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反滲透是60年代發(fā)展起來的一項(xiàng)新的膜分離技術(shù),是依靠反滲透膜在壓力下使溶液中的溶劑與溶質(zhì)進(jìn)行分離的過程。反滲透的英文全名是"REVERSE OSMOSIS",縮寫為"RO"。

RO(Reverse Osmosis)反滲透技術(shù)是利用滲透壓力差為動(dòng)力的膜分離過濾技術(shù),源于美國(guó)二十世紀(jì)六十年代宇航科技的研究,后逐漸轉(zhuǎn)化為民用,已廣泛運(yùn)用于科研、醫(yī)藥、食品、飲料、海水淡化等領(lǐng)域。

RO反滲透膜孔徑小至納米級(jí)(1納米=10*-9米),在一定的壓力下,水分子可以通過RO膜,而源水中的無機(jī)鹽、重金屬離子、有機(jī)物、膠體、細(xì)菌、病毒等雜質(zhì)無法通過RO膜,從而使可以透過的純水和無法透過的濃縮水嚴(yán)格區(qū)分開來。

1950年美國(guó)科學(xué)家DR.S.Sourirajan有一回?zé)o意發(fā)現(xiàn)海鷗在海上飛行時(shí)從海面啜起一大口海水,隔了幾秒后,吐出一小口的海水,而產(chǎn)生疑問,因?yàn)殛懙厣嫌煞魏粑�的�?dòng)物是絕對(duì)無法飲用高鹽份的海水的。經(jīng)過解剖發(fā)現(xiàn)海鷗體內(nèi)有一層薄膜,該薄膜非常精密,海水經(jīng)由海鷗吸入體內(nèi)后加壓,再經(jīng)由壓力作用將水分子貫穿滲透過薄膜轉(zhuǎn)化為淡水,而含有雜質(zhì)及高濃縮鹽份的海水則吐出嘴外,此即往后反滲透法的基本理論架構(gòu),并在1953年由University of Florida應(yīng)用于海水淡化去除鹽份設(shè)備,在1960年經(jīng)美國(guó)聯(lián)邦政府專案資助美國(guó)U.C.L.A大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授Dr.S.Sidney Lode配合DR.S.Soirirajan博士著手研究反滲透膜,一年約投入四億美元經(jīng)費(fèi)研究,以運(yùn)用于太空人使用,使太空船不用運(yùn)載大量的飲用水升空,直到1960年投入研究工作的學(xué)者、專家越來越多,使之質(zhì)與量更加精進(jìn),從而解決了人類飲用水中的難題。

要了解反滲透,首先要了解"滲透"的概念。

滲透是一種物理現(xiàn)象。當(dāng)兩種含有不同鹽類的水,如用一張半滲透性的薄膜分開就會(huì)發(fā)現(xiàn),含鹽量少的一邊的水分會(huì)透過膜滲到含鹽量高的水中,而所含的鹽分并不滲透,這樣,逐漸把兩邊的含鹽濃度融合到均等為止,這一過程稱為滲透。然而,要完成這一過程需要很長(zhǎng)時(shí)間。但如果在含鹽量高的水側(cè),施加一個(gè)壓力,其結(jié)果也可以使上述滲透停止,這時(shí)的壓力稱為滲透壓力。如果壓力再加大,可以使方向向反方向滲透,而鹽分剩下。因此,反滲透除鹽原理,就是在有鹽分的水中(如原水),施以比自然滲透壓力更大的壓力,使?jié)B透向相反方向進(jìn)行,把原水中的水分子壓力到膜的另一邊,變成潔凈的水,從而達(dá)到除去水中雜質(zhì)、鹽分的目的。

