反渗透过程--课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,ppt课件,*,第四章 反渗透过程,1,ppt课件,反渗透,(Reverse Osmosis),是最早工业化的膜分离过程之一，在压力的推动下，液体混合物中的溶剂,(,如水,),和溶质以不同的速率透过膜，在膜的透过侧得到比较纯净的溶剂，而在膜的进料侧得到浓缩的进料溶液。,2,ppt课件,反渗透同其它分离方法相比的优点,:,不发生相变；,设备简单；,占地少能耗低等。,从海水、苦咸水的脱盐开始的， 现在又有许多新的应用，如食品、医药工业中的浓缩，超纯水的制造，锅炉水的软化，城市污水处理及对微生物、细菌和病毒进行控制等。,3,ppt课件,反渗透的基本原理,反渗透过程的主要性能参数,反渗透过程的膜与膜组件,浓差,(,度,),极化,膜的污染,反渗透过程的基本流程,反渗透过程的应用及经济性,反渗透过程的研究方向,4,ppt课件,4.1,反渗透的基本原理,渗透、渗透压与反渗透的概念,渗透压的计算,反渗透发生的条件,描述反渗透过程的机理模型,5,ppt课件,4.1.1,渗透、渗透压与反渗透的概念,用一张只能透过溶剂而不能透过溶质的理想膜将容器分成两部分，在膜的两侧分别注入纯溶剂和溶有溶质的溶液，当两侧具有同样的高度时，如图,4-1(a),，,溶剂侧中的溶剂将自发地穿过膜流入溶液一侧，这种现象叫渗透,(osmosis),。,6,ppt课件,随着溶剂不断地流入，溶液侧的液面将不断升高，最后当两侧液面差为,H,时，溶剂将停止透过膜，体系处于平衡状态，如图,4-1(b),，,H,高度溶液所产生的压头，称为该溶液的渗透压,，,=gH,。若在,(a),容器的溶液上方加一个压力,p,，且,p ,，如图,4-1(c),，,则溶液中的溶剂透过膜向纯溶剂侧流动，这一现象称之为反渗透,(Reverse Osmosis),，,亦称为高滤。,(hyper filtration),。,7,ppt课件,8,ppt课件,4.1.2,渗透压的计算,渗透压是溶液的物理性质之一，只与溶液的种类、浓度、温度等参数有关，而与膜无关。,理想溶液,真实溶液,9,ppt课件,理想溶液,理想溶液的渗透压可以根据,Vant,Hoff,公式计算,式中,: i,Vant,Hoff,系数，当电解质完全解离时，其值等于单位摩尔浓度溶液中解离的阴阳离子的总摩尔浓度；,Cs,溶液中溶质的摩尔浓度，,mol/L,；,T,绝对温度，,K,；,(atm,),(4-1),10,ppt课件,如求,25,，浓度为,0.1mol/L,的,NaCl,溶液的渗透压时，因,NaCl,完全电离，则,i=2.0,所以：,=,0.0820620.1298=4.89(atm),11,ppt课件,对于同样重量浓度的溶液，大分子量的高分子溶液要比盐之类小分子量溶液的渗透压小得多。,用反渗透进行浓缩时，小分子量溶液的浓缩浓度一般不超过,15%,，,大分子量溶液不超过,20%,，,以免产生过高的渗透压。,12,ppt课件,真实溶液,计算真实溶液的渗透压，常用方法,:,渗透系数法,凝固点下降法,简化法,13,ppt课件,渗透系数法,引入渗透系数,以校正真实溶液的非理想性，在文献中可查到各种溶质的,值,:,(4-2),14,ppt课件,凝固点下降法,式中,: Tf=Tf*-Tf,， 凝固点下降,Tf,*-,纯溶剂凝固点浓度,Tf,-,溶液的凝固点浓度,hf,-,融化潜热,VB-,溶剂的偏摩尔体积,可以由凝固点下降求得渗透压,:,(4-3),15,ppt课件,简化法,为了方便起见，常将式,(4-2),简化成如下形式,:,=BX,A,(4-4),式中,:X,A,-,溶质的摩尔分数；,B-,比例常数，,表,4-1,中列出一些常见的溶质,-,水体系的,B,值。