反渗透系统的效能影响因素分析_王鹏 18页

'------------------------------------------------------------------------------------------------反渗透系统的效能影响因素分析_王鹏DOI:10.15954/j.cnki.cn32-1529/g4.2012.02.003第16卷第2期2012年6月扬州职业大学学报JournalofYangzhouPolytechnicCollegeVol．16No．2Jun．2012反渗透系统的效能影响因素分析王摘鹏，李松良，华常春（扬州职业大学，江苏扬州225009）要：从膜自身的结构特性、膜系统运行的条件以及进水水质等方面，对反渗透效能具有影响作用的因素进行分析，找出具体的解决办法和适当的操作条件，使其在使用过程中增强反渗透膜的抗污染性、延长使用降低清洗的次数。寿命、关键词：反渗透系统；膜污染；表面特性；膜通量；透水性中图分类号：TQ028．8文献标识码：A文章编号：1008－3693（2012）02－0038－05AnalysisofFactorsInfluencingEfficiencyofReverseOsmosisSystemWANGPeng，LISong-liang，HUAChang-chun（YangzhouPolytechnicCollege，Yangzhou225009，China）—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------Abstract：Analysisoffactorsinfluencingreverseosmosisefficiencyismadeinthisarticlemainlyfromtheworkingconditionsofmembranesystemandqualityofincomingstructuralcharacteristicsofmembraneitself，water．Then，thespecificsolutionsandproperoperatingconditionsareachieved，whichcanenhancepollutionresistibilityofreverseosmosismembrane，extendservicelifeandreducewashingtimesintheworkingprocess．Keywords：reverseosmosissystem；membranefouling；surfacecharacteristics；membraneflux；waterperme-ability反渗透是利用反渗透压作用从溶液中分离出溶剂的膜分离操作。与其他膜（纳滤、超滤、微滤）相比，具有更小的膜孔径，可有效去除水中盐类、小分子酸、醛等有机物和胶体。目前，其应用范围正在扩大，已开始用于乳品、果汁的浓缩、生化和生物制剂的分离和浓缩以及造纸、电镀、石油制药、印染等工业废水和城市生活污水的处化工、［1］理。随着膜应用的广泛，膜污染问题也成为反渗透效能进一步提高的瓶颈。Gilron等［2］采用氧化还原法（以K2S2O8和K2S2O5作为引发剂）在TFC聚酰胺膜表面接枝具有亲水性的支链，使膜表面粗糙度降低，从而减弱了污染物在膜表面的吸附。同时，膜接触角减小，收稿日期：2012－01－30作者简介：王—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------鹏（1980—），男，扬州职业大学土木建筑系讲师。基金项目：扬州市科技计划项目（YZ2010078）。膜亲水性增强。KimSung－Ho［3］成功地将纳米TiO2与反渗透膜相结合，研究发现这种纳米处理技术改善了［4］膜的抗污染性能。KooJaYoung等以多元胺为媒介，利用残留在膜表面酰氯基与多元胺的端氨基反应，向膜表面引入各种各样的亲水性基团，这可以用来定些基团的存在改变了膜表面的电性，制反渗透膜对特定污染物的抗污染性能。Lee等［5］的研究表明原水的化学组成对反渗透膜的藻酸盐污染层影响很大。在较低pH值、2+高的离子强度以及存在Ca的情况下反渗透膜的藻酸盐污染都会加剧。Ang等［6］和Mo等［7］的试验均表明，当pH值第2期王鹏等：反渗透系统的效能影响因素分析39为BSA的等电点时，污染迅速，产水通量降低很由于BSA的快。当pH值大于BSA的等电点时，解链作用以及较强的静电排斥使得污染层呈现多孔疏松的结构，产水通量下降缓慢。