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反滲透系統中濃差極化現象分析

2012-05-15

  反滲透系統中濃差極化現象分析

  在純水制備工藝的反滲透膜過程中,由于膜的選擇透過性,溶劑(水)從膜體的高壓側向低壓側滲透,而大部分溶質(鹽)被膜體阻攔。在高壓側從膜表面到溶液(給/濃水)主體間形成遞減的鹽濃度梯度的現象稱作濃差極化,而高壓側膜表面鹽濃度與給/濃水主體鹽濃度之比稱為濃差極化系數(即β值)。 影響濃差極化系數的因素主要有系統工藝(如壓力、流速、溫度)、膜體材料(如高脫鹽率膜產生高濃差極化系數)、給水水質(如鹽濃度、無機鹽構成、溶液pH值、離子強度)等。

  濃差極化是指,當水透過膜并截留鹽時,在膜表面會形成一個流速非常低的邊界層,

  邊界層中的鹽濃度比進水本體溶液鹽濃度高,這種鹽濃度在膜面增加的現象叫做濃差極化。濃差極化會使實際的產水通量和脫鹽率低于理論估算值。濃差極化效應如下:

  膜表面上的滲透壓比本體溶液中高,從而降低NDP;

  降低水通量(Qw);

  增加透鹽量(Qs);

  增加難溶鹽的濃度,超過其溶度積并結垢。濃差極化因子(β)被定義為膜表面鹽濃度(Cs)與本體溶液鹽濃度(Cb)的比值:

  1、濃差極化現象與濃差極化系數

  由于濃差極化現象增大了膜兩側的滲透壓,在同等工作壓力作用下,系統的純驅動壓減小,與純驅動壓成正比的水通量將下降。與此同時,由于濃差極化現象增大了膜兩側的鹽濃度差, 與鹽濃度差成正比的鹽通量將上升。因此,濃差極化現象將使反滲透系統的水通量下降及透鹽率上升。

  2、濃差極化與系統設計

  反滲透水處理設備純水制備技術在國內的廣泛應用已經過多年歷程。在長期的反滲透系統的設計與運行過程中,對于游離氯、難溶鹽與污染指數等系統設計與系統運行的限制因素得到了充分的關注,而作為重要限制因素之一的濃差極化問題往往未能得到應有的重視。根據我們前期的研究工作,可以得出以下結論:

  1. 在難溶鹽含量較高的給水條件下,系統回收率與膜系統排列方式主要決定于系統給水中的難溶鹽飽和濃度指標。

  2. 在難溶鹽含量較低的給水條件下,系統回收率與膜系統排列方式主要決定于系統的濃差極化指標。

  3. 影響系統設計結構的濃水難溶鹽最大飽和濃度,并非發生在系統末端的濃水中,而是發生在系統末端的膜表面。換言之,系統中最大的難溶鹽飽和濃度約為末端濃水中的飽和濃度與該處濃差極化系數的乘積。

  正是由于此問題未得到應有的重視,不少系統的實際運行效果與設計期望值之間差距較大。

  在研究濃差極化現象對反滲透系統的作用時,濃差極化作為一種與系統運行共生的現象,它影響哪些系統性能?它如何影響系統性能?應將濃差極化系數控制在怎樣的程度?這些問題就成為反滲透系統的工藝研究、系統設計及運行中的重要課題。

  3、濃差極化系數與系統性能的關系

  圖1示出了一個6支ESPA4-4040膜串聯反滲透系統的運行參數曲線。該系統給水為引黃入津后的天津市政供水,電導為600μs末端的濃差極化系數呈1.3的較高數值,而造成系統結垢的各難溶鹽低于相應的飽和析出濃度。上述情況下,隨著運行時間的延續,系統的性能指標產生了不同程度的變化,圖1中產水量曲線是基本保持β值與工作壓力恒定條件下,系統產水量與運行時間的關系曲線;透鹽率曲線是基本保持β值與工作壓力恒定條件下,系統透鹽率與運行時間的關系曲線。

  4、濃差極化相關參數

  那么哪些參數會影響濃差極化因子(β)呢?通常產水通量的增加會增加邊

  界層的鹽濃度,從而增加Cs;而給水流量的增加會增大膜表面流速,削減邊界層的厚度。因此 β 值與產水流量(Qp)成正比,與平均進水流量(Qfavg)成反比:式中:Kp —— 比例常數,其值取決于反滲透系統的構成方式。平均進水流量采用進水量和濃縮液流量的算術平均值,β 值可以進一步表達為膜元件透過液回收率的函數:美國海德能公司推薦的一級反滲透系統濃差極化因子極限值為1.20,對于一支40英寸長的膜元件來說,大約相當于18 %的回收率。對于雙級反滲透系統的第二級,由于其進水含鹽量已經顯著降低,因此其 β 值可以適當放寬到1.40,在某些情況下可以容忍到1.70。

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