,16,ppt课件,表,4-1,某些溶质,-,水体系的,B,值,溶,质,B 10,-3,atm,/mol,分数，,2,5,溶,质,B 10,-3,atm,/mol,分数，,25,尿,素,1.33,K,2,SO,4,*,3.02,甘,油,1.39,NaNO,3,2.44,砂,糖,1.40,NaCl,2.52,CuSO,4,*,1.39,Na,2,SO,4,*,3.03,MgSO,4,*,1.54,Ca(NO,3,),2,3.36,NH,4,Cl,2.45,CaCl,2,3.63,LiCl,2.55,BaCl,2,3.48,LiNO,3,2.55,Mg(NO,3,),2,3.60,KNO,3,2.34,MgCl,2,3.65,KNO,3,2.48,*,硫酸盐与其它盐不同，其,B,值随浓度的增高而减小,17,ppt课件,4.1.3,反渗透发生的条件,用一张选择透过溶剂的膜，将容器分成两部分，分别注入同种不同浓度的溶液，则会发生平衡、渗透和反渗透三种情况。,18,ppt课件,1.,当膜两侧的静压差等于渗透压差时，膜两侧的化学位相等，则系统处于平衡状态，如图,4-2(a),、,(c),。,2.,当膜两侧的静压差小于渗透压差时，稀溶液一侧的化学位高，则溶剂将从稀溶液侧透过膜进入浓溶液侧，即发生渗透，如图,4-2(b),。,3.,当膜两侧的静压差大于渗透压差时，如图,4-2(d),，,浓溶液的化学位高， 则溶剂将从浓溶液侧透过膜进入稀溶液侧，这就发生反渗透。,19,ppt课件,20,ppt课件,从上面的说明可知反渗透过程必须满足二个条件：,一是有选择透过性的膜；,二是操作压力差必须高于溶液的渗透压差。,21,ppt课件,4.1.4,描述反渗透过程的机理模型,反渗透过程主要应用于从海水或苦咸水中脱盐制淡水， 理想的脱盐反渗透膜应该是不妨碍水的透过，而溶解的盐完全不能透过。但实际上，水和盐均能透过膜，只不过是透过的速度不同而已。,22,ppt课件,有许多模型来描述反渗透过程，主要可以分三类：,微孔类模型,溶解,扩散理论,孔隙开闭学说,23,ppt课件,微孔类模型,氢键理论,筛分效应学说,优先选择吸附,毛细孔流机制,24,ppt课件,氢键理论,氢键理论亦称孔穴式与有序式扩散,(hole-type and alignment - type diffusion),，,该理论主要用于描述醋酸纤维膜的反渗透过程，认为当水进入醋酸纤维膜的非结晶部分后，同羧基上的氧原子形成氢键，成为结合水， 这种结合水的结合强度取决于膜内的孔径，孔径越小结合越牢。,25,ppt课件,26,ppt课件,筛分效应学说,该学说认为反渗透也和一般的过滤一样， 主要是靠筛分效应把盐同水分开的，即由于膜内孔径比水分子大，但比水合后的离子小，从而水分子可以透过膜， 而盐不能，使盐水得以分离。图,4-4,为实验值,(,),与该理论值,(,线,),的比较， 这说明该学说还是能较好地描述反渗透过程。一般认为在反渗透过程中筛分效应起一定程度的作用。,27,ppt课件,28,ppt课件,优先选择吸附,毛细孔流机制,优先选择吸附,毛细孔流机制,(Preferential Sorption,Capillary flow mechamism,),是由,Souirajan,提出的，根据,Gibbs,吸附方程， 认为由于膜的化学性质,(,亲水性,),使之对溶液中的溶质具有排斥作用，结果使靠近膜表面的溶质的浓度梯度急剧下降，而在膜的表面上吸附了一层纯水层，如图,4-5(a),所示， 这一纯水层在压力的作用下，不断从膜的毛细孔中渗出，如图,4-5(b),所示。,29,ppt课件,30,ppt课件,若纯水层的厚度为,w,，则根据该机制， 膜孔径的大小最好为纯水层厚度,w,的,2,倍，称之临界直径。如果孔径大于,2w,，则在微孔的中心将出现一个直径为,(,孔径,-2w),的溶液流，使溶质也从孔中透过膜，导致脱盐率下降；反之， 如果孔径小于,2w,，虽选择性好，但膜的渗透性能下降。,31,ppt课件,纯水层的厚度与界面性质有较大关系，大约一到两个分子层的厚度，可用下式计算。,(4-5),式中,:w,纯水层的厚度,a,溶液中盐的活度系数,0,溶液的表面张力,m,o,溶液的重量摩尔浓度,32,ppt课件,溶解,扩散理论,溶解,-,扩散理论,(Solution-diffusionmodel,),，,首先是由,Lonsdale,、,Merten,和,Riley,提出的，是目前被普遍接受的。