而当pH值介于BSA—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------的等电点和RO膜的等电点之间时，静电吸引作用会加速污染物质在膜表面的沉积。Kim等［8］用间胺基苯乙烯聚合物和间苯二胺与均苯三甲酰氯和苯甲酰氯混合多元二胺溶液，混合酰氯溶液制备反渗透复合膜活性皮层，通过表1污染类型无机盐垢碳酸盐垢、硫酸盐垢金属氧化物、金属氢氧化物对反渗透膜性能的影响脱盐率下降、产水量轻微下降、截留率明显下降、压差适度增加压差迅速增加、产水量快速下降、膜表面有黄褐色脱盐率有一定下出水量有一定下降、降、通常先发生在最初一级的膜表面易堵塞膜，导致压差迅速增大，产水量与脱盐率快速下降，可能污染产品水，甚至损坏膜脱盐率下降、操出水量有大幅下降、作压力升高及膜降解共混控制聚酰胺链结构，进而控制亲水性基团与使膜的亲水性达到最佳。疏水性基团比例，1膜污染分类及处理方法膜污染通常会引起膜通量下降、分离率降低。膜系统在运行过程中，各种污染类型相互作用，共同发生，对RO—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------膜系统的影响结果也不同。表1就膜污染的成因和处理方法进行了分类和归［9－12］。纳RO膜污染成因与处理方法处理方法用用1%～2%柠檬酸辅以0.5%HCl，氨水调制pH=4左右浸泡、循环清洗0.2%～0.4%EDTA和0.5%三聚磷酸在pH=10左右循环清洗钠，25十二烷用0.1%～0.2%EDTA和1，基磺酸钠在pH=10左右的热水中浸循环清洗泡、预处理方法有机阻垢剂（聚磷酸盐、磷酸盐和以丙烯酸为基础的聚合物）曝气－锰砂过滤微絮凝－多介质过滤、滤、超滤胶质污染物/污泥微生物污染物臭氧氧化杀菌、紫可采用氧化性和非氧化性杀菌剂定期、氯化、杀菌剂浓亚硫交替冲击性、大剂量杀菌，严格控制给水外线杀菌、CaSO4等酸氢钠、中的有机物含量，抑制细菌的生长繁殖用异丙醇等药剂冲洗—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------氧化，絮凝、澄清、沉淀、过滤或活性炭吸附有机物污染物化学污染是指进水中某些物质与膜面发生化学反应，从而引起沉积、沉淀以及膜表面的非常规老化，使膜表面发生污染或使膜的性能变差。表2表2化学污染原因絮凝剂及助凝剂选择不当杀菌剂的选择不当影响结果造成膜元件的严重污染造成渗透系统脱盐率的严重损伤，回收率大幅下降就常见的化学污染的原因及处理方法进行了归纳［13－17］。化学污染处理主要从系统预处理的和总结完善及操作人员技术水平的提高来进行预防。RO膜化学污染原因和处理方法处理方法铁离子或者预处理加药中使用了铁、铝等絮凝若源水中含有铝离子、—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------剂，则尽量选择有机磷系的反渗透阻垢剂，避免采用聚羧酸型选用合适的杀菌剂，如电厂反渗透系统可采用绿色杀菌剂筛选与水源兼容且阻垢效果好的阻垢剂，通过实验获取最佳投加量根据膜污染物类型、污染程度以及膜的物理化学特性来选择清洗药剂和配制合理浓度控制低于0．1ppm阻垢剂与投加量选择不当，造成系统结垢越来越严重，产反渗透阻垢剂不兼容水量迅速下降清洗药剂选用不当余氯超标可导致系统通量下降造成导致膜面活性层的氧化2膜表面特性对RO膜性能的影响通过表面涂层、接枝、水解等表面改性技术，可有效实现对反渗透复合膜表面性质的调控和加工，改进和优化复合膜表面的粗糙度、亲水性、电荷等可实现对复合膜性能的改善和优化。表3特性，归纳了反渗透复合膜表面特性对反渗透膜效能的［18］影响及其改性方法。反渗透复合膜的表面特性（如表面粗糙度、亲水性、表面电荷等）对反渗透膜的通量、截流率和抗污染性能等具有很大影响，光滑、亲水性、电特别是抗污染性。中性的膜具有较好的分离性能，40表3—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------表面特性对反渗透膜效能影响情况扬州职业大学学报反渗透复合膜表面特性对效能的影响及其改性方法表面改性方法改善效能可提高膜的亲水性或减小其粗糙度。