新版反渗透膜技术资料.doc
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1、反渗透技术基础篇本文引自美国海德能公司反渗透技术资料,供管理人员和操作人员参考。一、反渗透膜及其发展: 以高分子分离膜为代表的膜分离技术作为一种新型的流体分离单元操作技术,三十年来取得了令人瞩目的巨大发展。据有关文献估计,今天的分离膜世界市场规模已达成每年20亿美元以上。表1和图1分别给出了按分离原理和按被分离物质的大社区分的分离膜种类,从中可以看出,除了透析膜重要用于医疗用途以外,几乎所有的分离膜技术均可应用到石油、天然气及石油化工行业中去。反渗透膜作为重要的水及其它液体分离膜之一,在分离膜领域内占有重要地位。 1953年美国佛罗里达大学的Reid等人最早提出反渗透海水淡化,1960年美国加
2、利福尼亚大学的Loeb和Sourirajan研制出第一张可实用的反渗透膜。从此以后,反渗透膜开发有了重大突破。膜材料从初期单一的醋酸纤维素非对称膜发展到用表面聚合技术制成的交联芳香族聚酰胺复合膜。操作压力也扩展到高压(海水淡化)膜,中压(醋酸纤维素)膜,低压(复合)膜和超低压(复合)膜。80年代以来,又开发出多种材质的纳滤膜。 膜组件的形式近年来也呈现出多样化的趋势。除了传统的中空纤维式、卷式、管式及板框式以外,又开发出回转平膜、浸渍平膜式等。工业上应用最多的是卷式膜,它占据了绝大多数陆地水脱盐和越来越多的海水淡化市场。中空纤维膜在海水淡化应用中仍占有很高的份额。今天世界上反渗透、纳滤膜水解决
3、装置的能力已达成天天数百万吨。目前世界最大的反渗透苦咸水淡化装置为位于美国亚利桑拿州的日产水量为28万吨的运河水解决厂,最大的反渗透海水淡化装置,位于沙特阿拉伯,日产水量为12.8万吨。最大的纳滤脱盐软化装置位于美国佛罗里达州,日产水量为3.8万吨。表1按分离原理分类的分离膜膜的种类膜的功能分离驱动力透过物质被截留物质微 滤多孔膜、溶液的微滤、脱微粒子压力差水、溶剂、溶解物悬浮物、细菌类、微粒子超 滤脱除溶液中的胶体、各类大分子压力差溶剂、离子和小分子蛋白质、各类酶、细菌、病毒、乳胶、微粒子反渗透和纳滤脱除溶液中的盐类及低分子物压力差水、溶剂无机盐、糖类、氨基酸、BOD、COD等透 析脱除溶液
4、中的盐类及低分子物浓度差离子、低分子物、酸、碱无机盐、尿素、尿酸、糖类、氨基酸 电渗析脱除溶液中的离子电位差离子无机、有机离子渗透气化溶液中的低分子及溶剂间的分离压力差、浓度差蒸汽液体、无机盐、乙醇溶液气体分离气体、气体与蒸汽分离浓度差易透过气体不易透过气体图1按分离物质大小分类的分离膜返渗透膜原理膜透过操作方式国内反渗透膜及其应用:我国从60年代中期开始研制反渗透膜,与国外起步时间相距不远,但由于原材料及基础工业条件限制,生产的膜元件性能偏低,生产成本高,还没有形成规模化生产。相比面言,我国的超滤、微滤膜研制虽晚于反渗透,始于70年代,但目前已发展到数百个生产厂。虽然有品种少、质量、性能不够
5、完善等问题,但因价格低廉,不仅有效地阻挡了国外同类产品的大量流入,并且也扩大了应用范围。国内反渗透应用始于70年代后期,最早多限于电子、半导体纯水,80年代以后逐渐扩大到电力及其它工业,90年代起在饮用水解决方面获得普及,现在反渗透已进入到家庭饮用纯水。最近三年是反渗透应用大发展阶段。根据保守的估计,各种反渗透膜元件1997年的国内销售额在11.5亿人民币左右。随着国内几条引进生产线的陆续开工生产,预计此后国产反渗透膜的市场份额会有上升。纵观国内反渗透应用市场,有以下几个特点:1.大型反渗透装置集中于锅炉补给水用途据不完全记录,我国已建成和在建的100吨/小时以上的反渗透装置已超过50套,但除
