反渗透系统中的浓差极化及影响.pdf

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1、反渗透系统中的浓差极化及影响1.二级反渗透膜污染来源对于二级反渗透而言，由于进水水质较好，故诸如有机物微生物等膜污染很少见，另外，由于难溶盐含量也较少，结垢倾向也比较小。因此，对于二级RO而言，主要的问题来自于浓差极化的影响。2.浓差极化对反渗透性能的影响反渗透分离过程中，水分子透过以后，膜界面中含盐量增大，形成较高的浓水层，此层与给水水流的浓度形成很大的浓度梯度，这种现象称为膜的浓差极化（concentrationpolarization）。由于浓差极化现象增大了膜两侧的渗透压，在同等工作压力作用下，系统的净驱动压减小，与净驱动压成正比的水通量

2、将下降。与此同时，由于浓差极化现象增大了膜两侧的盐浓度差，与盐浓度差成正比的盐通量将上升。因此，浓差极化现象将使反渗透系统的水通量下降及透盐率上升。研究表明：浓差极化现象存在一个建立过程，膜表面的盐浓度梯度随运行时间逐步建立，梯度值逐渐增高，极化层渐厚，系统性能持续下降。3.减小浓差极化的手段当前，为了降低浓差极化，其中一个主要手段是停机时候进行低压冲洗，确保膜表面的盐浓度与主体浓度一致。有研究表明反渗透系统在不同β值条件下运行180分钟后，通过冲洗其脱盐率及产水量恢复时间也不同（见下图）。该图表明浓差极化系数保持在1.2以内时，通过1-2分钟的

3、短时冲洗可以得到恢复；而浓差极化系数大于1.2时，用冲洗手段恢复性能所需时间不断增加。上图同时说明系统浓差极化系数保持在合理范围内时，系统运行过程中适时适量的冲洗对于长期稳定地保持系统性能非常重要。4.反渗透系统浓差极化因子计算浓差极化因子（β）可以简单定义为膜表面盐浓度（Cs）与本体溶液盐浓度（Cb）的比值：β=Cs/Cb通常产水通量的增加会增加边界层的盐浓度，从而增加Cs；而给水流量的增加会增大膜表面流速，削减边界层的厚度。因此β值与产水流量成正比，与平均进水流量成反比。平均进水流量采用进水量和浓缩液流量的算术平均值计算，β值可以进一步表达为

4、膜元件产水回收率的函数。另外，从上述公式我们可以发现：不管进水含盐量大与小，只要存在浓缩分离过程，浓水侧含盐量肯定会大于给水主体侧含盐量，也就说二级反渗透也会发生浓差极化。我们假设反渗透进水含盐量为100ppm，分别对于一级反渗透和二级反渗透β进行粗略计算：对于普通的苦咸水一级反渗透系统而言，如果单支膜的最大回收率限制在15%内，那么浓水侧含盐量应该为100×（1/（1-0.15））ppm=118ppm，此时β=118/100=1.18。大部分一级反渗透系统回收率为75%，也就是浓缩了4倍，此时给水到达最后一只膜元件时其含盐量已经接近400ppm

5、；对于二级反渗透系统而言，如果单支膜的最大回收率限制在30%内，那么浓水侧含盐量应该为100×（1/（1-0.3））ppm=143ppm，此时β=143/100=1.43。大部分二级反渗透系统回收率为85%，也就是浓缩了6.67倍，此时给水到达最后一只膜元件时其含盐量已经接近667ppm。反渗透膜厂家对于系统浓差极化因子有上限规定，其与回收率有关。比如DOW规定单支苦咸水淡化膜元件最大回收率不超过15%（不同水质有上下波动），二级反渗透系统单支膜元件最大回收率不超过30%，其依次对应了一级反渗透的β＜1.18，二级反渗透的β＜1.43。而海德能公

6、司在反渗透计算书中则明确规定一级RO的β＜1.2，二级RO的β＜1.4。5.二级RO有没有必要进行低压冲洗上面我们分析了浓差极化与回收率的关系，也看出了其不管进水含盐量大或小，都存在于反渗透浓缩分离过程中。既然低压冲洗可以稀释膜表面的浓度，使边界层浓度与给水主体浓度近视一致，那么我们建议对二级反渗透系统进行低压冲洗。那么什么时候停机时可以不对二级RO进行低压冲洗呢？1）二级反渗透浓水侧无难溶盐结垢倾向时；2）系统回收率足够低，确保单支膜元件回收率远小于30%（特别是系统最后一支膜元件的回收率）；3）系统基本上每天会运行，不会超过1周停运；4）进水

7、含盐量不能太高，如果含盐量太高，造成自然渗透时，那么会形成另外一种破坏：由于自然渗透导致背压，以至于膜片剥离（此种现象在海水淡化中尤其会出现）。我们可以假设进水温度为20℃，假设淡水含盐量略等于零，考虑膜元件承受的最大渗透压为0.3bar，那么根据渗透压计算的粗略公式∏=Cfc(T+320)/491000bar（Cfc:进水含盐量，T：进水温度℃）可以得出：Cfc(20+320)/491000bar≤0.3bar，那么Cfc≤433.2mg/L。也就说：对于高含盐量进水的二级RO，即使不考虑浓差极化，考虑自然渗透导致的背压破坏，当膜表面含盐量大于

8、433.2mg/L时也需要低压冲洗，尽可能降低浓水侧和淡水侧的浓度差（即降低渗透压差）。但此时的低压冲洗与前面所说降低浓差极化是不同的目