该理论与上面讨论的微孔类模型不同，认为膜是一种完全致密的界面，水和溶质通过膜是分两步完成的， 第一步是水和溶质被吸附溶解于膜表面，第二步是水和溶质在膜中扩散传递，最终透过膜。,33,ppt课件,在溶解,扩散过程中，扩散是控制步骤，假设它服从,Fick,定律， 则可推导出 透水率,Fw,为,:,(4-6),34,ppt课件,式中：,Fw,透水速率，克,/,厘米,2,秒；,Dw,水在膜中的扩散系数，厘米,2,/,秒；,Cw,水在膜中的浓度，克,/,厘米,3,；,Vw,水的偏摩尔体积，厘米,3,/,摩尔；,p,膜两侧的压力差，大气压；,膜两侧溶液的渗透压差，大气压；,R,气体常数，厘米,3,大气压,/,摩尔,K,；,T,开氏温度，,K,膜的有效厚度，厘米；,A,DwCwVw/RT,，膜的水渗透系数,(,重量,),，表示特定膜中水的渗透能力，克,/,厘米,2,秒,大气压。,35,ppt课件,同样，也可以推导出溶质透过速率或称透盐率,(Fs),方程如下,:,(4-7),式中：,Ds,溶质在膜中的扩散系数，厘米,2,/,秒；,Ks,溶质在溶液和膜两相中的分配系数，克,/,厘米,3,(,膜,)/,克,/,厘米,3,(,溶液,),；,C,膜两侧溶液的浓度差，克,/,厘米,3,；,B,DsKs/,，膜的溶质渗透系数或称透盐系数，表示特定膜的透盐能力，厘米,/,秒；,Fs,膜的透盐率，克,/,厘米,2,秒。,36,ppt课件,溶解扩散理论阐明了溶剂透过的推动力是压力，溶质透过的推动力是浓差，这已被许多实验数据所证实，但该理论同样有局限性，比如由式,(4-7),和,(4-9),可知溶剂和溶质通过膜的过程是独立的，互不相干，这在一些情况下是不符合实际的，所以,Kedem,，,Kimura,，,Sourirajan,等对该理论做了进一步修正。,37,ppt课件,孔隙开闭学说,该学说认为膜内没有固定的连续孔道， 而是由于高聚物的链的热振动形成通道，使渗透物质得以透过。如图,4-6,所示，若分子,(,离子,),a,在链的一个振动周期内若能前进,ys,以上，就可以前进，若不能超过,ys,就后退回原处。,38,ppt课件,39,ppt课件,在未受压时，高聚物的链是无秩序的布朗运动，当受压时，物质通过膜而要损失一部分机械能，将被聚合物吸收，形成图,4-6,中那样的有序振动，随着压力的增高，吸收的能量变大，聚合物链的振动次数将增加。,40,ppt课件,4.2,反渗透过程的主要性能参数,膜的透水率,膜的透盐率,溶质的截留率,反渗透系统的回收率,膜的压密系数,操作参数对反渗透过程分离性能的影响,41,ppt课件,4.2.1,膜的透水率,重要参数,亦称水通量、 水透过膜的速率,单位时间内通过单位膜面积的水的流量,取决于膜的特性,(,如膜材料，膜结构等,),、分离体系的性质以及操作条件,(,如操作温度、压力等,),。,(4-8),42,ppt课件,4.2.2,膜的透盐率,膜的透盐率,Fs,是单位时间内通过单位膜面积的盐的流量，同样是取决于膜的特性、分离体系的性质及操作条件，但不同的是对一定的膜分离体系和操作温度，,Fs,几乎与操作压力无关，与膜两侧溶质的浓度差成正比，如式,(4-9),，,对于反渗透过程一般希望,Fs,越小越好。,(4-9),43,ppt课件,4.2.3,溶质的截留率,溶质的截留率亦称脱盐率，通常以,R,表示， 是评价反渗透过程的最主要的指标，定义为,:,式中,Cp,、,C,f,分别为产品水和进料水中溶质的浓度。,(4-10),44,ppt课件,4.2.4,反渗透系统的回收率,反渗透系统的回收率,定义如下,:,式中,Np,、,N,f,分别为产品和进料溶液的流量。,(4-11),45,ppt课件,4.2.5,膜的压密系数,由于操作压力和温度对膜的持续作用，会使膜产生一系列的物理变化，比如孔隙率变小，水的透量变低，透水率的变化通常存在下列关系,:,式中,Fw1,，,Fwt,分别为第,1,，,第,t,小时后的透水率,;,t,为操作时间,;,m,即为压密系数，亦称压实斜率。,(4-12),46,ppt课件,m,是可以通过实验测出的，是描述膜寿命的参数之一，,m,越小，膜的寿命越长。对于反渗透过程，,m,值一般应小于,0.03,。