反渗透技术

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反渗透技术

1748年,一位法国科学家阿贝·诺莱特(Abbe Nollett)指出,水通过猪膀胱膜自然扩散成酒精。最终发现,当一个半渗透膜分离两种不同浓度的溶液时,稀释溶液总是会流向浓缩溶液。

这种自然的水流称为渗透。半渗透膜是非常薄的材料层,可以使某些东西通过它们,但会阻止其他物质。例如,细胞膜是半渗透的,因为它们允许氧,水,水,二氧化碳,氨,葡萄糖,氨基酸等小分子通过,但不允许使用诸如蔗糖,淀粉,蛋白质等等较大的分子。

考虑图1,其中浓缩溶液通过半渗透膜与水分离。在集中的一侧,溶质颗粒不断相互碰撞(布朗运动),在包括膜表面在内的各个侧面施加压力。一些水分子设法流过膜,但在很大程度上受到溶质颗粒的混乱的限制。在膜的另一侧,随机运动要少得多,从而使更多的水分子流过膜向高浓度侧,直到静水压力(特定重力x H)将防止渗透流动。请注意,水的流在膜的两侧,但净流量从较低的浓度到较高的浓度。现在,如果在较高浓度的侧面施加稳定的反向压力(图2),则净流(渗透流)将开始降低,直到反向压力完全阻止它。发生这种情况时,没有任何方向的水流流,该条件称为渗透平衡。停止或平衡渗透流量所需的压力(因此达到渗透平衡)称为渗透压(π),计算为:
π= m。r。t

其中,π是渗透压
m是每升溶液溶质的摩尔(1摩尔= 6.023 x 1023)
R是气体常数(0.0821 litt-atm/kelvin mole)
T是ºK的温度

如果现在的压力进一步增加,会发生什么?大于渗透压的力增加将迫使分子从较高浓度侧向较低浓度侧的运动,如图3所示。

换句话说,流动朝着天然渗透流的相反方向,因此称为反渗透(RO)。这是反渗透技术的基本概念。RO是一种可逆的热力学过程,并且简单地说明,在概念上设计的是通过通过半渗透膜将馈送水传递到高TDS供水中产生低TD(总溶解的固体)水。最终的低TDS水称为产品水或渗透,几乎没有胶体,悬浮和溶解的物质。每平方英尺的膜的水量称为通量,每天以每平方英尺(GFD)的速度测量。

RO是一个跨流程的过程
RO膜的孔极小,<0.001微米(1微米= 1/1000 mm),甚至小于细菌,病毒和溶解的盐。如果直接通过膜通过饲料,它将立即堵塞毛孔。因此,RO用作跨流过滤而不是死端过滤。在常规的死末端过滤中,水流垂直于滤波器表面(如图4A所示)。在跨流过滤(图4B)中,水沿与膜相同的方向流动,并防止污垢和盐积聚在膜表面上。

当一部分原始水以渗透性收集时,其余的水从系统中流出以拒绝水。因此,饲料被分配在“产品水”和“拒绝水”之间(排水)。如果拒绝率增加,渗透率会减少,反之亦然,但两者总共始终总结到饲料水中。

进食水=(渗透) +(拒绝)

由于水量较少,拒绝水比进料水更集中。RO的拒绝百分比被计算为:

恢复是指随渗透获得的进料水的百分比,是通过从100中减去排斥百分比获得的。

恢复%=(100) - (%拒绝)

在商业反渗透技术系统中,一部分拒绝水与进料水混合,以最大程度地减少废物,或者将其定向到另一个膜上。但是,在住宅POU系统中,膜通常是单个通道。

反渗透技术膜
第一个住宅RO膜是由醋酸纤维素(CA)膜制成的,该膜实际上未使用。纤维素三乙酸(CTA)膜对氯的耐受性良好,并且相当便宜。但是,它们在较高的pH值下的通量和降解有限。发生这种情况时,据说CTA膜是水解的,这种疾病的特征是吞吐量较高,但TDS排斥不良。此外,CTA膜仅限于低于85ºF的饲料温度。

薄膜复合材料(TFC)膜是由覆盖在较厚的多硫酮层上的聚酰胺聚合物的薄层组成的。在过去的15年中,TFC膜一直是POU Systems的主要选择,因为它们比纤维素膜具有多个优势。它们具有较高的排斥(更好渗透质量),对水温(100ºF)和高pH值(3至11)的耐受性更好,并且对微生物学攻击具有更大的抵抗力。他们唯一的缺点是对氯或类似氧化剂的极低耐药性。

预处理
即使有跨流量过滤,RO膜也容易受到几种污染物的降解,这些污染物最终导致失败。这种降解通常称为结垢。最常见的污垢是:
a)硬度
b)金属氧化物
c)悬挂固体
d)胶体
e)微生物杂质
f)油脂油脂

这些污染物必须在膜之前去除或包含,并构成预处理。因此,预处理是根据进料水质的不同,围绕浊度,金属氧化物,硬度,氯等去除的构建和设计。在POU系统中,使用沉积物墨盒前过滤器(通常为5或1微米)和碳前过滤器来实现预处理,以去除氯和有机物。简而言之,预处理越好,膜的性能就越好,并且膜的持续时间越长。

影响RO性能的因素

压力对反渗透技术的影响
进料水压会影响渗透通量和盐排斥。如图所示,整个膜的渗透通量会增加直接关系,以增加进料水压。

但是,进料水压和盐排斥的关系是非线性的。随着饲料压力的增加,最初会拒绝更多的盐,但随着压力的进一步增加,有些盐通过膜而导致抑制减少。除了一点点,渗透质量降低和优化质量和数量变得很重要。

温度对反渗透技术的影响
膜的生产力对水温非常敏感。随着水温的升高,它会导致整个膜的扩散率更高。因此,渗透通量几乎是线性增加的,但是由于盐分子也开始扩散以渗透到渗透,因此TDS排斥减少。RO膜通常在25ºC(77ºF)下进行性能测试。

进料水TD对反渗透技术的影响
如前所述,渗透压由以下方式给出:

π= m。r。t

其中m是水的摩尔浓度。显然,溶液的摩尔浓度越高,渗透压越高。
在恒定的饲料压力下,由于膜间表面附近的分子间碰撞增加,较高的TDS浓度会导致较低的渗透通量,从而使水分子越来越难以交叉到渗透侧。

恢复对反渗透技术的影响
如果恢复百分比增加(并且进料水压保持恒定),则将导致表面上的盐浓度增加,并取决于它们作为矿物尺度上膜表面上的趋势沉淀。最终,这会否定饲料压力的驾驶效果,从而导致渗透通量和盐排斥减少甚至停止。

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