反渗透技术及其在废水处理中的应用
1.膜分离技术概述
膜分离法是利用特殊的薄膜对液体中的某些成分进行选择性透过的方法的统称。溶剂透过膜的过程称为渗透，溶质透过膜的过程称为渗析。常用的膜分离方法有电渗析、反渗透和超过滤，其次是自然渗析和液膜技术。近年来，膜分离技术发展很快，在废水处理、化工、医疗、轻工、生化等领域得到大量应用。
1748年，诺莱特发现水能自然地扩散到装有酒精溶液的猪膀胱内，首次揭示了膜分离现象。膜分离作为一项高新技术从实验室中的珍品发展为工业上大规模应用的高效节能的分离过程则是近30年的事。
反渗透作为一项新型的膜分离技术最早是在1953年由美国人首先发现醋酸纤维素类具有良好的半透性为标志。同年，反渗透研究被列入美国国家计划，并于1960年首次制成了世界上具有历史意义的高脱盐率，高通量的非对称醋酸纤维反渗透半透膜，大大地促进了膜技术的发展。我国对反渗透技术的研究始于1965年，70年代进行了中空纤维和卷式反渗透元件的研究，80年代实现了初步的工业化。
2. 反渗透技术及原理
反渗透(简称RO)技术，是利用反渗透膜只能透过溶剂(通常是水)而截留离子物质或小分子物质的选择透过性，以膜两侧压差为推动力，而实现的对溶剂与溶质分离的过程。
反渗透膜是反渗透过程所用的半透膜，只能透过水分子而不能透过盐分子。
（1）反渗透原理
有一种膜只允许溶剂通过而不允许溶质通过，如果用这种半渗透膜将盐水和淡水或两种浓度不同的溶液隔开，如图所示，则可发现，随着时间的推移，水或溶剂将从淡水一侧或浓度较低的一侧通过膜自动地渗透到水或浓度较高的溶液一侧，盐水一侧的体积逐渐增加，在达到某一高度后便自行停止，此时即达到了平衡状态。这种现象称为渗透作用。当渗透平衡时，溶液两侧液面的静水压差称为渗透压。如果在盐水一侧的表面上施加大于渗透压的压力，则此时盐水中的水就会流向淡水一侧，这种现象称为反渗透。
图1 渗透与反渗透过程
反渗透是不能自动进行的，为了实现反渗透过程，就必须在浓溶液一侧加压。只有当工作压力大于溶液的渗透压时，反渗透才能进行。在反渗透的过程中，溶液的浓度逐渐增高，因此，反渗透设备的工作压力必须超过与浓水出口处浓度相应的渗透压。
反渗透技术属于压力驱动型膜分离技术，操作压力一般为1-10Mpa。截留组分为0.1-1 nm的离子或小分子物质。随着膜技术的不断发展和迫于能源危机的要求，人们进行了超低压反渗透膜的开发，现已可在小于1MPa的压力下进行部分脱盐。
（2）反渗透膜及作用机理
反渗透膜按成膜材料可以分为有机膜和无机高聚物膜，目前研究的比较多和应用比较广的是醋酸纤维素膜和芳香族聚酰胺膜两种；按膜的形状可分为平板状、管状、中空纤维状膜；按膜结构可分为多孔性和致密性膜，或对称性（均匀性）和不对称性（各向异性）结构膜；按应用对象可分为海水淡化用的海水膜、咸水淡化用的咸水膜及用于废水处理、分离提纯等的膜。
反渗透膜的透过机理，因膜的类型不同而有所不同。主要有氢键理论、优先吸附-毛细管流理论、溶解-扩散理论、道南(Donnan)平衡模型等。
反渗透膜是实现反渗透分离的关键。良好的反渗透膜应具有多种性能：
（a）高的截留率和高的透水率；
（b）热和化学的稳定性好，能耐酸、碱腐蚀和微生物腐蚀，耐水解、辐射和氧化；
（c）好的柔韧性和足够的机械强度；
（d）抗污染性能好，使用寿命长，适用pH范围广；
（e）运行操作压力低；
（f）制备简单，便于工业化生产，成本低；
（g）耐压致密性好，能在较高温度下应用。
3 反渗透技术的特点
反渗透技术是当今最先进和最节能有效的分离技术4. 反渗透设备及工艺流程
（1）主要设备
