反渗透原理及其应用系统设计

陈希祥

(江西铜业集团公司材料设备公司,江西贵溪 335424)

反渗透原理及其应用系统设计

陈希祥

(江西铜业集团公司材料设备公司,江西贵溪 335424)

本文结合了量化公式论述了反渗透技术原理,并以反渗透技术为核心,构建了一套现代化的水处理系统。

反渗透技术;反渗透原理;系统设计;水处理

1 引言

1950年美国科学家DR.S.Sourirajan无意发现海鸥在海上飞行时从海面啜起一大口海水,隔了几秒后,吐出一小口的海水,大感惊讶。因为陆地上由肺呼吸的动物是绝对无法饮用高盐份的海水的。经过解剖发现海鸥体内有一层薄膜,该薄膜非常精密,海水经由海鸥吸入体内后加压,再经由压力作用将水分子贯穿渗透过薄膜转化为淡水,而含有杂质及高浓缩盐份的海水则吐出嘴外,正是这个偶然的发现,使反渗透法的基本理论架构得以建立,并使全世界对水处理的研究进入了一个新的时代[1]。

2 反渗透的原理

首先,渗透是一种物理现象。当两种含有不同盐浓度的溶液,用一张半渗透性的薄膜分开就会发现,含盐量少的一边的水分会透过膜渗到含盐量高的一边,而所含的盐分并不渗透,此时,两侧的静压差就是渗透压。但如果在含盐量高的水侧,试加一个大小等于渗透压的压力,其结果会使上述渗透停止。如果继续加大压力,可以产生方向相反的渗透,而留下盐分.因此,反渗透除盐原理,就是在有盐分的水中(如原水),施以比自然渗透压力更大的压力,使渗透向相反方向进行,把原水中的水分子压到膜的另一边,变成洁净的水,从而达到除去水中杂质和盐分的目的。

图1 渗透与反渗透原理示意图

以下用几个数学公式对上述的过程进行量化,以利于能在工程实践中对渗透参数的准确控制:

①渗透压与溶质浓度之间的关系为:

注:Po sm为渗透压(psi);T为温度(℃);∑(mi)为溶液中所有溶质的总摩尔浓度。

②水通过半透膜的速率由下式确定:

注:Qw为纯水透过膜的速率;△P为膜两侧压力差;△Po sm为膜两侧的渗透压差;Kw为膜的纯水渗透系数;S为膜面积;d为膜厚度。

公式(2)通常被简化为:

注:A为膜常数;NDP为跨过膜的水传质总驱动压力或总驱动力。

综上,为保证反渗透过程的顺利进行需满足以下两个条件:

a、选择性透过溶剂的高品质渗透膜;

b、膜两边的静压差必须大于其渗透压,在实际应用中,还必须克服膜的阻力[2-3]。

3 以反渗透技术为核心构建的水处理系统

反渗透水处理系统一般包括预处理系统、反渗透装置、后处理系统、清洗系统和电气控制系统等。

图2 工艺流程图

3.1 预处理系统

预处理系统一般包括加酸系统、热交换器、加药装置、多介质过滤器、活性碳过滤器、反冲洗动力装置。其主要作用是降低原水的污染指数和余氯等其他杂质,达到反渗透的进水要求,使反渗透本体系统的使用寿命最大限度地延长。预处理系统的设备配置应该根据原水的具体情况而定。

3.2 反渗透本体系统

反渗透本体系统是本系统中最主要的脱盐装置,反渗透系统利用反渗透膜的特性来除去水中绝大部分可溶性盐分、胶体、有机物及微生物。经过预处理后合格的原水进入置于压力容器内的膜组件,水分子和极少量的小分子量有机物通过膜层,经收集管道集中后,通往产水管再注入反渗透水箱。反之不能通过的就经由另一组收集管道集中后通往浓水排放管,排入浓水收集箱。系统的进水、产水和浓水管道上都装有一系列的控制阀门,监控仪表及程控操作系统,它们将保证设备能长期保质、保量的系统化运行。

它主要包括下列单元设备:保安过滤器、多级高压泵、反渗透膜元件、膜壳(压力容器)、支架等。

3.3 后处理系统

是在反渗透不能满足出水要求的情况下增加的配置。主要包括阴床、阳床、混床、杀菌、超滤、ED I等其中的一种或者多种设备。后处理系统能把反渗透的出水水质更好的提高,使之满足使用要求。

3.4 清洗系统

主要有清洗水箱、清洗水泵、精密过滤器组成。当反渗透系统受到污染出水指标不能满足要求时,需要对反渗透进行清洗使之恢复功效。

3.5 电气控制系统

是用来控制整个反渗透系统正常运行的。包括仪表盘、控制盘、各种电器保护、电气控制柜等。

4 总结

反渗透法具有设备构型紧凑,占地面积小、单位体积产水量及能量消耗少等优点,已应用于几乎所以行业。如前所述,它是在没有相变的情况下,依靠大于渗透压的压力推动,通过膜的毛细管作用流出淡化的水,而且它还具有膜的筛分作用,能除去极小的细菌和病毒。因此自从开发以来发展迅速,不仅广泛用于工业中的水处理,而且也是未来的海水或苦咸水的淡化处理的主要研究方向[4]。

[1] 冯逸仙,杨世纯.反渗透处理工程[M].北京:中国电力出版社,2000.

[2] 邵刚.膜法水处理技术及工程实例[M].北京:化学工业出版社,2002.

[3] 严伟,邓慧萍,徐迪民.膜技术在饮用水处理中的应用[M].城市公共事业,1996.

[4] 王振士.电渗析和反渗透:水处理[M].上海:上海科学技术出版社,2000.

Principle and Application System Design of Reverse O smosis

CHEN Xi-xiang

(Material&Equipment Company,Jiangxi Copper Corporation,Guixi,Jiangxi,China 335424)

In this article,the technical principle of reverse os mosis is discussed which combined with quantitative formulas. Based on the key technology of reverse osmosis,a modern water trea tment system is set up.

reverse o smosis technology;reverse os mosis principle;system design;water treatment

TQ085

A

1009-3842(2010)04-0075-03

2010-07-19

陈希祥(1984-),男,浙江温州人,学士学位,主要从事机械设备的供应和管理。E-mail:cxx024@qq.com