反渗透处理技术原理及其应用

杨春雨

[摘要]本文介绍了反渗透技术的基本原理及应用现状,根据反渗透的特点论述其发展趋势。

[关键词]反渗透 渗透膜 应用

反渗透技术自从上世纪五十年代末发展成为实用的化工单元操作以来,正不断地拓展其应用领域和规模,早期主要是用于脱除海水和苦咸水中的盐份,制备淡水;由于淡水资源的短缺,工业界对节水、节能、污染控制和废水回用的需求日益增加,同时相对于蒸馏过程而言,膜法分离技术更有节能和不致产品过热变质,因而成为高附加值物质浓缩分离的先进过程。

1 反渗透技术的基本原理

反渗透除盐原理就是在有盐份的水中(如原水),利用高压泵将待处理水增压后,使渗透向相反方向进行,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、细菌通过,所以它能获得高质量的纯水。

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。当难溶盐类在膜元件内不断被浓缩且超过其溶解度极限时,盐水侧的矿物质会析出而在膜上发生结垢。目前处于水源短缺或对环境影响考虑,设置反渗透浓水回收系统以提高回收率成为一种习惯做法,在这种情况下,实际应用中常常需要投加各类化学品以防止膜元件的污染和结垢。这些化学品本身不得对膜元件性能产生负面影响,但必须注意所投加的各类化学品之间是相互兼容匹配的,其投加浓度保持在适当的范围内,否则将会引发灾难性的结果。

2 反渗透膜的应用

2.1用于海水、苦碱水淡化

反渗透膜分离技术已被广泛应用于海水淡化。反渗透膜法海水淡化工艺最高运转压力为5.6～7MPa,能耗为多段蒸发法的l/2～1/3,淡水水质好(反渗透膜对l价金属离子的阻止率>99.4%,对2价金属离子的阻止率为99.9%,总溶解固体量阻止率>99.6%)。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。

2.2用于处理重金属废水

对于处理重金属废水,国内外均进行了广泛研究。从20世纪70年代开始,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、铬漂洗水和混合重金属废水的处理。据报道,用反渗透处理铜氰电镀漂洗水已获成功,截留率在99%以上。研究表明,反渗透法还可用于处理镀银漂洗水。

2.3用于纯水、超纯水制备

采用反渗透技术可制取各种符合要求水质的脱盐水。通常以多级反渗透制取纯度较高的脱盐水,但此法水利用率较低。常用的脱盐水制取工艺还有反渗透+离子交换技术,该技术在保证了水利用率的条件下大幅降低了酸碱消耗,防止二次污染,是目前水处理应用的一个新的方向。对水质要求较高的航天、电子等行业,采用反渗透+EDI(电渗析)技术可以满足对产品水质的要求,目前此工艺在电力行业中也得到了越来越多地成功应用。

2.4用于食品、饮料制造

采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。反渗透用于果汁、果酒的浓缩,可保证维生素等营养成分不受破坏以及挥发质不损失,并保留其原有的风味。反渗透膜可以完全除去细菌和病毒,使产品不加任何防腐剂而延长储存期,食用更加卫生可靠。但一般反渗透膜耐热性为4O℃左右,不适宜用于热水杀菌等工艺用途。

2.5用于气体分离

气体膜分离技术于上世纪七十年代末实现了工业化,一经推出就因其操作灵活、占地小、运行稳定、投资低、能耗低、见效快而受到用户的欢迎。气体膜首先应用于氢气的分离,目前已在合成氨驰放气回收、CO/H2比例调节、炼厂含氢尾气氢回收以及氢气的分离纯化等方面得到了广泛的应用。

此外,反渗透还可用于生物工程和医药提纯以及气体分离等领域。

3 反渗透膜的发展前景

反渗透膜分离技术是20世纪60年代发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开发抗氧化性、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。

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,率先应用于航天工业的高技术反渗透系统已经显示出其强大的商业价值和市场前景。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首选水处理方案。

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。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。

随着社会、经济的发展,膜法水处理技术将会在为人类提供安全、纯净、卫生的海水及苦咸水淡化、锅炉补给水、工业纯水及电子级超纯水制备,饮用纯净水生产、废水处理过程中发挥更重要的作用。

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