反渗透膜在生活用水净化中的应用_反渗透膜的应用

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反渗透膜在生活用水净化中的应用

摘要：

反渗透膜过滤技术是一种高效、低能和易操作的液体分离技术，同传统的水处理方法相比具有处理效果好，可实现海水淡化、废水的循环利用和对有用物质回收等优点.本文基于中空纤维反渗透膜技术的发展，研究其在生活用水净化中的应用现状，介绍了反渗透膜在纯水制备、废水处理、水净化等方面的应用，讨论了反渗透膜的研究方向和发展前景.关键字：反渗透膜；纯水生产；废水处理：水净化

反渗透膜是以膜两侧静压差为推动力而实现对液体混合物分离的选择性分离膜，其操作压力一般为1.5~10.5MPa，反渗透膜只能通过溶剂（通常是水）而截留离子或小分子物质.20 世纪 60 年代，lobe和 sourirajan采用相转化法制备出第一张不对称醋酸纤维素膜之后，反渗透膜技术才有了突破性的进展[1].反渗透膜的第二次突破是以界面聚合法制备高通量薄层复合膜的出现[2-4].中空纤维分离膜具有自支撑结构，组件制备工艺简单，放大效应小，在单位体积内可提供更大的膜面积[5]，堆积密度比管式膜大，预处理和维护比卷式膜更为简单[6].但国内外对中空纤维反渗透膜的研究仍处在实验研究阶段，目前还没有商品化的中空纤维反渗透膜膜组件，市场上的反渗透膜大多是以界面聚合法制备的全芳香聚酰胺管式或卷式膜.日东电工集团/美国海德能公司已联合推出增强型的污染卷式反渗透复合膜-PROC10 和低压高脱盐卷式反渗透复合膜-CPA 已在纯水制备、废水处理等方面得到广泛应用.本文对反渗透膜在、纯水生产、废水处理及水净化等领域的应用进行综述。

水是人们赖以生存和进行生产活动必不可少的物质条件。由于淡水资源日益缺乏, 世界上反渗透水处理装置的能力已达到每天数百万吨。现在采用反渗透膜淡化海水制取饮用水已成为最经济的手段[7], 每吨水耗电在 5 kW·h 以下,最大的装置处理能力达 2.0×105 m3/d,同样它也是苦咸水淡化最经济的方法, 每吨水耗电在0.5~3 kW·h, 最大的装置处理能力达 1.3×105 m3/d。2000 年, 在国家科技部重点科技攻关项目“日产千吨级反渗透海水淡化系统及工程技术开发”的支持下,1000 t/d 级的反渗透海水淡化示范工程先后在山东长岛、浙江嵊泗建成 [8]。纯水生产

纯水在人们的日常生活和工业生产中的重要作用日益突出，饮用纯水的品质已成为影响人们的生活水平及健康状况的重要因素；另外，对烧碱及制药工业来说，水质的好坏也直接影响到产品质量.1.1 饮用水生产世纪 80 年代欧美国家已将反渗透膜广泛应用于生活用水的净化处理，20 世纪 90 年代后期我国也开始大规模使用反渗透膜技术.巴西南部的某超纯水 生产厂，利用膜总面积为 28 000 m2反渗透系统生产超纯水，产水电导率为 0.3 μS/cm，反渗透膜的水通量为 650 m3/h[9].咸阳国际机场供水是含铬及氟苦咸水，水质较差，不宜饮用，尚天宠采用反渗透装置对其进行净化、淡化处理后成为符合国家生活饮用卫生标准和世界卫生组织饮水水质准则的优质水[10].1.2 工业用水生产

