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實(shí)驗室純水系統設計之反滲透技術(shù)

作者:admin 出處:科瓦特發(fā)表時(shí)間:2018-01-16 05:59:38
 

  實(shí)驗室用反滲透純水機符合GB6682-66規定的實(shí)驗用三個(gè)等級凈化水的技術(shù)要求。根據實(shí)驗室的不同要求配備不同等級的反滲透純水設備。

  實(shí)驗室用水的三個(gè)等級:

  一級水:基本上不含有溶解或膠態(tài)離子雜質(zhì)及有機物。它可用二級水經(jīng)進(jìn)一步處理而制得。

  二級水:可含有微量的無(wú)機、有機或膠態(tài)雜質(zhì)。

  三級水:適用一般實(shí)驗室實(shí)驗工作。

實(shí)驗室純水系統

  反滲透法是一項新型隔膜分離技術(shù)。反滲透是利用反滲透膜半滲透性質(zhì),水和某些溶劑可透過(guò)這種膜,而其他溶質(zhì)以及任何顆粒均不能通過(guò),從而把溶液中的溶劑(一般常指水)分離出來(lái)。電滲析雖然和反滲透均屬于膜分離范疇,但電滲析是通過(guò)離子交換膜將溶液中的離子有選擇性的透過(guò),而不讓水透過(guò)。因此反滲透分離的對象主要是溶液中的離子范圍,標志著(zhù)經(jīng)典的過(guò)濾方法向著(zhù)精細的分離方向發(fā)展。它與其他一些過(guò)濾過(guò)程的分離在顆粒大小方面的范圍。

  (1)反滲透原理

   ①滲透與反滲透

   如果將純水和鹽水(或兩種不同濃度的溶液)用一種只能透過(guò)水而不能透過(guò)溶質(zhì)的半滲透膜隔開(kāi),純水就會(huì )自然地透過(guò)半透膜滲透到鹽水(或從低濃度溶液滲透至高濃度溶液)一側,這種現象叫做滲透。當滲透進(jìn)行到鹽水一側的液面達到某一高度而產(chǎn)生一個(gè)滲透壓頭,從而抵制了純水進(jìn)一步向鹽水一側滲透,滲透的自然趨勢被壓頭所抵消而達到平衡,這一平衡壓力稱(chēng)為參透壓,這時(shí)達到一種滲透平衡狀態(tài)。

  如果在鹽水一側加上一個(gè)大于滲透壓力P,則鹽水中的水分就從鹽水一側透過(guò)半透膜滲透至純水的一側,鹽水中的鹽分即被截留(濃度變大即濃縮),這種現象就稱(chēng)為反滲透。

  反滲透法使用的半透膜的特點(diǎn)是透水量大,脫鹽率高,它使水通過(guò),同時(shí)截留90%~99%的溶解無(wú)機物質(zhì),95%~99%的有機物組分和100%的最微細的膠體物質(zhì)(如細菌、病毒、膠體SiO2等)。膜的除鹽效率可達90%~99%,即它們的鹽分透過(guò)率為1%~10%之間。

  ②反滲透的脫鹽機理

  反滲透的脫鹽機理目前尚有不同看法,現簡(jiǎn)述兩種較為流行的機理。

  a. 氫鍵理論。半透膜材料之一,乙酸纖維素是一種具有高度有序矩陳結構的聚合物,它具有水或醇等溶劑形成氫鍵的能力。鹽水中的水分子能與乙酸纖維素上的羰基形成氫鍵。在反滲透壓力推動(dòng)的作用下,以氫鍵結合進(jìn)入乙酸纖維素膜的水分子能夠由 個(gè)氫鍵位置斷裂而轉移到另一個(gè)位置形成另一個(gè)氫鍵。這些水分子通過(guò)一連串的形成氫鍵和斷裂氫鍵而不斷移位,直至離開(kāi)膜的表皮層而進(jìn)入多孔性支撐層后,立即流出淡水。

  b. 選擇吸附-毛細管流動(dòng)機理。當鹽水溶液與多孔的反滲透膜表面接觸時(shí),如果膜具有選擇吸附純水而排斥溶質(zhì)的化學(xué)特性,則在膜和溶液界面上選擇吸附一層水分子,在反滲透壓力推動(dòng)的作用下,通過(guò)膜的毛細作用流出純水,并連續地形成和流出這個(gè)界面純水層。

