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膜行业动态

膜分离技术的除盐处理

1、什么是膜分离?膜分离过程的推动力是什么?

没有经过处理的水实际上是混合物,混合物之所以能被分离,是由于它们之间的物理或化学性质有所差异。我们就是利用这些差异将其分开的。性质完全相同的物质称为元素和化合物,元素和化合物是不能被分离的。性质愈相近,分离就愈困难,反之亦然。膜分离是利用一张特殊制造的、具有选择透过性能的薄膜,在外力推动下对混合物进行分离、提纯、浓缩的一种分离新方法。这种薄膜必须具有使用的物质可以通过、有的物质不能通过的特性。膜可以是固相、液相或气相。目前使用的分离膜绝大多数是固相膜。

物质透过分离膜的能力可以分为两类:一种借助外界能量,物质发生由低位向高位的流动;另一种是以化学位差为推动力,物质发生由高位向低位的流动。下表列出一些主要膜分离赛程的推动力。


主要膜分离过程的推动力


2、膜分离的基本原理是什么?机理如何?

由于分离膜具有选择透过的特性,所以它可以使混合物质有的通过、有的留下。分离膜之所以能使混在一起的物质分开,基于两个方面的原理:

(1)根据它们物理性质的不同--主要是质量、体积大小和几何形态差异,用过筛的办法将其分离。

(2)根据混合物的不同化学性质。物质通过分离膜的速度取决于以下两个步骤的速度:首先是从膜表面接触的混合物中进入膜内的速度(称溶解速度);其次是进入膜内后从膜的表面扩散到膜的另一表面的速度。二者之和为总速度。总速度愈大,透过膜所需的时间愈短;总速度愈小,透过时间愈长。溶解速度完全取决于被分离物与膜材料之间化学性质的差异;扩散速度除化学性质外还与物质的相对分子质量有关。混合物中各物质透过的总速度相差愈大,则分离效率愈高;若总速度相等,则无分离效率可言。

但是,由于膜分离的过程不同,它们的分离机理也不完全相同。


3、膜分离技术有些什么特点?


膜分离技术与蒸馏、吸附、萃取等传统的分离技术相比具有以下特点。

(1)膜分离是一个高效的分离过程。例如以重力为基础的分离技术最小极限颗粒是微米(μm),而膜分离可以做到将颗粒大小为纳米(nm)的物质进行分离。

(2)膜分离过程的能耗比较低。大多数膜分离过程都不发生“相”的变化,而“相”变化的潜热是很大的,所以能耗低。以海水淡化为例,膜技术反渗透比其他分离方法能耗低,见下表:


几种方法淡化海水能耗比较


(3)多数膜分离过程的工作温度与室温接近。因此,特别适用于对热过敏物质的处理。如用膜分离处理的水可以在室温或更低温下进行,确保不发生局部过热现象,大大提高了药品使用的安全性。

(4)膜分离设备本身没有运动的部件,工作温度又在室温附近,所以维护工作量减少,操作简便,开、停车方便。

(5)膜分离过程的规模和处理能力可以在很大范围内变化,而它的效率、设备单价、运行费用等都变化不大。

(6)膜分离由于分离效率高,通常设备的体积比较小,占地较少。

(7)膜分离不同于水的澄清和除盐过程,不需要消耗大量的混凝剂和酸、碱等化学药品,所以不致造成对环境的危害。


4、工业水处理使用的膜有哪些类型?

工业水处理采用的膜分离技术主要有反渗透(RO),超过滤(UF)和电渗析(ED)三种。以反渗透的应用最为广泛。但近年来,纳滤(NF)和不同一般微滤(MF)技术也开始应用于水处理的各个领域。


反渗透膜主要有纤维素和非纤维素两类。其中纤维素膜有醋酸纤维素、三醋酸纤维素等;非纤维素膜主要是芳香族聚酰胺膜。反渗透使用的都为半透膜,只对水具有选择性的高度渗透性,而对水中大部分溶质的渗透性很低。反渗透膜在使用时要制成组件式装置,其型式有涡卷式、管式、板框式,中空纤维式和条束式等。膜厚为几个μm至0.1mm左右。


 超滤膜与反渗透膜都是不具备离子交换性质的中性膜,属于压力推动的滤膜。两膜基本相似,主要有醋酸纤维素和非纤维素聚合物膜,组件装置可以做成涡卷式、管式和板式等。


超滤膜和反渗透膜中的纤维素膜有:①超薄式膜:非对称性构造的醋酸纤维素膜,如0.06-0.3μm二乙酰纤维素膜;②复合膜:如硝酸纤维素和醋酸纤维素复合为0.1μm三乙酰纤维素膜;③混合膜:将二乙酰和三乙酰纤维素混合制膜;④中空纤维膜:做成内径24-30μm,外径45-65μm的中空纤维管式。


超滤膜和反渗透膜中的非纤维素膜有:①芳香族聚酰胺中空纤维素膜(最初是以尼龙66作纤维素,后改为芳香族酰胺);②带电膜,如磺化2,6-二甲基次苯基醚离子膜;③聚咪唑并吡喃酮膜;④聚间二氮茚膜;⑤玻璃膜,如Na2O?B2O3?SiO2制成中空纤维膜;⑥动态膜。


