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　　1.1　反滲透和納濾技術(shù)發(fā)展歷史

　　自從上世紀(jì)五十年代未六十年代初期，反滲透（RO）和納濾（NF）技術(shù)產(chǎn)品商品化投放市場(chǎng)，尤其是陶氏化學(xué)公司全資子公司發(fā)明的較薄聚酰胺復(fù)合膜進(jìn)入實(shí)用階段，使得RO和NF成為實(shí)用化的化工分離單元，它們的應(yīng)用領(lǐng)域得到不斷地?cái)U(kuò)展。起初，反滲透主要用于海水和苦咸水脫鹽，由于工業(yè)領(lǐng)域?qū)ΡＷo(hù)水源、減少能耗、控制污染以及從廢水中回收有價(jià)值物質(zhì)的需求日益增加，反滲透和納濾的新用途變得更有經(jīng)濟(jì)價(jià)值。此外，伴隨著膜分離技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了生物技術(shù)和制藥行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，相對(duì)于傳統(tǒng)蒸餾法，膜法分離濃縮技術(shù)更加節(jié)省能量消耗，同時(shí)也不會(huì)引起產(chǎn)品熱分解變質(zhì)。

　　1963年在美國(guó)明尼蘇達(dá)州明尼亞波里斯市開(kāi)展的膜基礎(chǔ)研究，成為成立 FilmTec公司和FILMTECtmFT30 膜化學(xué)的技術(shù)基礎(chǔ)。

　　自從那時(shí)起，原有產(chǎn)品得到不斷地改進(jìn)，并不斷地推出了新產(chǎn)品，提高了膜元件地產(chǎn)水水質(zhì)，降低了水處理總成本。

　　現(xiàn)在反滲透膜能夠在顯著地降低運(yùn)行壓力的條件下，實(shí)現(xiàn)更高的脫鹽率和產(chǎn)水量，納濾膜也可在相對(duì)低的操作壓力下提供對(duì)某些鹽類(lèi)或化合物的更高的分離選擇性。

　　1977年成立FilmTec公司之后，于1981年至1984年間復(fù)合膜技術(shù)和產(chǎn)品以及公司本身發(fā)生了長(zhǎng)足的發(fā)展。1985年8月，F(xiàn)ilmTec 公司成為陶氏化學(xué)公司全資子公司。

　　為了滿(mǎn)足快速增長(zhǎng)的反滲透和納濾膜市場(chǎng)對(duì)FILMTEC產(chǎn)品的需求，以較大的化工行業(yè)高科技公司為依托，將陶氏公司的巨大資源提升和擴(kuò)充了其全資子公司FilmTec公司的研發(fā)、制造和生產(chǎn)能力，使其成為膜工業(yè)界的膜技術(shù)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了陶氏膜產(chǎn)品的世界長(zhǎng)期穩(wěn)定性、可*性和綜合性能，保障了FILMTEC產(chǎn)品及其用戶(hù)在市場(chǎng)上的成功。

　　1.2　反滲透和納濾技術(shù)發(fā)展歷史

　　陶氏FILMTEC反滲透和納濾膜技術(shù)被廣泛認(rèn)為有效和經(jīng)濟(jì)的分離過(guò)程之一，用于小型到特大型規(guī)模到處理苦咸水和海水，其產(chǎn)水滿(mǎn)足目前的飲用水標(biāo)準(zhǔn)。

　　圖1.1示意性地給出了主要脫鹽過(guò)程適用于進(jìn)水含鹽量所對(duì)應(yīng)的經(jīng)濟(jì)范圍，即離子交換法、電滲析法、反滲透法及蒸餾法四種脫鹽方法的典型的操作范圍，也同時(shí)標(biāo)出了幾類(lèi)陶氏FILMTEC膜元件的使用范圍。

