第四章-反渗透工艺过程设计-PPT.ppt

第四章 反渗透工艺过程设计反渗透工艺过程设计反渗透工艺过程设计预处理工艺设计预处理工艺设计反渗透膜元件的组装数量反渗透膜元件的组装数量设计案例分析设计案例分析2反渗透反渗透压力压力水流方向水流方向水流方向水流方向半透膜半透膜浓溶液浓溶液稀溶液稀溶液 渗透渗透第一节第一节 反渗透技术基本原理反渗透技术基本原理氢键氢键优先吸附优先吸附溶解扩散溶解扩散3反渗透膜元件：反渗透膜元件：组成工艺流程的最小单位组成工艺流程的最小单位进水进水离子离子浓水浓水产水产水 水流水流高压泵高压泵浓水浓水产品水产品水进水进水反渗透基本流程反渗透基本流程4工艺过程设计工艺流程及特征方程工艺过程设计工艺流程及特征方程分段式工艺流程分段式工艺流程分级式工艺流程分级式工艺流程膜分离处理工艺中段和级概念的区分膜分离处理工艺中段和级概念的区分5基本公式基本公式回收率回收率(%)=盐透过率盐透过率(%)=脱盐率脱盐率(%)=100 盐透过率盐透过率()产水流量产水流量进水流量进水流量x 100产水含盐量产水含盐量进水含盐量进水含盐量x 1006第二节第二节 膜的基本性能膜的基本性能化学稳定性和分离透过特性化学稳定性和分离透过特性膜的物化稳定性的主要指标有：膜材料、膜的物化稳定性的主要指标有：膜材料、膜允许使用的最高压力、温度范围、适膜允许使用的最高压力、温度范围、适用的用的pH值范围以及对有机溶剂等化学药值范围以及对有机溶剂等化学药品的抵抗性，有时尚需说明对某些物质，品的抵抗性，有时尚需说明对某些物质，如水中游离氯或氧化性物质的最高允许如水中游离氯或氧化性物质的最高允许浓度。浓度。膜的分离透过性的主要指标是：脱盐率、膜的分离透过性的主要指标是：脱盐率、产水率。产水率。71.膜性能表示法膜性能表示法Qw=Kw(P-)A/T式中：式中：Qw产水量产水量Kw系数系数P膜两侧的压差膜两侧的压差渗透压渗透压 A 膜面积膜面积T 膜厚度膜厚度 Kw与膜性质及水温有关，与膜性质及水温有关，Kw越大，说明膜的透水性能越好。越大，说明膜的透水性能越好。对于一张给定的膜，可以推导出产水量的计算公式：对于一张给定的膜，可以推导出产水量的计算公式：8大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点9盐透过量的计算公式：盐透过量的计算公式：Qs=Ks*C*A/T式中：式中：Qs盐透过量盐透过量 Ks系数系数c膜两侧盐浓度差膜两侧盐浓度差A 膜面积膜面积T 膜厚度膜厚度 Ks与膜性质、盐的种类及水温有关，与膜性质、盐的种类及水温有关，Ks越越小，说明膜的脱盐性能越好。小，说明膜的脱盐性能越好。10从以上两式可以看出，对膜来说从以上两式可以看出，对膜来说Kw大大Ks小则小则膜质量较好。相同面积和厚度的产水量与净膜质量较好。相同面积和厚度的产水量与净驱动压力成正比，盐透过量只与膜两侧溶液驱动压力成正比，盐透过量只与膜两侧溶液浓度成正比，而与压力无关。浓度成正比，而与压力无关。Qw=Kw(P-)A/TQs=Ks*C*A/T112.反渗透膜的化学材料反渗透膜的化学材料醋酸纤维膜醋酸纤维膜CA芳香聚酰胺复合膜芳香聚酰胺复合膜CPA12醋酸纤维素膜醋酸纤维素膜CA 从化学上讲，醋酸纤维素膜是一种羟基聚合物，它一般是从化学上讲，醋酸纤维素膜是一种羟基聚合物，它一般是用纤维素经酯化生成三醋酸纤维，再经过二次水解成一、二、用纤维素经酯化生成三醋酸纤维，再经过二次水解成一、二、三醋酸纤维的混和物。作为膜材料的醋酸纤维素中的乙酰基含三醋酸纤维的混和物。