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反渗透系统中浓差极化现象分析

2012-05-15

  反渗透系统中浓差极化现象分析

  在纯水制备工艺的反渗透膜过程中,由于膜的选择透过性,溶剂(水)从膜体的高压侧向低压侧渗透,而大部分溶质(盐)被膜体阻拦。在高压侧从膜表面到溶液(给/浓水)主体间形成递减的盐浓度梯度的现象称作浓差极化,而高压侧膜表面盐浓度与给/浓水主体盐浓度之比称为浓差极化系数(即β值)。 影响浓差极化系数的因素主要有系统工艺(如压力、流速、温度)、膜体材料(如高脱盐率膜产生高浓差极化系数)、给水水质(如盐浓度、无机盐构成、溶液pH值、离子强度)等。

  浓差极化是指,当水透过膜并截留盐时,在膜表面会形成一个流速非常低的边界层,

  边界层中的盐浓度比进水本体溶液盐浓度高,这种盐浓度在膜面增加的现象叫做浓差极化。浓差极化会使实际的产水通量和脱盐率低于理论估算值。浓差极化效应如下:

  膜表面上的渗透压比本体溶液中高,从而降低NDP;

  降低水通量(Qw);

  增加透盐量(Qs);

  增加难溶盐的浓度,超过其溶度积并结垢。浓差极化因子(β)被定义为膜表面盐浓度(Cs)与本体溶液盐浓度(Cb)的比值:

  1、浓差极化现象与浓差极化系数

  由于浓差极化现象增大了膜两侧的渗透压,在同等工作压力作用下,系统的纯驱动压减小,与纯驱动压成正比的水通量将下降。与此同时,由于浓差极化现象增大了膜两侧的盐浓度差, 与盐浓度差成正比的盐通量将上升。因此,浓差极化现象将使反渗透系统的水通量下降及透盐率上升。

  2、浓差极化与系统设计

  反渗透水处理设备纯水制备技术在国内的广泛应用已经过多年历程。在长期的反渗透系统的设计与运行过程中,对于游离氯、难溶盐与污染指数等系统设计与系统运行的限制因素得到了充分的关注,而作为重要限制因素之一的浓差极化问题往往未能得到应有的重视。根据我们前期的研究工作,可以得出以下结论:

  1. 在难溶盐含量较高的给水条件下,系统回收率与膜系统排列方式主要决定于系统给水中的难溶盐饱和浓度指标。

  2. 在难溶盐含量较低的给水条件下,系统回收率与膜系统排列方式主要决定于系统的浓差极化指标。

  3. 影响系统设计结构的浓水难溶盐最大饱和浓度,并非发生在系统末端的浓水中,而是发生在系统末端的膜表面。换言之,系统中最大的难溶盐饱和浓度约为末端浓水中的饱和浓度与该处浓差极化系数的乘积。

  正是由于此问题未得到应有的重视,不少系统的实际运行效果与设计期望值之间差距较大。

  在研究浓差极化现象对反渗透系统的作用时,浓差极化作为一种与系统运行共生的现象,它影响哪些系统性能?它如何影响系统性能?应将浓差极化系数控制在怎样的程度?这些问题就成为反渗透系统的工艺研究、系统设计及运行中的重要课题。

  3、浓差极化系数与系统性能的关系

  图1示出了一个6支ESPA4-4040膜串联反渗透系统的运行参数曲线。该系统给水为引黄入津后的天津市政供水,电导为600μs末端的浓差极化系数呈1.3的较高数值,而造成系统结垢的各难溶盐低于相应的饱和析出浓度。上述情况下,随着运行时间的延续,系统的性能指标产生了不同程度的变化,图1中产水量曲线是基本保持β值与工作压力恒定条件下,系统产水量与运行时间的关系曲线;透盐率曲线是基本保持β值与工作压力恒定条件下,系统透盐率与运行时间的关系曲线。

  4、浓差极化相关参数

  那么哪些参数会影响浓差极化因子(β)呢?通常产水通量的增加会增加边

  界层的盐浓度,从而增加Cs;而给水流量的增加会增大膜表面流速,削减边界层的厚度。因此 β 值与产水流量(Qp)成正比,与平均进水流量(Qfavg)成反比:式中:Kp —— 比例常数,其值取决于反渗透系统的构成方式。平均进水流量采用进水量和浓缩液流量的算术平均值,β 值可以进一步表达为膜元件透过液回收率的函数:美国海德能公司推荐的一级反渗透系统浓差极化因子极限值为1.20,对于一支40英寸长的膜元件来说,大约相当于18 %的回收率。对于双级反渗透系统的第二级,由于其进水含盐量已经显著降低,因此其 β 值可以适当放宽到1.40,在某些情况下可以容忍到1.70。

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