5.2　反滲透和納濾

5.2.1　原理與功能

液體分離膜一般可以分為反滲透、納濾、超濾、微濾四種，其膜的孔徑大小不同，濾除的粒子也就有區(qū)別。圖5-7是壓力驅(qū)動(dòng)膜過(guò)程示意圖。

反滲透（reverse osmosis，簡(jiǎn)稱RO）半透膜具有選擇透過(guò)性，能夠允許溶劑通過(guò)而阻留溶質(zhì)。反滲透過(guò)程正是利用了半透膜的這一特性，以膜兩側(cè)的壓差為推動(dòng)力，克服溶劑的滲透壓，使溶劑透過(guò)而截留溶質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)濃液和清液的分離。其過(guò)程如圖5-8所示。該過(guò)程無(wú)相變，一般不需要加熱，工藝簡(jiǎn)便，能耗低，不污染環(huán)境。

納濾（nanofiltration，簡(jiǎn)稱NF）是一種介于反滲透和超濾之間的壓力驅(qū)動(dòng)膜分離過(guò)程，納濾膜的孔徑范圍在幾個(gè)納米左右。與其他壓力驅(qū)動(dòng)型膜分離過(guò)程相比，納濾出現(xiàn)較晚。納濾膜大多從反滲透膜衍化而來(lái)，如CA、CTA膜、芳族聚酰胺復(fù)合膜和磺化聚醚砜膜等。但與反滲透相比，其操作壓力更低，因此，納濾又被稱作“低壓反滲透”或“疏松反滲透”。

納濾分離作為一項(xiàng)新型的膜分離技術(shù)，技術(shù)原理近似機(jī)械篩分。但是納濾膜本體帶有電荷性，它在很低壓力下仍具有較高的脫鹽性能，能截留分子量為數(shù)百的分子并可脫除無(wú)機(jī)鹽。

5.2.2　技術(shù)與裝備

（1）反滲透膜的種類與性能

反滲透膜是實(shí)現(xiàn)反滲透過(guò)程的關(guān)鍵，因此要求反滲透膜具有較好的分離透過(guò)性和物化穩(wěn)定性。反滲透膜的物化穩(wěn)定性主要是指膜的允許使用最高溫度、壓力、適用的pH值范圍和膜的耐氯、耐氧化及耐有機(jī)溶劑性等。反滲透的分離透過(guò)性主要與溶質(zhì)分離率、溶劑透過(guò)流速以及流量衰減等因素有關(guān)。

①高壓海水淡化反滲透膜　用于高壓海水脫鹽的反滲透膜主要有以下幾類：中空纖維膜，主要有醋酸纖維素和芳香聚酰胺中空纖維膜；卷式復(fù)合膜，包括交聯(lián)芳香聚酰胺復(fù)合膜、交聯(lián)聚醚復(fù)合膜及其聚醚酰胺類（PA-30型）、聚醚脲（RC-100型）復(fù)合膜等。高壓反滲透膜的性能如圖5-9所示。

②低壓反滲透復(fù)合膜　目前，工業(yè)上大規(guī)模使用的低壓反滲透復(fù)合膜主要有CPA系列、FT30及UTC-70芳香聚酰胺復(fù)合膜、ACM系列低壓復(fù)合膜NTR-739HF聚乙烯醇復(fù)合膜等。低壓反滲透復(fù)合膜的主要特征是可在1.4～2.0MPa的操作壓力下運(yùn)行，并且獲得很高的脫鹽率和水通量，允許供水的pH值范圍較寬，主要用于苦咸水脫鹽。與高壓反滲透膜相比，所需設(shè)備費(fèi)和操作費(fèi)較少，對(duì)某些有機(jī)和無(wú)機(jī)溶質(zhì)有較高的選擇分離能力。

③超低壓反滲透膜　超低壓反滲透膜包括納濾膜和超低壓高截率反滲透膜。

（2）反滲透膜組件

反滲透膜組件是由膜、支撐物或連接物、水流通道和容器等按一定技術(shù)要求制成的組合構(gòu)件，它是將膜付諸于實(shí)際應(yīng)用的最小單元。根據(jù)膜的幾何形狀，反滲透膜組件主要有4種基本形式：板框式、管式、卷式和中空纖維式。

①板框式反滲透膜組件　板框式反滲透膜組件由承壓板、微孔支撐板和反滲透膜組成。在每一塊微孔支撐板的兩側(cè)是反滲透膜，通過(guò)承壓板把膜與膜組裝成重疊的形式，并由一根長(zhǎng)螺栓固定O形圈密封，其結(jié)構(gòu)如圖5-10所示。

②管式膜組件　管式膜組件分內(nèi)壓管式和外壓管式，主要由管狀膜及多孔耐壓支撐管組成。外壓管式組件是直接將膜涂刮在多孔支撐管的外壁，再將數(shù)根膜組裝后置于一承壓容器內(nèi)。內(nèi)壓管式膜組件是將反滲透膜置于多孔耐壓支撐管的內(nèi)壁，原水在管內(nèi)承壓流動(dòng)，淡水透過(guò)半透膜由多孔支撐管管壁流出后收集。如圖5-11所示。