在工业用水方面，反渗透膜分离技术主要用来脱盐、脱色和除杂.张菊青等[11] 采用反渗透膜技术制取的高纯水质量完全达到了烧碱工艺用水要求，反渗透膜 采用美国海德能公司生产的 CPA3-LD 系列超低压卷式复合膜组件（RO 组件），单支膜组件标准产水量为41.6 m3/d，标准截留率为 99.7%.氯碱工业水中的 Ca 2+、Mg2+等离子严重影响产品的质量，因此为得到高纯度的氯化钠必须将其除去.Madaeni 等人用不同的商品反渗透膜（FT30，PVD，DOW-PS）对氯碱工业用水进行处理[12]，研究结果表明，PVD 膜具有较高的钙镁离子脱除率，同时对氯化钠的截留率较低.1.3 制药用水生产

反渗透作为一种新型的膜分离技术，已广泛应用于制药行业.浙江大东吴集团红延药业有限公司根据其工艺用水特点[13]，选用美国海德能公司的超低压聚酰胺复合膜，采用二级反渗透法制取医药纯水.红延药业有限公司所处的浙江省湖州市自来水水质浊度低，电导率在 300 μS/cm 左右，硬度（以 CaCO3计）约140 mg/L，经反渗透处理后，出水电导率在 0.52~1.92μS/cm，水通量可达 2.3 m3/h，二级反渗透回收率达到80%，满足了制药工艺要求.M Belkacema 等[14]采用BW30LE-440 管式聚酰胺反渗透膜处理阿尔及尔的地下水作为制药用水，每支反渗透膜的有限面积为 35m2.原水经过沉淀、消毒、砂滤等预处理，浊度由 0.46 NTU 降至 0 NTU，产水电导率为 1 700 μS/cm.预处理水经过反渗透膜处理后，电导率由 1 700 μS/cm 降至15 μS/cm，再经去离子处理后，电导率降至 0.59 μS/cm，满足制药用水标准.废水处理

反渗透膜在废水处理方面主要应用于电厂循环排放污水处理、印染废水处理、重金属废水处理及矿场酸性废水处理、垃圾渗滤液处理及城市污水处理.2.1 电厂循环排放污水处理

电厂循环冷却水系统消耗水量大，占到纯火力发电厂用水的 80%，占热电厂用水的 50%以上，如果使其直接排放，不仅会污染环境，也会造成能源的浪费.对循环排放水进行回收处理，产品水作为循环补充水或锅炉补给水系统的水源，既不会对环境造成污染，也可以节约能源.北京京丰天然气燃机联合循环电厂[15]，选用荷兰诺芮特公司生产的 SXL-225FSFC0.8 mm 中空纤维超滤膜元件和陶氏公司生产的 BW30-400-FR聚酰胺复合反渗透膜对电厂循环排污水进行处理.超滤反渗透系统从 2004 年 10 月投运以来的各种分析数据显示，超滤出水水质完全满足反渗透进水要求，产水浊度小于 0.02 NTU，产水密度污染指数（SDI）小于 0.7；反渗透系统一直运行良好，截留率 97%，产水量 68 m3/h，产水电导小于 40 μS/cm，回收率大于 60%.2.2 印染废水处理

印染废水具有高 COD、高色度、高盐度等特点，传统的处理技术已经较难达到排放要求[16].印染行业用水量大，随着水资源日益短缺和水费不断上涨，废水回用技术正在逐步推广，反渗透膜不仅可有效去除有机物、降低 COD，且具有很好的脱盐效果，使得脱除COD、脱色、脱盐能在一步完成[17]，其出水品质高，能直接回用于印染环节，同时浓水可回流至常规工序处理，实现废水零排放和清洁生产.曾杭成等[18]采用超滤和反渗透双膜技术处理实际印染废水，研究结果表明，反渗透产水可达到城市工业用水回用标准，也可回用于大部分印染工序.反渗透膜的产水化学耗氧量（COD）均小于 10 mg/L，电导率小于 80 μS/cm，其对有机物和无机盐的去除率分别可达 99%和 93%以上.2.3 重金属废水处理

