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套标机新闻
饮料生产中中的RO反渗透技术
发布时间:2017-12-29 12:43:37

反渗透发展史:
人类发现渗透现象至今已有200多年的历史,通常认为1748年Abbe Nollet发表的通过动物膜的试验为始点,之后,Vant Hoff建立了稀浓液的完整理论。J.W.Gibbs提供了认识渗透压及它与其他热力学性能关系的理论。
1953年,C.E.Reid建议美国内务部,把反渗透的研究纳入国家计划。
1956年,S.T.Yuster提出从膜表面撇出所吸附的纯水作为脱盐过程的可能性。
1960年,S.Loeb和S.Sourirajan制得了世界上第一张高脱盐率、高通量的不对称乙酸纤维素反渗透膜。
1970年,美国Du Pont公司推出由芳香族聚酰胺中空纤维制成的渗透器,与此同时Dow和东洋纺公司先后开发出三乙酸纤维素中空纤维反渗透器,UOP公司成功推出卷式反渗透元件。
1980年,Filmtec公司推出性能优异、实用的FT-30复合膜,80年代末高脱盐率的全芳香聚酰胺复合膜工业化。90年代中,超低压高脱盐全芳香聚酰胺复合膜开发进入市场。
反渗透的基本原理——渗透
在只透过溶剂而不透过溶质的膜称为理想半透膜。当把溶剂和溶液(或两种不同浓度的溶液)分置于此膜的两侧时,溶剂将自发地穿过半透膜向溶液(或从低浓度向高浓度溶液)侧流动,这种自然现象叫做渗透(Osmosis),如果上述过程中溶剂是纯水,溶质是盐份,当用理想半透膜将它们分离开时,纯水侧的水会自发地通过半透膜流入盐水侧,此过程如下图所示:
      

纯水侧的水流入盐水侧,浓水侧的液位上升,当上升到一定高度后,水通过膜的
净流量等于零,此时该过程达到平衡,与该液位高度对应的压力称为渗透压(Osmotic pressure),该过程如上右图所示一般来说渗透压的大小,取决于溶液的种类、
浓度和温度,而与半透膜本身无关,通常可用下式来计算渗透压:
=CRT—渗透压,大气压
C—浓度差,摩尔/升
R—气体常数,等于0.08206升*大气压/摩尔
T—绝对温度
上式是应用热力学公式推导出来的,因此只对稀溶液才是准确的。C为水中离子浓度,若为非电解质则为分子的浓度。
当在膜的盐水侧施加一个大于渗透压的压力时,水的流向就会逆转,此时盐水中的水将流入纯水侧,这种现象叫反渗透(Reverse Osmosis,简称RO),该过程如下图所示:

膜性能表示法
 通常所说的膜性能是指膜的化学稳定性和膜的分离透过特性。膜的物化稳定性的主要指标有:膜材料、膜允许使用的最高压力、温度范围、适用的PH值范围以及对有机溶剂等化学药品的抵抗性,有时尚需说明对某些物质,如水中游离氯或氧化性物质的最高允许浓度。膜的分离透过性的主要指标是:脱盐率、产水率、流量衰减系数。
对于一张给定的膜,我们可以推导出产水量及盐透过量的计算公式:
Qw=Kw(ΔP+Δπ)A/T
式中:Qw—产水量
Kw—系数
ΔP—膜两侧的压差
Δπ—渗透压    
A —膜面积
T —膜厚度 
 Kw与膜性质及水温有关,Kw越大,说明膜的透水性能越好。
Qs=Ks*ΔC*A/T
式中:Qs—盐透过量
 Ks—系数
Δc—膜两侧盐浓度差
A —膜面积
T —膜厚度 
 Ks与膜性质、盐的种类及水温有关,Ks越大,说明膜的脱盐性能越好。
从以上两式可以看出,对膜来说Kw大Ks小则膜质量较好。相同面积和厚度的产水量与净驱动压力成正比,盐透过量只与膜两侧溶液浓度成正比,而与压力无关。
反渗透脱盐机理——溶解扩散模型
该模型假设膜是完美无缺的理想膜,高压侧浓溶液中各组分先溶于膜中,再以分子扩散方式通过膜,最后在低压侧进入稀溶液,任意组分(水或盐)的通量主要取决于化学位梯度,水和盐传质的推动力有两部分:浓度梯度和压力梯度。该模型基本上可定量地描述水和盐透过膜的传递,但推导中的一些假设并不符合真实情况,另外传递过程中水、盐和膜之间相互作用也没有考虑。
反渗透脱盐机理——优先吸附-毛细空流动模型
溶液界面张力和溶质(活度)在界面的吸附Gibbs方程,预示了在界面处存在着急剧的浓度梯度,也就是说在膜的表面形成水分子薄层,在外力的作用下,优先通过反渗透膜。
反渗透脱盐机理——形成氢键模型
  膜的表面很致密,其上有大量的活化点,键合一定数目的结合水,这种水已失去溶剂化能力,盐水中的盐不溶于其中。进料中的水分子在压力下可与膜上的活化点形成氢键而缔合,使该活化点上其他结合水解缔下来,该解缔的结合水又与下面的活化点缔合,使该点原有的结合水解缔下来,此过程不断地从膜面向下层进行,就是以这种顺序型扩散,水分子从膜面进入膜内,最后从底层解脱下来成为产品水。而盐是通过高分子链间空穴,以空穴型扩散,从膜面逐渐到产品水中的,但该模型缺乏更多的关于传质的定量描述。
反渗透脱盐机理——Donnan平衡模型
膜为固定负电荷型,据电中性原理及膜和溶液中离子化学位平衡,一般认为借助于排斥同离子的能力,荷电膜可用于脱盐,一般只有稀溶液,在压力下通过荷电膜时,有较明显的脱盐作用,随着浓度的增加,脱盐率迅速下降。二价同离子的脱除比单价同离子好,单价同离子的脱除比二价反离子的好。该理论以Donnan平衡为基础来说明荷电膜的脱盐,但Donnan平衡是平衡状态,而对于在压力下透过荷电膜的传质,还不能从膜、进料及传质过程等多方面来定量描述。
反渗透脱盐机理——其他分离模型
除上述模型,许多学者还提出不小另外的模型,如脱盐中心模型,表面力-孔流模型,有机溶质脱盐机理等。
反渗透膜的种类
反渗透膜的种类多,分类方法也很多,但大体上可按膜材料的化学组成和膜材料的物理结构外型结构及来区分。按膜材料的化学组成大致可分为:醋酸纤维膜、芳香聚酰胺膜等。按膜材料的物理结构大致可分为:非对称膜、复合膜等
按外型结构大致可分为:管式、平板式、中空纤维式及涡管式
按膜元件结构种类概述
在反渗透技术刚起步时,主要采用管式和平板式膜元件。但这两种膜元件初始投资高、膜的填充密度低,因此常用于高污染给水处理。卷式膜元件是把两层膜背对背粘结成膜袋,之后将多个膜袋卷绕到多孔产水管上形成的。该膜元件组成的系统投资低、耗电省,它是工业系统中应用普遍的膜元件。其研制发展速度快,单个膜元件的脱盐率高达99.7%。

中空纤维膜元件组成的反渗透系统有填充密度高的特点,因而要求其对给水进行更严格的预处理,以减少污堵的可能性。


四种结构膜元件的特点比较:
系统费用: 管式、平板式 >中空纤维式、涡卷式
设计灵活性: 涡卷式>中空纤维式>平板式>管
清洗方便性: 平板式>管式>涡卷式>中空纤维式
系统占地面积: 管式>平板式>涡卷式>中空纤维式
污堵可能性: 中空纤维式>涡卷式>平板式>管式
耗        能: 管式>平板式>中空纤维式>涡卷式
反渗透膜元件构造

反渗透装置图


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