③卷式膜組件　卷式膜組件填充密度高，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。其構(gòu)造如圖5-12所示，在兩層膜之間襯有一透水墊層，把兩層半透膜的三個(gè)面用黏合劑密封，組成卷式膜的一個(gè)膜葉。數(shù)個(gè)膜葉重疊，膜葉與膜葉之間襯有作為原水流動(dòng)通道的網(wǎng)狀隔層。數(shù)個(gè)膜葉與網(wǎng)狀隔層在中心管上形成螺旋卷筒，稱為膜蕊。一個(gè)或幾個(gè)膜蕊串聯(lián)放入承壓容器中，并由兩端封頭封住，即為卷式組件。普通卷式組件是從組件頂端進(jìn)水，原水流動(dòng)方向與中心管平行。而滲透物在多孔支撐層中按螺旋形式流進(jìn)收集管。

④中空纖維膜組件　中空纖維膜組件通常是先將細(xì)如發(fā)絲的中空纖維（膜）沿著中心分配管外側(cè)，以縱向平行或呈螺旋狀纏繞兩種方式，排列在中心分配管的周圍而成纖維芯；再將其兩端固定在環(huán)氧樹脂澆鑄的管板上，使纖維芯的一端密封，另一端切割成開口而成中空纖維元件；然后將其裝入耐壓殼體，加上端板等其他配件而成組件。通常的中空纖維膜組件內(nèi)只裝一個(gè)元件。如圖5-13所示。

（3）反滲透處理工藝

根據(jù)不同的處理對(duì)象，可以有各種處理工藝，常用的反滲透工藝系統(tǒng)如下。

①單段系統(tǒng)　在反滲透系統(tǒng)中，一級(jí)一段式流程是最簡(jiǎn)單的流程。它具有較低的回收率和較高的系統(tǒng)脫鹽率。單段系統(tǒng)用于當(dāng)系統(tǒng)回收率需要低于50%時(shí)。一級(jí)一段式系統(tǒng)流程如圖5-14所示。

②多段系統(tǒng)　為了獲得較高的水回收率，可采用一級(jí)多段式反滲透系統(tǒng)，如圖5-15所示。第一段的濃水作為第二段的進(jìn)水，然后將兩段的滲透出水混合作為出水，必要時(shí)可增加一段，即把第二段的濃水作為第三段的進(jìn)水，第三段的滲透出水與前兩段出水匯合成產(chǎn)水。通常苦咸水的淡化和低鹽度水的凈化采用這種流程。

③多級(jí)系統(tǒng)　多級(jí)式流程通常采用二級(jí)，第一級(jí)反滲透出水作為第二級(jí)的進(jìn)水，第二級(jí)的濃水濃度通常低于第一級(jí)進(jìn)水，把第二級(jí)濃水返回第一級(jí)高壓泵前，從而提高系統(tǒng)回收率和產(chǎn)水水質(zhì)。根據(jù)用戶最終水質(zhì)要求，第一級(jí)滲透水可部分也可全部經(jīng)過(guò)第二級(jí)處理。流程如圖5-16所示。

（4）納濾膜

納濾膜是一種允許溶劑分子或某些低分子量溶質(zhì)或低價(jià)離子透過(guò)的功能性的半透膜。無(wú)論是從膜材料來(lái)看還是從化學(xué)性質(zhì)來(lái)看，納濾膜與反滲透膜非常相似。納濾膜的最大特點(diǎn)如下。

①離子選擇性　由于有的納濾膜帶有電荷（多為負(fù)電荷），通過(guò)靜電作用，可阻礙多價(jià)離子（特別是多價(jià)陽(yáng)離子）的透過(guò)。就多數(shù)納濾膜而言，一價(jià)陰離子的鹽可以通過(guò)膜，但多價(jià)陰離子的鹽（如硫酸鹽和碳酸鹽等）的截留率則很高。因此，鹽的滲透性主要由陰離子的價(jià)態(tài)決定。

②除鹽能力　納濾膜的膜材料既有芳香族聚酰胺復(fù)合材料又有無(wú)機(jī)材料，因此，不同種類的納濾膜的結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)有很大的不同，很難用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)價(jià)膜的優(yōu)劣和性能，但大多數(shù)膜可用NaCl的截留率來(lái)作為性能指標(biāo)之一，一般納濾膜的截留率在10%～90%之間。

③截留率的濃度相關(guān)性　進(jìn)料溶液中的離子濃度越高，膜微孔中的濃度也越高，因此，最終在透過(guò)液中的濃度也越高，即膜的截留率隨濃度的增加而下降。

（5）膜污染與清洗

①膜污染特征　當(dāng)膜系統(tǒng)（或裝置）出現(xiàn)以下癥狀時(shí)，需要進(jìn)行清洗：

1）在正常給水壓力下，產(chǎn)水量較正常值下降10%～15%；

2）為維持正常的產(chǎn)水量，經(jīng)溫度校正后的給水壓力增加10%～15%；

3）產(chǎn)水水質(zhì)降低10%～15%，透鹽率增加10%～15%；

4）給水壓力增加10%～15%；

5）系統(tǒng)各段之間壓差明顯增加。

表5-9列出了常見的膜污染種類及污染特征。

②膜清洗的方法　膜清洗是膜法分離工藝的重要環(huán)節(jié)，主要分為化學(xué)清洗、物理清洗兩大類。膜常用清洗方法見表5-10。

③清洗液的配制與使用　清洗液的配制和配方見表5-11。是將一定量（質(zhì)量或體積）的化學(xué)藥劑加入到100加侖（379L）的清水中（膜產(chǎn)品水或不含游離氯的水）配制而成。

5.2.3　膜組件與膜進(jìn)水指標(biāo)

①四種膜組件的應(yīng)用比較見表5-12。

②反滲透進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)見表5-13^［3］。