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反渗透水处理设备的应用及技术特点

来源:纯水设备  作者:南京莱弗特环保科技公司  日期:2020-08-04 09:27:15  浏览量:53次

反渗透又称逆渗透,一种以压力差为推动力,从溶液中分离出溶剂的膜分离操作。因为它和自然渗透的方向相反,故称反渗透。根据各种物料的不同渗透压,就可以使用大于渗透压的反渗透压力,即反渗透法,达到分离、提取、纯化和浓缩的目的。


反渗透水处理设备的应用及技术特点


备原理


渗透水处理设备通常由原水预处理系统、反渗透纯化系统、超纯化后处理系统三部分组成。预处理的目的主要是使原水达到反渗透膜分离组件的进水要求,保证反渗透纯化系统的稳定运行。反渗透膜系统是一次性去除原水中98%以上离子、有机物及100%微生物(理论上)最经济高效的纯化方法。超纯化后处理系统通过多种集成技术进一步去除反渗透纯水中尚存的微量离子、有机物等杂质,以满足不同用途的最终水质指标要求。


工作理


反渗是最精密的膜法液体分离技术,在进水(浓溶液)侧施加操作压力以克服自然渗透压,当高于自然渗透压的操作压力加于浓溶液侧时水分子自然渗透的流动方向就会逆转,进水(浓溶液)中的水分子部份通过反渗透膜成为稀溶液侧的净化产水;反渗透设备能阻挡所有溶解性盐及分子量大于100的有机物,但允许水分子透过,反渗透复合膜脱盐率一般大于98%,它们广泛用于工业纯水及电子超纯水制备,饮用纯净水生产,锅炉给水等过程,在离子交换前使用反渗透设备可大幅度降底操作用水和废水的排放量。


预处理


渗透水理设备的预处理系统通常由聚丙烯纤维(PP)过滤器和活性炭(AC)过滤器组成。对硬度较高的原水还需加装软化树脂过滤器。PP滤芯可高效去除原水中5μm以上的机械颗粒杂质、铁锈及大的胶状物等污染物,保护后续过滤器,其特点是纳污量大, 价格低廉。AC活性炭滤芯可高效吸附原水中余氯和部分有机物、胶体,保护聚酰胺反渗透复合膜免遭余氯氧化。软化树脂可脱除原水中大部分钙镁离子,防止后续RO膜表面结垢堵塞,提高水的回收率。


反渗透


反透(Revrse Osmosis,简称RO)是以压力差为推动力的一种高新膜分离技术,具有一次分离度高、无相变、简单高效的特点。反渗透膜"孔径"已小至纳米(1nm=10-9m),在扫描电镜下无法看到表面任何"过滤"小孔。在高于原水渗透压的操作压力下,水分子可反渗透通过RO半透膜,产出纯水,而原水中的大量无机离子、有机物、胶体、微生物、热原等被RO膜截留。


通常当原水电导率<200μS/cm时,一级RO纯水电导率≤5μs/cm,符合实验室三级用水标准。对于原水电导率高的地区,为节省后续混床离子交换树脂更换成本,提高纯水水质,客户可考虑选择二级反渗透纯化系统,二级RO纯水电导率约1~5μS/cm,与原水水质有关。反渗透的原理作用:把相同体积的稀溶液(如淡水)和浓液(如海水或盐水)分别置于一容器的两侧,中间用半透膜阻隔,稀溶液中的溶剂将自然的穿过半透膜,向浓溶液侧流动,浓溶液侧的液面会比稀溶液的液面高出一定高度,形成一个压力差,达到渗透平衡状态,此种压力差即为渗透压渗透压的大小决定于浓液的种类,浓度和温度与半透膜的性质无关。若在浓溶液侧施加一个大于渗透压的压力时,浓溶液中的溶剂会向稀溶液流动,此种溶剂的流动方向与原来渗透的方向相反,这一过程称为反渗透。


反渗透一般自来水或地下水经一级反渗透水处理设备处理后,产水电导率<10μS/cm,经二级反渗透水处理设备后产水电导率 <5μS/cm甚至更低,在反渗透水处理设备系统后辅以离子交换设备或EDI设备可以制备超纯水,使电阻率达到18兆欧姆(电导率=1/电阻率)是反渗透是用足够的压力使溶液中的溶剂(一般常指水)通过反渗透膜(一种半透膜)而分离出来与渗透方向相反,可使用大于渗透压的反渗透法进行分离、提纯和浓缩溶液。反渗透膜的主要分离对象是溶液中的离子范围。


