反渗透膜元件的性能（一)

第5章 反渗透

5.1 反渗透膜元件的性能 

5.1.1 什么是渗透及反渗透现象？ 

渗透现象是自然界中普遍存在的物理现象之一，生物体中的渗透现象是构成生命体系的重要环节， 而工业过程中的反渗透工艺具有着特定的内涵。 图5.1.1所示试验中，在开放式容器内放置隔膜，膜两侧分别放入浓度不等的盐溶液。当放置的隔膜为盐的全透膜时，根据物质的扩散规律，高浓度盐溶液中的盐分及低浓度溶液中的水分将透过隔膜分别向对方溶液扩散。当膜两侧溶液盐浓度相等时扩散过程结束，届时的膜两侧溶液液位相等。

当放置的隔膜为只透过溶剂水而不透过溶质盐的半透膜时，低浓度溶液中的溶剂水可透过膜体向高浓度盐溶液扩散，而高浓度溶液中的溶质盐向低浓度溶液的扩散趋势被半透膜阻断。半透膜对溶质盐扩散的阻断及对溶剂水扩散的传递的现象称为渗透。 渗透过程中不断增长的膜两侧水位差，形成了渗透过程的阻力；当位差阻力与扩散动力完全抵消时 达到渗透平衡。平衡状态下浓淡盐溶液两侧的水位差称为两侧盐溶液的渗透压差。低浓度溶液为纯水时，平衡状态下的水位差即为高浓度盐溶液的渗透压。 如在高浓度盐溶液侧施加一个低于渗透压的压力时，渗透过程将提前中止。施加压力增至渗透压差时，渗透现象不会发生。若施加压力高于渗透压差时，高浓度盐溶液中的水分将向低浓度盐溶液反向渗透，这一现象称为反渗透或逆渗透。 根据热力学理论，低含盐量水体的渗透压与水体温度成正比，且与水体中各离子的摩尔浓度之和成正比： π=RT∑ci式中，π为溶液的渗透压，kPa；ci为溶质中离子i的摩尔浓度，mol/L；T为热力学温度，k；R为气体常数，8.308kPa·L/（mol·K）。 对盐分具有100%截留效率且水分可以瞬时透过的半透膜为理想半透膜。现实世界中的半透膜均为非理想半透膜，即对盐分具有很高的截留效率但尚存一定的透过率，虽然水分可以透过但透过速率存在一定限制。 

5.1.2 什么是卷式反渗透膜元件？ 

反渗透膜元件具有中空、管式及卷式等多种形式，目前流行主要是卷式膜元件（见图5.1.2）。卷式膜主要是由板式膜、淡水隔网、给水隔网、中心管及封装材料构成。板式膜由无纺布基层、超滤输水层及聚酰胺复合膜层的三层结构组成，将复合膜层向外的两张板式膜与中间一张淡水隔网粘接成膜袋，再将间隔给水隔网的数个膜袋卷制在有导水孔的中心管上，最后加以玻璃钢封装即形成卷式膜元件。 膜元件工作时，给水从元件轴向的给水隔网间隙进入元件体内，并轴向穿过给水隔网间隙以浓水形式排出元件体外；在给水压力作用下，淡水径向穿过板式膜，经由淡水隔网导入中心管并于元件两侧排出。卷式膜元件工作时，流入给水、流出浓水与淡水，且形成了典型错流的径流工艺形式。

任何规格的卷式膜元件均无法独立形成工作单元，反渗透膜的独立工作单元是将单个或多个卷式膜 元件串联装入一个膜外壳而形成的膜组件。膜外壳也称为压力容器。多个膜组件的串并联结构即称 为膜堆，给水泵、膜元件、膜外壳、管路、阀门、仪表、电控等设备即可构成一个完整的膜系统。 

5.1.3 什么是反渗透膜过程的基本规律？ 

工业过程中使用的半透膜为非理想半透膜，或称为反渗透膜。在图5.1.1所示的非理想半透膜的反渗透过程中，溶质（盐）与溶剂（水）的通量遵循下列规律：

式中，Q_p为透过膜的水通量，L/（m²·h）；Q_s为透过膜的盐通量，mg/（m²·h）；A为膜的水 透过因子，L/（m²·h·Pa）；B为膜的盐透过因子，L/（m²·h）；p_f为膜给水侧的水体压力， Pa；p_p为膜透水侧的水体压力，Pa；π_f为膜给水侧水体渗透压，Pa；-π_p为膜透水侧水体渗透 压，Pa；c_f为膜给水侧的盐浓度，mg/L；c_p为膜透水侧的盐浓度，mg/L。Q_p的公式表明，膜的透水通量正比于膜两侧水力压差与渗透压差的差值，该差值称为纯驱动压 （NDP），即NDP=（p_f-p_p）-（π_f-π_p）。Q_s的公式表明膜的透盐通量正比于膜两侧盐浓度差值。两式中的A、B为受膜材质、膜结构、给水及运行条件等其他因素影响的水透过因子与盐透过因子。 这里Q_p与Q_s的表达式反映的是反渗透过程的基本规律，也是分析反渗透过程中各种现象的基本关系。式（5.1.3-1）及式（5.1.3-2）中膜的水透过因子及膜的盐透过因子表征为常数仅为简化函数关系，实际上两因子受到诸多因素的影响。首先，因子A与纯驱动压呈非线性关系，且因子B与浓度差呈非线性关系。其次，因子A与给水含盐量相关，因子B与水通量相关。特别是两因子均为水体温度的函数，温度越高，因子A与因子B的数值越高。 

5.1.4 浓差极化对反渗透膜过程的影响是什么？ 

由于反渗透膜对盐分的截留率很高，反渗透膜面上高浓度的盐分堆积必然造成难溶盐的饱和析出， 加之难溶盐结晶成垢的清洗困难，反渗透膜过程不可以采用并流过滤运行模式，而只能采用错流过滤模式。采用错流运行模式时，尽管大量的盐分随浓水排出系统，仍将在膜表面形成一定程度的高盐浓度层，即形成浓差极化现象。图5.1.4所示曲线示出膜元件中浓差极化度与浓淡水流量比（即错 流程度）之间的关系曲线。 当计及浓差极化现象时，反渗透膜的水通量与盐通量均受到膜表面盐浓度提高的影响而产生一定程度的变化。届时，膜过程的透水通量与透盐通量将遵循以下规律：

值得指出的是，式（5.1.3）与式（5.1.4）描述的是反渗透膜系统流程中某截面微元内盐通量与水通量的基本解析关系，而并非反映一个膜系统或一个膜元件的运行规律。