水污染事件頻頻曝光，飲用水安全越來(lái)越受到人們的重視。所以，本篇文章就與大家來(lái)分享一下反滲透技術(shù)與反滲透膜的那些事，因?yàn)榉礉B透技術(shù)可以進(jìn)行純水的制備、海水的淡化甚至工業(yè)廢水的處理等。
反滲透
反滲透又稱逆滲透，一種以壓力差為推動(dòng)力，從溶液中分離出溶劑的膜分離操作。因?yàn)樗妥匀粷B透的方向相反，故稱反滲透。根據(jù)各種物料的不同滲透壓，就可以使用大于滲透壓的反滲透壓力，即反滲透法，達(dá)到分離、提取、純化和濃縮的目的。
反滲透膜
反滲透膜是實(shí)現(xiàn)反滲透的核心元件，是一種模擬生物半透膜制成的具有一定特性的人工半透膜。
模擬生物半透膜?又是一項(xiàng)仿生學(xué)的偉大成就。那么到底是哪種神奇的生物讓偉大的科學(xué)家發(fā)明了如此偉大的產(chǎn)物呢?今天，我們與大家來(lái)扒一扒反滲透膜的前世與今生。
1950年美國(guó)科學(xué)家DR.S.Sourirajan在觀察海鷗時(shí)發(fā)現(xiàn)，海鷗首先會(huì)吸一大口海水，然后過(guò)一段時(shí)間，再吐出一部分。他感到非常好奇，因?yàn)楹ｚt這種使用肺呼吸的陸生動(dòng)物是絕對(duì)不可能直接攝入高含鹽量的海水來(lái)補(bǔ)充水分的。
海鷗，反滲透膜生物原型
出于這種好奇，DR.S.Sourirajan和他的團(tuán)隊(duì)對(duì)海鷗進(jìn)行了解剖，發(fā)現(xiàn)海鷗并沒(méi)有直接把海水喝下，而是把海水存在喉管里，海水經(jīng)由海鷗吸入體內(nèi)后加壓，再經(jīng)由壓力作用將水分子貫穿滲透過(guò)粘膜轉(zhuǎn)化為淡水,海鷗把淡水吸收到身體內(nèi)部，然后把剩下的高濃度海水再吐出來(lái)。海鷗喉管中的這層粘膜組織，就是反滲透膜的原型。
喝海水，就是這么自信
DR.S.Sourirajan認(rèn)為此項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)很可能是人類獲取飲水的方法的一個(gè)重大突破，隨即就投入了該原理工業(yè)化的研究，美國(guó)政府得知此事，投入了4億美元(約合現(xiàn)在31.6億美元)的資金，資助美國(guó)U.C.L.A大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授Dr.S.SidneyLode配合DR.S.Soirirajan博士著手研究反滲透膜。在巨大的資金支持和眾多科學(xué)家的努力之下，反滲透膜的最初模型誕生。
反滲透膜工作原理
1968年，美國(guó)阿波羅登月的各項(xiàng)技術(shù)準(zhǔn)備都緊鑼密鼓地開(kāi)展著，其中最讓人頭痛的難關(guān)竟是最普通的水。當(dāng)年阿波羅登月計(jì)劃的人員和設(shè)備的總需水量，竟達(dá)到6噸之多。航天是一項(xiàng)對(duì)重量要求很高的工作。
畢竟宇航員多一斤肥肉，發(fā)射成本可能就要多上百萬(wàn)美元，更別說(shuō)以噸計(jì)的水了……
胖子感受到來(lái)自這個(gè)世界的惡意
如何回收提純工業(yè)廢水、洗漱用水和尿液成為最大的攻關(guān)課題。于是反滲透膜這一技術(shù)很快被引用到宇航領(lǐng)域。
宇航員在無(wú)重力環(huán)境喝水
采用反滲透技術(shù)將使用過(guò)的污水，包括尿液等排瀉物，凈化處理，成為達(dá)到飲用標(biāo)準(zhǔn)的再生水，使太空船不用運(yùn)載大量的飲用水升空，為阿波羅登月計(jì)劃做出了巨大貢獻(xiàn)。