超纯化后


混床离交换纯化


混床离子交换纯化柱由阴离子交换树脂和阳离子交换树脂按比例混合而成。阳离子交换树脂用其H+交换去除水中的阳离子,阴离子交换树脂用其OH-交换去除水中的阴离子,在混床树脂中被交换出来的H+和OH-结合生成H2O,因此混床离子交换纯化柱可用来深度去除RO纯水中尚存的微量离子。小型实验室超纯水器中的混床离子交换纯化柱通常为一次性使用。混床离子交换纯化柱采用原装进口核级混床树脂,其产水电阻率可18.2MΩ.cm。


EDI装置


连续电去子EDI(lectrodeionization的缩写),是利用混床离子交换树脂吸附给水中的阴阳离子,同时这些被吸附的离子又在直流电压的作用下分别透过阴阳离子交换膜而被连续去除的过程。这一新技术可以代替传统的离子交换(DI),产出10MΩ.cm以上的超纯水。EDI深度除盐的最大优点是可长期稳定运行,无需用酸碱再生阴阳树脂,十分适合造水量100L/h以上的超纯水中央制备系统,水质稳定,并将大大降低运行成本,TOC也将更低更稳定。EDI装置通常的产水电阻率约15~18MΩ.cm。


除热原超滤膜


超滤除热原广泛用于现代药行业。超滤(Ultrafiltration,缩写"UF")膜的孔径介于反渗透和微滤之间(约0.01~0.1μm),通常用最小截留分子量来表示。除热原超滤膜采用截留分子量为5000道尔顿的聚砜膜,可彻底去除水中热原(其最小分子量通常大于7000)及各类微生物。


紫外线杀菌灯


紫外线杀菌灯采254nm波的紫外线照射杀菌,可有效破坏微生物的DNA分子,使之形成TT两聚体而无法繁殖,是空气、水安全有效的常用灭菌方法。TOC紫外消解器采用可同时产生185nm/254nm双波长的紫外线灯管,其中185nm紫外线在空气中可产生臭氧而杀菌除味,在水中会产生氢氧自由基,可将纯水中微量有机物迅速氧化为CO2,达到去除TOC的目的。


终端过滤器


孔径0.22um的终过滤器可彻滤除细菌、真菌及孢子、树脂碎片及一切微米级污染物。终端过滤器形式有中空纤维式、PP桶过滤器、囊式过滤器、针头式滤器等,膜材质有聚丙烯、尼龙、聚偏氟乙烯等。


实验室


HPLC、TOC分析、原子吸光谱、子色谱分析、质量光谱分析、微量金属测定、鉴定用溶量配制、微生物学分析、组织培养、样品稀释、鉴定用玻璃器皿洗涤、及TCEP和TCEI系列适用范围、DNA测序、PCR和电泳、试管培养抗体制取等。普通的定性分析、尿分析、组织检查、寄生虫检查、玻璃器具清洗:检查室的分析,微生物检查;各自动化设备的分析用水、冲洗用水、理化性分析,高精度仪器清洗;血液、血清检查,质谱分析、原子吸收等用水;AA、ICP细胞培养,气相色谱分析,组织培养基的配制等用水;低波长的HPLC、TOC、IC、GC/MS、IVF中的细胞培养,氨基酸分析,分子生物学实验,PCR、基因研究及细胞培养等用水。


基本原理


当纯水与盐水两种不同溶液被一透膜间时,浓较低的纯水会往盐水方面渗透,平衡状态所产生的液位差称为渗透压。如果在盐水面施加足够大的压力(即大于渗透压),此时水的流动方向相反,该现象称之为反渗透。(Reverse Osmosis)。


技术简介


RO(Reverse Osmosi)反渗透术是利用压力表差为动力的膜分离过滤技术,源于美国二十世纪六十年代宇航科技的研究,后逐渐转化为民用,已广泛运用于科研、医药、食品、饮料、海水淡化等领域。RO反渗透膜孔径小至纳米级(1纳米=10-9米),在一定的压力下,H2O分子可以通过RO膜,而源水中的无机盐、重金属离子、有机物、胶体、细菌、病毒等杂质无法通过RO膜,从而使可以透过的纯水和无法透过的浓缩水严格区分开来。RO膜过滤后的纯水电导率 5 s/cm, 符合国家实验室三级用水标准。再经过原子级离子交换柱循环过滤,出水电阻率可以达到18.2M .cm,超过国家实验室一级用水标准(GB682-92)。