,47,ppt课件,4.2.6,操作参数对反渗透过程分离性能的影响,操作过程的参数如原料液温度、压力及水的回收率都会对最终的分离性能即膜的透量、产品的质量产生影响，归纳如图,4-7,。,48,ppt课件,49,ppt课件,4.3,反渗透过程的膜与膜组件,膜和膜组件是完成反渗透过程的决定因素，为了使反渗透过程产量大、能耗低，则必须满足下列条件：,1.,膜应具有大的透水率，小的透盐率；,2.,膜必须尽量薄，且缺陷尽量少；,3.,水透过膜的阻力损失小；,4.,单位体积的膜组件提供较大的膜面积。,50,ppt课件,反渗透过程中使用的膜可以是非对称的、均质的，或者使用复合膜、动态形成膜,.,主要的膜材料是醋酸纤维素,(CA),、,芳香聚酰胺、高分子电解质等。,51,ppt课件,反渗透过程中使用的膜组件可以是板框式的、管式的、螺旋卷式的， 也可以是中空纤维式的。工业生产中主要使用后两种，但前两种也有各自的优点，仍在一定场合下使用。表,4-2,，,4-3,对以上四种分离器的优缺点及性能参数进行了对比。后两种膜组件,1988,年的销售额见表,4-4,，,但近年来， 中空纤维式反渗透分离器的增长速度最快。,52,ppt课件,表,4-2,各种反渗透膜组件优缺点的比较,类型,优点,缺点,使用状况,板框式,结构紧凑、简单、牢固、能承受高压；,可使用强度较高的平板膜；,性能稳定，工艺简便。,装置成本高，流动状态不良，浓差计划严重；,易堵塞，不易清洗，膜的堆积密度较小。,适于小容量规模；,已商业化。,管式,膜容易清洗和更换；,原水流动状态好，压力损失较小，耐较高压力；,能处理含有悬浮物的、黏度高的，或者能析出固体等易堵塞流水通道的溶液体系。,装置成本高；,管口密封较困难；,膜的堆积密度小。,适于中小容量规模；,已商业化。,53,ppt课件,螺旋卷式,膜堆积密度大，结构紧凑；,可使用强度好的平板膜；,价格低廉。,制作工艺和技术较复杂，密封较困难；,易堵塞，不易清洗；,不宜在高压下操作。,适于大容量规模；,已商业化。,中空纤维式,膜的堆积密度大；,不需外加支撑材料；,浓差极化可忽略；,价格低廉。,制作工艺和技术较复杂；,易堵塞，不易清洗；,适于大容量规模；,已商业化。,54,ppt课件,表,4-3,各种反渗透膜组件性能的比较,类型,膜堆积密度,(m,2,/m,3,),操作压力,(kg/cm,2,),透水率,(m,3,/(m,2,d),单位体积的透水量,(m,3,/(m,2,d),板框式,492,56,1.00,502,内压管式,328,56,1.00,335,外压管式,328,70,0.61,220,螺旋卷式,656,56,1.00,670,中空纤维式,9180,27,0.073,670,55,ppt课件,表,4-4,中空纤维式与螺旋卷式反渗透膜分离器的销售额,公司,国家,装置主要类型,88,年销售额（百万美元）,Do Pont,美,HF, SW,29,Dow/Filmtec,美,SW,26,Fluid Systems/Uop,美,SW,13,Hydranautics,/Nitto-Denko,美,/,日,SW,12,Toray,日,SW,12,Desalination Systems,美,SW,5,Millpore,美,SW,3,Osmonics,美,SW,3,Togobo,日,HF,4,HF,中空纤维式,SW,螺旋卷式,56,ppt课件,4.4,浓差,(,度,),极化,(Concentration Polarization),在反渗透过程中，由于膜优先选择透过溶剂，因此， 溶质则会在膜的高压侧积累，造成溶质由膜高压侧表面到原料主体溶液之间的浓度梯度，如图,4-8,所示，这种现象几乎存在于所有的膜分离过程中，叫做浓差极化或者浓度极化。,57,ppt课件,58,ppt课件,浓差极化现象对反渗透过程将产生一系列不利的影响,:,1.,加快了溶质透过膜的速度，即加大了透盐率，使产品水的质量下降；,2.,使膜高压侧表面的渗透压增加，减少了反渗透过程的推动力；,3.,易在高压侧膜表面形成沉淀；,4.,使实际的操作压力比计算的渗透压要高出几倍。