用反渗透技术处理含重金属的废水不需投加药剂，能耗低，设备紧凑，易实现自动化，且不改变溶液的物理化学性质.Mohsen-Niaa 等[19]采用 CSM 公司生产的 RE2012-100 反渗透膜（截留率 96%），可以有效脱除废水中的 Cu2 + 和 Ni2 +离子，通过加入螯合剂Na2EDTA，对 Cu2+和 Ni2+离子截留率可以达到 99.5%.铬是皮革工业最常用和有效的化学试剂，但是铬是具有高毒性的重金属，因此必须除去.传统的沉淀法可以将制革废水的三价铬含量由 2 700~5 500 mg/L 降至30 mg/L 左右，但是不能满足环境排放标准（液体工业：总铬 0.5~2.5 mg/L，六价铬 0.1 mg/L；饮用水：总铬10 μg/L）.Covarrubias 等[20]利用 FAU 陶瓷反渗透膜处理制革废水，对制革废水中三价铬的去除率大于 95%.Bodalo[21]用 6 种反渗透膜对皮革工业的废水进行处理，结果表明，反渗透膜可以有效地脱除皮革工业废水中的铬和有机物.2.4 矿场酸性废水处理

由于强烈的化学和生物氧化作用，当降水或地下涌水流经采矿场及废石场后，产生大量含 Cu2+、Fe2+、Fe3+及其它金属离子的酸性废水.目前常用的矿山酸性废水治理方法有中和法、萃取法、人工湿地、微生物法以及膜处理方法等 [22].通过反渗透法处理矿山酸性废水，不仅可以实现废水达标排放，还能有效富集废水中的金属资源.陈明等[23]用反渗透工艺处理金铜矿山酸性废水，结果表明，通过两段反渗透处理，水回收率可达 36.79%，透过液可达到排放标准，浓缩液用硫化沉淀浮选法处理，得到含铜量为 26.3%的铜渣，铜回收率可达 74%.2.5 垃圾渗滤液处理

城市垃圾填埋厂的垃圾渗滤液主要来源于降水和垃圾本身的内含水，是一种成分复杂的高浓度有机废水，对其进行处理十分必要.传统处理方法主要是生物法.但其生化效果差，处理效率低.利用膜技术可以有效去除垃圾渗滤液中的各种有害物质，达到国家排放标准.Bohdziewicz 等[24]对波兰南部城市琴斯托霍 瓦 Sobuczyna 垃圾场的垃圾渗滤液进行了分析，各项指标见表 2.将此垃圾渗滤液合成溶液后，用向上厌氧污泥生物反应器（UASB）进行处理，溶液 COD、BOD、氨氮、氯的质量浓度分别降为 960、245、196 和 2 350mg/L，不能满足环境排放要求.对 UASB 的流出液用SEPA CF-HP 和 RO-DS3SE 聚酰胺反渗透处理，渗透液的 COD、氨氮、氢及氯的浓度均远远低于排放标准，反渗透膜对溶液的截留性能见表.2.6 城市污水处理

杨树雄等[25]采用超滤（UF）-反渗透（RO）-连续电去离子膜块（EDI）联合工艺对城市污水处理厂二级出水进行深度处理，其出水水质可满足大连泰山热电厂440 t/h 超高循环流化床锅炉对其化学补给水的水质要求，并能保证大连泰山热电厂超高压锅炉用水的安全性和可靠性.本系统一级、二级反渗透膜组件分别采用美国陶氏公司生产的 BW30-365FR 抗污染复合反渗透膜和 BW30-400FR 复合反渗透膜，单根膜脱盐率均达 99.6%.水净化

反渗透膜是实现反渗透的核心元件，是一种模拟生物半透膜制成的具有一定特性的人工半透膜。一般用高分子材料制成。如醋酸纤维素膜、芳香族聚酰肼膜、芳香族聚酰胺膜。表面微孔的直径一般在0.5～10nm之间，透过性的大小与膜本身的化学结构有关。有的高分子材料对盐的排斥性好，而水的透过速度并不好。有的高分子材料化学结构具有较多亲水基团，因而水的透过速度相对较快。因此一种满意的反渗透膜应具有适当的渗透量或脱盐率。

