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渗透和反渗透原理

2021-05-18 15:28:14

渗透和反渗透的原理

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反渗透即是渗透的逆过程。渗透是一种自然现象,稀溶液中的水分子会以较快的速度透过半透膜向浓溶液一侧扩散,如图3所示,淡水侧的液面会不断下降,从而产生一个静水压力差,当这一静水压力差的存在使两侧的水分子扩散速度相等时,渗透达到平衡,此时的静水压力差值称为渗透压(海水和淡水界面之间的渗透压大约为2.4MPa)。反渗透过程则刚好相反,在SWRO中,在海水一侧施加一个大于海水渗透压的压力将导致海水中的水分子透过膜而盐分被截留下来,理论上,这种外加压力越大,海水中的水分子反渗透的速度越快

实现反渗透过程最核心的部件是人工合成的反渗透半透膜,它几乎只能让水分子透过反渗透膜的平膜膜片需要制成一定的构型才能用于水处理工程,如今,在海水淡化中,最主要采用的是芳香聚酰胺类卷式膜元件。在两两平膜膜片之间夹入产水隔网,并分别沿膜层的三条边将膜层胶结在一起,然后和进水隔网组合成一起后卷绕在多孔中心管上,最后在两端装上穿孔端盖并封装后即制成卷式膜元件。商业化的反渗透膜元件有多种规格,海水淡化中使用最多的膜元件直径为200 mm,标准长度为1 000 mm。在SWRO系统中,将1个或几个卷式膜元件连接起来,装入圆柱形的压力容器中,多个压力容器连接组合后构成反渗透单元。通常,一个压力容器中可以包含6~8个膜元件,一个中型的SWRO系统要由上千个压力容器组成。

如图4所示,SWRO由高压泵、压力容器和能量回收装置组成。海水经预处理后,由高压泵加压送入反渗透单元的压力容器后,海水首先通过第1个膜元件并在该膜元件螺旋卷绕的进水隔网通道内流动,在较高的压力下,一部分水分子不断渗透过膜,经产水隔网流道进入到卷式膜元件的中心管,生成产品水,其余进水沿着水流方向继续流动至下一个膜元件。这一过程依次进行,当进水每通过下一个膜元件时,进水浓度增大,流过最后一个膜元件时,进水成为浓水,浓水流出压力容器后经能量回收装置回收剩余压能后排除。

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技术特点

与热法不同的是SWRO并没有蒸发和冷凝的相变过程,其最主要的能耗是实现反渗透过程的高压泵送电能,这使得反渗透的制水成本相对热法而言要低。另外,相对热法其设备还具有模块化的结构特点,工艺灵活性较高,其局部设施的暂停维护可以不影响整个系统其余部分的运行。但是,SWRO需要复杂而精细的预处理过程,不同商业膜厂商对其聚酰胺类反渗透膜的进水SDI、pH、温度、余氯等指标均具有严格限制要求。在预处理不达标时,膜表面的污染、结垢会加速,运行中,膜组件的使用寿命、能耗和产品水水质均会受到影响,进而提高制水成本。SWRO的预处理工序根据取水方式和海水水质而不尽相同,对于开放式的取水方式而言,现在比较流行的是在反渗透前上溶气气浮+超滤+5 μm保安过滤器来保证反渗透的进水水质要求。对平均进水TDS=35 000 mg/L的SWRO系统,进水压力在5.0 MPa以上,运行回收率(产水和进水的体积比)在40%~60%。 能量回收装置是另一关键设备,SWRO的快速发展,除了膜材料和膜组件的不断优化,效率不断提升的能量回收装置在反渗透系统中的使用功不可没。如今,高效率的PX型压力回收装置能够回收浓水中95%以上的能量用以加压进料海水,这使反渗透过程的能耗下降了近乎一半。一级反渗透出水TDS大约为300~500 mg/L,这已经满足世界卫生组织对饮用水TDS指标的限定要求(500 mg/L),SWRO在缺水区域已经大规模用以饮用水供给。

当前发展趋势

20世纪80年代SWRO开始成为与传统热法工艺相竞争的工艺[12],由于设备投资省、建造周期短、能耗较低等诸多优点,发展速度很快,当前已成为全球海水淡化市场最主要的工艺。目前,一级SWRO基本上都是用于市政行业,这也是反渗透工艺的产能迅速增长的原因。未来反渗透工艺的研究将会集中在开发更加节能和耐用的新型反渗透膜和膜组件,减少运行能耗和维护费用,降低制水成本。


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