第四章 反渗透工艺过程设计第四章反渗透工艺过程设计进水浓水产水浓水反渗透工艺过程设计预处理工艺设计反渗透膜元件的组装数量设计案例分析反渗透压力水流方向水流方向半透膜浓溶液稀溶液渗透第一节反渗透技术基础原理氢键优先吸附溶解扩散反渗透膜元件：组成工艺流程的最小单位高压泵浓水产品水进水反渗透基本流程工艺过程设计－工艺流程及特征方程分段式工艺流程分级式工艺流程膜分离处理工艺中段和级概念的区分基本公式回收率(%)=盐透过率(%)=脱盐率(%)=100盐透过率(％)产水流量进水流量x100产水含盐量进水含盐量x100第二节膜的基本性能化学...
第四章反渗透工艺过程设计进水浓水产水浓水反渗透工艺过程设计预处理工艺设计反渗透膜元件的组装数量设计案例分析反渗透压力水流方向水流方向半透膜浓溶液稀溶液渗透第一节反渗透技术基础原理氢键优先吸附溶解扩散反渗透膜元件：组成工艺
的最小单位高压泵浓水产品水进水反渗透基本流程工艺过程设计－工艺流程及特征方程分段式工艺流程分级式工艺流程膜分离处理工艺中段和级概念的区分基本公式回收率(%)=盐透过率(%)=脱盐率(%)=100盐透过率(％)产水流量进水流量x100产水含盐量进水含盐量x100第二节膜的基本性能化学稳定性和分离透过特性膜的物化稳定性的主要指标有：膜材料、膜允许使用的最高压力、温度范围、适用的pH值范围以及对有机溶剂等化学药品的抵抗性，有时尚需说明对某些物质，如水中游离氯或氧化性物质的最高允许浓度。膜的分离透过性的主要指标是：脱盐率、产水率。1.膜性能表示法Qw=Kw(P-)A/T式中：Qw产水量Kw系数P膜两侧的压差渗透压A膜面积T膜厚度Kw与膜性质及水温有关，Kw越大，说明膜的透水性能越好。对于一张给定的膜，可以推导出产水量的计算公式：盐透过量的计算公式：Qs=Ks*C*A/T式中：Qs盐透过量Ks系数c膜两侧盐浓度差A膜面积T膜厚度Ks与膜性质、盐的种类及水温有关，Ks越小，说明膜的脱盐性能越好。从以上两式能够准确的看出，对膜来说Kw大Ks小则膜质量较好。相同面积和厚度的产水量与净驱动压力成正比，盐透过量只与膜两侧溶液浓度成正比，而与压力无关。Qw=Kw(P-)A/TQs=Ks*C*A/T2.反渗透膜的化学材料醋酸纤维膜CA芳香聚酰胺复合膜CPA醋酸纤维素膜CA从化学上讲，醋酸纤维素膜是一种羟基聚合物，它一般是用纤维素经酯化生成三醋酸纤维，再经过二次水解成一、二、三醋酸纤维的混和物。作为膜材料的醋酸纤维素中的乙酰基含量越高，脱盐性能越好，但产水量越小。耐污染，用于污染密度指数（SDI）较高的地方醋酸纤维是一种酯类，会发生水解，水解的结果将降低乙酰基的含量，使膜的性能受损，同时膜也更易受到生物的侵袭。醋酸纤维素膜的水解还与pH值有关。为增加膜的常规使用的寿命，一般控制原水的pH在5-6之间。芳香聚酰胺复合膜CPA从结构来讲，复合膜是若干层薄皮的复合体，此膜的最大特点是抗压实性较高、透水率较大和盐透率较小。通量高，脱盐率高，操作压力低，耐生物降解，操作pH范围宽（2-11）不易水解，脱有机物都较好，但不耐游离氯，易受到Fe、Al和阳离子絮凝剂的污染，污染速度较快。复合膜与醋酸纤维膜的性能比较复合膜的化学稳定性较好，而醋酸纤维膜将会发生水解。复合膜的生物稳定性高，复合膜不受生物侵袭，而醋酸纤维膜易受微生物的侵袭。复合膜的输性能好。即Kw大而KS小。复合膜在运行中不会被压紧，因此产水量不随使用时间改变；而醋酸纤维膜在运行中会被压紧，因而产水量下降。复合膜的脱盐率不随时间而改变；而醋酸纤维膜由于会发生水解，脱盐率将会不断下降。复合膜由于Kw大，其工作所承受的压力低，反渗透给水泵用电量是醋酸纤维膜给水泵用电量的一半。醋酸纤维膜的常规使用的寿命一般仅为3年，而复合膜的常规使用的寿命大于三年。复合膜的缺点为抗氯性较差，价格较贵。