反渗透操作的基本设备包括预处理过滤器、高压泵、膜组件等，其中膜组件是反渗透操作的主体设备。常用的反渗透膜组件有板框式、管式、螺旋卷式和中空纤维式等四种。
板框式反渗透膜组件
整个装置由若干块圆形透水多孔板一块一块地重叠起来组成。圆板外环有密封圈支持，使内部形成压力容器，高压水串流通过每块板。圆板中间部分是多孔性材料，用以支撑膜并引出被分离的水。每块板两面都装上反渗透膜，周边用胶粘剂和圆板外环密封。装置上部和下部分别安装有进水管和出水管，使处理水进入和排出，板周边用螺栓把整个装置压紧。板框式反渗透膜组件结构简单，体积比管式的小，其缺点是装卸复杂，单位体积膜表面积小。
（b）管式反渗透膜组件
它是将若干根直径10~20mm，长1~3m的管状反渗透膜装入多孔高压管中，在膜与高压管之间衬以尼龙布以便透水。高压管常用铜管、玻璃管、钢管或陶瓷管，两端用橡胶密封圈密封，管两头有管箍和管接头用螺栓连接。
根据膜所处的位置和给水的方向，管式膜组件又分为内压式和外压式。内压式是反渗透膜在支撑管的内侧，给水由管的内部给入，处理水从外部排出；外压式正好相反，膜在支撑管的外部，给水由膜的外部给入，处理水则从管状膜的内部排出。
按管的内部结构，又分为单管式和束管式。单管式即一个管组件中只有一个管状膜，束管式在一个膜组件中有多个管状膜。
管状膜的优点是水力条件好，安装、清洗、维修比较方便，能耐高压，可以处理高粘度的原水。缺点是膜的有效面积小，装置体积大，而且两端要较多的联接装置。
（c）螺旋卷式反渗透膜组件
螺旋卷式膜组件由平膜组成。在两层膜的中间夹一层多孔的柔性透水网格，膜的三个边与透水网格层用胶粘剂密封，呈信封状，称为膜叶。将一个或多个膜叶的信封口胶接在接受淡水的穿孔管上，在膜与膜之间放置隔网，然后将膜叶绕淡水穿孔管卷起来便构成了圆筒状膜组件。将一个或多个组件放入耐压管内便可组成螺旋卷式反渗透装置。工作时，原水沿隔网轴向流动，而通过膜的淡水则沿垫层流入多孔管，并从那里排出。
螺旋卷式反渗透装置的优点是结构紧凑，单位容积的膜面积大，所以处理能力高，占地面积小，操作方便。缺点是不能处理含有悬浮物的液体，原水流程短，压力损失大，浓水难于循环，密封长度大，清洗、维修不方便，易堵塞。
（d）中空纤维式反渗透膜组件
中空纤维式膜组件是由中空纤维膜制成的。中空纤维外径50~200μm，内径25~42μm，将数万至数十万根中空纤维制成膜束，膜束外侧覆以保护性格网，内部中间放置供分配原水用的多孔管，膜束两端用环氧树脂加固。将其一端切断，使纤维膜呈开口状，并在这一侧放置多孔支撑板。将整个膜束装在耐压筒内，在圆筒的两端加上盖板，其中一端为穿孔管进口，而放置多孔支撑板的另一侧则为淡水排放口。高压原水从穿孔管的一端进入，由穿孔管流出，在纤维膜之间的空隙流动，淡水渗入纤维膜内，汇流到多孔支撑板的一侧，通过排放口流出器外，而浓水则汇集于另一端，通过浓水排放口排出。
中空纤维式反渗透膜组件的优点是单位体积膜表面积大，制造和安装简单，不需要支撑物等。缺点是不能用于处理含有悬浮物的废水，预处理必须经过过滤处理，另外难以发现损坏的膜。
图2 膜组件的四种型式示意
（a）板框式；（b）管式；（c）螺旋卷式；（d）中空纤维式
上述各种形式的反渗透组件各有特长。但从单位体积的产水量来看，螺旋卷式和中空纤维式反渗透器是产水量最高的，工业上的大型实用装置基本上都是采用这两种反渗透器。在反渗透市场中，卷式组件的销售量约占74%，中空纤维约占26%，管式和板框式相对较少。然而，应当指出的是，从装置的膜面清洗角度来说，管式装置仍有它独
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