美國(guó)絕密專利
幾十億美元的投入終結(jié)碩果，就是反滲透膜制水技術(shù)。在當(dāng)時(shí)此項(xiàng)技術(shù)被美國(guó)宇航局列為絕密等級(jí)專利。
反滲透技術(shù)在航天領(lǐng)域成功應(yīng)用之后，又轉(zhuǎn)移到軍工領(lǐng)域，自70年起開(kāi)始裝備美國(guó)潛艇、航母和作戰(zhàn)艦艇，用于海水直接制成飲水，在美國(guó)人們把反滲透形象的比喻為“體外腎臟”。
我國(guó)在90年代初開(kāi)始引進(jìn)此項(xiàng)技術(shù)，裝備軍艦和潛艇。92年，中南海建立了一座反滲透水廠，保證國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人飲水安全，同時(shí)為外賓提供飲水，從此反滲透技術(shù)走進(jìn)了新華門，如今，反滲透技術(shù)被應(yīng)用于凈水器的生產(chǎn)中，從此也走進(jìn)了千家萬(wàn)戶。
是不是深刻感受到了大自然那種神奇而又神秘的力量?敬畏自然，是人類早晚應(yīng)該明白的一件事。
反滲透系統(tǒng)常見(jiàn)問(wèn)題分析
1泥砂顆粒及無(wú)機(jī)膠體污染
現(xiàn)象和癥狀：
– 泥砂顆粒堆積在第一段的前幾支膜元件的進(jìn)水端
– 系統(tǒng)壓力將偏大，系統(tǒng)脫鹽率偏低
– 膜元件解剖后，膜表面和進(jìn)水流道附著可見(jiàn)污染物
? 原因：
– 預(yù)處理失效或設(shè)計(jì)存在缺陷
– 多介質(zhì)過(guò)濾器/活性炭床反沖洗和快洗不充分
– 進(jìn)水的SDI值偏高
– 硬砂顆粒機(jī)械擦傷膜片
? 清洗或解決方案：
– 難以化學(xué)清洗恢復(fù)，可以嘗試采用酸堿清洗
– 加強(qiáng)介質(zhì)過(guò)濾器/活性炭床反沖洗
– 加強(qiáng)SDI值監(jiān)控
– 加強(qiáng)保安過(guò)濾器的監(jiān)控和更換。
2預(yù)處理活性炭破碎泄漏
現(xiàn)象和癥狀：
– 黑色物質(zhì)堆積在第一段的前幾支膜元件的進(jìn)水端
– 系統(tǒng)壓力將偏大，產(chǎn)水量偏少，系統(tǒng)脫鹽率偏低
– 膜元件解剖后，膜表面和進(jìn)水流道附著活性炭顆粒
? 原因：
– 不正確或不充分的活性炭床反沖洗和快洗
– 長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，活性炭由于和氯或臭氧反應(yīng)消耗導(dǎo)致破碎機(jī)械強(qiáng)度下降而破碎。
– 炭粒機(jī)械擦傷膜片
? 清洗或解決方案：
– 難以化學(xué)清洗恢復(fù)
– 更換新活性炭;充分的炭床反沖洗;加強(qiáng)保安過(guò)濾器的監(jiān)控和更換。
3無(wú)機(jī)結(jié)垢-碳酸鹽鈣垢(CaCO3)
結(jié)垢常常發(fā)生在最后一段，然后逐漸向前一段擴(kuò)散，含鈣、重碳酸根或硫酸根的原水可能會(huì)在數(shù)小時(shí)之內(nèi)即因結(jié)垢堵塞膜系統(tǒng)
酸洗pH值對(duì)去除碳酸鈣垢的影響
? 現(xiàn)象和癥狀：
– 系統(tǒng)產(chǎn)水量低，脫鹽率下降，壓降增加。
– 膜元件變重
? 原因：
– RO進(jìn)水三高(高硬度;高pH;高堿度)
– RO系統(tǒng)高回收率
? 清洗或解決方案：
– 系統(tǒng)可用酸進(jìn)行清洗恢復(fù)。
