近其膜性能的改善对系统设计的影响

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1、近其膜性能的改善对系统设计的影响摘要：低压、高脱盐率ESPA膜的推出使反渗透（RO）技术商业化的目标之一得以实现：即可以在极低给水压力下运行RO系统，该压力等于浓水的渗透压加上沿系统的压力损失。但是在给水温度高，含盐量高或系统回收率高的条件下，由于ESPA的特征通——单位净驱动压力NDP趋于零。这种操作条件会导致产水含盐量较高，并可能增加污染速度。校正措施包括增加段间加压泵或设计采用不同膜元件的系统。在这种混合设计时前段（第1段）使用特征水通量低的膜元件，后段采用特征水通量高的膜元件。这种混合设计没有

2、完全利用ESPA膜的节能性，但是提供更为均匀的通量分布，且改善产水质量。关键词：膜反渗透RO系统设计　介绍　　商业反渗透复合膜的评定指标为盐透过率及特征水通量。苦咸水脱盐用反渗透的发展方向为降低盐的透过率及提高特征水通量。在1995年初，一种新的用于处理苦咸水的芳香聚酰胺复合膜投入商业使用[1]，膜的性能取得了显著的提高。这种新的膜材料被命为ESPA，该膜具有非常高的特征水通量（0.24gfd/psi-nct）,大约是前一代芳香聚酰胺复合膜的两倍，同时保持低的盐透过率。这种新膜的标称脱盐率与传统的苦咸

3、水用芳香聚酰胺复合膜相似，为99%。较高的特征水通量使RO系统要求的给水压力更低，同时能耗也更低，但是为了完全发挥新技术的节能潜力，在某些进水含盐量、温度操作参数条件下，与使用传统膜元件的RO系统相比，必须对装有新型膜元件的RO系统设计作一些修改。　　RO工艺对给水压力的要求　　为了达到RO系统设计流量所需的给水压力与许多工艺参数有关，其中有一些是相互关联的。这些参数可分为3种基本类别。头两类分别为特定参数类和系统设计参数类。特定参数类包括给水含量和给水温度。系统设计参数类包括平均水通量，回收率和系统

4、压降。膜的特征水通量属于另一类别，是RO膜材料的内在特性。特征水通量常以单位压力下的产水量来表示，其定义为在RO系统中生产出给定的平均水通量所要求的净驱动压力（NDP）。在给定的设计条件和运行条件下，给水压力由设计平均水通量所要求的NDP决定。NDP与RO系统的平均水通量（APF）设计值和所选膜型的特征水通量（SPF）有下列关系式：　　NDF=APF/SPF(1)　　设计给水压力（Pf）等于设计平均水通量所需要的NDP、给水/浓水平均渗透压（P0）、RO系统的平均压降（Pd）和产水压力（Pp）之和：　

5、　Pf=NDP+P0+Pd+Pp(2)　　在公式（2）中，假设产品水渗透压可以忽略不计。因为对于目前的高脱盐率膜元件来说其产水含盐量大约是给水/浓水平均含盐量的1-2%；因此产品水渗透压可以忽略。根据公式（1）和（2）可以看出，NDP值和所要求的给水压力值直接与RO系统的设计平均水通量成正比，与所选膜类型的特征水通量成反比。在传统的RO系统中，随着给水/浓水侧渗透压增加和给水压力降低，NDP沿系统下降。给水压力下降主要是由于在膜元件给水通道中产生摩擦损失（压力降）所致。在这种涡卷式膜元件中压力降是平均

6、给水流量（Qfb）的函数，并与功率因子（b）和给定组件的特征常数（A）有关。　　　　Pd=A*（Qfb）b　　图1二段RO系统中的压力与膜元件位置的关系　　[操作条件]给水含盐量：1500ppm25℃；回收率：85%　　为了有效地利用系统中的膜面积，RO系统的给水压力应该足够高，从而保证在系统后部的膜元件（该部位渗透压最高）仍有足够的NDP。图1给出了一个二段RO系统的压力与膜元件位置的关系，该系统中每个压力容器装有7根膜元件，整个流程为14根膜元件。用于计算给水-浓水侧渗透压的参数是给水含盐量150

7、0ppm、给水温度25℃、系统回率85%、平均水通量为15gfd(24.8m2/hr)。传统膜（CPA2）和新型号膜（ESPA）所需的给水压力根据公式（1）-（3）计算，并以压力1277Kpa(185psi)和996Kpa（140psi）的两条平行的水平直线表示。使用ESPA膜元件的RO系统所要求的给水压力比用CPA2膜元件的RO系统所需要的给水压力低22%。但是如图1所示在装ESPA膜的系统中如按这些系数运行时，系统尾部位置的膜元件的NDP非常低且产水量也极低。图2和图3给出了沿RO系统流程中单个膜

8、组件的平均水通量。图2为使用CPA2膜元件的RO系统中水通量分布数据。水通量分布斜率随给水温度变化，温度越高曲线变得越陡。即使按照35℃的最高给水温度计算时，CPA2系统中的尾部膜元件仍有足够的产水量。对于使用ESPA膜元件的RO系统，在同样的设计条件下，产水通量的分布与使用CPA2膜元件的RO系统有明显不同，由于有较高的特征水通量，沿RO系统的产水量分布曲线会更陡，位于系统尾部的ESPA膜元件在给水温度为25℃以上时产水通量非常低（图3）　　　　图2C