　　目前常規(guī)的過(guò)濾過(guò)程可以按照脫除顆粒的大小進(jìn)行分類(lèi)，傳統(tǒng)的懸浮物的過(guò)濾是通過(guò)水流垂直流過(guò)過(guò)濾介質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，全部的水量**通過(guò)過(guò)濾介質(zhì)，全部變成出水流出系統(tǒng)，類(lèi)似的過(guò)濾過(guò)程包括：濾芯式過(guò)濾、袋式過(guò)濾、砂濾和多介質(zhì)過(guò)濾。這種大顆粒過(guò)濾形式僅僅對(duì)粒徑大于1微米的不溶性固體顆粒有效。

　　為了除去更小的顆粒和可溶性鹽類(lèi)，使用錯(cuò)流式的膜過(guò)濾，錯(cuò)流式膜過(guò)濾對(duì)與膜表面平行的待處理流體施加壓力，其中部分流體就透過(guò)了膜表面，流體中的顆粒等被排除在濃水中，由于流體連續(xù)地流過(guò)膜表面，被排除的顆粒不會(huì)在膜表面上累積，而是被濃水從膜面上帶走了，因此一股流體就變成兩股流體，即透過(guò)液和濃縮液。

　　膜法液體分離技術(shù)一般可分為四類(lèi)：微濾(MF)、較濾(UF)、納濾(NF)和反滲透(RO)，它們的過(guò)濾精度按照以上順序越來(lái)越高。

微濾(MF)

　　微濾能截留0.1~1微米之間的顆粒，微濾膜允許大分子有機(jī)物和溶解性固體（無(wú)機(jī)鹽）等通過(guò)，但能阻擋住懸浮物、細(xì)菌、部分病毒及大尺度的膠體的透過(guò)，微濾膜兩側(cè)的運(yùn)行壓差（有效推動(dòng)力）一般為0.7bar。

較濾(UF)

　　較濾能截留0.002~0.1微米之間的顆粒和雜質(zhì)，較濾膜允許小分子物質(zhì)和溶解性固體（無(wú)機(jī)鹽）等通過(guò)，但將有效阻擋住膠體、蛋白質(zhì)、微生物和大分子有機(jī)物，用于表征較濾膜的切割分子量一般介于1,000~100,000之間，較濾膜兩側(cè)的運(yùn)行壓差一般為1-7bar。

納濾(NF)

　　納濾是一種特殊而又很有前途的分離膜品種，它因能截留物質(zhì)的大小約為1納米（0.001微米）而得名，納濾的操作區(qū)間介于較濾和反滲透之間，它截留有機(jī)物的分子量大約為200~400左右，截留溶解性鹽的能力為20~98%之間，對(duì)單價(jià)陰離子鹽溶液的脫除率低于高價(jià)陰離子鹽溶液，如氯化鈉及氯化鈣的脫除率為20~80%，而及硫酸鈉的脫除率為90~98%。納濾膜一般用于去除地表水的有機(jī)物和色度，脫除井水的硬度及放射性鐳，部分去除溶解性鹽，濃縮食品以及分離藥品中的有用物質(zhì)等,納濾膜兩側(cè)運(yùn)行壓差一般為 3.5~16bar。

反滲透(RO)

　　反滲透是精密的膜法液體分離技術(shù)，它能阻擋所有溶解性鹽及分子量大于100的有機(jī)物，但允許水分子透過(guò)，醋酸纖維素反滲透膜脫鹽率一般可大于95%，反滲透復(fù)合膜脫鹽率一般大于98%。它們廣泛用于海水及苦咸水淡化，鍋爐給水、工業(yè)純水及電子級(jí)較純水制備，飲用純凈水生產(chǎn)，廢水處理及特種分離等過(guò)程，在離子交換前使用反滲透可大幅度地降低操作費(fèi)用和廢水排放量。反滲透膜兩側(cè)的運(yùn)行壓差當(dāng)進(jìn)水為苦咸水時(shí)一般大于5bar，當(dāng)進(jìn)水為海水時(shí)，一般低于 84bar。