,59,ppt课件,反渗透过程中产生浓差极化的根本原因是透水率,FW,大于透盐率,FS,，而且,FW,越大，,FS,越小，则浓差极化现象越严重。但在反渗透过程中，都希望,FW,大，,FS,小 ， 因此浓差极化无法从根本上避免，但可以改变操作条件（如,增加原料液的流速,、,适当提高操作温度,）加以控制。,60,ppt课件,增加原料液的流速,增加原料液的流速，可以使靠近高压侧膜表面的滞留层减薄，湍动程度加大，易使主体流同膜表面流体混合均匀，减少浓度差，这样可以使浓差极化减轻。原料液的浓度越大，浓差极化程度就越小，但是动力消耗随之增大，因此要考虑两者进行优化，选择一最佳的原料流速。另外还可以在原料液中加入小玻璃球，在原料液流道中增设挡板等方式，增加原料的湍动程度。,61,ppt课件,适当提高操作温度,适当提高操作温度，这样可增加溶质在溶液中的扩散系数，有利于膜高压侧表面上积累的溶质在浓度差的推动下，扩散回主体流中，减轻浓差极化。但操作温度的提高，同样可以提高溶质在膜中的扩散系数，会使透盐率,Fs,增大，使产品水质量下降，所以对于操作温度同样存在着一个最佳的选择。,62,ppt课件,4.5,膜的污染,由于原料液中的杂质的存在，使反渗透膜在操作一定时间后，膜表面被沉积的不溶物所覆盖，使膜的性能下降，这种现象叫做膜的污染。膜的污染与浓差极化对反渗透过程产生的效果，从表面上看是类似的，但存在着本质的不同，浓差极化并没有使膜遭到破坏，改变操作条件，消除浓差极化后，可是膜恢复到原来的性能；而膜的污染破坏了膜，使膜性能不能恢复到原来初始状态。,63,ppt课件,在反渗透的工厂中，膜的寿命主要由膜污染所决定，如果操作适当，减少污染就可以延长膜的寿命。有的醋酸纤维膜、聚酰亚胺复合膜，已在苦咸水（,blackish water,）淡化过程中使用了,12,年，性能仍无明显下降。,64,ppt课件,膜的污染是由于原料液处理不当造成的，主要有以下几种：,1.,最普通的膜污染是由于原料液中的悬浮颗粒造成的。如果在预处理过程中，原料水的悬浮颗粒没有被完全除去，经过一段时间的操作后，将在膜表面形成滤饼。,2.,膜的表面结垢。当,BaS,、,CaS,、,CaF,2,等被浓缩，形成饱和溶液时，它们将从溶液中析出、结垢，沉淀于膜的表面。因此，非常有必要对原料水进行分析，以确定正确的设计参数和操作参数。,65,ppt课件,3.,细菌污染。反渗透膜对微生物附着、形成生物膜非常敏感。研究表明在原料膜表面形成微生物膜后，会降低反渗透膜的流量、盐分离率和能量的利用率，如,图,4-9,，而且，细菌侵蚀膜的渗透通道，还会恶化水质。,4.,其它一些物质如金属氧化物、二氧化硅离子、有机物、淤泥等均可引起膜的污染。,66,ppt课件,67,ppt课件,膜的污染恶化了水的产量和水品水质，大大降低了膜的寿命，增加了膜的清洗维护费用，对反渗透过程极为不利。,要预防膜污染，就必须对原料水进行严格的预处理。,予处理的方法和步骤，要根据原料水的来源、膜材料的种类和膜组件的类型而定。一般包括凝胶、沉淀、过滤等方法除去悬浮物； 加入氯除去细菌；加入酸防止结垢。,68,ppt课件,原料水预处理的成本相当可观，大约占整个反渗透脱盐操作费用的,30%,。,只有进行严格的原料水预处理，并定期清洗膜， 才能保证膜有较高的透量，如果预处理不合适，即使频繁地清洗，仍会缩短膜的寿命，如图,4-10,。,69,ppt课件,70,ppt课件,一般来说出现下列情况就需要清洗,:,1.,透量减少,10%,以上；,2.,膜组件阻力降增大,15%,以上；,3.,透盐率明显增大；,4.,进料压力需增加,10%,以上；,5.,污染结垢。,71,ppt课件,清洗一般需要使用化学清洗剂，但是原料水成份复杂，污染中无机物与有机物共存,.,先用酸性清洗剂清洗无机盐类,碱性清洗剂清洗有机物。,化学清洗剂的选择还要考虑到温度，,PH,值，氧化条件及膜表面电荷等。,72,ppt课件,4.6,反渗透过程的基本流程,图,4-11,为典型的反渗透过程脱盐的流程图， 原料水在进入反渗透膜分离器前要经过一系列的预处理，通常需要加酸,(H2SO4),或碱,(NaOH,),调节,PH,值， 一方面防止发生沉淀，另一方面减少膜的水解。