶质渗透系数，

以上分别表示反渗透的操作条件、溶质和膜的典型特性。进液浓度c_F、膜面浓度c_M和透过浓度c_p用以下公式表示：

求解可分以下两种情况：

①r=0，即制造超纯水或用于超滤时：

c_M=c_F｛1+(1／θ)｝／｛1+(1／θ)e－1／^λθ｝ (30)

c_p=c_F／｛1+(1／θ)_e^－1／^λθ｝

②λ时，即不发生浓差极化时，

C_M=c_F

为了提高进液速度，需要增大无因次传质系数λ，为此就要逐渐降低膜面浓度c_M，直至与进液浓度c_F相等。另一方面，表观截留率R_obs逐渐增大，而且通量J_v也逐渐增大。

2．原液进料方向的速度和浓度的变化

假设进料方向(轴向x)的速度uF和浓度c_F没有变化，仅注意单位透过面积的量。在装置内于轴向进行分离，以上参数当然就成为x的函数，在x方向u_F减少，c_F增加。

反渗透模型及物料平衡见图1－1－17。如图所示其下方用膜固定的高h，长1／h的平行板式通道，设道道截面的平均速度为，假设溶液的摩尔浓度一定，微小体积()中溶液的物料平衡用下式表示：

图1－1－17 反渗透装置的物料平衡

溶质物料平衡为：

由(26)式可将(31)式变成无因次式表示：

由(31)式，(32)式变为：

式中 X——装置的无因次长度，

△——装置长度和进料速度为1时的总透过流速，即回收率，

除特别情况外，由以上公式求截留率R(或平均截留率)和总透过流速△是困难的，一般要用数值计算法求解。经验表明，随着分离的进行(X→大)，截留率减小，r增加即渗透压增大时，透过流速增加的比例减少。

(三)反渗透工艺的几种类型

1．一级一段法

在RO和UF中的一级是指进料液经过一次加压，二级则是经过二次加压，依次类推。在同一级中排列方式相同的组件组成一个段，一级一段，如图1－1－18所示，原水进入膜组件后，分离成浓水和纯水，这种方式水的回收率不高，如果将浓水部分返回水槽(循环)，与原料水一起再次反渗透，可以提高水的回收率，这样浓水的浓度不断提高，但产水水质下降。

图1－1－18 一级一段反渗透流程

2．一级多段法

用反渗透作为浓缩操作，一次浓缩不能达到工艺要求时，可采用一级多段式反渗透系统，如图1－1－19所示。这种方式浓缩体积减少，浓度提高，而产水量相应加大。

图1－1－19 一级多段反渗透流程

3．两级一段法

例如海水除盐，要求将NaCl的浓度从35000mg／L降至500mg／L，除盐率高达98．6%时，如图1－1－20所示，采用两级一段式，分两步进行，第一步先去除90%的NaCl，第二步再从第一步出水中去除86%的NaCl即可达到要求。如果膜的除盐率低，而水的渗透性又高时，采用两步法较为经济，同时在低压、低浓度下运行，可提高膜的使用寿命。

图1－1－20 两级一段反渗透流程

4．多级(Cascade)法

一级反渗透不能达到预期分离效果时，可以将多台反渗透器串联，以提高分离效果。尽管一般RO分离能力大，串联使用不多，而且串联能耗也不少，但随着RO分离法多样化，串联成为增加分离效果的重要方法。串联反渗透浓缩系统是将第一级浓缩液作为第二级的供料液，而第二级浓缩液再作为下一级的供料液，由于各级透过水都向系统外直接排出，因此随着级数增加，水的回收率提高，浓缩液的体积减少，浓度增加。为了保证液体的一定流速，同时控制浓差极化，膜组件数目应逐级减少。多级反渗透系统如图1－1－21所示，理想的多级反渗透应具有以下条件：

图1－1－21 理想的多级反渗透系统

①混合点没有浓度差；

②各分离单位都具有相同的分离能力(各级分离系数1．05～1．10相等)。

串联法回收比(循环率)R与浓缩和回收部分的分离系数α和β分别由下式表示：

R=c／(1－c)(c为浓度) (35)

α=R_p／R_F＞1 (36)

β=R_F／R_w＞1 (37)

设F、P、W分别为原料、浓缩物和回收物的流速，如图1－1－21所示，在(A)流动截面与(B)分离系统应满足混合物和分离成分的物料平衡。现以浓缩部分第n级为例说明如下：

设p为分离精制速度，G_n为第n级的供给速度，G′n和分别为上升和下降速度。

①混合物物料平衡：

②分离成分的物料平衡：

根据理想的串联条件：

Rn₊₁=Rn_－1=R_n

由此可知浓缩部分由n级组成的多级系统，分离比提高至：

R_p=αⁿ⁺¹R。

由以上各式，可知、、：

以上公式同样适用于回收部分。

(四)反渗透水处理系统的预处理过程

反渗透系统一般由预处理设备和膜装置组成，反渗透水处理系统装置如图1－1－22所示。在进入膜分离过程前对被处理料液采取的预处理过程包括物理、化学和光化学等方面，常用的方法见表1－1－38，预处理过程是反渗透膜分离效果好坏的关键，可以使用各种单元操作，也可组合使用几种方法，一般在反渗透装置前要设置孔径5～100μm的筒式过滤器，以确保反渗透膜的安全使用，因此有保安过滤器之称。

图1－1－22 反渗透水处理系统

表1－1－38 反渗透的预处理方法

对不同的膜组件，预处理所需达到的标准不尽相同，其中螺旋式和空心纤维式的组件要求较高，而板框式和管式组件要求相对低。控制指标常用JTU值(杰克逊浊度单位)和FI值(污染指数)。JTU值一般0．3～0．5。FI值是用直径47mm的Millipore公司的HAWPO47HA型膜过滤器测定的，该过滤器有效直径为42．7mm，在0．21MPa压力下首先测定最初500mL水的透过时间(t1)，然后测定加压15min后的500mL透过时间(t2)，按下式计算PI值(阻塞指数)：

PI(15min，0．21MPa)=(1－t₁／t₂)×100% (38)

FI值一般0～6．61，计算公式如下：

FI(15min，0．21MPa)=PI／15 (39)