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反渗透的应用现状及发展前景
引言
随着水资源危机的加剧和水环境质量的不断恶化,水资源已演变成备受全世界关注的环境问题。对工业和生活废水进行处理从而转化成可饮用水已经成为解决水资源危机的一条重要途径。目前世界上******的水处理技术是薄膜反渗透(RO)过滤[1]。反渗透过滤工艺由于不发生相变化和不需要酸碱再生,在能源紧张的今天具有非常重要的意义;并且,反渗透工艺生产过程中不使用酸、碱等对环境***物。因此,在环境污染日益严重和人们的环保意识日益增强的今天,反渗透过滤工艺有着广阔的应用前景。
1 反渗透的发展简介
我国的反渗透研究始于1965年,而1967年开始的***海水淡化***则为CA不对称反渗透膜的开发打下了良好的基础[2]。因此我国对反渗透的开发与国外起步时间相差不大。但事实上由于原材料及基础工业条件限制,生产的膜元件性能偏低,生产成本高,还没有形成规模化生产。而对超滤的研究探索则开始于70年代初。近年来反渗透技术在我国已得到广泛应用。反渗透技术***初只用于海水淡化,后来逐步扩大到苦咸水淡化、食品加工、医药卫生、饮料净化、超纯水制备等方面,产生了很高的经济效益。
2 反渗透原理[3]
对透过的物质具有选择性的薄膜称为半透膜,一般将只能透过溶剂而不能透过溶质的薄膜称之为理想的半透膜,当把相同体积的稀溶液(例如淡水)和浓溶液(例如盐水)分别置于半透膜的两侧时,稀溶液中的溶剂将自发地透过半透膜向浓溶液一侧流动,这一现象称为渗透。图1是渗透膜的选择性示意图。
当渗透过程达到平衡时,浓溶液侧的液面会比稀溶液的液面高出一定高度,即形成一个压差,称为渗透压。渗透压的大小取决于溶液的固有性质,即与溶液的种类、浓度和温度有关而与半透膜的性质无关。若在浓溶液一侧施加一个大于渗透压的压力,溶剂的流动方向将与原来的渗透方向相反,开始从浓溶液向稀溶液一侧流动,这一现象称为反渗透(见图2)。图1渗透示意图反渗透装置就是利上述这一原理。
图1 渗透膜的选择性示意图
图2 反渗透示意
利用高压泵将待处理水增压后,借助半透膜的选择截留作用来除去水中的无机离子,由于反渗透膜在高压情况下,只允许水分子通过,而不允许钾、钠、钙、锌、病毒、***通过,所以它能获得高质量的纯水。
为了避免膜的淤塞,必须经常冲洗盐水侧。当水渗透通过膜后,大部分的盐被留在盐水侧,因此盐水侧的溶液浓度变得越来越高。如果不把废弃溶液排掉,盐水侧的矿物质浓度***终会超出溶质的溶解度范围,会析出而在膜上形成水垢。为了避免盐水侧的浓度过高,在低压系统中,回收的渗透物的体积一般保持在给水体积的1%~30%。比如说,每输入5 L的水可回收1 L的渗透物,这时的膜就是以20%的回收率运行。
反渗透系统中的半透膜[4]:RO系统中所用的半透膜是由密度不均匀的薄层浇铸而成的聚合体。也就是说,它们有一层极薄的(大约是1英寸的百万分之几)、高密度的阻碍层,底下为多孔性的大约有千分之几英寸厚的支撑层。图3表示了膜的横截面的密度差异。
图3 半透膜的横截面
现在已经设计出了各具优点的不同结构的膜,***普遍的膜结构是螺旋形绕制的[5]。这种膜结构是将膜沿管绕制而成,在膜的两半部分之间还安置了筛网。膜被黏贴在管上,膜间还放置了一个间隔筛网,并在三个开口边予以黏合,***后整张膜被紧紧地缠绕在产品管上。模块的这种结构比管状结构能够提供更多的接触面积。然而,由于给水必须沿间隔筛网所形成的渠道流动,尘粒很容易被俘获,因此,一般推荐使用5μm的预过滤器。
与传统的水处理方法相比,反渗透技术有以下特点: ⑴在常温条件下,采用无相变的物理变化对溶质和水进行分离; ⑵杂质去除范围广,不仅可以去除溶解的无机盐类,而且还可以去除各类杂质; ⑶较高的除盐率和水的回用率,可截留粒径几个纳米以上的溶质; ⑷设备紧凑,占地面积少,自动化程度高,操作简单,运行费用也低; ⑸不用大量的化学药剂和酸、碱再生处理,化学废液及废酸、碱的排放量大大减少,环境效益及社会效益好[6,7,8]。
3 RO/LX除盐系统介绍[9]
反渗透技术的特点:在外加压力的作用下,使水溶液中的某些成分选择性地通过,从而达到淡化、净化或浓缩分离的目的。生水水质远远不能满足原有的二级离子除盐工艺的进水要求。离子交换树脂发生污染和降解,多次出现再生不合格的现象,除盐设备出力大大降低,周期制水量明显减少,酸碱耗量急剧增加,环境污染加重,并且不能保证供给足够合格的除盐水。因此增加了反预渗透预除盐,采用RO/LX除盐方式。RO/LX除盐系统介绍水处理除盐系统改造为:在原有的生水加热器和二级离子除盐系统增加反渗透系统。生水加热器反渗透处理技术的核心是膜质量和预处理水平。