注意事项


使用反渗透系统时,尤其应注意原水预处理为了避免塞反渗透系统,原水应经预处理以消除水中的悬浮物,降低水的浊度;此外,还应进行杀菌以防微生物的孽生长大。由于反渗透对原水中的悬浮物的要求很高,所以常用一种水质对受悬浮物污染情况的污染指数来对水质进行检测。此法实质上是测定反渗透系统受水中悬浮物的污堵的情况。进入反渗透系统水的污染指数以不大于5为宜,建议值一般小于3。预处理时还应该考虑到进水的pH值。各种半透膜都有其最适宜的运行pH值,故需按反渗透膜的要求,调节进水的pH值。预处理时还应该考虑到进水的温度。膜的透水量是随水温的增高而增大的,但温度过高会加快醋酸纤维素膜的水解速度,且使有机膜变软,易于压实。所以,对于有机膜来说,通常将温度控制在约20-40℃范围内为宜,复合膜温度控制在约5-45℃范围内为宜。反渗透膜分离技术是利用反渗透膜原理进行分离的,具体特点如下:


1、在常温不发生相变的条件下,可以对溶质和水进行分离,适用于对热敏感物质的分离、浓缩,并且与有相变化的分离方法相比,能耗较低。


2、反渗透膜分离技术杂质去除范围广。


3、较高的脱盐率和水回用率,可截留粒径几个纳米以上的溶质。


4、利用低压作为膜分离动力,因此分离装置简单,操作、维护和自控简便,现场安全卫生。


应用领域


与其他传统分离工程相比,反渗透分离过程有独特的优势:1)压力是反渗透分离过程的主动力,不经过能量密集交换的相变,能耗低;(2)反渗透不需要大量的沉淀剂和吸附剂,运行成本低;(3)反渗透分离工程设计和操作简单,建设周期短;(4)反渗透净化效率高,环境友好。因此,反渗透技术在生活和工业水处理中已有广泛应用,如海水和苦咸水淡化、医用和工业用水的生产、纯水和超纯水的制备、工业废水处理、食品加工浓缩、气体分离等。


海水和苦咸水淡化


20世纪60年代以来,反渗透脱盐已成为种获取饮用水的重途径,是解决淡水资源紧缺的一种有效方法。目前,反渗透脱盐技术主要应用在两个方面:海水淡化和苦咸水脱盐。


全世界海水淡化装置中约有30%是利用反渗透技术实现的,通过反渗透膜可除去海水中99%以上的盐离子, [2] 得到可饮用的淡水。以色列的反渗透海水淡化技术比较领先,2005年阿什克伦建造了当时世界上最大的反渗透海水淡化装置,产水量为3.3×105m3·d-1,占到以色列全部水需求量的15%,产水成本约为0.53美元·m-3。我国最大的反渗透海水淡化站位于大连市长海县。


苦咸水在我国北方地区分布较为广泛,含盐离子较多,可通过反渗透技术进行除盐淡化处理,达到饮用水标准。马莲河流域示范工程利用马莲河上游环江苦咸水资源,采用反渗透膜技术,建立1000m3·d-1苦咸水淡化工程,出水水质达到国家生活饮用水卫生标准,有效解决了环县城区5万居民饮水问题。何绪文、姚永毅、孙魏等均对苦咸水进行过反渗透处理的实验研究,系统脱盐率>95%,出水水质优于国家饮用水标准。


海水和苦咸水淡化是反渗透技术的传统应用领域,目前存在的问题仍然是操作压力偏高,能耗较大,另外海水中的Cl-对反渗透膜也有较大的污染,阻碍了反渗透技术在该领域的进一步推广。目前,低压、低能耗、抗污染、抗氧化的反渗透膜正在积极的研发之中,以便从根本上解决现在存在的问题。


纯水和超纯水的制备


反渗透+混床水处理技术改进了原来的全离子换制水工艺,运行期,产水增加,水质改善,大幅度降低了制水成本。此外,许多科研人员均对反渗透+电去离子法制取纯水进行了实验研究,达到了预期结果,证实了反渗透+电去离子法制取高纯水的可行性。通过控制反渗透的级数可制取不同纯度脱盐水。随着反渗透级数的增加,脱盐水的纯度提高,但是出水量减少,水利用率降低,因此,反渗透装置连用一般不会超过二级,通常将反渗透与电去离子技术联用,不仅克服了反渗透出水不能彻底除盐的不足,还可以提高电去离子装置的进水水质,防止电去离子设备损坏,提高整体净水效果。