反滲透又稱逆滲透,一種以壓力差為推動(dòng)力,從溶液中分離出溶劑的膜分離操作。對(duì)膜一側(cè)的料液施加壓力,當(dāng)壓力超過它的滲透壓時(shí),溶劑會(huì)逆著自然滲透的方向作反向滲透。從而在膜的低壓側(cè)得到透過的溶劑,即滲透液;高壓側(cè)得到濃縮的溶液,即濃縮液。若用反滲透處理海水,在膜的低壓側(cè)得到淡水,在高壓側(cè)得到鹵水。

反滲透時(shí),溶劑的滲透速率即液流能量N為:N=Kh(Δp-Δπ) (式中Kh為水力滲透系數(shù),隨溫度升高稍有增大;Δp為膜兩側(cè)的靜壓差;Δπ為膜兩側(cè)溶液的滲透壓差)。稀溶液的滲透壓π為:π=iCRT(式中i為溶質(zhì)分子電離生成的離子數(shù);C為溶質(zhì)的摩爾濃度;R為摩爾氣體常數(shù);T為絕對(duì)溫度。)

反滲透通常使用非對(duì)稱膜和復(fù)合膜,所用的設(shè)備主要是中空纖維式或卷式的膜分離設(shè)備。反滲透膜能截留水中的各種無機(jī)離子、膠體物質(zhì)和大分子 溶質(zhì),從而取得凈制的水。也可用于大分子有機(jī)物溶液的預(yù)濃縮。由于反滲透過程簡(jiǎn)單,能耗低,近20年來得到迅速發(fā)展。現(xiàn)已大規(guī)模應(yīng)用于海水和苦咸水(見鹵水)淡化、鍋爐用水軟化和廢水處理,并與離子交換結(jié)合制取高純水,其應(yīng)用范圍正在擴(kuò)大,已開始用于乳品、果汁的濃縮以及生化和生物制劑的分離和濃縮方面。

反滲透機(jī)理模型有幾個(gè)經(jīng)典模型

1、先吸附毛細(xì)孔模型:弱點(diǎn)干態(tài)電鏡下,沒發(fā)現(xiàn)孔。濕態(tài)膜標(biāo)本不是電鏡的樣品。由Sourirajan提出。

2、溶解擴(kuò)散模型:不認(rèn)為有孔。

3、干閉濕開模型:上個(gè)世紀(jì)80,90年代,鄧宇等提出的,能夠解釋1和2模型的統(tǒng)一的現(xiàn)代最貼切的逆滲透機(jī)理模型。既"干閉濕開"反滲透模型,統(tǒng)一了兩個(gè)最經(jīng)典的反滲透機(jī)制模型,細(xì)孔模型,溶解擴(kuò)散模型。即

膜干時(shí),膜收縮致密,孔隙閉合,電鏡下看不到;

膜濕時(shí),膜材料溶脹,膜的孔隙被溶劑溶脹,孔打開。合并就是"干閉濕開"脫鹽模型。

參考資料:海水淡化技術(shù):非加壓吸附滲透海水淡化法。上個(gè)世紀(jì)90年代鄧宇的發(fā)明,《美國(guó)化學(xué)文摘》收錄。

RO膜的孔徑是頭發(fā)絲的一百萬分之五(0.0001微米),也就是1×10^-10m,而水分子的直徑是4×10^-10m ,試問水分子如何透過?

RO (干)膜的孔徑=1×10^-10m,應(yīng)該是"干膜"的孔徑。膜分子結(jié)構(gòu)是有彈性的,當(dāng)"干RO膜"被水溶脹后,其"濕膜"的孔徑>≥1×10^-10m,達(dá)到水分子的4×10^-10m是容易的,況且水分子也不是死硬的,是柔性的,正好似"柔情似水"。

為了提高清洗效果,清洗前需要對(duì)膜污染的狀況進(jìn)行分析,確定污染物的種類,根據(jù)反滲透膜污染、結(jié)垢的具體情況,選擇有針對(duì)性的清洗劑進(jìn)行清洗。