电渗析膜是离子交换膜,为电力推动式滤膜。主要有异相膜、均相膜和半均相膜三种类型。电渗析的组件装置有压滤式和水槽式两类。其中压滤式又有垂直型和水平型两种。


纳滤膜(NF)介于反渗透膜和超滤膜之间,是近十多年发展较快的膜品种,在水的软化、不同价阴离子分离等方面有特优点而广泛应用。


徴滤(MF)又称为精过滤,其基本原理属于筛网状过滤,在静压差作用下,小于膜孔的粒子通过滤膜,大于膜孔的粒子则被截留在膜面上,使大小不同的组分得以分离。


5、如何处理电渗析器的常见故障?


电渗析器在实际运行中常见的故障原因及其处理方法如下。


(1)电渗析器的水压高、出水量低或水流不畅

故障的原因可能是:①开车前管路未冲洗干净,致使杂质堵塞水流通道;②在组装时,隔板和膜的进出水孔未对准,或是部分隔板框网收缩变形,或是隔板框和隔网厚度配合不适当;③级段间的水流倒向时,进出水孔错位。

上述故障的处理方法是:①拆开电渗析器清除出水孔、布水槽等处杂物,然后重新组装,或在进水管道加设过滤器;②变形的隔板要调换。对隔板加工要注意厚度均匀,与框网厚度的配合要良好;③对进出水孔错位,要仔细检查并重新组装测试。


(2)电渗析器的除盐效果差、电流偏低

故障原因是:①部分阴、阳膜可能装错;或是部分浓、淡室隔板装错,以及膜破裂;②电路系统接触不良,树脂膜受到污染,性能变坏。

处理方法是:①重新组装,并去除已损坏的隔板或膜;②检查电路,使接触良好。定期用酸、碱液对树脂膜进行复苏处理。


(3)电渗析器电流不稳、出水流量不稳及压力表抖动等

故障原因是:①电渗析器内的空气未排尽,或水泵吸口管路漏气使水带气;②流量计及压力表离泵出口太近,受水泵冲击而抖动,或是系统阻力太大。

处理方法是:①设法使装置内部空气排尽,修好系统漏气处;②改装流量计和压力表的位置,并尽力减少系统阻力。


(4)电渗析器的出水水质下降,或是某一段水质特别差

原因是:①原水预处理效果差,膜堆和极室沉淀结垢严重;②某段的树脂膜破裂,或是浓、淡室间泄漏。

处理方法是:①改进预处理。重新拆开电渗析器,清洗膜、隔板和极框;②拆开电渗析器检查,调换隔板和膜。


(5)淡室水质突然下降,电耗增加,转子流量计上有黄褐色铁锈

原因是:①个别膜破裂(尤其是靠近极室的膜),电极腐蚀断裂,电极接线柱松动;②原水含铁量较多,或管网有腐蚀,铁溶入水中。

处理方法是:①及时调换破膜或断极,电极的接触始终要良好;②加强原水预处理。管路尽量不使用铁管,而要有防腐措施,开车时管网存水要排放干净,受铁污染处要及时清洗。


(6)电渗析器本体漏或变形

原因是:①组装时螺杆未拧紧;②隔板边框夹有杂物和隔板破裂,或是隔板和膜厚薄不均匀;③开车时速度过快,电渗析器骤然升压,使隔板受冲击而变形,或停车过速,使失压过快,膜堆也会变形。

处理方法是:①检查和拧紧螺杆;清除边框杂物或调换破裂隔板,在漏水处垫以石棉绳或塑料薄片后重新拧紧;②开车时要缓慢,随时监视压力表及流量计小心调节,停车时也不可过速,并及时打开放空气阀门,不使电渗析器本体受负压。


6、反渗透膜的分离机理是什么?

反渗透膜是属于一种压力推动的膜滤方法,所用的膜不具离子交换性质,可以称为中性膜。反渗透用半透膜为滤膜,必须在克服膜两边的渗透压下操作,过去使用醋酸纤维素膜时的操作压力为5-6MPa(50-60atm),现今所用的聚酰胺复合膜的操作压力为1.5MPa(15atm)左右。

半透膜是指只能通过溶液中某种组分的膜。对水处理所用的半透膜要求只能通过水分子。当然,这种对水的透过选择性并不排斥少量的其他离子或小分子也能透过膜。

对膜的半透性机理有以下各种解释,但都不能解释全部渗透现象。

一种解释认为这是筛除作用。即膜孔介于水分子与溶质分子之间,因此水能透过,而溶质不能透过。但这不能解释和水分子的大小基本一样盐分离子不能透过的原因。

第二种解释是认为反渗透膜是亲水性的高聚物,膜壁上吸附了水分子,堵塞了溶质分子的通道,水中的无机盐离子(Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-…)则较难通过。

最后,有一种机理认为是由于水能溶解于膜内,而溶质不能溶解于膜内。


7、各类膜分离器有哪些优缺点?其特性如何?