作为膜材料的醋酸纤维素中的乙酰基含量越高，脱盐性能越好，但产水量越小。量越高，脱盐性能越好，但产水量越小。耐污染，用于污染密度指数（耐污染，用于污染密度指数（SDI）较高的地方）较高的地方 醋酸纤维是一种酯类，会发生水解，水解的结果将降低乙醋酸纤维是一种酯类，会发生水解，水解的结果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。侵袭。醋酸纤维素膜的水解还与醋酸纤维素膜的水解还与pH值有关。为增加膜的使用寿值有关。为增加膜的使用寿命，一般控制原水的命，一般控制原水的pH在在5-6之间。之间。13芳香聚酰胺复合膜芳香聚酰胺复合膜CPA 从结构来讲，复合膜是若干层薄皮的从结构来讲，复合膜是若干层薄皮的复合体，此膜的最大特点是抗压实性较复合体，此膜的最大特点是抗压实性较高、透水率较大和盐透率较小。通量高，高、透水率较大和盐透率较小。通量高，脱盐率高，操作压力低，耐生物降解，脱盐率高，操作压力低，耐生物降解，操作操作pH范围宽（范围宽（2-11）不易水解，脱有）不易水解，脱有机物都较好，但不耐游离氯，易受到机物都较好，但不耐游离氯，易受到Fe、Al和阳离子絮凝剂的污染，污染速度较和阳离子絮凝剂的污染，污染速度较快。快。14复合膜与醋酸纤维膜的性能比较复合膜的化学稳定性较好，而醋酸纤维膜将会发生水解。复合膜的化学稳定性较好，而醋酸纤维膜将会发生水解。复合膜的生物稳定性好，复合膜不受生物侵袭，而醋酸纤维膜易复合膜的生物稳定性好，复合膜不受生物侵袭，而醋酸纤维膜易受微生物的侵袭。受微生物的侵袭。复合膜的输性能好。即复合膜的输性能好。即Kw大而大而KS小。小。复合膜在运行中不会被压紧，因此产水量不随使用时间改变；而复合膜在运行中不会被压紧，因此产水量不随使用时间改变；而醋酸纤维膜在运行中会被压紧，因而产水量下降。醋酸纤维膜在运行中会被压紧，因而产水量下降。复合膜的脱盐率不随时间而改变；而醋酸纤维膜由于会发生水解，复合膜的脱盐率不随时间而改变；而醋酸纤维膜由于会发生水解，脱盐率将会不断下降。脱盐率将会不断下降。复合膜由于复合膜由于Kw大，其工作压力低，反渗透给水泵用电量是醋酸大，其工作压力低，反渗透给水泵用电量是醋酸纤维膜给水泵用电量的一半。纤维膜给水泵用电量的一半。醋酸纤维膜的使用寿命一般仅为醋酸纤维膜的使用寿命一般仅为3年，而复合膜年，而复合膜 的使用寿命大于的使用寿命大于三年。三年。复合膜的缺点为抗氯性较差，价格较贵。复合膜的缺点为抗氯性较差，价格较贵。153 反渗透膜元件构造反渗透膜元件构造16集水管膜浓水膜透过水原水流道网原水透过水流道网原水膜元件的结构示意图17反渗透卷制图反渗透卷制图反渗透膜袋反渗透膜袋浓水网浓水网淡水网淡水网18反渗透膜剥面图反渗透膜剥面图膜元件端板给水产水流向(透过膜后)淡水网反渗透膜产水膜封口浓水网产水浓水产水中心管19无机盐、糖类、氨基无机盐、糖类、氨基酸、酸、BOD、COD等等水、溶剂水、溶剂压力差压力差脱除溶液中的盐脱除溶液中的盐类及低分子物类及低分子物反渗透反渗透蛋白质、各类酶、细菌、蛋白质、各类酶、细菌、病毒、乳胶、微粒子病毒、乳胶、微粒子溶剂、离子溶剂、离子和小分子和小分子压力差压力差脱除溶液中的胶脱除溶液中的胶体、各类大分子体、各类大分子超超 滤滤悬浮物、细菌类、微悬浮物、细菌类、微粒子粒子水、溶剂水、溶剂和溶解物和溶解物压力差压力差多孔膜、溶液的多孔膜、溶液的微滤、脱微粒子微滤、脱微粒子微微 