有利于提高膜的抗污染性和渗透通量优缺点第16卷光滑表面的反渗透复合膜具有较好抗污染性能，而粗糙的膜表面可显著增表面粗糙度加有效渗透面积，提高膜的渗透通量，涂层但膜较易受到胶体和生物的污染可涂覆物质具有较大选择性，操作简单，改性初期的效果较好；但表面涂覆增加了渗透阻力，同时涂覆的改性剂易从膜表面脱落，随着使用时间的延长，性能逐渐衰减，得不到长期改性效果表面接枝技术能永久地提高膜的亲水性，可获得各种具有不同表面特性和带有特殊功能基团的反渗透复合膜，实现反渗透复合膜的表面功能化；但表面接枝工艺相对较复杂，而且接枝过程易造成对原复合膜的从而造成分离性能的下降破坏，—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------直接影响表面涂能永久地提高膜的亲膜表面亲水性效果的好坏，微生物等疏水层或表水性，有效增加其抗亲水性膜通量和抵抗有机物、性物质污染的能力面接枝污染性pH值较高时有机官能团和膜均带负电，使有机物分子之间及有机物分子与膜间存在静电排斥，有机物分子不膜的抗污染能易在膜上沉淀和累积，力越强；当pH值较低时，有机官能团呈电中性，膜带少量正电，有机物很容易沉积在膜面堵塞膜孔，加速膜污染表面电荷表面水解可以调节膜表面组成尤其是提高和结构，膜的亲水性和抗污染性能但pH值超过一定的范围对pH值的控制相对容易，清洗时间过长均会对反渗透膜造或清洗液温度过高，成不可逆的损伤3运行参数对RO膜性能影响大通量，随着pH的进一步增加，脱盐率开始下降，在碱性（pH＞7）条件下，下降的幅度大于在酸性（pH＜7）条件下的增加幅度（如图1所示）。由此可以看出，在较高或较低的pH条件下，都不利于脱盐。与此同时，在pH—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------从酸性向碱性变化的过程中，膜通量先下降再上升，在pH等于7时达到最小值。因此，在进行反渗透时，必须选择合适的pH值，既能保证较高的脱盐率又能保证一找到最好的结合点。定的膜通量，反渗透膜的污染因素错综复杂，类型多种多pH样。在实际运行中，运行条件（如温度、压力、值、浓度等）对反渗透膜的膜通量、脱盐率、产水电导、压差等因素有明显影响。3.1温度通常在相同的压力下，温度每上升或下降1℃，反渗透产水量可增大或降低3%～4%。温度与通量和之间呈很强的线性关系［19］。一般来讲温度增高脱盐率降低。这是由于当温度上升时，盐的扩散速度就会增大，盐透过量增加，直接表现为反渗透产水电导率升高。反渗透运行压力受温度的影响也很大，一般水温上升，渗透性能增加，在一定水通量下要求的净推动力减小，因此实际运行压力降低；温度升高，水的粘度降低，压差减小。因此，在夏季，反渗透系统的运行压力和压差较冬季都要小。反渗透膜的最高运行温度为45℃，此值为膜厂家提供的极限温度，但一般要求长期运行温度要控制在40℃以下，若长期处于高温条件下运行，反渗透膜极易发生水解反应，将对膜造成不可逆的破坏。3.2pH—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------李毓亮等人研究发现RO膜的脱盐率随着pH的升高逐渐增加，当pH在7附近时达到最［20］图1pH与RO膜系统脱盐率和膜通量的关系3.3进水压力总的来说，以压力为推动力的膜过程，提高压力，渗透通量和脱盐率将会增加，而当料液浓度相对较低且渗透通量较小时，膜两侧的渗透压差很小，与操作压力不在同一数量级，提高压力对膜的渗透通量及脱盐率的提高有着十分显著的作用。4水质对RO膜的影响水中的颗粒物、胶体、有机物大分子、无机离第2期王鹏等：反渗透系统的效能影响因素分析表4进水浊度完全小于1NTU时保持在1NTU上下波动时浊度基本保持在1.5NTU以上时浊度超过2NTU并继续上升时进水浊度对RO膜的影响对RO膜的影响基本可实现24h反洗一次运行周期缩短到20h左右41子、微生物等与膜发生物理的、化学的、机械的作造成污染物在膜表面的吸附、沉积、堵塞等，最用，—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------终导致膜性能的下降，分离效率降低，甚至影响膜的使用寿命。4.1有机物与SDI［21］杨久坡经研究发现，原水有机物含量较低－1时（1mg·L），微生物污染的周期较长，而有机物及微生物含量较高的地表水膜微生物污染周期很短，只有不到3个月的时间（如图2）。由此可见，进水中有机物和微生物的含量越高，膜的生物污染的周期短，因此，控制进水中有机物和微生物的含量有利于防止RO膜微生物污染的形成。并需要定期运行周期缩短到17h左右，延长气洗与反对过滤器进行强制反洗，洗的时间并增加次数出水SS值很快超标根据运行经验，若进水浊度在2NTU以下，通基本可以满足出水过控制过滤器的运行周期，SS，一旦进水浊度超过2NTU并继续上升的话，出水SS值将很快超标。