3反渗透膜元件构造集水管膜浓水膜透过水原水流道网原水透过水流道网原水膜元件的结构示意图反渗透卷制图反渗透膜剥面图无机盐、糖类、氨基酸、BOD、COD等水、溶剂压力差脱除溶液中的盐类及低分子物反渗透蛋白质、各类酶、细菌、病毒、乳胶、微粒子溶剂、离子和小分子压力差脱除溶液中的胶体、各类大分子超滤悬浮物、细菌类、微粒子水、溶剂和溶解物压力差多孔膜、溶液的微滤、脱微粒子微滤被截留物质透过物质分离驱动力膜的功能膜的种类主要膜分离过程（膜孔尺寸和透过原理有区别）要去除无机盐TDS应用OR注：根据不同的需求来选择处理工艺4反渗透组装图某个CPA反渗透膜元件的进水条件最高使用温度：45℃最大给水浊度：4.0ppm允许游离氯：0.1ppmPH范围：连续运行：3-10短时运行：2-11最大给水流量：17.0m3/h给水最大SDI值：4.0单个膜元件回收率：15%*根据进水要求来合理的安排RO的预处理系统第三节预处理工艺设计各项进水指标对设备安全运作的意义1.余氯2.铁（Fe）3.颗粒物质、SDI和浊度4.有机物、油和脂5.细菌6.阻垢1.余氯醋酸纤维膜要求给水中含有残余氯，可防止细菌滋生，但含氯量过高会破坏膜，最大允许连续余氯的含量为1毫克/升。复合膜抗氯性差，一般不允许余氯，采用加氯杀菌后，需加亚硫酸氢钠或经活性炭过滤消除余氯。使用亚硫酸氢钠除余氯的反应如下：Na2S2O5+H2ONaHSO3NaHSO3+HCLOHCL+NaHSO4理论上1.34公斤的Na2S2O5可以去除1公斤余氯，但在有溶解氧的情况下，对苦咸水去除1公斤余氯需投加3公斤Na2S2O5。Na2S2O5在干爽条件下储存，有效期为4-6个月，溶液的有效期与浓度变化有关。溶液浓度（重量%）2%10%20%30%最长有效期3天1星期1月6月使用活性炭过滤清除余氯的反应如下：C+2CL2+2H2O4HCL+CO22.铁（Fe）当RO给水在进行氯化及脱氯工程中，或在水中溶解氧含量高于5毫克/升时水中的2价铁离子转化为3价铁离子，生成不溶于水的胶体物质，对反渗透造成污染。即使水中SDI值小于5、铁离子含量小于0.1毫克/升，仍有几率发生铁的污染问题。铁的氧化速度取决于铁含量、水中的溶解氧浓度和PH值，其关系如下：氧含量（毫克/升）PH允许铁含量（毫克/升）0.56.04.00.5-56-70.55-107.00.05降低RO给水中铁的含量能够使用曝气-锰砂过滤的方法完成。3.颗粒物质、SDI和浊度不允许大于5微米的颗粒进入高压泵及反渗透器，这点必须确保，以免破坏设备。一般在高压泵前安装5微米过滤器，再微过滤器前后安装压力表，当压力表超过一定数值后，更换氯芯，通常情况下更换周期为1-3个月，若使用时间小于1个月，则需改善预处理系统，不允许使用带反洗的微过滤器。对于不同的原水水源，由于选择使用的通量不同，要求的SDI值也不一样，一般要求SDI小于5（越小越好）；浊度应小于0.2NTU（最大允许浊度为1NTU）。水质参数原水锰砂过滤多介质过滤UFRO系统去除率,%数值去除率,%数值去除率,%数值去除率,%数值去除率,%浑浊度,NTU40912.496.971.488.710.564.290.5100pH8.648.398.038.338.33CODMn,mg/L6.465.0122.455.0103.5129.941.1966.1081.58TDS,mg/L440041805.0040104.0739800.7510597.3697.61NH3-N,mg/L1.581.514.430.9040.400.855.560.2372.9485.44Cl-,mg/L1910120037.1711603.3311005.1757.494.7896.99Fe,mg/L0.22N.D.100N.D.N.D.N.D.100Mn,mg/L0.04N.D.100N.D.N.D.N.D.100F-,mg/L2.251.4037.781.451.71N.D.近100100案例：出水水质（参照国科大水处理项目）4.