工业废水处理


工业废水处理是除脱盐和纯水的制备领域外,反渗透技术用最多的一个域。工业废水处理具有降低生产成本,保护环境,实现废水资源化等多重意义。由于反渗透膜对进水要求较高,运用反渗透技术对废水进行深度处理时,往往还要结合沉降、混凝、微滤、超滤、活性炭吸收、pH调节等预处理工艺。


重金属废水处理


反渗透技术在重金属废水处理中应用较早,国内外均对此进了大量的研究。在20世纪70年代,反渗透技术已经在电镀废水处理中有所应用,主要是大规模用于镀镍、铬、锌漂洗水和混合重金属废水的处理。


膜分离技术浓缩电镀镍漂洗水,镍离子的截留率大于99%,经一级纳滤和两级反渗透浓缩后,浓缩液中镍离子浓度达到50g·L-1,透过液可经处理后再次回用。张连凯对印制电路板加工酸洗车间产生的重金属废水调节pH至中性后采用超滤+反渗透工艺进行中试,反渗透系统对Cu2+和溶解性总固体的去除率分别为99.9%和98.9%。


印染废水处理


印染纺织废水不仅色度高、水量大,而且成分十分复杂,废水中含染料、浆料、剂、助剂、酸碱、纤维杂质以及无机盐等,染料结构中还含有很多较大生物毒性的物质,如硝基和胺类化合物以及铜、铬、锌、砷等重金属元素,如不经处理直接排放,必将对环境造成严重污染。


超滤+反渗透双膜技术处理印染废水,超滤能够有效地去除废水中大分子有机物,降低浊度,使进水水质达到反渗透膜的要求,经反渗透处理后,有机物和盐的去除率可分别达99%和93% 以上,产水化学需氧量小于10mg·L-1,电导率小于80μS·cm-1,产水满足大部分印染工艺用水标准。钟璟采用中空纤维超滤膜和反渗透技术处理羊毛印染废水,操作压力为0.1MPa,流速为1500L·h-1的条件下,色度、含盐量等指标均有显著的降低,COD值、色度达标排放。


电厂循环废水处理


电厂循环冷却水系统对水的消耗量很大,占到纯火力发电厂用水的0%,热电厂用水50%以上,对循环排放水进行回收处理,产水作为循环补充水或锅炉补给水系统的水源,不仅防止了对环境造成污染,还可以有效节约水资源,降低生产成本。


超滤+反渗透技术联合操作对电厂循环排污水进行处理,投运以来,反渗透系统运行良好,产水量68m3·h-1,电导率小于35μS·cm-1,脱盐率高于97%。双膜法水处理工艺,经过超滤+二级反渗透+混床处理后的精脱盐水可供电厂锅炉及干熄焦使用,日产精脱盐水15000t。超滤—反渗透组合工艺处理循环冷却排污水做了现场试验,反渗透系统各段运行压力平稳,产水满足回用的要求。陈颖敏采用连续微滤 + 反渗透技术对循环排污水进行预除盐,反渗透系统脱盐率达98%以上。


化工废水处理


采用离子交换法生产K2CO3的生产过程中,会产生大量的NH4Cl废,为了节约用和彻底解决NH4Cl废水排放问题,张继臻采用选择离子交换、反渗透膜分离和低温多效闪蒸相结合的方法,将低浓度NH4Cl废水进一步浓缩回收,使废水由达标排放转变为全部回收利用,达到零排放。


石油化工废水成分复杂,除含有油、硫、苯、酚、氰、环烷酸等有机物以外,还含有金属盐、反应残渣等,污染物浓度高且难降解,水量及酸碱度波动较大,传统的水处理工艺很难达到资源回收再利用的 目的。


反渗透一般作为工业废水终端处理,对水中的无机盐、有机物、重金属离子等都有很高的截留率,出水水质优良,可回用作冷却水或工艺用水循环利用,不仅节约了新鲜水的使用量,节约生产成本,还减少了污水的排放量,对环境保护和可持续发展都有着重要意义,对缺水地区具有巨大的经济效益。