一、分析途徑

1、分析系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)。

2、分析給水中潛在的污染、結(jié)垢成分。

3、分析SDI儀的膜過濾器收集的污染物。

4、分析濾芯過濾器的污染物。

5、檢查管道內(nèi)表面和膜元件兩端的狀況。

6、必要時(shí)剖開膜元件進(jìn)行分析,查找污染、結(jié)垢成分。

二、分析方法

RO膜污染嚴(yán)重時(shí),可通過染色試驗(yàn)、顯微鏡分析、傅立葉變換紅外線光譜(FTIR)分析、掃描電子顯微鏡(SEM)分析、能源頻射X光線(EDX)分析等查找原因判斷故障位置。實(shí)際應(yīng)用中常采用以下簡(jiǎn)便易行的分析方法。

目測(cè)

在確定系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)生污染,需要實(shí)施化學(xué)清洗時(shí),最好先打開壓力容器端板,直接觀察污染物在壓力容器端板與膜元件之間的間隙內(nèi)累積的情況。一般根據(jù)直接觀察即可基本確定污染物的類型,從而確定相應(yīng)的清洗方案。

①前段污染觀察

預(yù)處理濾料(石英砂、活性炭)泄漏、膠體污染、有機(jī)物污染和生物污染時(shí),前端最嚴(yán)重,可以從前端膜元件入口觀察到顆粒物及粘液狀污染;發(fā)生生物污染時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)腥臭味粘液物質(zhì),灼燒刮取的生物粘泥(粘膜),會(huì)有蛋白質(zhì)的焦臭氣味。

②末端污染觀察

無機(jī)鹽結(jié)垢在系統(tǒng)末端最為嚴(yán)重,在末端膜元件端頭處可以摸到粗糙的粉狀物。用鹽酸(pH3~4)溶解時(shí)有氣體冒出,說明沉淀物極可能是CaCO3。硫酸鹽垢、硅垢在pH很低時(shí)也很難溶解。如果垢在0.1mol/LHF溶液中是可溶的,則可能是硅垢。

RO膜,是Reverse Osmosis membrane 的縮寫,中文意思是:逆滲透或者反滲透,滲透是水的一種物理現(xiàn)象。由于水存在濃度的差異,而水的滲透方式是由低濃度流向高濃度,反滲透,顧名思義即水一旦加壓之后,將由高濃度流向低濃度,亦即所謂逆滲透原理。

逆滲透凈水機(jī)就是在高濃度水的一邊加壓,使水份從高濃度穿過RO膜迫往低濃度的一邊,從而達(dá)到把水凈化的目的。由于RO膜的孔徑是頭發(fā)絲的一百萬分之五( 0.0001 微米) , 一般肉眼無法看到,細(xì)菌、病毒是它的5000倍,因此,只有水分子及部分有益人體的礦物離子能夠通過,其它雜質(zhì)及重金屬均由廢水管排出,所有海水淡化的過程,以及太空人廢水回收處理均采用此方法,因此 RO 膜又稱體外的高科技人工腎臟。

RO膜民用方面最多是用于純水機(jī)方面,作為純水機(jī)凈化的過濾裝置之一,在自來水到凈水的過濾中起了最核心的作用。RO膜能夠有效的去除水中鈣、鎂、細(xì)菌、有機(jī)物、無機(jī)物、金屬離子和放射性物質(zhì)等,經(jīng)過該裝置凈化出的水晶瑩清澈、甜美甘醇。該裝置適用于家庭和賓館、酒店、醫(yī)院等企事業(yè)單位飲用凈水使用。

清洗RO膜元件的一般步驟:

一、用泵將干凈、無游離氯的反滲透產(chǎn)品水從清洗箱(或相應(yīng)水源)打入壓力容器中并排放幾分鐘。

二、用干凈的產(chǎn)品水在清洗箱中配制清洗液(不同的膜需不同的清洗液)。

三、將清洗液在壓力容器中循環(huán)1小時(shí)或預(yù)先設(shè)定的時(shí)間。

四、清洗完成以后,排凈清洗箱并進(jìn)行沖洗,然后向清洗箱中充滿干凈的產(chǎn)品水以備下一步?jīng)_洗。

五、用泵將干凈、無游離氯的產(chǎn)品水從清洗箱(或相應(yīng)水源)打入壓力容器中并排放幾分鐘。

六、在沖洗反滲透系統(tǒng)后,在產(chǎn)品水排放閥打開狀態(tài)下運(yùn)行反滲透系統(tǒng),直到產(chǎn)品水清潔、無泡沫或無清洗劑(通常15~30分鐘)。

反滲透純凈水設(shè)備膜元件在裝入壓力容器前,不要打開密封包裝,在陰涼干燥處存放,避免陽光直射。

不可受凍結(jié)冰。

ge純水機(jī)在安裝膜元件前,應(yīng)保證系統(tǒng)已經(jīng)完成清潔工作。

膜元件在裝入系統(tǒng)時(shí),要適當(dāng)潤(rùn)滑o型圈和濃水密封圈,可使用硅基膠或50%甘油水溶液,禁止使

用油、油脂、凡士林或石油類化合物。

在將膜元件逐一裝入壓力容器時(shí),在壓力容器端板處通過加入墊圈的方法消除間隙,以防止在系統(tǒng)

啟動(dòng)和停機(jī)時(shí)膜元件在壓力容器中躥動(dòng),同時(shí)可降低膜元件外連接處滲漏的可能性。

新系統(tǒng)在安裝膜元件后要進(jìn)行徹底沖洗,將系統(tǒng)中殘留的雜質(zhì)、溶劑和保護(hù)液完全清洗干凈。

產(chǎn)水用于飲用時(shí),需至少?zèng)_洗24小時(shí)。

系統(tǒng)的啟動(dòng)與運(yùn)行

在系統(tǒng)啟動(dòng)之前,濃水閥門應(yīng)保持完全開啟。系統(tǒng)啟動(dòng)后可逐漸緩慢關(guān)閉濃水閥門,使系統(tǒng)達(dá)到設(shè)定的回收率。濃水閥關(guān)閉時(shí)嚴(yán)禁啟動(dòng)設(shè)備。

在系統(tǒng)運(yùn)行期間,任何時(shí)候(包括系統(tǒng)的預(yù)啟動(dòng)、常規(guī)操作、沖洗及化學(xué)清洗)都不可關(guān)閉產(chǎn)水管路上的閥門。

在高壓運(yùn)行之前,通過軟啟動(dòng)機(jī)構(gòu)或變頻調(diào)速進(jìn)行低壓沖洗以排出空氣。

保證給水濁度<1.0 NTU或SDI15<5,給水溫度<45℃,進(jìn)水中不含可能對(duì)膜造成物理及化學(xué)損傷的有害物質(zhì)。

任何時(shí)候膜元件進(jìn)水中的余氯含量不得超過0.05mg/L,否則將會(huì)導(dǎo)致膜元件不可恢復(fù)的氧化損壞。

在正常運(yùn)行一段時(shí)間后,膜元件會(huì)受到給水中可能存在的懸浮物或難溶物的污染。在標(biāo)準(zhǔn)條件下系統(tǒng)性能下降10%,或顯然發(fā)生結(jié)垢或污堵時(shí),應(yīng)及時(shí)進(jìn)行清洗。定期地進(jìn)行水沖洗和化學(xué)加藥清洗可恢復(fù)膜元件的性能,延長(zhǎng)膜元件的使用壽命。

系統(tǒng)在短期停止運(yùn)行期間,應(yīng)每隔5天沖洗系統(tǒng),沖洗后關(guān)閉閥門防止結(jié)垢堵塞。

系統(tǒng)長(zhǎng)期停運(yùn)(30天以上),添加1%亞硫酸氫鈉溶液,以防止細(xì)菌繁殖。