– 應(yīng)降低進(jìn)水的三高(高硬度;高pH;高堿度) 和RO系統(tǒng)回收率
– 調(diào)整阻垢劑的加入量
4無(wú)機(jī)結(jié)垢-硫酸鈣垢(CaSO4)
無(wú)機(jī)結(jié)垢硫酸鋇/硫酸鍶垢(BaSO4/SrSO4)
現(xiàn)象和癥狀：
– 系統(tǒng)產(chǎn)水量低，脫鹽率下降，壓降增加。
– 膜元件變重
? 原因：
– RO進(jìn)水鈣、鋇、鍶、硫酸根含量高
– RO系統(tǒng)高回收率導(dǎo)致超過(guò)溶解限制
– 阻垢劑失效
? 清洗或解決方案：
– 系統(tǒng)很難進(jìn)行清洗恢復(fù)。
– 應(yīng)降RO系統(tǒng)回收率
– 調(diào)整阻垢劑的加入量或更換阻垢劑
5微生物污染
膜元件解剖后，膜表面和進(jìn)水流道附著粘稠狀物質(zhì)，并伴有臭味。
堿洗pH值對(duì)去除生物污染的影響
現(xiàn)象和癥狀：
– 系統(tǒng)產(chǎn)水量低，脫鹽率下降，壓降增加。
– 壓力容器開(kāi)啟或膜元件解剖后，有臭味。
? 原因：
– 進(jìn)水中富含營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),例如TOC和COD偏高
– 進(jìn)水或阻垢劑中含有微生物。
? 清洗或解決方案：
– 清洗并消毒整個(gè)系統(tǒng)，包括預(yù)處理和膜本體部分，同時(shí)應(yīng)注意如
果清洗和消毒不徹底，會(huì)出現(xiàn)迅速的重新污染
– 系統(tǒng)可用強(qiáng)堿進(jìn)行清洗恢復(fù)，例如采用PH=12-13的堿液清洗。
– 安裝或優(yōu)化預(yù)處理以應(yīng)對(duì)原水的微生物污染
– 消除微生物的來(lái)源
– 使用抗污染膜元件(FR系列)。
– 采用非氧化性殺菌劑，例如：DBNPA進(jìn)行定期沖擊式殺菌。
6鐵污染
被鐵污染的膜元件，膜表面為紅褐色，進(jìn)水流道呈淺紅色
被鐵污染的膜元件的膜表面為紅褐色，滴加酸后露出膜片的真面目。
現(xiàn)象和癥狀：
– 系統(tǒng)脫鹽率低，產(chǎn)水量降低
– 壓力容器開(kāi)啟后，膜元件端面呈紅褐色
– 膜元件解剖后，膜表面呈紅褐色
? 原因：
– RO進(jìn)水中含有過(guò)量的鐵
– 預(yù)處理系統(tǒng)中的管道或壓力容器腐蝕
? 清洗或解決方案：
– 膜系統(tǒng)可以采用酸性NaHSO3(PH<5)或H3PO4以及檸檬酸清洗恢復(fù)。
– 有時(shí)候鐵會(huì)加速膜的氧化導(dǎo)致膜元件不可恢復(fù)性的損傷
7壓降(ΔP)過(guò)大
玻璃鋼外殼沿軸向破裂, 進(jìn)水端污染嚴(yán)重
出水端抗壓力器(ATD)沖掉，濃水流道網(wǎng)格沖出
對(duì)膜元件破壞性分析發(fā)現(xiàn)：黑色粘稠液體流出。整個(gè)膜元件內(nèi)部完全被污染，膜葉之間(進(jìn)水流道)布滿黑色粘稠物質(zhì)。無(wú)臭味，排除生物污染，確認(rèn)為無(wú)機(jī)污染物嚴(yán)重污堵進(jìn)水流道導(dǎo)致的高壓降所致。
? 現(xiàn)象和癥狀：
– 系統(tǒng)脫鹽率大幅下降，有時(shí)候伴隨產(chǎn)水量增加。
– 膜元件解剖后，膜表面出現(xiàn)氣泡和分層
? 原因：
– 系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷，例如產(chǎn)水管道上的止回閥安裝位置不合理。
