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實驗室純水系統設計方案之反滲透法和反滲透純水機技術方案

    反滲透法是一項新型隔膜分離技術。反滲透是利用反滲透膜半滲透性質,水和某些溶劑可透過這種膜,而其他溶質以及任何顆粒均不能通過,從而把溶液中的溶劑(一般常指水)分離出來。電滲析雖然和反滲透均屬于膜分離范疇,但電滲析是通過離子交換膜將溶液中的離子有選擇性的透過,而不讓水透過。因此反滲透分離的對象主要是溶液中的離子范圍,標志著經典的過濾方法向著精細的分離方向發展。它與其他一些過濾過程的分離在顆粒大小方面的范圍。
(1)反滲透原理
①滲透與反滲透
    如果將純水和鹽水(或兩種不同、濃度的溶液)用一種只能透過水而不能透過溶質的半滲透膜隔開,純水就會自然地透過半透膜滲透到鹽水(或從低、濃度溶液滲透至高濃度溶液)一側,這種現象叫做滲透。當滲透進行到鹽水一側的液面達到某一高度而產生一個滲透壓頭,從而抵制了純水進一步向鹽水一側滲透,滲透的自然趨勢被壓頭所抵消而達到平衡,這一平衡壓力稱為參透壓,這時達到一種滲透平衡狀態。
    如果在鹽水一側加上一個大于滲透壓力P,則鹽水中的水分就從鹽水一側透過半透膜滲透至純水的一側,鹽水中的鹽分即被截留(濃度變大即濃縮),這種現象就稱為反滲透。
    反滲透法使用的半透膜的特點是透水量大,脫鹽率高,它使水通過,同時截留90%-99%的溶解無機物質,95%-99%的有機物組分和100%的最微細的膠體物質(如細菌、病毒、膠體Si02等)。膜的除鹽效率可達90%-99%,即它們的鹽分透過率為1%-10%之間。
②反滲透的脫鹽機理
a.氫鍵理論。
    半透膜材料之一,乙酸纖維素是一種具有高度有序矩陣結構的聚合物,它具有水或醇等溶劑形成氫鍵的能力。鹽水中的水分子能與乙酸纖維素上的羰基形成氫鍵。在反滲透壓力推動的作用下,以氫鍵結合進入乙酸纖維素膜的水分子能夠由第一個氫鍵位置斷裂而轉移到另一個位置形成另一個氫鍵。這些水分子通過一連串的形成氫鍵和斷裂氫鍵而不斷移位,直至離開膜的表皮層而進入多孔性支撐層后,立即流出淡水。
b.選擇吸附一毛細管流動機理。
    當鹽水溶液與多孔的反滲透膜表面接觸時,如果膜具有選擇吸附純水而排斥溶質的化學特性,則在膜和溶液界面上選擇吸附一層水分子,在反滲透壓力推動的作用下,通過膜的毛細作用流出純水,并連續地形成和流出這個界面純水層。
    至于對有機物的脫除,則純屬篩分機理。固此,這與有機物的相對分子質量大小和形狀有關。由于有機物的分子不能被膜的表面所排礴,又由于有機物傾向于降低溶液和膜之間的界面張力,一些小分子有機物(相對分子質量小于100)最容易聚集在膜的表面上,因而很容易通過膜的孔隙。根據分子的形狀和相對分子質量在100-200之間的有機糊,能脫除一部分,相對分子質量在200以上的有機物,基本上能全部脫除。
(2)反滲透膜
    反滲透膜是進行反滲透分離過程的主要關鍵之一。一般來說,對反滲透膜要求具備下列多種性能:①單位膜面積的透水量大、脫鹽率高;②機械強度好,多孔支撐層的壓實作用小;③化學穩定性好,耐酸、耐堿和耐微生物的侵襲;④結構均勻,使用壽命長;⑤制膜容易,原料充足。
    但是,要制備具有上進各項多性能的膜是比較困難的。目前最廣泛使用的膜是乙酸纖維素膜,簡稱CA膜,該膜透水量大、脫率高、價格便宜,比較成熟。這種乙酸纖維素半透膜物表皮層的厚度約0.25μm,膜總厚度約100μm。極薄表皮層中布滿微孔,孔徑約幾個納米,而多孔支撐層中的孔徑很大,約有幾百納米。在反滲透操作過程中,鹽水必須面向表皮層,該層由多孔的支撐層予以支撐。這種非對稱性的乙酸纖維素膜具有透水量大,脫鹽率高的優點。
    其次為芳香聚酰胺膜,它具有良好的透水性能,較高的脫鹽率,優越的機械強度,化學性質穩定,耐壓實等特點,能在PH值為4-10范圍內使用(長期使用范圍為PH5-9)。乙酸纖維素膜主要制成平板式、管式、螺旋卷式和槽條式。而芳香聚酰胺膜則主要制成中空纖維式,它的膜面積特別大,由它制成的反滲透器具有何種小、產水量大的優點,因而發展很快。
    除上述兩種膜以外,還有耐熱的聚苯并咪唑膜,透水量大的動力形成膜,無機的多孔玻璃膜和氧化石墨膜,耐堿的磺化聚苯醚膜和磺化聚砜膜等。
(3)使用反滲透膜時應注意幾個問題
①PH值使用范圍
    不同材料制成的膜對PH值使用范圍也不同。CA膜的長期使用范圍為PH=3-7,防止某些溶解固體在膜表面結垢而堵塞膜孔,并防止膜的水解。芳香聚酰胺膜一般適用PH=4-10,但長期適用范圍PH=5-9。
②操作壓力
    在反滲透過程中,透水量隨操作壓力的提高而增加。但提高壓力又會使膜受到壓實的影響從而導致透水量的下降,這對CA膜最為顯著。因此,應根據各種膜的性能來考慮反滲透操作壓力。操作壓力的選擇還依籟于原水的濃度、膜的透水性能和水的回收率。
③溫度
    膜的透水量隨原水溫度的提高而增加。有些膜當水溫提高1℃時,透水量能增加約2.7%。但溫度過高,會加快膜的水解速度。一般有機膜由于溫度升高而變軟,而使膜的壓實增加。原水溫度一般控制在20-30℃。
④濃差有化
    在反滲透過程中,由于水不斷地透過膜,使膜表面的溶液濃度越來越大,由于這一濃差極化現象引起腹表面溶液的滲透壓大大增加,因而導致水透過膜的阻力增加,使膜的透水量和脫鹽率下降。為了避免這種現象,必須提高原水柱入的流速,使原水流動保持紊流狀態,防止膜表面濃度增加。
⑤膜的清洗
    使用長期的反滲透膜,其表面易被一層沉淀物覆蓋而結垢,堵塞膜孔,透水量下降。因此必須定期清洗膜面。通常采用稀鹽酸(PH值為2-3,主要對CA膜)沖洗,或用各種絡合劑如檸檬酸、過硼酸鈉、亞硫酸氫鈉、六偏磷酸鈉等防止鐵、錳、碳酸鹽結垢。在具體操作中,必須根據膜的材料和結垢的性質選擇去垢劑。當然,如在進行反滲透過程之前對原水進行必要的預處理,如采用砂過濾器、加藥凝聚、調節酸度、經過各種孔徑的細砂過濾器、加藥凝聚、調節酸度、經過各種孔徑的細過濾和精密過濾等方法,以減少膜表面結垢的防止膜的水解。
(4)反滲透器  
    最簡單實用的反滲透組件裝置就是將一個高壓水泵與一個反滲透組件直接串聯起來,在壓力作用下,純水通過反滲透膜,面濃縮的廢液通過一只流量控制閥連續排出。為了取得滿意的純水流量,施加壓力最好超過廢液的滲透壓。在實踐中采用壓力在25-80PaZ間。