6、少数电子等行业以外,大多数都集中于锅炉补给水用途。最早是火力发电厂,后来扩展到炼油、石化、化肥、化工等行业。其中最大规模为600吨/小时,估计本世纪内会出现超过1000吨/小时的超大型反渗透水解决装置。国内在此领域已积累了丰富的设计、施工和运营经验,现国内承建过100吨/小时以上规模反渗透装置的水解决工程公司已超过10家。2.饮用水解决应用限于中、小规模在国外,100010000吨/小时规模的超大型反渗透或纳滤装置多用于城市供水系统,而国内在饮用水用途的反渗透装置还都是数十吨/小时以下的中、小规模。随着经济发展和膜技术的普及,这一领域的应用前景很大。3.油田用水及废水解决应用尚有待开发由于这一
7、领域的应用技术难度较高和经济成本因素,目前国内还处在研究、开发阶段,随着石油工业发展和水再运用、环境保护呼声日益高涨,膜技术大量进入这一领域已为时不会太远,对膜厂家和工程公司也是一个商业机会。国外反渗透及其应用:美国是反渗透膜技术的发明国和最大生产国,但日本作为后起之秀,现在的研制、开发能力已开始赶上和超过美国。例如1996年日东电工推出的ES20系列超低压膜代表了今天反渗透膜的最高水准,它已实现0.75MPa压力下脱盐率99.7%,产水量0.8吨/平方米/日。该公司97年生产出的耐污染型低压反渗透膜LF10系列显示了反渗透膜开发的新方向。该膜在传统的芳香族聚酰胺膜表面复合上一层聚乙烯醇,既消
8、除了膜表面的负电性又提高了膜的亲水性和耐氯性,从而大大提高了反渗透膜的抗污染性能。 目前国外反渗透膜的重要生产厂商均为美国和日本公司,其中美国杜邦(Dupont)公司和日本东洋纺(oyobo)公司垄断了中空纤维反渗透膜的世界市场。卷式反渗透膜的重要生产厂商为七家,他们是: 1.美国Hydranautics公司,该公司于1987年成为日本日东电工公司的全资 子公司2.日本日东电工(Nitto Denko)公司3.美国Film tec公司,该公司于1985年成为美国Dow chemcal(陶氏化学) 公司的全资子公司 4.美国Fluid system公司,该公司现为美国KOCH公司的子公司 5.日
9、本东丽(Toray)公司 6.美国Desel公司,该公司现为美国Osmonics公司的子公司 7.美国Trisep公司据有关专家估计,1996年卷式反渗透膜的世界市场规模为2.3亿美元,其中Hydranautics/Nitto Denko的市场份额为35%,Dow/Film tec为26%,两家合计占据世界市场的61%。美国、欧洲反渗透用途重要为各种工业用水及饮用水,中东、西班牙的海水淡化应用较多,日本重要用于半导体、电子,韩国、台湾除半导体、电子外,小型饮用纯水需求量很大。下面介绍美国饮用水用途膜分离应用情况。美国除大量使用中、小型及家用反渗透系统外,还建有许多大型公共供水系统。1996年9
10、月美国国立研究所曾以问卷调查方式记录了美国大型饮用水脱盐装置的状况。该调查发表了美国50个州中的21个州的以饮用水为目的的179家脱盐水厂的数据。结果表白这些装置总的产水能力为140万吨/日,各种脱盐方法在总装置产水能力中所占比重分别为:陆地水(苦咸水)反渗透47%,纳滤膜软化31%,可倒极电渗析13%,海水淡化8%。值得注意的是,纳滤膜软化的增长速度最快,从1992到1996的4年中,纳滤膜软化装置增长500%,大大高于其它方法。这是由于纳滤膜不仅可在低压下对水源软化和适度脱盐,并且可脱除三卤甲烷生成能(THMFP)、色度、细菌、病毒和溶解性有机物,因而日益受到青睐。该调查还对各种脱盐方法的