与传统的离子除盐的水处理技术相比,具有如下的特点:分离过程中不用加热,无相变化,能耗少;设备紧凑,占地少;操作简单,适用性强,易于实现自动化,提高劳动生产率;出水水质稳定合格;耗酸碱量降低,废水排放量少,大大减少了环境污染;RO/LX系统与LX系统经济效益比较[10]而言,增理不但使水质大大改善,而且经济效益也十分明显。
4 反渗透膜的应用[11]
(1)用于海水、苦碱水淡化[12]
反渗透膜分离技术已被广泛应用于海水淡化。在全世界海水淡化装置中约
有30%用反渗透方式来实现，用反渗透膜可脱去海水中99%以上的盐离子。我国早在1968年起就在山东潮连岛试用反渗透膜分离技术从海水制取饮用水。在示范工程的引导下，我国已建成百吨级以上反渗透海水淡化工程十余个，合计日产水为近30kt。
(2)用于处理***废水
对于处理***废水，国内外均进行了广泛的研究。从20世纪70年***始，反渗透已用于处理电镀废水，在具体工程中，反渗透法已大规模用于镀锌、镍、铬漂洗水和混合***废水的处理。目前，我国约有100套反渗透装置应于电镀废水的治理，组件多采用内压管式或卷式。据报道，用反渗透处理铜***电镀漂洗水已获成功，截留率在99%以上。工业规模的反渗透系统被某厂用来处理磷酸锌电镀废水，可使90%的废水得到回用。研究表明，反渗透法还可用于处理镀银漂洗水。
(3)用于纯水、超纯水制备[13]
大庆宏伟热电厂化学二分厂在锅炉补给水处理系统的离子交换前，增加反渗透除盐装置，出水水质稳定，达到了设计标准，运行费用每年节省1135.47万元。包钢薄板厂新水处理站采用反渗透技术处理黄河原水，经过近一年的运行证明，工艺可行，效果理想，经过反渗透处理后的出水水质可达到脱盐水的水质要求。
(4)用于食品、饮料制造[14]
一般反渗透膜耐热性为40°左右，不适宜用NTR-759 729HG于热水杀菌等工艺用途。NTR-759、729HG 等新开发的膜可用于90°下加热杀菌，可在下60°下连续使用，因而可用于食品制造中的浓缩、分离等。用管式反渗透法浓缩脱脂奶，可将固形物含量从原来8.5提高到27%，固形物透过率只有0.15%-0.2%，该技术在国外已得到成功应用。
5 环境等其他效益[15,16]
增加反渗透装置每年可少耗大量的酸和碱,大大减少了酸碱对环境的污染,能取得很明显的环境效益。环保要求中和池的废水必须中和合格后排放。设计上采用加酸和加减中和及压缩空气搅拌的工艺,调整pH的工作量大。增加反渗透后再生的次数大大减少,酸碱排放量也大大减少,中和池的中和和排放次数相应减少,因此大大减轻运行人员的劳动强度,提高劳动效率。反渗透膜技术在制药行业的应用:为了适应制***水越来越高的要求而被广泛应用,它与传统的制水工艺相比具有显著的经济效益和社会效益。随着医药行业的发展,制***水的水质要求也在逐步提高,传统的制水工艺如离子交换法已远远不能满足其要求,为了适应这一发展的需要,***、有效的水质净化技术———反渗透膜技术广泛应用在制药行业水处理系统中。
6 应用研究前景及结语[17]
反渗透膜分离技术是20世纪60年***展起来的一门新的膜分离技术,作为分离领域的一个分支,具有广阔的发展前景。由于其优良的分离性能,它的应用领域将越来越广泛。今后反渗透的主要发展方向:①开发***化性、抗酸碱性以及高透水性的新型膜材料。②开发具有低能耗、抗污染、耐高温、高压和特种分离等性能的反渗透膜组件。③反渗透膜组件与超滤、微滤、纳滤、EDI等膜组件的组合应用。④新型气体膜分离材料的研制[11]。另外,***应用于航天工业的高技术RO系统已经显示出其强大的商业价值和市场前景。由于反渗透工艺对水中的无机盐、有机盐、微生物、热源、胶体等具有良好的去除效果,因此发展与推广很快,目前已经广泛应用于饮料、食品、医药、化工、电子等领域[18]。有资料预测反渗透工艺将取代其它工艺成为适用于任何水源的***水处理方案。在水资源普遍匮乏的今天,对工业企业而言,如何提高水利用率以及降低水处理成本将是关系到企业以及社会利益的大问题,而新的水处理方法也在不断地发展和成熟。膜分离技术作为一种新兴的单元工艺,在水处理中所起的作用将会越来越重要。在水处理中运用膜分离技术,可以避免离子交换法经常出现的诸如:由水质恶化引起的离子交换树脂污染、穿透、再生周期缩短,出水水质恶化、用药量增多等问题,同时降低了运行成本以及水处理成本,切实解决了目前所面临的很多问题。
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