文档介绍：第三章反渗透
反渗透
(1)反渗透的基本原理
反渗透RO(Reverse Osmosis)是借助于半透膜对溶液中低分子量溶质的截留作用,以高于溶液渗透压的压差为推动力,使溶剂渗透通过半透膜。反渗透源于美国二十世纪六十年代宇航科技的研究。当纯水和盐水被理想半透膜隔开,理想半透膜只允许水通过而阻止盐通过,此时膜纯水侧的水会自发地通过半透膜流入盐水一侧,这种现象称为渗透,若在膜的盐水侧施加压力,那么水的自发流动将受到抑制而减慢,当施加的压力达到某一数值时,水通过膜的净流量等于零,这个压力称为渗透压力,当施加在膜盐水侧的压力大于渗透压力时,水的流向就会逆转,此时,盐水中的水将流入纯水侧,上述现象就是水的反渗透(RO)处理的基本原理。
若在溶液侧加大压力, Δp>Δπ则溶剂在膜内的传递现象将发生逆转,即溶剂将从溶液侧透过膜向溶剂侧流动,使溶液增浓,这就是反渗透现象,如图(c)所示。
反渗透常用致密膜、非对称膜和复合膜。反渗透不能达到溶剂和溶质的完全分离,所以反渗透的产品一个是几乎纯溶剂的透过液,另一个是原料的浓缩液。
总之,反渗透过程必须满足两个条件:
①有一种选择性高的透过膜;
②操作压力必须高于溶液的渗透压。在实际反渗透过程中膜两边的静压差还必须克服透过膜的阻力。
反渗透是利用反渗透膜选择性地只透过溶剂(通常是水)的性质,对溶液施加压力克服溶剂的渗透压,使溶剂从溶液中分离出来的单元操作。反渗透属于以压力差为推动力的膜分离技术,~,截留组分为(1~10)×10-10m的小分子物质。目前,随着超低压反渗透膜的开发,已可在小于1MPa的压力下进行部分脱盐、水的软化和选择性分离等,反渗透的应用领域已从早期的海水脱盐和苦咸水淡化发展到化工、食品、制药、造纸等各个工业部门。
(2)影响反渗透因素——浓差极化
由于膜的选择透过性因素,在反渗透过程中,溶剂从高压侧透过膜到低压侧,大部分溶质被截留,溶质在膜表面附近积累,造成由膜表面到溶液主体之间的具有浓度梯度的边界层,它将引起溶质从膜表面通过边界层向溶液主体扩散,这种现象称为浓差极化。
根据反渗透基本方程式可分析出浓差极化对反渗透过程产生下列不良影响:
①由于浓差极化,膜表面处溶质浓度升高,使溶液的渗透压Δπ升高,当操作压差ΔP一定时,反渗透过程的有效推动力(ΔP - Δπ)下降,导致溶剂的渗透通量下降;
②由于浓差极化,膜表面处溶质的浓度CA1升高,使溶质通过膜孔的传质推动力(CA1-CA2)增大,溶质的渗透通量升高,截留率降低,这说明浓差极化现象的存在对溶剂渗透通量的增加提出了限制;
③膜表面处溶质的浓度高于溶解度时,在膜表面上将形成沉淀,会堵塞膜孔并减少溶剂的渗透通量;
④会导致膜分离性能的改变;
⑤出现膜污染,膜污染严重时,几乎等于在膜表面又可形成一层二次薄膜,会导致反渗透膜透过性能的大幅度下降,甚至完全消失。
减轻浓差极化的有效途径是提高传质系数,采取的措施有;提高料液流速、增强料液湍动程度、提高操作温度、对膜面进行定期清洗和采用性能好的膜材料等。
(3)、反渗透过程工艺流程
在实际生产中,可以通过膜组件的不同配置方式来满足对溶液分离的不同质量要求。而且膜组件的合理排列组合对膜组件的使用寿命也有很大影响。如果排列组合不合理,则将造成某一段内的膜组件的溶剂通量过大或过小,不能充分发挥作用,或使膜组件污染速度加快,膜组件频繁清洗和更换,造成经济损失。
根据料液的情况、分离要求以及所有膜器一次分离的分离效率高低等的不同,反渗透过程可以采用不同工艺过程,下面简要介绍几种常见的工艺流程。
①一级一段连续式料液一次通过膜组件即为浓缩液而排出。这种方式透过液的回收率不高,在工业中较少采用。
②一级一段循环式为了提高透过液的回收率,将部分浓缩液返回进料贮槽与原有的进料液混合后,再次通过膜组件进行分离。这种方式可提高透过液的回收率,但因为浓缩液中溶质的浓度比原料液要高,使透过液的质量有所下降。
③一级多段连续式将第一段的浓缩液作为第二段的进料液,再把第二段的浓缩液作为下一段的进料液,而各段的透过液连续排出。这种方式的透过液回收率高,浓缩液的量较少,但其溶质浓度较高。
在反渗透的应用过程中还采用多级多段连续式和循环式工艺流程,操作方法与上述三种工艺流程相似。
(4)反渗透技术的应用
反渗透技术的大规模应用主要在海水和苦咸水的淡化,此外还应用于纯水制备、生活用水处理以及乳品、果汁的浓缩、生化和生物制剂的分离和浓缩等。
①海水淡化
水是人类赖以生存的不可缺少的重要资源。然而地球上水大约97%是不能直接饮用的海水,只有3%是能够直接饮用的淡水,其中70%是被南极、北极的冰河和万年雪山所固定,而且随着工农业生产的迅速发展,淡