5.2　反渗透和纳滤

5.2.1　原理与功能

液体分离膜一般可以分为反渗透、纳滤、超滤、微滤四种，其膜的孔径大小不同，滤除的粒子也就有区别。图5-7是压力驱动膜过程示意图。

反渗透（reverse osmosis，简称RO）半透膜具有选择透过性，能够允许溶剂通过而阻留溶质。反渗透过程正是利用了半透膜的这一特性，以膜两侧的压差为推动力，克服溶剂的渗透压，使溶剂透过而截留溶质，从而实现浓液和清液的分离。其过程如图5-8所示。该过程无相变，一般不需要加热，工艺简便，能耗低，不污染环境。

纳滤（nanofiltration，简称NF）是一种介于反渗透和超滤之间的压力驱动膜分离过程，纳滤膜的孔径范围在几个纳米左右。与其他压力驱动型膜分离过程相比，纳滤出现较晚。纳滤膜大多从反渗透膜衍化而来，如CA、CTA膜、芳族聚酰胺复合膜和磺化聚醚砜膜等。但与反渗透相比，其操作压力更低，因此，纳滤又被称作“低压反渗透”或“疏松反渗透”。

纳滤分离作为一项新型的膜分离技术，技术原理近似机械筛分。但是纳滤膜本体带有电荷性，它在很低压力下仍具有较高的脱盐性能，能截留分子量为数百的分子并可脱除无机盐。

5.2.2　技术与装备

（1）反渗透膜的种类与性能

反渗透膜是实现反渗透过程的关键，因此要求反渗透膜具有较好的分离透过性和物化稳定性。反渗透膜的物化稳定性主要是指膜的允许使用最高温度、压力、适用的pH值范围和膜的耐氯、耐氧化及耐有机溶剂性等。反渗透的分离透过性主要与溶质分离率、溶剂透过流速以及流量衰减等因素有关。

①高压海水淡化反渗透膜　用于高压海水脱盐的反渗透膜主要有以下几类：中空纤维膜，主要有醋酸纤维素和芳香聚酰胺中空纤维膜；卷式复合膜，包括交联芳香聚酰胺复合膜、交联聚醚复合膜及其聚醚酰胺类（PA-30型）、聚醚脲（RC-100型）复合膜等。高压反渗透膜的性能如图5-9所示。

②低压反渗透复合膜　目前，工业上大规模使用的低压反渗透复合膜主要有CPA系列、FT30及UTC-70芳香聚酰胺复合膜、ACM系列低压复合膜NTR-739HF聚乙烯醇复合膜等。低压反渗透复合膜的主要特征是可在1.4～2.0MPa的操作压力下运行，并且获得很高的脱盐率和水通量，允许供水的pH值范围较宽，主要用于苦咸水脱盐。与高压反渗透膜相比，所需设备费和操作费较少，对某些有机和无机溶质有较高的选择分离能力。

③超低压反渗透膜　超低压反渗透膜包括纳滤膜和超低压高截率反渗透膜。

（2）反渗透膜组件

反渗透膜组件是由膜、支撑物或连接物、水流通道和容器等按一定技术要求制成的组合构件，它是将膜付诸于实际应用的最小单元。根据膜的几何形状，反渗透膜组件主要有4种基本形式：板框式、管式、卷式和中空纤维式。

①板框式反渗透膜组件　板框式反渗透膜组件由承压板、微孔支撑板和反渗透膜组成。在每一块微孔支撑板的两侧是反渗透膜，通过承压板把膜与膜组装成重叠的形式，并由一根长螺栓固定O形圈密封，其结构如图5-10所示。

②管式膜组件　管式膜组件分内压管式和外压管式，主要由管状膜及多孔耐压支撑管组成。外压管式组件是直接将膜涂刮在多孔支撑管的外壁，再将数根膜组装后置于一承压容器内。内压管式膜组件是将反渗透膜置于多孔耐压支撑管的内壁，原水在管内承压流动，淡水透过半透膜由多孔支撑管管壁流出后收集。如图5-11所示。