滤滤被截留物质被截留物质透过物质透过物质分离驱动力分离驱动力膜的功能膜的功能膜的种类膜的种类主要膜分离过程主要膜分离过程（膜孔尺寸和透过原理有区别）（膜孔尺寸和透过原理有区别）要去除无机盐要去除无机盐TDS应用应用OR注：根据不同的需求来选择处理工艺注：根据不同的需求来选择处理工艺20给水V型圈浓水产水膜外壳膜元件4 反渗透组装图反渗透组装图21某个某个某个某个CPACPA反渗透膜元件的进水条件反渗透膜元件的进水条件反渗透膜元件的进水条件反渗透膜元件的进水条件最高使用温度：最高使用温度：45最大给水浊度：最大给水浊度：4.0ppm允许游离氯：允许游离氯：0.1ppmPH范围：范围：连续运行：连续运行：3-10 短时运行：短时运行：2-11最大给水流量：最大给水流量：17.0m3/h给水最大给水最大SDI值：值：4.0单个膜元件回收率：单个膜元件回收率：15%*根据进水要求来合理安排根据进水要求来合理安排根据进水要求来合理安排根据进水要求来合理安排RORO的预处理系统的预处理系统的预处理系统的预处理系统第三节第三节 预处理工艺设计预处理工艺设计各项进水指标对设备安全运行的意义各项进水指标对设备安全运行的意义1.1.余氯余氯余氯余氯2.铁（铁（Fe）3.3.颗粒物质、颗粒物质、颗粒物质、颗粒物质、SDISDI和浊度和浊度和浊度和浊度4.4.有机物、油和脂有机物、油和脂有机物、油和脂有机物、油和脂5.5.细菌细菌细菌细菌6.阻垢阻垢1.1.余氯余氯余氯余氯l醋酸纤维膜要求给水中含有残余氯，可防止细菌滋生，但含醋酸纤维膜要求给水中含有残余氯，可防止细菌滋生，但含氯量过高会破坏膜，最大允许连续余氯的含量为氯量过高会破坏膜，最大允许连续余氯的含量为1毫克毫克/升。升。l复合膜抗氯性差，一般不允许余氯，采用加氯杀菌后，需加复合膜抗氯性差，一般不允许余氯，采用加氯杀菌后，需加亚硫酸氢钠或经活性炭过滤消除余氯。亚硫酸氢钠或经活性炭过滤消除余氯。l使用亚硫酸氢钠除余氯的反应如下：使用亚硫酸氢钠除余氯的反应如下：Na2S2O5+H2ONaHSO3 NaHSO3+HCLOHCL+NaHSO4 l理论上理论上1.34公斤的公斤的Na2S2O5可以去除可以去除1公斤余氯，但在有溶解公斤余氯，但在有溶解氧的情况下，对苦咸水去除氧的情况下，对苦咸水去除1公斤余氯需投加公斤余氯需投加3公斤公斤Na2S2O5。Na2S2O5在干爽条件下储存，有效期为在干爽条件下储存，有效期为4-6个月，溶液的有效个月，溶液的有效期与浓度变化有关。期与浓度变化有关。溶液浓度（重量溶液浓度（重量%）2%10%20%30%最长有效期最长有效期 3天天 1星期星期 1月月 6月月l使用活性炭过滤清除余氯的反应如下使用活性炭过滤清除余氯的反应如下：C+2CL2+2H2O4HCL+CO2 2.2.铁（铁（铁（铁（FeFe）l当RO给水在进行氯化及脱氯工程中，或在水中溶解氧含量高于5毫克/升时水中的2价铁离子转化为3价铁离子，生成不溶于水的胶体物质，对反渗透造成污染。即使水中SDI值小于5、铁离子含量小于0.1毫克/升，仍可能发生铁的污染问题。l铁的氧化速度取决于铁含量、水中的溶解氧浓度和PH值，其关系如下：氧含量（毫克/升）PH 允许铁含量（毫克/升）0.5 7.0 0.05l降低RO给水中铁的含量可以采用曝气-锰砂过滤的方法完成。3.3.颗粒物质、颗粒物质、颗粒物质、颗粒物质、SDISDI和浊度和浊度和浊度和浊度 不允许大于5微米的颗粒进入高压泵及反渗透器，这点必须确保，以免破坏设备。一般在高压泵前安装5微米过滤器，再微过滤器前后安装压力表，当压力表超过一定数值后，更换氯芯，通常情况下更换周期为1-3个月，若使用时间小于1个月，则需改善预处理系统，不允许使用带反洗的微过滤器。