纯水处理技术反渗透膜在正常使用过程中，会被无机物垢、胶体、微生物、金属氧化物等物质污染到，这些物质依附并逐渐沉积在膜表面上，累积到一定程度以后就会引起纯水设备反渗透装置出力下降或脱盐率下降、压差升高，甚至对膜造成不可恢复的损伤，因此，为了恢复良好的透水和除盐性能，需要对反渗透膜进行化学清洗。在日常运行纯水设备时，要注定期检查、及时更换精密过滤器滤芯，防止滤芯因安装或质量问题发生泄露所引起的反渗透膜的颗粒污染。同时还应经常检查精密过滤器内是否有气体，不能让空气带入反渗透膜.对备用或长期停运的精密过滤器，要采取加甲醛保护的方法防止细菌大量繁殖。还有纯水设备过滤器定期反洗。在进行反洗时可对压缩空气气体产生摩擦。正洗出水合格后方可投入使用，勿将空气带入反渗透膜。要尽可能延长机械过滤器的运行时间，这样既减少了切换过滤器对出水水质的冲击，又节约了大量反洗用水。

如今反渗透膜元件水处理技术基本解决了我们的常饮用水指标，高性能反渗透膜元件材料可以大幅降低膜法制水成本，解决部分地区的饮用水要求，同时高性能水质净化膜材料可以提高自来水水质，达到人平常的饮用水的质量标准。反渗透膜技术未来研究方向和发展趋势

对于一直伴随着膜技术发展的膜污染问题，对它的控制已成为延长膜使用寿命和降低运行成本的关键。预处理与膜清洗是目前抑制膜污染的主要方法，但是清洗剂或是杀菌剂常常又会导致复合膜性能不同程度的下降，所以更多的研究应该集中在对膜内的传递机理、界面聚合反应机理以及膜污染和氧化降解机理的深入认识等方面。通过有效地进行复合膜支撑体的改进，新型功能单体的开发，复合膜制备工艺的改进和参数的优化等，开发出具备廉价、抗污染、高效、低能耗、高寿命和智能化等特点的理想反渗透膜。伴随着与生物技术，纳米技术和材 料科学的交叉与融汇，反渗透膜在功能和复杂程度上将越来越接近生物膜。

反渗透膜技术工程应用方面的发展方向主要集中于研究开发具有低能耗、抗污染、耐高温、耐高压和特种分离等性能的反渗透膜组件，以及反渗透膜组件与其他膜过程组件(超滤、微滤、纳滤等)以及电去离子(EDI)等组件的有机结合，充分发挥各种膜分离技术的特点，形成一个完整的系统工程，达到工程应用所需的浓缩、分离和提纯的目的。虽然现代大型反渗透装置的能量利用效率在不断提高，但是仍然有将近一半的成本是受制于所消耗的电能，所以通过降低能耗来控制成本至关重要。另外，随着人类对淡水资源需求量更加快速的增长，大型装置规模扩张的速度也很迅速。因此，这些大型装置过大的能量消耗总量，在未来会成为限制其发展的一个潜在因素，人们正在试图通过可再生能源的利用解决这一问题。

随着反渗透膜技术应用不断地大型化，尤其是在海水淡化领域，还可能存在对周边环境潜在的影响，其生产所制造的高浓度含盐水如果长期排放，会使周围局部海域海水的盐浓度有所上升，并由此导致了海水中氧含量和温度的变化，影响周围环境的生态系统平衡，这些影响在那些周边海水淡化产业密集的小范围海域内更加显著。虽然早期已有学者提出在阳光充足的地区可以尝试利用太阳能蒸发器来处理反渗透系统产生的这些高浓度盐水，但至今还没有引起人们的足够重视。所以我们在发展反渗透技术本身的同时，更应该关注这门技术与自然环境间的和谐问题，使得反渗透膜技术的发展更具可持续性。

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