,73,ppt课件,图,4-11,典型的反渗透脱盐流程图,74,ppt课件,还要加适当的抗结垢剂，如六偏磷酸钠，防止结垢；还要让原料水经过,5,10m,的过滤器除去其中的悬浮颗粒和胶体。,经过一系列的预处理后，要保证进入反渗透器的原料水的淤塞指数,SDI( Silt Density Index),在,3-5,以下，才可能使膜污染较轻。,75,ppt课件,SDI,是水质标准之一，测定方法如下：在,30psig(2.1kg/cm2),的压力下， 使,500ml,的原料水，通过,0.45m,的微孔过滤膜,(,有效直径为,42.7mm,),，所需时间为,t1,，在加压渗透,15,分钟后，再测定,500ml,原料水通过的时间为,t2,，则,:,(4-13),76,ppt课件,在图,4-11,中的膜分离器，只用了一个膜分离器表示，但由于许多膜的盐截留率不够小，或者由于一个膜分离器操作所需的压力过高，一般在工业生产中， 要用一系列的分离器串联或并联操作。,77,ppt课件,选用反渗透膜分离器的排列组合形式， 要根据膜的性能而定，不同的研究结果稍有不同，如,图,4-12,，给出单级分离器操作的范围。另外，分离器的排列形式还同分离要求有关，比如是用于脱盐获得淡水，还是对溶质进行浓缩。下面简要介绍几种基本组合形式。,78,ppt课件,79,ppt课件,反渗透膜分离器的组合方式有一级和多级之分。所谓一级就是进料液经过一次加压，经过反渗透分离器，在一级中又有一段和多段之分，在一级组合中，进料液只经过一个分离器，称为一段；若进料液经过一个分离器， 被浓缩的料液紧接着又进入第二个或更多个分离器，则称为多段，即一级多段。,80,ppt课件,所谓多级是指料液经过第一级分离器后，被淡化的水经过加压后，作为原料液进入下一级分离器，多级也有一段和多段之分。另外，根据有无物流的循环，分离器的组合流程又分循环式和连续式。,81,ppt课件,一级一段连续式,一级一段循环式,一级多段连续式,一级多段循环式,多级流程,82,ppt课件,一级一段连续式,这种方式要求膜的溶质截留率高，操作压力大，否则，水的回收率不高，在工业生产中较少采用。,83,ppt课件,一级一段循环式,为了提高水的回收率，将部分浓缩液返回进料， 再次经过膜分离器分离，这种流程由于进料液溶质浓度提高，所以透过的水质有所下降。,84,ppt课件,一级多段连续式,如图,4-14,所示，这种流程可以得到较高的水回收率，较高浓度的浓缩液， 但流动压力损失较大，有时需要高压泵。考虑到各段的料液量依次减小，为了保证原料液流经膜表面有足够大的速度，减少浓差极化，多采用,4-14(b),所示的一级多段连续式的锥形排列。,85,ppt课件,图,4-14,一级多段连续式流程,86,ppt课件,一级多段循环式,这种流程能获得较高浓度的浓缩液，更适于以浓缩为目的分离过程。,87,ppt课件,多级流程,多级流程亦有连续式与循环式之分， 这一类流程既可提高水的回收率又可提高淡化水的质量，而且可降低操作压力，降低对膜的脱盐性能的要求， 在实际应用中有较高的价值，但是该类流程增大了能量消耗及泵的设备投资。图,4-16 (a)(b,),分别为二级和多级反渗透流程。,88,ppt课件,89,ppt课件,4.7,反渗透过程的应用及经济性,在反渗透分离过程中，由于没有相变，不需要象在蒸发、冷冻分离过程中那样，为相变提供潜热，通常反渗透分离单位产品所需的能量最低， 另外反渗透过程还具有操作简单、灵活等优点，已从苦咸水淡化应用，逐渐扩大到食品、医药、化工、环保、电子工业等方面的分离、精制、浓缩应用中。一些主要的应用归纳于表,4-5,中。,90,ppt课件,表,4-5,反渗透过程的主要应用,状态,工业,应用,成熟阶段,脱盐,超纯水,饮料水的生产，海水苦咸淡化，城市废水再生,半导体制造，制药、医疗用水,成长阶段,公用事业和发电民用,锅炉用水，冷却塔循环水,家庭用水,初始阶段,化学工业,工艺水生产和再利用，废水处理和再利用，水与有机液体的分离，有机液体混合物分离,金属和金属加工食品工业,采矿废水处理，渡液冲洗水的再利用和金属回收制酪业，糖业浓缩，果汁、饮料生产过程，酒和啤酒的生产，废水处理,纺织业,生物技术和制药,分析,印染化学物资的回收和水的再利用,发酵产品的回收和净化,溶质和颗粒的离析、浓缩和鉴定,91,ppt课件,在相当的一段时间内，反渗透过程的应用还将继续增长，基于,1988,年全世界范围内的反渗透过程膜产品销售额，估计出,1998,年的销售额如图,4-17,所示。