对于不同的原水水源，由于选用的通量不同，要求的SDI值也不一样，一般要求SDI小于5（越小越好）；浊度应小于0.2NTU（最大允许浊度为1 NTU）。案例：出水水质（参照国科大水处理项目）案例：出水水质（参照国科大水处理项目）274.4.有机物、油和脂有机物、油和脂有机物、油和脂有机物、油和脂l水中的有机物对水中的有机物对RO膜的膜的影响最为复杂，有些有影响最为复杂，有些有机物对膜的影响不大，机物对膜的影响不大，而另一些则可能造成膜而另一些则可能造成膜的有机物污染。一般来的有机物污染。一般来说当水中的说当水中的TOC含量超含量超过过3毫克毫克/升时，即应考虑升时，即应考虑进行去除，对于地表水进行去除，对于地表水应尽量在絮凝剂澄清的应尽量在絮凝剂澄清的过程中去除有机物，还过程中去除有机物，还可以采用活性炭过滤进可以采用活性炭过滤进一步降低有机物含量。一步降低有机物含量。l水中不允许含有油水中不允许含有油和脂，当油或脂超和脂，当油或脂超过过0.1毫克毫克/升时，升时，就应采用混凝或使就应采用混凝或使用活性炭过滤器进用活性炭过滤器进行去除。行去除。5.5.细菌细菌细菌细菌 由于细菌会以醋酸纤维为食物，因此醋酸膜易受细菌的侵袭，对原由于细菌会以醋酸纤维为食物，因此醋酸膜易受细菌的侵袭，对原水必须彻底杀菌。对于复合膜，虽然不受细菌的侵袭但细菌粘膜会造成水必须彻底杀菌。对于复合膜，虽然不受细菌的侵袭但细菌粘膜会造成膜的污堵，一般可采用加氯杀菌，加氯量要根据需氯量实验加以确定。膜的污堵，一般可采用加氯杀菌，加氯量要根据需氯量实验加以确定。氯加入水中发生以下反应：氯加入水中发生以下反应：CL2+H2O=HCLO+H+CL-HCLO=H+CLO-HCLO为次氯酸，为次氯酸，CLO-为次氯酸根，由于为次氯酸根，由于H+能被水中的碱度中和，最后能被水中的碱度中和，最后水中只剩下水中只剩下HCLO和和CLO-，两者在水中所占的百分数主要取决于，两者在水中所占的百分数主要取决于PH值和值和水温水温。当。当PH小于小于7时，水中的时，水中的HCLO占占75%，CLO-占占25%，温度降低时，温度降低时HCLO所占的比例将增大，在所占的比例将增大，在0C时时HCLO增加到增加到83%，CLO-减到减到17%。对于氯气的杀菌机理有不同说法，通常的解释是生成的次氯酸产生对于氯气的杀菌机理有不同说法，通常的解释是生成的次氯酸产生杀菌作用。杀菌作用。HCLO是个中性分子，可以扩散到带负电的细菌表面，并穿是个中性分子，可以扩散到带负电的细菌表面，并穿过细菌的细胞进入细菌内部，过细菌的细胞进入细菌内部，HCLO分子进入细胞后由于分子进入细胞后由于CL分子的氧化分子的氧化作用破坏了细菌的某种酶系统（酶是一种蛋白质成分的催化剂，细菌的作用破坏了细菌的某种酶系统（酶是一种蛋白质成分的催化剂，细菌的养分要经过它的作用后才能被吸收），最后导致细菌的死亡，而次氯酸养分要经过它的作用后才能被吸收），最后导致细菌的死亡，而次氯酸根根CLO-虽然包括一个氯分子，但它带负电，不能靠近带负电的细菌，所虽然包括一个氯分子，但它带负电，不能靠近带负电的细菌，所以也不能穿过细菌的细胞膜进入细菌内部，因此很难起杀菌作用。从上以也不能穿过细菌的细胞膜进入细菌内部，因此很难起杀菌作用。从上式中可以看出，加入水中的氯气只有式中可以看出，加入水中的氯气只有1/2变成变成HCLO的成分；另外的的成分；另外的1/2在在水中产生水中产生CL-，不起杀菌作用。采用，不起杀菌作用。