有机物、油和脂水中的有机物对RO膜的影响最为复杂，有些有机物对膜的影响不大，而另一些则会造成膜的有机物污染。一般来说当水中的TOC含量超过3毫克/升时，即应考虑进行去除，对于地表水应尽量在絮凝剂澄清的过程中去除有机物，还能够使用活性炭过滤逐步降低有机物含量。水中不允许含有油和脂，当油或脂超过0.1毫克/升时，就应采用混凝或使用活性炭过滤器进行去除。5.细菌由于细菌会以醋酸纤维为食物，因此醋酸膜易受细菌的侵袭，对原水必须彻底杀菌。对于复合膜，虽然不受细菌的侵袭但细菌粘膜会造成膜的污堵，一般可采用加氯杀菌，加氯量要根据需氯量实验加以确定。氯加入水中发生以下反应：CL2+H2O=HCLO+H++CL-HCLO=H++CLO-HCLO为次氯酸，CLO-为次氯酸根，由于H+能被水中的碱度中和，最后水中只剩下HCLO和CLO-，两者在水中所占的百分数主要根据PH值和水温。当PH小于7时，水中的HCLO占75%，CLO-占25%，温度降低时HCLO所占的比例将增大，在0C时HCLO增加到83%，CLO-减到17%。对于氯气的杀菌机理有不同说法，通常的解释是生成的次氯酸产生杀菌作用。HCLO是个中性分子，可以扩散到带负电的细菌表面，并穿过细菌的细胞进入细菌内部，HCLO分子进入细胞后由于CL分子的氧化作用破坏了细菌的某种酶系统（酶是一种蛋白质成分的催化剂，细菌的养分要经过它的作用后才能被吸收），最后导致细菌的死亡，而次氯酸根CLO-虽然包括一个氯分子，但它带负电，不能靠近带负电的细菌，所以也不能穿过细菌的细胞膜进入细菌内部，因此很难起杀菌作用。从上式中能够准确的看出，加入水中的氯气只有1/2变成HCLO的成分；另外的1/2在水中产生CL-，不起杀菌作用。采用NaCLO时：NaCLO+H2O=HCLO+Na++OH-，比较能够准确的看出一个分子的NaCLO作用相当于一个分子的CL2。6.阻垢必须防止CaCO3、CaSO4、SrSO4、BaSO4垢。膜结垢是由于给水中的微量盐在给水转化为浓水时超过了溶度积而沉淀到膜上在苦咸水中，CaCO3、CaSO4，其他盐类SrSO4、BaSO4和CaF2需要计算来确定浓水中是否超过溶解度极限。如果微溶盐超过溶解极限，需要采取以下方法：降低系统回收率，避免超过溶度积。采取离子交换软化去除钙离子。（少用）加酸去除碳酸或重碳酸离子。加阻垢剂。反渗透预处理 设计考虑因素膜元件种类(醋酸纤维素膜或芳香聚酰胺复合膜)进水水质(水源及其变化)进水流量(小型或大型装置)反渗透的回收率(高回收率意味着需要更好的预处理）后处理设备和要求水质参数原水锰砂过滤多介质过滤UFRO系统去除率,%数值去除率,%数值去除率,%数值去除率,%数值去除率,%浑浊度,NTU40912.496.971.488.710.564.290.5100pH8.648.398.038.338.33CODMn,mg/L6.465.0122.455.0103.5129.941.1966.1081.58TDS,mg/L440041805.0040104.0739800.7510597.3697.61NH3-N,mg/L1.581.514.430.9040.400.855.560.2372.9485.44Cl-,mg/L1910120037.1711603.3311005.1757.494.7896.99Fe,mg/L0.22N.D.100N.D.N.D.N.D.100Mn,mg/L0.04N.D.100N.D.N.D.N.D.100F-,mg/L2.251.4037.781.451.71N.D.