  至于對有機物的脫除,則純屬篩分機理。因此,這與有機物的相對分子質(zhì)量大小和形狀有關(guān)。由于有機物的分子不能被膜的表面所排礴,又由于有機物傾向于降低溶液和膜之間的界面張力,一些小分子有機物(相對分子質(zhì)量小于100)最容易聚集在膜的表面上,因而很容易通過(guò)膜的孔隙。根據分子的形狀和相對分子質(zhì)量在100~200之間的有機物,能脫除一部分,相對分子質(zhì)量在200以上的有機物,基本上能全部脫除。

  (2)反滲透膜

  反滲透膜是進(jìn)行反滲透分離過(guò)程的主要關(guān)鍵之一。一般來(lái)說(shuō),對反滲透膜要求具備下列多種性能:①單位膜面積的透水量大、脫鹽率高;②機械強度好,多孔支撐層的壓實(shí)作用小;③化學(xué)穩定性好,耐酸、耐堿和耐微生物的侵襲;④結構均勻,使用壽命長(cháng);⑤制膜容易,原料充足。

  但是,要制備具有上述各項多性能的膜是比較困難的。目前最廣泛使用的膜是乙酸纖維素膜,簡(jiǎn)稱(chēng)CA膜,該膜透水量大、脫鹽率高、價(jià)格便宜,比較成熟。這種乙酸纖維素半透膜物表皮層的厚度約0.25μm,膜總厚度約100μm。極薄表皮層中布滿(mǎn)微孔,孔徑約幾個(gè)納米,而多孔支撐層中的孔徑很大,約有幾百納米。在反滲透操作過(guò)程中,鹽水必須面向表皮層,該層由多孔的支撐層予以支撐。這種非對稱(chēng)性的乙酸纖維素膜具有透水量大,脫鹽率高的優(yōu)點(diǎn)。

  其次為芳香聚酰胺膜,它具有良好的透水性能,較高的脫鹽率,優(yōu)越的機械強度,化學(xué)性質(zhì)穩定,耐壓實(shí)等特點(diǎn),能在pH值為4~10范圍內使用(長(cháng)期使用范圍為pH5~9)。乙酸纖維素膜主要制成平板式、管式、螺旋卷式和槽條式。而芳香聚酰胺膜則主要制成中空纖維式,它的膜面積特別大,由它制成的反滲透器具有何種小、產(chǎn)水量大的優(yōu)點(diǎn),因而發(fā)展很快。

  除上述兩種膜以外,還有耐熱的聚苯并咪唑膜,透水量大的動(dòng)力形成膜,無(wú)機的多孔玻璃膜和氧化石墨膜,耐堿的磺化聚苯醚膜和磺化聚砜膜等。

  3)使用反滲透膜時(shí)應注意幾個(gè)問(wèn)題

   ①pH值使用范圍  

  不同材料制成的膜對pH值使用范圍也不同。CA膜的長(cháng)期使用范圍為pH=3~7,防止某些溶解固體在膜表面結垢而堵塞膜孔,并防止膜的水解。芳香聚酰胺膜一般適用pH=4~10,但長(cháng)期適用范圍pH=5~9。

  ②操作壓力

  在反滲透過(guò)程中,透水量隨操作壓力的提高而增加。但提高壓力又會(huì )使膜受到壓實(shí)的影響從而導致透水量的下降,這對CA膜最為顯著(zhù)。因此,應根據各種膜的性能來(lái)考慮反滲透操作壓力。操作壓力的選擇還依賴(lài)于原水的濃度、膜的透水性能和水的回收率。