采用NaCLO时：时：NaCLO+H2O=HCLO+Na+OH-，比较可以看出一个分子的，比较可以看出一个分子的NaCLO作用相当于一个分子的作用相当于一个分子的CL2。6.6.阻垢阻垢阻垢阻垢l必须防止必须防止CaCO3、CaSO4、SrSO4、BaSO4垢。垢。l膜结垢是由于给水中的微量盐在给水转化为浓水膜结垢是由于给水中的微量盐在给水转化为浓水时超过了溶度积而沉淀到膜上在苦咸水中，时超过了溶度积而沉淀到膜上在苦咸水中，CaCO3、CaSO4，其他盐类，其他盐类SrSO4、BaSO4和和CaF2需要计算来确定浓水中是否超过溶解度极限。需要计算来确定浓水中是否超过溶解度极限。如果微溶盐超过溶解极限，需要采取以下方法：如果微溶盐超过溶解极限，需要采取以下方法：l降低系统回收率，避免超过溶度积。降低系统回收率，避免超过溶度积。l采取离子交换软化去除钙离子。（少用）采取离子交换软化去除钙离子。（少用）l加酸去除碳酸或重碳酸离子。加酸去除碳酸或重碳酸离子。l加阻垢剂。加阻垢剂。反渗透预处理反渗透预处理设计考虑因素设计考虑因素膜元件种类膜元件种类(醋酸纤维素膜或芳香聚酰胺复合膜醋酸纤维素膜或芳香聚酰胺复合膜)进水水质进水水质(水源及其变化水源及其变化)进水流量进水流量(小型或大型装置小型或大型装置)反渗透的回收率反渗透的回收率(高回收率意味着需要更好的预处理）高回收率意味着需要更好的预处理）后处理设备和要求后处理设备和要求案例：出水水质（参照国科大水处理项目）案例：出水水质（参照国科大水处理项目）32澄清过滤原水澄清过滤原水增压泵增压泵曝气曝气锰砂过滤器锰砂过滤器原水箱原水箱原水泵原水泵多介质过滤器多介质过滤器袋式过滤器袋式过滤器超滤超滤（UF）超滤水箱超滤水箱中间泵中间泵保安过滤器保安过滤器多级高压多级高压泵泵一级反渗透一级反渗透淡水箱淡水箱处理工艺处理工艺3334案例：某海水淡化项目案例：某海水淡化项目 （1）污染指数）污染指数 SDI5 （2）浊度）浊度 1NTU （3）余氯）余氯 0.1PPM（检测不到）（检测不到）（4）Fe3+0.01PPM反渗透系统进水要求：反渗透系统进水要求：3536案例：国科大水处理项目案例：国科大水处理项目37膜元件对盐的截留率为膜元件对盐的截留率为97%工艺设计工艺设计3839第四节第四节 反渗透膜元件的组装数量反渗透膜元件的组装数量若干个膜元件若干个膜元件卷式膜组件卷式膜组件串联串联串联或并联串联或并联反渗透膜系统反渗透膜系统串联回收率的设计方法串联回收率的设计方法40进水第一段第二段第n段浓水Qf，cfQp1 cp1Qp2 cp2Qpn cpnQr1cr1Qf1cf1Qr1cr1Qf（n-1)cr(n-1)产水Qp，cpQr，cr显然，显然，n个膜元件串联透过水总量为：个膜元件串联透过水总量为：Qp=yQf+(1-y)yQf+(1-y)i-1yQf+(1-y)n-1yQf =1-(1-y)n Qf41Qp=yQf+(1-y)yQf+(1-y)i-1yQf+(1-y)n-1yQf =1-(1-y)n Qf浓水总流量为：浓水总流量为：Qb=Qf-Qp=(1-y)n Qf 总回收率为：总回收率为：Y=Qp/Qf=1-(1-y)n第第i个膜元件的透过水量为：个膜元件的透过水量为：Qip=(1-y)i-1yQf 第第i个膜元件的总体回收率为：个膜元件的总体回收率为：Yi=Qip/Qf=(1-y)i-1y42例如，已知膜元件回收率为例如，已知膜元件回收率为13%，所需要的组件回收，所需要的组件回收率为率为50%。这个压力容器中需要设计几个膜元件串联。这个压力容器中需要设计几个膜元件串联在一起达到处理要求？