– 不正確的操作，例如清洗完畢后忘記開(kāi)啟產(chǎn)水閥門。
– 不可預(yù)測(cè)的機(jī)械故障
? 清洗或解決方案：
– 膜元件被不可恢復(fù)性的損傷，難以修復(fù)，只能更換膜元件。
8產(chǎn)水背壓
產(chǎn)水管道上安裝截止閥，操作人員在系統(tǒng)清洗過(guò)程中關(guān)閉此截止閥，清洗關(guān)閉完畢后忘記開(kāi)啟，隨后停機(jī)后重新啟動(dòng)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)脫鹽率下降。
產(chǎn)水背壓損壞的膜表面通?？吹狡叫杏诋a(chǎn)水管的膜最外邊出現(xiàn)拆痕，常常靠近最外側(cè)的膜袋粘接線處。膜的破裂最有可能出現(xiàn)在進(jìn)水側(cè)、最外側(cè)和濃水側(cè)這三處粘接密封線附近，其他位置受到進(jìn)水網(wǎng)絡(luò)地支撐，很多網(wǎng)格的小格內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)很多氣泡狀剝離和分層
為了預(yù)防產(chǎn)水背壓，可以采用以上兩種措施：在產(chǎn)水管道的合理安裝止回閥，或三向閥。
現(xiàn)象和癥狀：
– 系統(tǒng)脫鹽率大幅下降，有時(shí)候伴隨產(chǎn)水量增加。
– 膜元件解剖后，膜表面出現(xiàn)氣泡和分層
? 原因：
– 系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷，例如產(chǎn)水管道上的止回閥安裝位置不合理。
– 不正確的操作，例如清洗完畢后忘記開(kāi)啟產(chǎn)水閥門。
– 不可預(yù)測(cè)的機(jī)械故障
? 清洗或解決方案：
– 膜元件被不可恢復(fù)性的損傷，難以修復(fù)，只能更換膜元件。
9膜氧化
遭氧化傷害的膜元件采用真空試驗(yàn)等機(jī)械的方法是檢測(cè)不出來(lái)的，這類化學(xué)性的傷害，可通過(guò)對(duì)膜元件或其中的小片膜樣品經(jīng)過(guò)Fujiwara試驗(yàn)評(píng)測(cè)顯示出來(lái)，如Fujiwara實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)溶液變成粉紅色,證明膜片已被氧化。
膜氧化(由余氯導(dǎo)致)
原子光譜化學(xué)分析法(ESCA):
未經(jīng)污染或氧化的新膜片應(yīng)該僅由C, O, N 和H組成，沒(méi)有其它元素。對(duì)于使用過(guò)的膜片，可以通過(guò)分析膜材料中的增加的元素種類和含量，來(lái)確定膜片是否被氧化或污染。原子光譜化學(xué)分析法(ESCA)證明膜片被氯氧化
現(xiàn)象和癥狀：
– 系統(tǒng)脫鹽率大幅下降，同時(shí)伴隨產(chǎn)水量增加。
– 膜元件解剖后， Fujiwara實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)溶液變成粉紅色，原子光
譜化學(xué)分析法(ESCA)發(fā)現(xiàn)氯元素。
? 原因：
– RO系統(tǒng)前的脫氯措施出現(xiàn)問(wèn)題，例如，活性炭失效或NaHSO3
量不足。
– 膜元件接觸到強(qiáng)氧化劑。
? 清洗或解決方案：
– 膜元件被不可恢復(fù)性的損傷，難以修復(fù)，只能更換膜元件。
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