  ③溫度

  膜的透水量隨原水溫度的提高而增加。有些膜當水溫提高1℃時(shí),透水量能增加約2.7%。但溫度過(guò)高,會(huì )加快膜的水解速度。一般有機膜由于溫度升高而變軟,而使膜的壓實(shí)增加。原水溫度一般控制在20~30℃。

  ④濃差有化

  在反滲透過(guò)程中,由于水不斷地透過(guò)膜,使膜表面的溶液濃度越來(lái)越大,由于這一濃差極化現象引起膜表面溶液的滲透壓大大增加,因而導致水透過(guò)膜的阻力增加,使膜的透水量和脫鹽率下降。為了避免這種現象,必須提高原水柱入的流速,使原水流動(dòng)保持紊流狀態(tài),防止膜表面濃度增加。

  ⑤膜的清洗

  使用長(cháng)期的反滲透膜,其表面易被一層沉淀物覆蓋而結垢,堵塞膜孔,透水量下降。因此必須定期清洗膜面。通常采用稀鹽酸(pH值為2~3,主要對CA膜)沖洗,或用各種絡(luò )合劑如檸檬酸、過(guò)硼酸鈉、亞硫酸氫鈉、六偏磷酸鈉等防止鐵、錳、碳酸鹽結垢。在具體操作中,必須根據膜的材料和結垢的性質(zhì)選擇去垢劑。當然,如在進(jìn)行反滲透過(guò)程之前對原水進(jìn)行必要的預處理,如采用砂過(guò)濾器、加藥凝聚、調節酸度、經(jīng)過(guò)各種孔徑的細砂過(guò)濾器、加藥凝聚、調節酸度、經(jīng)過(guò)各種孔徑的細過(guò)濾和精密過(guò)濾等方法,以減少膜表面結垢的防止膜的水解。

  (4)反滲透器   

  最簡(jiǎn)單實(shí)用的反滲透組件裝置就是將一個(gè)高壓水泵與一個(gè)反滲透組件直接串聯(lián)起來(lái),在壓力作用下,純水通過(guò)反滲透膜,面濃縮的廢液通過(guò)一只流量控制閥連續排出。為了取得滿(mǎn)意的純水流量,施加壓力超過(guò)廢液的滲透壓。在實(shí)踐中采用壓力在25~80Pa之間。

  (5)反滲透法在純水處理方面的應用  

    反滲透法可用于海水淡化、硬水軟化、工業(yè)廢水處理以高純水制備等方面。反滲透比蒸餾法、電滲析等方法耗能少、體積小、設備簡(jiǎn)單、單位何種產(chǎn)水量高,還具有不需加熱、相態(tài)不變和適于大小規模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn),一般采用反滲透和離子交換相結合的聯(lián)合裝置以制取高純水。

  由于反滲透應用廣泛,優(yōu)點(diǎn)多,而且近年來(lái)隨著(zhù)反滲透質(zhì)量的不斷提高,反滲透設備的不斷改進(jìn),應用范圍繼續擴大,反滲透純化水已經(jīng)發(fā)展成為一種符合實(shí)際、效率高又經(jīng)濟的主處理系統。

  選擇反滲透裝置的工藝條件,以降低反滲透系統的動(dòng)力消耗,達到最大的經(jīng)濟效益,應先測出各項有關(guān)參數,根據具體情況應注意以下各個(gè)環(huán)節。

  ①   測定原水中的含鹽量、酸堿度、溫度、懸浮物、細菌以及其他顆粒等。

  ②   選用合適的原水預處理方法,如凝聚、粗濾、細濾、調節pH值等。

  ③   選擇膜材和了解膜的性能,如透水量、脫鹽率、pH使用范圍、機械強度和耐熱等。

  ④   根據產(chǎn)水量要求計算出所需的膜面積。

  ⑤   考慮反滲透器類(lèi)型的特性、反滲透裝置的工藝流程、水質(zhì)的要求、操作壓力、淡水回收率等。⑥   考慮鈣鹽等難溶鹽沉積膜面、堵塞膜孔以及濃差極化等問(wèn)題。

  更多實(shí)驗室整體規劃設計裝修請聯(lián)系科瓦特實(shí)驗室。0760-23626818.

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