系统优点


反渗透(RO)技术是一种高效节能技术。它依靠压力推动将水和离子分离,从而到纯化和浓缩目的。该过程无相变,一般不需加热,能耗低,具有运行成本低,无污染,操作方便运行可靠,产水水质高等诸多优点,而成为海水和苦咸水淡化最节能的技术。已广泛应用于医药、电子、化工、食品、海水淡化等诸多行业。反渗透技术已成为现代工业中首选的水处理技术。反渗透(RO)技术成为膜分离技术的一个重要组成部分。


( 1 )可以从海水或苦咸水中提取淡水;


( 2 )容易去除有机物、细菌和胶体及溶于水中的其它杂质,获得高纯度的水;


( 3 )由于反渗透过程是一个物理过程,没有相变,因而节能;


( 4 )操作简单,易实现自动化,节省劳力;


( 5 )结构紧凑,占地小,从而降低费用;


( 6 )作为一种浓缩方法,能回收溶解在溶液中有价值的成份。


清洗保养


反渗透设备的清洗有两种方式,在线清洗和离线清洗。


一、在线清洗


在线清洗是指对渗透装置体进行清洗,膜元件不用拿出压力容器,通常在较大系统中计使用。此清方式操作简单方便,时间短,但容易造成清洗不彻底,效果不理想。当反渗透装置污染较轻时可采用此方法。


二、离线清洗


离线清洗是指将膜元件从反渗透压力容器中卸下,装入专用清洗设备中进行清洗,通常一次洗数量不超过6支此清洗方式操作简单方便,清洗彻底、效果最佳。但膜元件较多时,清洗时间较长。当反渗透污染较严重或在线清洗效果差时可采用此方法。


三 、EDI 清洗


随着工作时间的累积,需要对EDI模块进行清洗及消毒,这是因为:


1. 硬度或金属垢,主要产生在浓水内


2.在离子交换树脂或膜形成无机物污垢(例如,硅)


3.在离子交换树脂或膜形成有机物污垢


4.EDI模块和系统管道及其它部件的生物污垢


5.以上所有情况一起出现


反渗透具有低能耗、高效率等突出优点,是目前应用最为广泛的分离技术之一。反渗透膜的性能是影响反渗透过程效率的决定因素,反渗透膜的研制一直是国内外膜领域的研究热点。特别是近年来,石墨烯、碳纳米管等新型材料展现出优异的水传递行为,成为新型反渗透膜材料的研究热点。


反渗透膜主要通过膜的脱盐率、水通量和耐氯抗污染性能等指标进行考量。脱盐率是决定反渗透膜应用可行性的关键指标; 提高膜的水通量则能够降低压力能耗、操作成本和膜清洗成本; 提高膜的耐氯及抗污染性能可以提升膜的稳定性能,延长膜的使用寿命,降低处理及清洗成本。聚酰胺 渗透膜通过氨基基团(R-NH2) 和酰氯基团( R’ —COCl) 缩聚脱除 HCl 制备。单体侧链基团的多样性和理论上的可修饰性为膜的结构和性能调变提供了空间。近年来,围绕提高反渗透膜的脱盐率和水通量、改善耐污染性能,通过应用多种聚合反应单体、改进成膜后处理方法,对聚酰胺反渗透膜进行了大量相关研究。


在反渗透膜基础研究层面,如何通过材料特性 的设计与调控,突破反渗透膜脱盐率与水通量的相互制约关系仍需深入探讨,主要包括: 1) 成膜反应单体性质与膜结构和膜性能的关系,新型反应单体的设计与合成。2) 混合基质膜中添加的一维及二维材料的取向排布方法,建立有效水通道。3) 解决有机/无机纳米粒子在界面聚合反应中的分散性问 题,使得粒子的加入对膜分离性能和通量起到提高作用。4) 无机材料性质及复合有机/无机纳米粒子对反渗透复合膜结构、分离性能的影响机制及膜传递机理的规律性、机理性认识。5) 各种新型反渗透膜的构效关系,长期应用条件下的膜性能的演变规律的研究也有待开展。


反渗透膜在水处理和海水苦咸水淡化方面发挥了重要作用,随着我国最严格“水十条”的实施,可以预见反渗透水处理技术和新型反渗透膜研制 将迎来新的发展机遇。在商品化反渗透膜方面,我国与国外产品性能差距较大。可能的原因是缺乏对规模化连续生产条件下成膜反应-膜结构-膜效能关系的充分认识。开展成膜反应机制与膜性能调控研究、连续化成膜条件控制与膜结构关系、膜产品应用性能评价等将是规模化反渗透膜研究的方向。



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