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反渗透设备计基础知识
反渗透设备设计基础知识
膜分离:
物质世界是由原子、分子和细胞等微观单元构成的,然而这些很小的物质单元总是杂居共生,热力学第二定律揭示了微观粒子都会倾向于无序的混合状态。膜分理技术得基础是分离膜。分离莫是具有选择性透过性的薄膜,某些分子(或微粒)可以透过薄膜,而其他的则被阻隔。这种分离总是依赖于不同的分子(或微粒)之间的某种区别,最简单的区别就是尺寸大小,三维空间之中,什么都有大上巨细而膜有孔径。
全量过滤:
???? 全量过滤也称为直流过滤、死端过滤、与常规的滤布过滤相似,被处理物料进入模组件,等量透过液流出模组件,截流物留在模组件内。为了保证膜性能的可恢复性,必须及时从模组件内卸载截留物,因此需要定时反冲洗(过滤的反过程)等措施来去除膜面沉积物、恢复膜通量。模组件污染后不能拆开清洗,通常使用在线清洗方式(CIP)超滤/微滤水处理过程一般采用全量过滤模式。
错流过滤?? ???
?? ?被处理料液以议定的速度流过膜面,透过液以垂直方向透过膜,同时大部分截留物被浓缩液夹带出模组件。错流过滤模式减小了膜面浓度极化层的厚度,可以有效降低膜污染,反滲透、纳滤均采用错流过滤方式。
膜系统 :?
膜系统是指膜分离装置单元。压力驱动膜系统主要由预处理系统、升压泵、模组件(压力容器和膜元件)、管道阀门和控制系统构成。
膜污染:
??? 各种原水中均含有一定浓度的悬浮物和溶解性物质。悬浮物主要由无机颗粒物、胶体和微生物、藻类等生物性颗粒。溶解性物质主要是易溶盐(如氯化物)和难溶盐(如碳酸盐、硫酸盐和硅酸盐)。再反渗透过程中,进水的体积在减少,悬浮物和溶解性物质的浓度在增加。悬浮颗粒会沉积在膜上,堵塞进水流道、增加摩擦阻力(压力降)。难溶盐会从浓水中沉淀出来,在磨面上形成结垢,降低RO膜的通量。这种在膜面上形成沉积层的现象叫膜污染,膜污染是膜系统性能的劣化。
反滲透/纳滤基本原理:
?半透膜:
???? 是具有选择性透过性能的薄膜。当液体或气体透过半透膜时,一些组分透过,而另外一些组分被截留。实际上半透膜对任何组分都有透过性,只是透过的速率相差很大。在反渗透过程中,溶剂(水)的透过速率远远大于溶解在水中的溶质(盐分)。通过半透膜实现了溶剂和溶质的分离,得到纯水以及浓缩的盐溶液。
?渗透:
???? 是当流体在跨越半透膜屏障时的一种自然过程。如果将一箱纯水用一张半透膜垂直分为两部分,纯水于理想的半透膜的两面以相同的温度和压力接触,在这样的条件下没有跨越半透膜的水的流动产生,因为在膜两侧的化学势完全相等。如果在其中一侧加入溶解性盐,盐溶液一边的化学势降低了。纯水便会向盐溶液一侧渗透,从而产生一个渗透流,直到化学势的平衡重新建立为止。
?渗透压:
?按照科学术语在半透膜的两侧存在一个‘化学势’(离子或溶解分子的浓度差)的差值,通过溶液的渗透过程对化学势差进行补偿。当平衡重新建立时,在半透膜的两侧形成一个水位差即静压差,这个压力差便是渗透压。渗透压是溶液本生的性质,取决于溶液浓度,于半透膜没有关系。
渗透压与溶质浓度之间的关系为:
Posm = 1.19 (T + 273) * Σ(mi) (1)
其中Posm=渗透压(psi),T为温度(℃), Σ(mi)是溶液中所有溶质的总摩尔浓度。TDS为1000ppm的水溶液的近似渗透压约为11 psi (0.76 bar)。
反渗透设备
在图-6a的箱子中,水通过渗透作用流向盐溶液一侧,直到达到新的平衡建立。在盐溶液一边施加一个额外的压力与渗透压相等,原有的平衡会受到影响(图-6b)。外加压力将会使盐溶液一边的化学势增加,使溶剂流向纯水一边。这种现象便是反渗透。反渗透过程的驱动力是外加压力,反渗透分离所需能量与溶液的难度直接相关。因此,从盐溶液中生产同样体积的水,盐的浓度越高,所需能耗也越高。
?
图-6 反渗透原理
对于反渗透过程分离水和盐的机理还没有一个公认的统一解释。目前一般推荐两种传递模型:毛细孔流模型和溶解扩散模型。水通过膜有两种方式,一种是通过膜上存在的孔,另外一种是通过膜中的分子节点之间的扩散。根据理论,膜的化学性质是,在固液界面上水优先吸附并通过,盐被截留。水与膜表面之间有弱的化学结合力,使得水能够在膜的结构中分散。膜的物理和化学性质决定了在传递过程中水比盐的优先地位。
水的传递
水通过半透膜的速率由方程(2)确定。
Qw = ( ΔP - ΔPosm) × Kw × S/d (2)
其中
Qw为苏水透过膜的速率,ΔP为膜两侧压力差,ΔPosm为膜两侧的渗透压差,Kw为膜的纯水渗透系数,S为膜面积。(2)式通常被简化为:
Qw = A × (NDP) (3)
其中
A为膜常数,NDP为跨过膜的水传质净驱动压力或净驱动力。
盐的传递
透过膜的盐流量定义为:
Qs = ΔC × Ks × S/d
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