　　滲透

　　我們知道滲透是指稀溶液中的溶劑（水分子）自發(fā)地透過(guò)半透膜（反滲透膜或納濾膜）進(jìn)入濃溶液（濃水）側(cè)的溶劑（水分子）流動(dòng)現(xiàn)象。

　　滲透壓

　　定義為某溶液在自然滲透的過(guò)程中，濃溶液側(cè)液面不斷升高，稀溶液側(cè)液面相應(yīng)降低，直到兩側(cè)形成的水柱壓力抵銷(xiāo)了溶劑分子的遷移，溶液兩側(cè)的液面不再變化變化，滲透過(guò)程達(dá)到平衡點(diǎn)，此時(shí)的液柱高差稱(chēng)為該濃溶液的滲透壓。

　　反滲透原理

　　即在進(jìn)水（濃溶液）側(cè)施加操作壓力以克服自然滲透壓，當(dāng)高于自然滲透壓的操作壓力施加于濃溶液側(cè)時(shí)，水分子自然滲透的流動(dòng)方向就會(huì)逆轉(zhuǎn)，進(jìn)水(濃溶液)中的水分子部分通過(guò)膜成為稀溶液側(cè)的凈化產(chǎn)水。

　　納濾原理

　　納濾與反滲透沒(méi)有明顯的界限。納濾膜對(duì)溶解性鹽或溶質(zhì)不是阻擋層，這些溶質(zhì)透過(guò)納濾膜的高低取決于鹽份或溶質(zhì)及納濾膜的種類(lèi)，透過(guò)率越低，納濾膜兩側(cè)的滲透壓就越高，也就越接近反滲透過(guò)程，相反，如果透過(guò)率越高，納濾膜兩側(cè)的滲透壓就越低，滲透壓對(duì)納濾過(guò)程的影響就越小。

　　反滲透和納濾過(guò)程

　　根據(jù)反滲透和納濾原理可知，滲透和反滲透及納濾與具有允許溶劑(水分子)透過(guò)的半透膜(反滲透膜或納濾膜)聯(lián)系在一起才有意義，才會(huì)出現(xiàn)滲透現(xiàn)象和反滲透或納濾操作。

反滲透膜：允許溶劑分子透過(guò)而不允許溶質(zhì)分子透過(guò)的一種功能性的半透膜稱(chēng)為反滲透膜

　　納濾膜：允許溶劑分子或某些低分子量溶質(zhì)或低價(jià)離子透過(guò)的一種功能性的半透膜稱(chēng)為納濾膜

　　膜元件：將反滲透或納濾膜膜片與進(jìn)水流道網(wǎng)格、產(chǎn)水流道材料、產(chǎn)水中心管和抗應(yīng)力器等用膠粘劑等組裝在一起，能實(shí)現(xiàn)進(jìn)水與產(chǎn)水分開(kāi)的反滲透或納濾過(guò)程的小單元稱(chēng)為膜元件

　　膜組件：膜元件安裝在受壓力的壓力容器外殼內(nèi)構(gòu)成膜組件

　　膜裝置：由膜組件、儀表、管道、閥門(mén)、高壓泵、保安濾器、就地控制盤(pán)柜和機(jī)架組成的可獨(dú)立運(yùn)行的成套單元膜設(shè)備稱(chēng)為膜裝置，反滲透和納濾過(guò)程通過(guò)該膜裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)

　　膜系統(tǒng)：針對(duì)特定水源條件和產(chǎn)水要求設(shè)計(jì)的，由預(yù)處理、加藥裝置、增壓泵、水箱、膜裝置和電氣儀表連鎖控制的完整膜法水處理工藝過(guò)程稱(chēng)為系統(tǒng)。

　　待處理的進(jìn)水經(jīng)過(guò)高壓泵被連續(xù)升壓泵入膜裝置內(nèi)，在膜元件內(nèi)進(jìn)水被分成濃度低的或更純的產(chǎn)水，稱(chēng)為透過(guò)液和濃度高的濃水。濃水調(diào)節(jié)閥控制成為產(chǎn)水和濃水的比例即裝置回收率。