③卷式膜组件　卷式膜组件填充密度高，设计简单。其构造如图5-12所示，在两层膜之间衬有一透水垫层，把两层半透膜的三个面用黏合剂密封，组成卷式膜的一个膜叶。数个膜叶重叠，膜叶与膜叶之间衬有作为原水流动通道的网状隔层。数个膜叶与网状隔层在中心管上形成螺旋卷筒，称为膜蕊。一个或几个膜蕊串联放入承压容器中，并由两端封头封住，即为卷式组件。普通卷式组件是从组件顶端进水，原水流动方向与中心管平行。而渗透物在多孔支撑层中按螺旋形式流进收集管。

④中空纤维膜组件　中空纤维膜组件通常是先将细如发丝的中空纤维（膜）沿着中心分配管外侧，以纵向平行或呈螺旋状缠绕两种方式，排列在中心分配管的周围而成纤维芯；再将其两端固定在环氧树脂浇铸的管板上，使纤维芯的一端密封，另一端切割成开口而成中空纤维元件；然后将其装入耐压壳体，加上端板等其他配件而成组件。通常的中空纤维膜组件内只装一个元件。如图5-13所示。

（3）反渗透处理工艺

根据不同的处理对象，可以有各种处理工艺，常用的反渗透工艺系统如下。

①单段系统　在反渗透系统中，一级一段式流程是最简单的流程。它具有较低的回收率和较高的系统脱盐率。单段系统用于当系统回收率需要低于50%时。一级一段式系统流程如图5-14所示。

②多段系统　为了获得较高的水回收率，可采用一级多段式反渗透系统，如图5-15所示。第一段的浓水作为第二段的进水，然后将两段的渗透出水混合作为出水，必要时可增加一段，即把第二段的浓水作为第三段的进水，第三段的渗透出水与前两段出水汇合成产水。通常苦咸水的淡化和低盐度水的净化采用这种流程。

③多级系统　多级式流程通常采用二级，第一级反渗透出水作为第二级的进水，第二级的浓水浓度通常低于第一级进水，把第二级浓水返回第一级高压泵前，从而提高系统回收率和产水水质。根据用户最终水质要求，第一级渗透水可部分也可全部经过第二级处理。流程如图5-16所示。

（4）纳滤膜

纳滤膜是一种允许溶剂分子或某些低分子量溶质或低价离子透过的功能性的半透膜。无论是从膜材料来看还是从化学性质来看，纳滤膜与反渗透膜非常相似。纳滤膜的最大特点如下。

①离子选择性　由于有的纳滤膜带有电荷（多为负电荷），通过静电作用，可阻碍多价离子（特别是多价阳离子）的透过。就多数纳滤膜而言，一价阴离子的盐可以通过膜，但多价阴离子的盐（如硫酸盐和碳酸盐等）的截留率则很高。因此，盐的渗透性主要由阴离子的价态决定。

②除盐能力　纳滤膜的膜材料既有芳香族聚酰胺复合材料又有无机材料，因此，不同种类的纳滤膜的结构和表面性质有很大的不同，很难用统一的标准来评价膜的优劣和性能，但大多数膜可用NaCl的截留率来作为性能指标之一，一般纳滤膜的截留率在10%～90%之间。

③截留率的浓度相关性　进料溶液中的离子浓度越高，膜微孔中的浓度也越高，因此，最终在透过液中的浓度也越高，即膜的截留率随浓度的增加而下降。

（5）膜污染与清洗

①膜污染特征　当膜系统（或装置）出现以下症状时，需要进行清洗：

1）在正常给水压力下，产水量较正常值下降10%～15%；

2）为维持正常的产水量，经温度校正后的给水压力增加10%～15%；

3）产水水质降低10%～15%，透盐率增加10%～15%；

4）给水压力增加10%～15%；

5）系统各段之间压差明显增加。

表5-9列出了常见的膜污染种类及污染特征。

②膜清洗的方法　膜清洗是膜法分离工艺的重要环节，主要分为化学清洗、物理清洗两大类。膜常用清洗方法见表5-10。

③清洗液的配制与使用　清洗液的配制和配方见表5-11。是将一定量（质量或体积）的化学药剂加入到100加仑（379L）的清水中（膜产品水或不含游离氯的水）配制而成。

5.2.3　膜组件与膜进水指标

①四种膜组件的应用比较见表5-12。

②反渗透进水水质指标见表5-13^［3］。