反滲透處理技術原理及其應用

楊春雨

[摘要]本文介紹了反滲透技術的基本原理及應用現狀,根據反滲透的特點論述其發展趨勢。

[關鍵詞]反滲透 滲透膜 應用

反滲透技術自從上世紀五十年代末發展成為實用的化工單元操作以來,正不斷地拓展其應用領域和規模,早期主要是用于脫除海水和苦咸水中的鹽份,制備淡水;由于淡水資源的短缺,工業界對節水、節能、污染控制和廢水回用的需求日益增加,同時相對于蒸餾過程而言,膜法分離技術更有節能和不致產品過熱變質,因而成為高附加值物質濃縮分離的先進過程。

1 反滲透技術的基本原理

反滲透除鹽原理就是在有鹽份的水中(如原水),利用高壓泵將待處理水增壓后,使滲透向相反方向進行,借助半透膜的選擇截留作用來除去水中的無機離子,由于反滲透膜在高壓情況下,只允許水分子通過,而不允許鉀、鈉、鈣、鋅、病毒、細菌通過,所以它能獲得高質量的純水。

當水滲透通過膜后,大部分的鹽被留在鹽水側,因此鹽水側的溶液濃度變得越來越高。當難溶鹽類在膜元件內不斷被濃縮且超過其溶解度極限時,鹽水側的礦物質會析出而在膜上發生結垢。目前處于水源短缺或對環境影響考慮,設置反滲透濃水回收系統以提高回收率成為一種習慣做法,在這種情況下,實際應用中常常需要投加各類化學品以防止膜元件的污染和結垢。這些化學品本身不得對膜元件性能產生負面影響,但必須注意所投加的各類化學品之間是相互兼容匹配的,其投加濃度保持在適當的范圍內,否則將會引發災難性的結果。

2 反滲透膜的應用

2.1用于海水、苦堿水淡化

反滲透膜分離技術已被廣泛應用于海水淡化。反滲透膜法海水淡化工藝最高運轉壓力為5.6～7MPa,能耗為多段蒸發法的l/2～1/3,淡水水質好(反滲透膜對l價金屬離子的阻止率>99.4%,對2價金屬離子的阻止率為99.9%,總溶解固體量阻止率>99.6%)。在全世界海水淡化裝置中約有30%用反滲透方式來實現,用反滲透膜可脫去海水中99%以上的鹽離子。我國早在1968年起就在山東潮連島試用反滲透膜分離技術從海水制取飲用水。

2.2用于處理重金屬廢水

對于處理重金屬廢水,國內外均進行了廣泛研究。從20世紀70年代開始,反滲透已用于處理電鍍廢水,在具體工程中,反滲透法已大規模用于鍍鋅、鎳、鉻漂洗水和混合重金屬廢水的處理。據報道,用反滲透處理銅氰電鍍漂洗水已獲成功,截留率在99%以上。研究表明,反滲透法還可用于處理鍍銀漂洗水。

2.3用于純水、超純水制備

采用反滲透技術可制取各種符合要求水質的脫鹽水。通常以多級反滲透制取純度較高的脫鹽水,但此法水利用率較低。常用的脫鹽水制取工藝還有反滲透+離子交換技術,該技術在保證了水利用率的條件下大幅降低了酸堿消耗,防止二次污染,是目前水處理應用的一個新的方向。對水質要求較高的航天、電子等行業,采用反滲透+EDI(電滲析)技術可以滿足對產品水質的要求,目前此工藝在電力行業中也得到了越來越多地成功應用。

2.4用于食品、飲料制造

采用管式反滲透法濃縮脫脂奶,可將固形物含量從原來8.5%提高到27% ,固形物透過率只有0.15%～0.2%,該技術在國外已得到成功應用。反滲透用于果汁、果酒的濃縮,可保證維生素等營養成分不受破壞以及揮發質不損失,并保留其原有的風味。反滲透膜可以完全除去細菌和病毒,使產品不加任何防腐劑而延長儲存期,食用更加衛生可靠。但一般反滲透膜耐熱性為4O℃左右,不適宜用于熱水殺菌等工藝用途。

2.5用于氣體分離

氣體膜分離技術于上世紀七十年代末實現了工業化,一經推出就因其操作靈活、占地小、運行穩定、投資低、能耗低、見效快而受到用戶的歡迎。氣體膜首先應用于氫氣的分離,目前已在合成氨馳放氣回收、CO/H2比例調節、煉廠含氫尾氣氫回收以及氫氣的分離純化等方面得到了廣泛的應用。

此外,反滲透還可用于生物工程和醫藥提純以及氣體分離等領域。

3 反滲透膜的發展前景

反滲透膜分離技術是20世紀60年代發展起來的一門新的膜分離技術,作為分離領域的一個分支,具有廣闊的發展前景,由于其優良的分離性能,它的應用領域將越來越廣泛。今后反滲透的主要發展方向:①開發抗氧化性、抗酸堿性以及高透水性的新型膜材料;②開發具有低能耗、抗污染、耐高溫、高壓和特種分離等性能的反滲透膜組件;③反滲透膜組件與超濾、微濾、納濾、EDI等膜組件的組合應用;④新型氣體膜分離材料的研制。

由于反滲透工藝對水中的無機鹽、有機鹽、微生物、熱源、膠體等具有良好的去除效果,率先應用于航天工業的高技術反滲透系統已經顯示出其強大的商業價值和市場前景。有資料預測反滲透工藝將取代其它工藝成為適用于任何水源的首選水處理方案。

在水資源普遍匱乏的今天,對工業企業而言,如何提高水利用率以及降低水處理成本將是關系到企業以及社會利益的大問題,而新的水處理方法也在不斷地發展和成熟。在水處理中運用膜分離技術,可以避免離子交換法經常出現的諸如:由水質惡化引起的離子交換樹脂污染、穿透、再生周期縮短,出水水質惡化、用藥量增多等問題,同時降低了運行成本以及水處理成本,切實解決了目前所面臨的很多問題。

隨著社會、經濟的發展,膜法水處理技術將會在為人類提供安全、純凈、衛生的海水及苦咸水淡化、鍋爐補給水、工業純水及電子級超純水制備,飲用純凈水生產、廢水處理過程中發揮更重要的作用。

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