,92,ppt课件,93,ppt课件,反渗透过程的主要应用,咸水脱盐淡化,超纯水的制备,反渗透过程在食品工业中的应用,反渗透过程用于处理工业废水,94,ppt课件,4.7.1,咸水脱盐淡化,咸水脱盐淡化是反渗透过程最主要的应用，约占反渗透总销售额的,50%,。,在美国约有,750,个咸水脱盐淡化工厂，总生产能力为,200million gallons/,天，其中,75%,以上是以工业应用为目的，而家庭、军事、船舶、石油平台等应用相对量较小。全世界范围内，至,1988,年止，咸水脱盐淡化工厂已超过,6,，,235,个，每天淡水的总产量在,3.2109gallons,左右，图,4-18,给出了各种脱盐方法所占比例、分布和原料水的来源。,95,ppt课件,96,ppt课件,咸水的来源主要是海水和苦咸水，通常海水的总溶解固体含量,TDS( Total Dissolved Solid),约为,35,，,000ppm,，而苦咸水来源较复杂，可以是地表水，也可以是地下水，没有严格的定义，通常把,TDS,大于,1,，,000ppm,的水称为苦咸水，也有把含氧化物大于,800ppm,或硫酸盐大于,400ppm,的水称为苦咸水。一般饮用水的,TDS,要小于,500ppm,。,97,ppt课件,从咸水中脱盐制淡水主要有四种方法，精馏、反渗透、电渗析和离子交换。精馏又包括多效蒸发、多级闪蒸和太阳能等方式。究竟选用什么技术脱盐最有利，需要考虑许多因素，如原料水的水质，产品水所需的质量，预处理所需的水平，所需能量，生产规模，废弃物处理等。表,4-6,给出了各种脱盐方法所适宜处理的原料水的范围。,98,ppt课件,表,4-6,各种脱盐方法所适宜处理原料水的范围,技术,苦咸水,海水,更高浓度盐水,3000ppm,300010000ppm,3500ppm,精馏,次选,次选,首选,首选,电渗析,首选,次选,技术可行不经济,不可行,反渗析,首选,首选,首选,次选,离子交换,首选,不可行,不可行,不可行,99,ppt课件,100,ppt课件,表,4-7,几种脱盐方法的能耗比较,方法与处理对象,精馏,电渗析苦咸水,反渗透,海水,苦咸水,(2.76Mpa),苦咸水,(1.38Mpa),能耗,(kwh/m,3,),56,4,7,2,0.81.5,101,ppt课件,表,4-8,不同脱盐技术的比较,TDS,技术,苦咸水,海水,更高浓度盐水,3000ppm,300010000ppm,3500ppm,精馏,次选,次选,首选,首选,电渗析,首选,次选,技术可行不经济,不可行,反渗析,首选,首选,首选,次选,离子交换,首选,不可行,不可行,不可行,102,ppt课件,103,ppt课件,图,4-20,是日本鹿岛钢厂的大型苦咸水脱盐系统流程图，产水量,13900t/d,，由于原料水是地表水，水的含盐量高，有机物、微生物、藻类繁多， 同时受海水倒灌的影响，水中,Cl,-,含量也很高，因此在流程的第一部分为一系列的前处理，包括用次氯酸钠杀菌，用聚合氯化铝,(PAC),凝聚沉降分离、过滤，用,H,2,SO,4,调节,PH,值 等，进入反渗透膜组件前的原料水的,SDI,要小于,2,。,104,ppt课件,流程的第二部分为反渗透系统，使用一级三段的膜组件排列方式，膜组件为醋酸纤维素膜的螺旋卷式膜分离器，操作压力为,30kg/cm,2,，水的平均回收率大于,84%,，,盐截留率约为,95%,。,流程的最后一部分为后处理系统，包括将反渗透的酸性脱盐水在脱气塔内除,CO,2,气体 ，以活性碳除残余的氯。其水质分析结果见,表,4-8,。,105,ppt课件,4.7.2,超纯水的制备,随着电子工业，特别是集成电路的迅速发展，对水质提出了超纯化的要求。电子工业用的超纯水，可采用化学凝集、过滤、离子交换、反渗透等制备。