(5)反滲透法在純水處理方面的應用  

     反滲透法可用于海水淡化、硬水軟化、工業廢水處理以高純水制備等方面。反滲透比蒸餾法、電滲析等方法耗哉少、體積小、設備簡單、單位何種產水量高,還具有不需加熱、相態不變和適于大小規模生產等優點,一般采用反滲透和離子交換相結合的聯合裝置以制職高純水。

    由于反滲透應用廣泛,優點多,而且近年來隨著反滲透質量的不斷提高,反滲透設備的不斷改進,應用范圍繼續擴大,反滲透純化水已經發展成為一種符合實際、效率高又經濟的主處理系統。
    選擇反滲透裝置的最佳工藝條件,以降低反滲透系統的動力消耗,達到最大的經濟效益,應先測出各項有關參數,根據具體情況應注意以下各個環節。
①測定原水中的告鹽量、酸堿度、溫度、懸浮物、細菌以及其他顆粒等。
②選用合適的原水預處理方法,如凝聚、粗濾、細濾、調節PH值等。
③選擇膜材和了解膜的性能,如透水量、脫鹽率、PH使用范圍、機械強度和耐熱等。
④根據產水量要求計算出所需的膜面積。
⑤考濾反滲透器類型的特性、反滲透裝置的工藝流程、水質的要求、操作壓力、淡水回收率等。
⑥考慮鈣鹽等難溶鹽沉積膜面、堵塞膜孔以及濃差極化等問題。
    實驗室用反滲透純水機符合GB6682-66規定的實驗用三個等級凈化水的技術要求。根據實驗室的不同要求配備不同等級的反滲透純水設備。
實驗室用水的三個等級:
一級水:基本上不含有溶解或膠態離子雜質及有機物。它可用二級水經進一步處理而制得。
二級水:可含有微量的無機、有機或膠態雜質。
三級水:適用一般實驗室實驗工作。

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