反滲透膜材料及污染與防治介紹

發布時間: 2010-09-01 00:00:00   作者:本站編輯   來源: 本站原創   瀏覽次數:

  反滲透膜材料及污染與防治介紹

   

  一、概述

  反滲透技術是20世紀60年代初發展起來的以壓力為驅動力的一項膜分離技術。該技術從海水、苦咸水淡化而發展起來,具有無相變、組件化、流程簡單、操作方便、占地面積小等優點。

  所謂反滲透(Reverse osmosis,RO),就是一種利用反滲透膜選擇性的透過溶劑(通常是水)而截留離子物質,以膜兩側靜壓差為動力,克服溶劑的滲透壓,使溶劑通過反滲透膜而實現對液體混合物進行分離的過程。

  二、反滲透膜材料

  1.對反滲透膜的要求

  膜分離技術中膜的性能決定著反滲透設備的性能,衡量一種膜有無實用價值,要看膜是否具備下列條件:

  (1)高截污率和高透水率;

  (2)強耐微生物侵蝕性能;

  (3)好的柔韌性和足夠的機械強度;

  (4)抗污染性能好,使用壽命長,適用pH范圍廣;

  (5)運行操作壓力低;

  (6)制備簡單,便于工業化生產;

  (7)耐壓致密性好,具有化學穩定性,能在較高溫度下應用。

  以纖維素、聚酰胺等為材料制備的非均相膜,以及近年來研究的復合膜,能在不同程度上符合上述對反滲透膜的要求。

  2.典型的反滲透膜

  (1)醋酸纖維素

  醋酸纖維素(Cellulose Acetate,CA)是一種由纖維素與乙酸酐(約40%)乙酰化而制得的適于反滲透用的膜材料。它是目前研究得最多的反滲透或超濾膜材料,制得的膜具有透水率高,有中等耐氯性,對大多數水溶性組分滲透率低,具有良好的成膜性能及膜較牢固等特點,除醋酸纖維素外,三醋酸纖維素(CTA),醋酸丙酸纖維、醋酸丁酸纖維(CAB)等都是很有前途的纖維素類膜材料。這些纖維酯是在纖維素分子中引入不同酯基后,得到的具有不同親水性和反應官能團的纖維素衍生物。

  (2)芳香聚酰胺膜

  70年代以前研究的聚酰胺膜主要為脂肪族聚酰胺,如尼龍-66、環氧乙烷接枝尼龍等,這些聚酰胺膜透水性能較差。目前在反滲透過程中廣泛采用的是芳香族聚酰胺膜,它具有良好的透水性,較高的脫鹽率,優良的機械強度和高溫穩定性,耐壓實,能在pH值3~11很寬范圍內應用,但對氯很敏感。三種典型的芳香聚酰胺膜為聚對(間)氨基苯甲酰肼間(對)苯二甲酰胺、聚間苯二甲酰間苯二胺和聚N,N-間苯撐雙(間氨基苯甲酰胺)對苯二甲酰胺。

  (3)復合膜

  醋酸纖維素類反滲透膜存在易壓密的過渡層,通量下降斜率大,不耐生物降解等問題,聚酰胺膜則對氯很敏感,為此提出了新型反滲透膜,也是被人們譽為第三代膜的復合膜概念:將超薄皮層經不同方法附載在微孔支撐體上制成膜,并分別使超薄脫鹽層和多空支撐層最佳化。這樣超薄層所用的單元品種多、用量少,可用性能好、價格低的單體,而不必生產大量的聚合物,也不必擔心聚合物批量間的差異;超薄層可呈交聯的網狀而不溶,這一點不對稱膜是難以實現的;通過選擇單體,控制工藝條件和交聯度等,來獲得高脫鹽率和高通量的脫鹽超薄層,其pH值應用范圍寬,化學穩定性好,耐生物降解,以及可滿足特定的要求等。