,106,ppt课件,现在最常用的流程是使用反渗透做为离子交换的预脱盐手段，可减少,90%,以上的离子交换树脂的负荷，减少再生成本，可使总成本节约,20,50%,，,美国,90%,的电子工 业采用这种联合流程。采用,ROGA-4000,，,4100,，,在,42-46kg/cm,2,的操作压力下， 回收率,73,75%,，,脱盐率为,96.7%,，,运行结果如表,4-9,所示。,107,ppt课件,4.7.3,反渗透过程在食品工业中的应用,由于反渗透过程是在室温加压的条件下操作， 可以避免食品在其它的分离过程中那样受热或减压，使食品中部分营养成份分解或使香味挥发，因此反渗透用于食品工业有很大的发展前途，可用来浓缩甘蔗汁、甜菜汁、果汁、 脱脂牛奶等。各种方法用于食品浓缩的价格比较见表,4-10,。,108,ppt课件,表,4-10,各种分离方法用于食品浓缩时的价格比较,脱水方法,美元,/m,3,脱水方法,美元,/m,3,反渗透与超滤,0.053-1.321,电渗析,0.053-1.32,真空蒸发,0.106-3.96,喷雾干燥,13.21,冷冻干燥,0.53-7.93,渗析,169.1-264.2,冷冻浓缩,0.12-11.9,选择沉淀,1.321,离心分离,0.08-2.64,转鼓干燥,6.60,胶体过滤,5.28-26.4,109,ppt课件,4.7.4,反渗透过程用于处理工业废水,反渗透过程用于处理工业废水有两方面的意义， 一方面回收废水中有价值的成分，如电镀废水中的,Ag,，,Cd,，,Nr,，,Cr,等贵重金属； 另一方面减少废水对环境的污染。尤其当废水浓度小于,10%,时，反渗透过程较其它过程更有经济价值。表,4-11,为反渗透过程用于工业废水回收有价值物质的经济效益。,110,ppt课件,表,4-11,反渗透过程处理工业废水的经济效益,废水,年回收废水量,回收物质,回收价格,(,美分,/kg),回收物出卖价格,(,美分,/kg),干酪工业,乳清,9.98,10,12,kg,干烧乳清,22.1,55.1,纸浆工业,1.89,10,8,m,3,木质磺酸糖，树脂酵酶，香草醛,11-22.1,17.6-55.1,金属酸浸液,3.79,10,9,m,3,硫酸，铁粉末,0.92,美分,/L,酸,35,美元,/,吨,铁,20,美元,/,吨,电镀表面处理工业,3.79,10,8,m,3,Cr,Ni,Cd,Ag,88.2-132.3,原子能工业,3.79,10,7,m,3,放射性物质硼酸,44.1,有机合成工业,1.06,10,12,m,3,乙酸纤维，酚，钠，甲酸酯，过氧化苯甲酰,22.1-33.1,66.2-220.5,酸性矿山废水,7.57,10,9,m,3,硫酸亚铁，硫酸,酸,35,美元,/,吨,铁,20,美元,/,吨,111,ppt课件,以处理电镀废水为例， 由于反渗透膜对于高价重金属离子具有良好的去除效果，电镀废液中的重金属几乎可以全部回收利用，其流程如图,4-21,所示。,112,ppt课件,113,ppt课件,反渗透膜对阴阳离子的拦截顺序一般为,:,Al,3+,Fe,3+,Mg,2+,Ca,2+,Na,+,NH,4,+,K,+,SO,4,2-,CO,3,2-,Cl,-,PO,4,3-,F,-,CN,-,NO,3,-,B,4,O,7,2-,114,ppt课件,4.8,反渗透过程的研究方向,反渗透过程是已较成熟的膜分离过程，因此，对它的研究已进入淡季， 如,图,4-22,，而且现在的研究更偏重于应用研究，归纳起来可以有以下几个方面,:,1.,研制超薄复合膜，以增大,Fw,，减少反渗透的能量消耗， 实现海水脱盐的单级分离，提高反渗透过程的竞争力。,2.,提高膜的耐氧化能力和耐温能力。现在的一些膜，在超过,40,o,C,，存在氯气、双氧水等氧化剂的条件下，无法使用，这影响了反渗透过程的应用范围。,115,ppt课件,3.,研究细菌在膜表面的附着机理，以优化选择膜材料和膜结构。,4.,螺旋卷式膜组件流动空间的改进， 以使浓差极化和膜污染减小到最低程度。,5.,对原料液的预处理和膜污染的清洗进行研究，以延长膜的寿命、 降低成本。,116,ppt课件,