5.2　反滲透和納濾

5.2.1　原理與功能

液體分離膜一般可以分為反滲透、納濾、超濾、微濾四種，其膜的孔徑大小不同，濾除的粒子也就有區別。圖5-7是壓力驅動膜過程示意圖。

反滲透（reverse osmosis，簡稱RO）半透膜具有選擇透過性，能夠允許溶劑通過而阻留溶質。反滲透過程正是利用了半透膜的這一特性，以膜兩側的壓差為推動力，克服溶劑的滲透壓，使溶劑透過而截留溶質，從而實現濃液和清液的分離。其過程如圖5-8所示。該過程無相變，一般不需要加熱，工藝簡便，能耗低，不污染環境。

納濾（nanofiltration，簡稱NF）是一種介于反滲透和超濾之間的壓力驅動膜分離過程，納濾膜的孔徑范圍在幾個納米左右。與其他壓力驅動型膜分離過程相比，納濾出現較晚。納濾膜大多從反滲透膜衍化而來，如CA、CTA膜、芳族聚酰胺復合膜和磺化聚醚砜膜等。但與反滲透相比，其操作壓力更低，因此，納濾又被稱作“低壓反滲透”或“疏松反滲透”。

納濾分離作為一項新型的膜分離技術，技術原理近似機械篩分。但是納濾膜本體帶有電荷性，它在很低壓力下仍具有較高的脫鹽性能，能截留分子量為數百的分子并可脫除無機鹽。

5.2.2　技術與裝備

（1）反滲透膜的種類與性能

反滲透膜是實現反滲透過程的關鍵，因此要求反滲透膜具有較好的分離透過性和物化穩定性。反滲透膜的物化穩定性主要是指膜的允許使用最高溫度、壓力、適用的pH值范圍和膜的耐氯、耐氧化及耐有機溶劑性等。反滲透的分離透過性主要與溶質分離率、溶劑透過流速以及流量衰減等因素有關。

①高壓海水淡化反滲透膜　用于高壓海水脫鹽的反滲透膜主要有以下幾類：中空纖維膜，主要有醋酸纖維素和芳香聚酰胺中空纖維膜；卷式復合膜，包括交聯芳香聚酰胺復合膜、交聯聚醚復合膜及其聚醚酰胺類（PA-30型）、聚醚脲（RC-100型）復合膜等。高壓反滲透膜的性能如圖5-9所示。

②低壓反滲透復合膜　目前，工業上大規模使用的低壓反滲透復合膜主要有CPA系列、FT30及UTC-70芳香聚酰胺復合膜、ACM系列低壓復合膜NTR-739HF聚乙烯醇復合膜等。低壓反滲透復合膜的主要特征是可在1.4～2.0MPa的操作壓力下運行，并且獲得很高的脫鹽率和水通量，允許供水的pH值范圍較寬，主要用于苦咸水脫鹽。與高壓反滲透膜相比，所需設備費和操作費較少，對某些有機和無機溶質有較高的選擇分離能力。

③超低壓反滲透膜　超低壓反滲透膜包括納濾膜和超低壓高截率反滲透膜。

（2）反滲透膜組件

反滲透膜組件是由膜、支撐物或連接物、水流通道和容器等按一定技術要求制成的組合構件，它是將膜付諸于實際應用的最小單元。根據膜的幾何形狀，反滲透膜組件主要有4種基本形式：板框式、管式、卷式和中空纖維式。

①板框式反滲透膜組件　板框式反滲透膜組件由承壓板、微孔支撐板和反滲透膜組成。在每一塊微孔支撐板的兩側是反滲透膜，通過承壓板把膜與膜組裝成重疊的形式，并由一根長螺栓固定O形圈密封，其結構如圖5-10所示。

②管式膜組件　管式膜組件分內壓管式和外壓管式，主要由管狀膜及多孔耐壓支撐管組成。外壓管式組件是直接將膜涂刮在多孔支撐管的外壁，再將數根膜組裝后置于一承壓容器內。內壓管式膜組件是將反滲透膜置于多孔耐壓支撐管的內壁，原水在管內承壓流動，淡水透過半透膜由多孔支撐管管壁流出后收集。如圖5-11所示。