11、经济成本进行了记录比较。其结果如表1所示。无论是一次设备投资还是运营、维修费用均以纳滤膜软化为最低。表2美国大型水厂各种脱盐方法的经济比较纳滤膜软化陆地水反渗透可倒极电渗析反渗透海水淡化多级闪蒸海水淡化设备费(相对值)11.52.44.16运营维修费(相对值)111.27.29二、反渗透系统设计导则 在使用海德能公司反渗透膜元件设计反渗透系统时,一般应遵循下列所建议的通用导则,如需在超过本导则的情况下使用,请与海德能公司协商以便提供特殊的建议。平均水通量及允许每年水通量衰减百分数水 源SDI水 通 量水通量衰减百分数/年地表水SDI 25814GFD7.39.9井水SDI21418GFD4.4
12、7.3反渗透产品水SDI12030GFD2.34.4允许每年盐透过率增长百分数膜 型缩 写盐透过率增长百分数/年醋酸膜CAB1、CAB1、CAB3、CAB41733超低压复合膜ESPA1、ESPA2、ESPA3317聚酰胺复合膜CPA2、CPA3、CPA4317海水淡化膜SWC1、SWC2、SWC3317聚乙烯醇纳滤膜PVD1317聚酰胺纳滤膜ESNA1、ESNA2317每根压力容器中的最大给水流量及最小浓水流量膜直径(英寸)最大(加仑/分钟)最大(m3/hr)最小(加仑/分钟)最小(m3/hr)4163.630.76308.871.687517.0122.78.58519.3143.2浓缩水
13、中难溶盐的饱和极限盐 份饱和值%CaSO4SrSO4BaSO4SiO22308006000100饱和指数极限值条 件LSI值不加阻垢剂时的LSI及SDSI用六偏磷酸纳做阻垢剂时的LSI及SDSI用有机阻垢剂时的LSI及SDSI-0.20.51.8*:Langelier和Stiff & Davis饱和指数 ESPA系列反渗透复合膜ESPA膜是美国海德能公司在世界上率先推出的节能型超低压复合膜,ESPA(即Energy Saving Poly Amide的英文缩写),它具有超低的运营压力(较常规低压复合膜的运营压力减少了25%40%);更高的水通量(在大通量时有着与其它复合膜相同的高脱盐率);更宽
14、的水质合用范围和压力适应范围等优点。由于ESPA膜具有如上所述的优点,为水泵、压力容器、管道、阀门等配套设备的选择提供了更为广泛的空间,并且使用功率更小的电机即可满足工作的需要。同时,ESPA膜的高水通量、高脱盐率的特性,使我们在设计中仅用少量膜元件即可得到盼望产水量,这些都使设备制导致本和系统设备投资费用大为减少,并且可大量地节省能源,减少了系统的运营费用,使反渗透系统更加容易推广和被接受。在实际工程设计中,ESPA膜的产水通量是由进水质量所决定。下面是海德能公司针对不同水质所建议的设计产水通量,供用户设计时参考:地表水:(SDI=25)1214GFD(加仑/平方英寸天)井 水:(SDI1)
15、1618GFD反渗透水:2328GFDESPA系列(超低压节能型)反渗透膜元件规格与性能型号(超低压节能型)ESPA1ESPA2ESPA3ESPA-UITRAPURE规格外径/长度(mm)201.9/1016.0201.9/1016.0201.9/1016.0201.9/1016.0湿润态重量(kg)16.416.416.416.4有效膜面积(ft2)400400400400性能最低脱盐率(%)99.0%99.6%98%99.0%透过水量GPD(L/H)12023(1900)9000(1400)15000(2400)12023(1900)膜材质芳香族聚酰胺芳香族聚酰胺芳香族聚酰胺芳香族聚酰胺测
16、试条件测试溶液1500ppm NaCl溶液(运营30分钟后测试的数据)操作压力psi(Mpa)150(1.05)测试液温度()25单只膜元件水回收率(%)15测试液PH6.5 7.0使用条件最高进水温度()45进水PH范围3.0 10.0最高操作压力 psi(Mpa)600(4.16)最高进水流量GPM(M3/H)75(17.0)进水最高SDI(15分钟)5进水最高浊度1.0NTU最高进水自由氯浓度0.1ppm单只膜元件最高压力损失10psi(0.7kgf/cm2)单只膜元件上浓缩水与透过水量的最大比例5:1注意:产水量误差为15%,出厂时每一支膜元件均配有一只浓水密封环,一只膜元件连接管和相