  從結構上來說,復合膜屬于非對稱膜的一種,實際只不過是兩層(甚至三層)的薄皮復合體。它的制法是將極薄的皮層刮制在一種預先制好的微細多孔支撐層上。與用傳統相轉化法制作的不對稱結構反滲透膜相比,復合膜具有以下特點:

  a.可以分別優選不同的材料制作超薄脫鹽層和多孔支撐層,使它們的功能分別達到最優化;

  b.可以用不同方法制作高交聯度和帶離子性基團的超薄膜鹽層,它的厚度可以到0.01~0.1um,從而使膜對污染物特別是對有機物具有良好的分離率和高透水速度,同時還具有良好的物化穩定性和耐壓密性,如在相同條件下,其透水率比非對稱膜高約50%~100%;

  c.根據不同的應用特性,可以制作具有良好重復性和不同厚度的超薄脫鹽層;

  d.大部分復合膜可以制成干膜,有利于膜的運輸和保存。

  目前使用的典型復合膜有三醋酸纖維復合膜、聚脲薄膜復合體(已開發的包括NS-100復合膜和NS-200復合膜)和聚酰胺薄膜復合體、美國Film Tech公司的FT-30、日本日東電氣工業公司的NTR-7100和NTR-7250,以及東麗公司的PEC-1000等。

  (4)新型膜材料——聚苯硫醚膜

  聚苯硫醚(polyphenylene sulfide,PPS)是國外60年代最新開發的具有良好的耐熱性及優越的抗化學腐蝕性的高分子工程材料,具有耐高溫、耐腐蝕、耐輻射、韌性好、強度大等特點。PPS纖維強度、耐熱性與芳香聚酰胺類纖維相當,可在高溫下(<240℃)連續使用,其耐腐蝕性優于芳香聚酰胺,僅次于聚四氟乙烯纖維,是一種能在惡劣環境下長期使用的特種材料。

  PPS幾乎能抵抗所有有機物的腐蝕。到目前還沒有發現低于200℃時能溶解PPS的溶劑。堿和無機鹽的水溶液對PPS即使在加熱下也幾乎沒作用。氧化性弱的濃無機酸也不能明顯地溶解PPS。但PPS在氧化性強的酸(如濃硫酸、硝酸、高氯酸或高氯酸鈉、過氧化氫等)中不太穩定,可被氧化。

  PPS除其化學穩定性外,另一個重要的性質就是它的熱穩定性。其熔融溫度為285℃,在1.86MPa壓力下的熱變形溫度為260℃,可以在200~240℃長期使用。同時PPS纖維還可作為阻燃材料,其自燃和驟燃溫度約為500℃。

  由于PPS具有許多當前一般膜材料無可比擬的優良性能,而且它也具有較好的成膜性,所以是一個具有很好的應用前景的新型膜材料。特別是膜分離技術已深入到有機溶液的分離,高溫液體或氣體的分離以及在環保領域中含有有機溶劑或大量酸堿的生產廢水的處理,一般膜材料在這類體系中難以應用,而PPS分離膜則可以很好地用于這些體系。

  目前已可制備出的PPS膜有PPS中空纖維膜,管式膜或平板膜,以及用PPS作基膜的復合膜等。

  三、反滲透膜的污染及其防治

  反滲透膜在運行過程中易受水中懸浮物、膠體、微生物、結垢物以及有機物等引起的膜污染,造成膜性能下降進而影響出力。一般認為有三種情況可使膜性能下降:一是膜本身的化學變化,包括膜的水解、游離氯等的氧化以及強酸強堿的作用;二是膜本身的物理變化,包括壓密、反壓力作用使膜被破壞;三是膜受污染,這主要包括結垢物、微生物、膠體、懸浮物、有機物等在膜面及內部污染堵塞。這三種情況都可使膜性能下降,并造成進水壓力升高、產水量下降、脫鹽率下降。現在主要是采用適當的進水預處理措施,嚴格控制反滲透裝置進水水質,以及在膜污染后采用合適的化學清洗來解決。

  目前所采用的預處理的方法有:

  1.采用絮凝、沉淀、過濾或生物處理法去除進水中的濁度和懸浮固體;

  2.用氯、紫外線或臭氧殺菌,以防止微生物、細菌的侵蝕;

  3.加入磷酸納或酸,防止鈣、鎂離子結垢;

  4.嚴格控制pH值和余氯,以防治膜的水解;

  5.控制水溫;

  6.注意控制進水流速和電導率,以防止膜的水解。

  總之,在進行反滲透進水的預處理時,應考慮兩個方面:一是防治懸浮物、膠體和微生物對膜和管道內部的污染和堵塞;另一方面是要防治難溶鹽的沉淀結垢。兩方面的處理結果都能達到要求時,才能保證反滲透裝置的正常運轉。

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