近100100案例：出水水质（参照国科大水处理项目）澄清过滤原水增压泵曝气锰砂过滤器原水箱原水泵多介质过滤器袋式过滤器超滤（UF）超滤水箱中间泵保安过滤器多级高压泵一级反渗透淡水箱处理工艺案例：某海水淡化项目（1）污染指数SDI5（2）浊度﹤1NTU（3）余氯﹤0.1PPM（检测不到）（4）Fe3+0.01PPM反渗透系统进水要求：项目实测值项目实测值色度不超过５度硫酸盐250mg/L浑浊度不超过５NTU氯化物250mg/L肉眼可见物无溶解性总固体1000mg/LPH值6.5-7.5电导率1500s/cm总硬度450mg/L余氯0.3mg/L案例：国科大水处理项目序号项目技术数据备注1进水量12-13m3/h 2产水量7-8m3/h水温25℃3反渗透出水电导10s/cm（5ppmTDS）GB17324-20034功率装机功率19KW运行功率16KW5占地面积5×16米膜元件对盐的截留率为97%工艺设计第四节反渗透膜元件的组装数量若干个膜元件卷式膜组件串联串联或并联反渗透膜系统串联回收率的设计方法进水第一段第二段第n段浓水Qf，cfQp1cp1Qp2cp2QpncpnQr1cr1Qf1cf1Qr1cr1Qf（n-1)cr(n-1)产水Qp，cpQr，cr显然，n个膜元件串联透过水总量为：Qp=yQf+(1-y)yQf++(1-y)i-1yQf++(1-y)n-1yQf=[1-(1-y)n]QfQp=yQf+(1-y)yQf++(1-y)i-1yQf++(1-y)n-1yQf=[1-(1-y)n]Qf浓水总流量为：Qb=Qf-Qp=(1-y)nQf总回收率为：Y=Qp/Qf=1-(1-y)n第i个膜元件的透过水量为：Qip=(1-y)i-1yQf第i个膜元件的总体回收率为：Yi=Qip/Qf=(1-y)i-1y例如，已知膜元件回收率为13%，所需要的组件回收率为50%。这个能承受压力的容器中要设计几个膜元件串联在一起达到处理要求？例如，已知膜元件回收率为13%，所需要的组件回收率为50%。这个能承受压力的容器中要设计几个膜元件串联在一起达到处理要求？Y=Qp/Qf=1-(1-y)n=50%其中y=13%n=4.98，所以设计5个膜元件串联在一个能承受压力的容器中。例如，已知单根膜组件回收率为40%，允许透水量为50m3/d，设计的基本要求：反渗透系统淡水总量为50m3/h,系统总回收量率为75%。例如，已知单根膜组件回收率为40%，允许透水量为50m3/d，设计的基本要求：反渗透系统淡水总量为50m3/h,系统总回收量率为75%。Y=Qp/Qf=1-(1-y)n所以系统模块设计为三段式计算得n=1,2,3时，总回收率分别为40%,64%和78.4%Yi=Qip/Qf=(1-y)i-1y可得到1,2,3段的总回收率Yi分别为：40%,24%和14.4%系统所需要的膜组件的个数：淡水总量×24/单根膜组件允许透过的水量n=50×24/50=24根则第一段并联的膜元件个数为:24×Y1/Y=24×40/78.4=12.24个则第二段并联的膜元件个数为:24×Y2/Y=24×24/78.4=7.5个则第三段并联的膜元件个数为:24×Y3/Y=24×14.4/78.4=4.41个第五节反渗透膜元件的精确设计（了解）根据流速在流道中的分布情况设计膜元件串联个数a.Forwater微元质量衡算Forasteadystatea.Forwaterb.Forsalta.Forwaterb.ForsaltTwobasicgoverningmodelinmembranechannelv(x)=-Hdu(x)/dx回收率矿化度矿化度水流速海水淡化反渗透膜分离理论：[Al-Bastaki]+2个控制方程1ststage2ndstage两段式操作模拟1ststage2ndstage回收率膜长膜长水流速1ststage2ndstage一段式操作模拟回收率膜长水流速膜长结论:如果段间没有增压泵的话，两段式操作和一段式操作处理效果相当。回收率膜长膜长回收率两段式一段式驱动压力回收率驱动压力过高可行么？线性关系非线性关系操作成本高驱动压力过高：1.操作成本高2.膜容易被过度污染膜阻力回收率p=20atm
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