③卷式膜組件　卷式膜組件填充密度高，設計簡單。其構造如圖5-12所示，在兩層膜之間襯有一透水墊層，把兩層半透膜的三個面用黏合劑密封，組成卷式膜的一個膜葉。數個膜葉重疊，膜葉與膜葉之間襯有作為原水流動通道的網狀隔層。數個膜葉與網狀隔層在中心管上形成螺旋卷筒，稱為膜蕊。一個或幾個膜蕊串聯放入承壓容器中，并由兩端封頭封住，即為卷式組件。普通卷式組件是從組件頂端進水，原水流動方向與中心管平行。而滲透物在多孔支撐層中按螺旋形式流進收集管。

④中空纖維膜組件　中空纖維膜組件通常是先將細如發絲的中空纖維（膜）沿著中心分配管外側，以縱向平行或呈螺旋狀纏繞兩種方式，排列在中心分配管的周圍而成纖維芯；再將其兩端固定在環氧樹脂澆鑄的管板上，使纖維芯的一端密封，另一端切割成開口而成中空纖維元件；然后將其裝入耐壓殼體，加上端板等其他配件而成組件。通常的中空纖維膜組件內只裝一個元件。如圖5-13所示。

（3）反滲透處理工藝

根據不同的處理對象，可以有各種處理工藝，常用的反滲透工藝系統如下。

①單段系統　在反滲透系統中，一級一段式流程是最簡單的流程。它具有較低的回收率和較高的系統脫鹽率。單段系統用于當系統回收率需要低于50%時。一級一段式系統流程如圖5-14所示。

②多段系統　為了獲得較高的水回收率，可采用一級多段式反滲透系統，如圖5-15所示。第一段的濃水作為第二段的進水，然后將兩段的滲透出水混合作為出水，必要時可增加一段，即把第二段的濃水作為第三段的進水，第三段的滲透出水與前兩段出水匯合成產水。通常苦咸水的淡化和低鹽度水的凈化采用這種流程。

③多級系統　多級式流程通常采用二級，第一級反滲透出水作為第二級的進水，第二級的濃水濃度通常低于第一級進水，把第二級濃水返回第一級高壓泵前，從而提高系統回收率和產水水質。根據用戶最終水質要求，第一級滲透水可部分也可全部經過第二級處理。流程如圖5-16所示。

（4）納濾膜

納濾膜是一種允許溶劑分子或某些低分子量溶質或低價離子透過的功能性的半透膜。無論是從膜材料來看還是從化學性質來看，納濾膜與反滲透膜非常相似。納濾膜的最大特點如下。

①離子選擇性　由于有的納濾膜帶有電荷（多為負電荷），通過靜電作用，可阻礙多價離子（特別是多價陽離子）的透過。就多數納濾膜而言，一價陰離子的鹽可以通過膜，但多價陰離子的鹽（如硫酸鹽和碳酸鹽等）的截留率則很高。因此，鹽的滲透性主要由陰離子的價態決定。

②除鹽能力　納濾膜的膜材料既有芳香族聚酰胺復合材料又有無機材料，因此，不同種類的納濾膜的結構和表面性質有很大的不同，很難用統一的標準來評價膜的優劣和性能，但大多數膜可用NaCl的截留率來作為性能指標之一，一般納濾膜的截留率在10%～90%之間。

③截留率的濃度相關性　進料溶液中的離子濃度越高，膜微孔中的濃度也越高，因此，最終在透過液中的濃度也越高，即膜的截留率隨濃度的增加而下降。

（5）膜污染與清洗

①膜污染特征　當膜系統（或裝置）出現以下癥狀時，需要進行清洗：

1）在正常給水壓力下，產水量較正常值下降10%～15%；

2）為維持正常的產水量，經溫度校正后的給水壓力增加10%～15%；

3）產水水質降低10%～15%，透鹽率增加10%～15%；

4）給水壓力增加10%～15%；

5）系統各段之間壓差明顯增加。

表5-9列出了常見的膜污染種類及污染特征。

②膜清洗的方法　膜清洗是膜法分離工藝的重要環節，主要分為化學清洗、物理清洗兩大類。膜常用清洗方法見表5-10。

③清洗液的配制與使用　清洗液的配制和配方見表5-11。是將一定量（質量或體積）的化學藥劑加入到100加侖（379L）的清水中（膜產品水或不含游離氯的水）配制而成。

5.2.3　膜組件與膜進水指標

①四種膜組件的應用比較見表5-12。

②反滲透進水水質指標見表5-13^［3］。