17、应O型环。膜元件均真空封装于1 0%的亚硫酸氢纳和10%的丙二醇所构成的保存液中。 海德能公司确信本资料中提供的信息和数据都是准确和有用的,但由于我们无法控制用户的使用方法和使用条件,因而这里提供的信息和数据仅是出于和谐目的,不作为保证值。海德能公司不承担由于使用这些信息和数据而产生的后果或损害,用户应自己确认海德能公司产品对于其特定用途的适应性。CPA系列低压反渗透膜CAP膜是美国海德能公司于1989年上市的芳香族聚酰胺复合膜,继而又推出了CPA2膜,该膜将透水性与脱盐性实现了最佳的结合,因此CPA2膜在世界上得到了广泛的应用,CPA3和CPA4膜使脱盐率达成了更新的高度,可有效地去除水中的
18、SiO2和TOC,因此更适于制造电子工业超纯水和发电厂锅炉补给水。CPA系列膜元件的重要性能及规格型号CPA2-4040CPA2CPA3CPA4CPA-ULTRAPURE规格外径/长度(mm)99.0/1016.0201.9/1016.0湿润态重量(kg)4.116.416.416.416.4有效标称膜面积(ft2)85365400400400性能最低脱盐率(%)99.299.299.699.799.6透过水量GPD(m3/D)2250(8.5)10000(37.8)11000(41.6)6000(22.7)11000(41.6)测试条件测试水溶液浓度1500ppm,NaCl溶液(运营30分钟
19、后测试的数据)操作压力psi(Mpa)225(1.55)测试液温度()25.0单只元件水回收率(%)15测试液PH6.57.0使用条件最高进水温度()45PH范围3.010.0最高操作压力psi(Mpa)600(4.16)600(4.16)600(4.16)600(4.16)600(4.16)最高进水流量GPM(m3/H)16(3.6)75(17.0)75(17.0)75(17.0)75(17.0)单只膜元件最高压力损失10psi(0.7kgf/cm2)进水最高SDI(15分钟)5进水最高浊度1.0NTU最高进水自由氯浓度0.1ppm单只膜元件上浓缩水与透过水量的最高比例5:1LFC系列低污染
20、反渗透膜LFC膜是美国海德能公司于1998年在世界上率先推出的低污染型低压复合膜,LFC(即Low Fouling Composite的英文缩写)膜既具有普通复合膜的低压、高通量、高脱盐率的优点,同时又具有耐污染性的特殊优点,与传统复合膜表面带负电这一特点有所不同的是:LFC膜分LFC1及LFC2两种,LFC1膜表面不带电荷,LFC2膜表面带正电荷。LFC系列膜元件的重要性能及规格型 号LFC1-4040LFC2-4040LFC1-365LFC1-400LFC2规格外径/长度(mm)99/1016.0201.9/1016.0湿润态重量(kg)4.116.416.4标称膜面积(ft2)85853
21、65400365性能最低脱盐率(%)99.099.599.599.595.0透过水量GPD(m3/D)2300 (8.7)2500 (9.5)10000 (37.9)11000 (41.6)11000 (41.6)测试条件测试水溶液浓渡1500ppm NaCl溶液(运营30分钟后测试的数据)操作压力psi(Mpa)225(1.55)测试液温度()25.0单只元件水回收率(%)15测试液PH6.5 7.0使用条件最高进水温度()45PH范围3.0 10.0最高操作压力 psi(Mpa)600(4.16)600(4.16)600(4.16)最高进水流量GPM(M3/H)16(3.6)75(17.0
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