特别是针对主要由胶体物对反渗透的影响更大，将造成质引起的浊度超标，反渗透压差快速增大，产水量下降。4.3进水盐浓度—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------随着进水盐浓度的增加，反渗透膜元件的产水量基本呈线性下降。李毓亮［20］经过试验，发现给水盐浓度对脱盐率的影响呈现先快速升高后稳反渗透膜存在一个最佳的定再缓慢下降的趋势，－1即原水电导在500～1000μs·cm时，脱盐范围，脱盐率达到最佳，可达99%以上。5结语反渗透膜效能的影响因素多种多样，错综复原水的水质和膜表杂。其效能主要受操作条件、面特性等因素的影响。因此，如何对反渗透膜污染进行防治，提高反渗透系统效能需要全面考虑。SDI值对膜的污染也有直接的影响，由图3SDI值对膜的微生物污染有较大的影可以看出，响，尤其当SDI值超过3以后，膜的微生物污染周期大大缩短，因此，以地表水为原水的反渗透系统不应超在实际设计中应尽量控制SDI值小于2，过3。4.2进水浊度在反渗透系统中，当给水浊度大于1.0时，可能会有较高的污染倾向。表4中给出了不同的进水浊度运行条件对RO—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------膜的影响。反渗透系统设计时建议在反渗透设备系统连续运行时，给水浊度值应控制在0.3～0.5NTU之间最好，最高限值为1.0NTU。（1）进水水质的好坏直接影响反渗透膜处理的效果。进行原水处理时，需根据水质选择合适的预处理工艺，尽可能地减少进入反渗透系统的污染物，使进水水质达到膜处理进水指标。（2）当膜表面的污染物达到一定量时，选择pH值、合适的清洗方法、温度、压差等进行有效的清洗。清洗时需要考虑膜的耐受性，膜的清洗对于膜过滤能力的恢复起着至关重要的作用，清洗效果的好坏将直接影响后续处理效果。（3）开发耐高温、耐污染的反渗透复合膜材料，或者通过表面改性等方法改善膜的粗糙度、电负性和亲水性。预处理工艺和膜材料的改进趋向［22］于综合多种抗污染方法。（4）通过试验研究，找到最优的操作条件，尽42扬州职业大学学报第16卷可能地调高反渗透膜的通量和脱盐率，降低膜污如目前超声波对反渗透膜系统的应用。染速度，（5）在新材料和传递机理研究的基础上，通过新的功能单体的选用，有机－纳米无机材料杂化和仿生材料的引入，以及制膜工艺的革新等手段，反渗透复合膜的性能还会进一步改进，其应用—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------［23］效果会更好，发挥的作用会更大。（6）杂化膜的出现，融合了有机材料与无机hancementmechanisminmorphology-controlledThinFilm-Composite（TFC）membrane［J］．Environmental2005，39（6）：1764－1770．Science＆Technology，［9］杨昆，郭嘉，王宇彤．反渗透系统的性能变化分析及．膜科学与技术，2005，25（5）：54量化评价方法［J］－58．［10］胡杰华，訾洛阳，姚翔．反渗透水处理系统的微生．现代商贸工业，2008，物污染与防治研究［J］（11）：373－374．［11］周军，杨艳琴，张宏忠，等．反渗透膜污染及其清洗J］，2007，17（1）：1－4．过滤与分离，的研究［［12］柴海水．延长反渗透膜使用周期的研究［J］．科技2010，20（34）：181－183．情报开发与经济，［13］李惠琴，李虎全，李正有．对反渗透膜元件污染分J］．化学工程与装备，2010，析及清洗方法的探讨［（12）：100－103．［14］田利，黄善锋，罗奖合，等．循环水杀菌剂对反渗透．热力发电，2010，39（6）：29－膜影响的研究［J］33．［15］严备齐，王志斌，靳紫阳，等．反渗透阻垢剂阻垢性—————————————————————————————————————— 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------------------------------------------------------------------------------------------------（责任编辑：吴萍江涌）——————————————————————————————————————'