各类膜分离器的优缺点如下表。


它们的特性比较如下表。

  1. 指以5000×10-6NaCl溶液作为原液,脱盐率达92%-96%时的透水率。

8、对反渗透膜性能有何要求?醋酸纤维素膜与聚酰胺复合膜的性能如何?

反渗透分离过程的主要关键是要求膜具有较高的透水速度和脱盐性能,故对反渗透膜要求具有下列性能:

(1)单位膜面积的透水速度快、脱盐率高;

(2)机械强度好,压密实作用小;

(3)化学稳定性好,能耐酸碱和微生物的侵袭;

(4)使用寿命长,性能衰减小。


醋酸纤维素膜是最先发展起来的反渗透膜,但由于醋酸纤维素是一种酯类,易发生水解,水解的结果是将降低乙酰基的含量,使膜的性能受到损害,同时膜也更易受到生物的侵袭。近年发展起来的聚酰胺复合膜,由于各种性能优越,已逐渐取代醋酸纤维素膜,该两种膜的性能对比如下表:


9、为什么反渗透膜的性能会下降?如何处理?

反渗透膜的性能下降主要原因是由于膜表面受到了污染,如表面结垢,膜面堵塞;或是膜本身的物理化学变化而引起的。物理变化主要是由于压实效应引起膜的透水率下降;化学变化主要是由于pH值的波动而引起的,如使醋酸纤维素膜水解;游离氯也会使芳香聚酰胺膜性能恶化。反渗透膜污染堵塞的主要原因是由于膜面沉积和微生物的滋长而引起的。其中微生物不仅堵塞膜,并对醋酸纤维素有侵蚀损害作用。因此,在膜内必须保持一定的余氯量,但是余氯太高,又会引起膜性能下降,故在醋酸纤素膜前保持余氯0.1-0.5mg/L,而在芳香聚酰胺膜前余氯要小于0.1mg/L。

反渗透膜的清洗处理是一个细致而又烦杂的工作,目前国产膜的质量还不够高,多次清洗膜易损坏。为了减轻清洗工作,必须要搞好前处理,严格把好水质关,否则,“后患无穷”。

处理的方法是:定期用0.1%甲醛溶液,或100mg/L质量浓度的新洁尔灭循环清洗处理至少1h。已经污染的膜要用2%柠檬酸铵溶液(pH=4-8)进行清洗,或用亚硫酸氢钠、六偏磷酸钠、稀盐酸等来防止锰、铁及碳酸盐的结垢。有时也用酶洗涤剂对有机物进行清洗。清洗压力控制在0.34-0.98MPa(3.5-10kgf/cm2),清洗流速为原来水处理流速的2-3倍。


10、反渗透膜受到污染的原因是什么?有什么特征?

反渗透膜受到污染的主要原因是由金属氧化物沉积引起的,常见的金属氧化物有氢氧化铁、氢氧化铝和氧化锰等。还有微生物黏泥,水中的悬浮物与胶体物质在膜表面的沉积,以及碳氢化物和硅酮基的油及酯类覆盖膜面等。其特性如下表所示:


反渗透组件污染的一般特征

  1. 24h内发生;②2-3周以上发生;③在无甲醛保护液情况下。


11、反渗透-离子交换联合除盐处理有何优点?

   反渗透-离子交换联合处理方式,可以降低水源水质多变所带来的影响,并可减少再生频率,从而提高了水处理装置运行的灵活性和可靠性,在水源的选择上也有了更大的余地。例如,原水含盐量从1000mg/L增至1500mg/L,反渗透设备在工作压力2.75MPa,出力仅降低1%-2%;而离子交换设备遇此情况,必然会严重地降低交换容量。这说明,反渗透设备的出力与水质(原水含盐量)的关系不大,只同工作压力差及水质成分所决定的渗透压差成比例变化。这是反渗透工艺的一个很大的优点。


在电厂锅炉补给水处理上使用反渗透-离子交换联合系统,有不少优点。


(1)离子交换设备的再生剂用量可以降低90%-95%,再生剂贮放场地可以大大减小。

(2)由于反渗透装置可将原水含盐量降低到原来的1/10-1/20,因此除盐设备的盐泄漏可以减小,运行周期可以延长。

(3)原来不适宜采用离子交换除盐的水(如含盐高的原水、经处理过的城市污水、受酸性污染的水等)都可能用来作为除盐设备的进水。

(4)除盐系统可以简化,有的水源甚至在反渗透后用混床处理就可满足锅炉用水的要求。

(5)原水中用一般处理方法不易除去的物质如胶体物质、有机物、铁离子、二氧化硅等也可被除去。

(6)延长了离子交换树脂的使用寿命。

(7)通常混床出水电导率为0.1μS/cm。

(8)提高了对水源水质变化的适应性和出水质量的可靠性。

(9)由于除盐设备排放的废液量减少了,有利于环境保护。


中科瑞阳膜技术(北京)有限公司 

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