在一起达到处理要求？43例如，已知膜元件回收率为例如，已知膜元件回收率为13%，所需要的组件回收，所需要的组件回收率为率为50%。这个压力容器中需要设计几个膜元件串联。这个压力容器中需要设计几个膜元件串联在一起达到处理要求？在一起达到处理要求？Y=Qp/Qf=1-(1-y)n=50%其中其中y=13%n=4.98，所以设计，所以设计5个膜元件串个膜元件串联在一个压力容器中。联在一个压力容器中。44例如，已知单根膜组件回收率为例如，已知单根膜组件回收率为40%，允许透水量为，允许透水量为50m3/d，设计要求：反渗透系统淡水总量为，设计要求：反渗透系统淡水总量为50m3/h,系统总回收量率为系统总回收量率为75%。45例如，已知单根膜组件回收率为例如，已知单根膜组件回收率为40%，允许透水量为，允许透水量为50m3/d，设计要求：反渗透系统淡水总量为，设计要求：反渗透系统淡水总量为50m3/h,系统总回收量率为系统总回收量率为75%。Y=Qp/Qf=1-(1-y)n所以系统设计为三段式所以系统设计为三段式计算得计算得n=1,2,3时，总回收率分别为时，总回收率分别为40%,64%和和78.4%Yi=Qip/Qf=(1-y)i-1y可得到可得到1,2,3段的总回收率段的总回收率Yi分别为：分别为：40%,24%和和14.4%46系统所需要的膜组件的个数：系统所需要的膜组件的个数：淡水总量淡水总量24/单根膜组件允许透过的水量单根膜组件允许透过的水量n=5024/50=24根根则第一段并联的膜元件个数为则第一段并联的膜元件个数为:24Y1/Y=2440/78.4 =12.24个个则第二段并联的膜元件个数为则第二段并联的膜元件个数为:24Y2/Y=2424/78.4 =7.5个个则第三段并联的膜元件个数为则第三段并联的膜元件个数为:24Y3/Y=2414.4/78.4 =4.41个个47第五节第五节 反渗透膜元件的精确设计（了解）反渗透膜元件的精确设计（了解）根据流速在流道中的分布情况根据流速在流道中的分布情况设计膜元件串联个数设计膜元件串联个数48a.For water 微元质量衡算微元质量衡算49 For a steady state a.For water 50b.For salt For a steady state 51a.For water b.For salt Two basic governing model in membrane channelv(x)=-Hdu(x)/dx 525371 mg/l10000 mg/l20000 mg/l40000 mg/l回收率回收率矿化度矿化度矿化度矿化度水流速水流速53矿化度矿化度回回收收率率1000 mg/L2000 mg/L5196 mg/L10000 mg/L海水淡化海水淡化54反渗透膜分离理论：反渗透膜分离理论：Al-Bastaki +2个控制方程个控制方程551st stage2nd stage 两段式操作模拟两段式操作模拟1st stage2nd stage 回收率回收率膜长膜长膜长膜长水流速水流速1st stage2nd stage56一段式操作模拟一段式操作模拟回收率回收率膜长膜长水流速水流速膜长膜长57结论结论:如果段间没有增压泵的话，两段式如果段间没有增压泵的话，两段式操作和一段式操作处理效果相当。操作和一段式操作处理效果相当。回收率回收率膜长膜长膜长膜长回收率回收率两段式两段式一段式一段式58驱动压力驱动压力回收率回收率驱动压力过高可行么？驱动压力过高可行么？线性关系线性关系非线性关系非线性关系操作成本高操作成本高59