　　待處理的進(jìn)水經(jīng)過(guò)高壓泵被連續(xù)升壓泵入膜裝置內(nèi)，在膜元件內(nèi)進(jìn)水被分成濃度低的或更純的產(chǎn)水，稱(chēng)為透過(guò)液和濃度高的濃水。濃水調(diào)節(jié)閥控制成為產(chǎn)水和濃水的比例即裝置回收率。

　　影響反滲透和納濾膜性能的因素

　　產(chǎn)水通量和脫除率是反滲透和納濾過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)，針對(duì)特定系統(tǒng)條件，水通量和脫除率是膜的本征特性，而膜系統(tǒng)的水通量和脫除率則主要受壓力、溫度、回收率、進(jìn)水含鹽量和pH值影響。本文將對(duì)這些關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)給出定義并扼要介紹影響反滲透和納濾膜性能的因素，如操作壓力、溫度、進(jìn)水含鹽量、產(chǎn)水回收率和系統(tǒng)pH值。

　　定義

　　回收率：指膜系統(tǒng)中給水轉(zhuǎn)化成為產(chǎn)水或透過(guò)液的百分率。膜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是基于預(yù)設(shè)的進(jìn)水水質(zhì)而定的，設(shè)置在濃水管道上的濃水閥可以調(diào)節(jié)并設(shè)定回收率?；厥章食３ＯＭ^大化以便獲得較大的產(chǎn)水量，但是應(yīng)該以膜系統(tǒng)內(nèi)不會(huì)因鹽類(lèi)等雜質(zhì)的過(guò)飽和發(fā)生沉淀為它的極限值。

　　脫鹽率：通過(guò)反滲透膜從系統(tǒng)進(jìn)水中除去總可溶性的雜質(zhì)濃度的百分率，或通過(guò)納濾膜脫除特定組份如二價(jià)離子或有機(jī)物的百分?jǐn)?shù)。

　　透鹽率：脫鹽率的相反值，它是進(jìn)水中溶解性的雜質(zhì)成份透過(guò)膜的百分率。

　　滲透液：經(jīng)過(guò)膜系統(tǒng)產(chǎn)生的凈化產(chǎn)水。

　　流 量：流量是指進(jìn)入膜元件的進(jìn)水流率，常以每小時(shí)立方米（m3/h）或每分鐘加侖表示（gpm）。濃水流量是指離開(kāi)膜元件系統(tǒng)的未透過(guò)膜的那部分的“進(jìn)水”流量。這部分濃水含有從原水水源帶入的可溶性的組份，常以每小時(shí)立方米（m3/h）或每分鐘加侖表示（gpm）。

　　通 量：以單位膜面積透過(guò)液的流率，通常以每小時(shí)每平方米升（l/m2h）或每天每平方英尺加侖表示（gfd）。

　　稀溶液：凈化后的水溶液，為反滲透或納濾系統(tǒng)的產(chǎn)水。

　　濃溶液：未透過(guò)膜的那部分溶液，如反滲透或納濾系統(tǒng)的濃縮水。

　　壓力的影響

　　進(jìn)水壓力影響RO和NF膜的產(chǎn)水通量和脫鹽率，我們知道滲透是指水分子從稀溶液側(cè)透過(guò)膜進(jìn)入濃溶液側(cè)的流動(dòng)，反滲透和納濾技術(shù)即在進(jìn)水水流側(cè)施加操作壓力以克服自然滲透壓。當(dāng)高于滲透壓的操作壓力施加在濃溶液側(cè)時(shí)，水分子自然滲透的流動(dòng)方向就會(huì)被逆轉(zhuǎn)，部分進(jìn)水（濃溶液）通過(guò)膜成為稀溶液側(cè)的凈化產(chǎn)水。