近其膜性能的改善对系统设计的影响

摘要：低压、高脱盐率ESPA膜的推出使反渗透（RO）技术商业化的目标之一得以实现：即可以在极低给水压力下运行RO系统，该压力等于浓水的渗透压加上沿系统的压力损失。但是在给水温度高，含盐量高或系统回收率高的条件下，由于ESPA的特征通——单位净驱动压力NDP趋于零。这种操作条件会导致产水含盐量较高，并可能增加污染速度。校正措施包括增加段间加压泵或设计采用不同膜元件的系统。在这种混合设计时前段（第1段）使用特征水通量低的膜元件，后段采用特征水通量高的膜元件。这种混合设计没有完全利用ESPA膜的节能性，但是提供更为均匀的通量分布，且改善产水质量。

关键词：膜 反渗透 RO系统设计

　介 绍

　　商业反渗透复合膜的评定指标为盐透过率及特征水通量。苦咸水脱盐用反渗透的发展方向为降低盐的透过率及提高特征水通量。在1995年初，一种新的用于处理苦咸水的芳香聚酰胺复合膜投入商业使用[1]，膜的性能取得了显著的提高。这种新的膜材料被命为ESPA，该膜具有非常高的特征水通量（0.24gfd/psi-nct），大约是前一代芳香聚酰胺复合膜的两倍，同时保持低的盐透过率。这种新膜的标称脱盐率与传统的苦咸水用芳香聚酰胺复合膜相似，为99%。较高的特征水通量使RO系统要求的给水压力更低，同时能耗也更低，但是为了完全发挥新技术的节能潜力，在某些进水含盐量、温度操作参数条件下，与使用传统膜元件的RO系统相比，必须对装有新型膜元件的RO系统设计作一些修改。

　　RO工艺对给水压力的要求

　　 为了达到RO系统设计流量所需的给水压力与许多工艺参数有关，其中有一些是相互关联的。这些参数可分为3种基本类别。头两类分别为特定参数类和系统设计参数类。特定参数类包括给水含量和给水温度。系统设计参数类包括平均水通量，回收率和系统压降。膜的特征水通量属于另一类别，是RO膜材料的内在特性。特征水通量常以单位压力下的产水量来表示，其定义为在RO系统中生产出给定的平均水通量所要求的净驱动压力（NDP）。在给定的设计条件和运行条件下，给水压力由设计平均水通量所要求的NDP决定。NDP与RO系统的平均水通量（APF）设计值和所选膜型的特征水通量（SPF）有下列关系式：

　　 设计给水压力（P_f）等于设计平均水通量所需要的NDP、给水/浓水平均渗透压（P₀）、RO系统的平均压降（P_d）和产水压力（P_p）之和：

　　 在公式（2）中，假设产品水渗透压可以忽略不计。因为对于目前的高脱盐率膜元件来说其产水含盐量大约是给水/浓水平均含盐量的1-2%；因此产品水渗透压可以忽略。根据公式（1）和（2）可以看出，NDP值和所要求的给水压力值直接与RO系统的设计平均水通量成正比，与所选膜类型的特征水通量成反比。在传统的RO系统中，随着给水/浓水侧渗透压增加和给水压力降低，NDP沿系统下降。给水压力下降主要是由于在膜元件给水通道中产生摩擦损失（压力降）所致。在这种涡卷式膜元件中压力降是平均给水流量（Q_fb）的函数，并与功率因子（b）和给定组件的特征常数（A）有关。

　　 为了有效地利用系统中的膜面积，RO系统的给水压力应该足够高，从而保证在系统后部的膜元件（该部位渗透压最高）仍有足够的NDP。图1给出了一个二段RO系统的压力与膜元件位置的关系，该系统中每个压力容器装有7根膜元件，整个流程为14根膜元件。用于计算给水-浓水侧渗透压的参数是给水含盐量1500ppm、给水温度25℃、系统回率85%、平均水通量为15gfd(24.8m2/hr)。传统膜（CPA2）和新型号膜（ESPA）所需的给水压力根据公式（1）-（3）计算，并以压力1277Kpa(185psi)和996Kpa（140psi）的两条平行的水平直线表示。使用ESPA膜元件的RO系统所要求的给水压力比用CPA2膜元件的RO系统所需要的给水压力低22%。但是如图1所示在装ESPA膜的系统中如按这些系数运行时，系统尾部位置的膜元件的NDP非常低且产水量也极低。图2和图3给出了沿RO系统流程中单个膜组件的平均水通量。图2为使用CPA2膜元件的RO系统中水通量分布数据。水通量分布斜率随给水温度变化，温度越高曲线变得越陡。即使按照35℃的最高给水温度计算时，CPA2系统中的尾部膜元件仍有足够的产水量。对于使用ESPA膜元件的RO系统，在同样的设计条件下，产水通量的分布与使用CPA2膜元件的RO系统有明显不同，由于有较高的特征水通量，沿RO系统的产水量分布曲线会更陡，位于系统尾部的ESPA膜元件在给水温度为25℃以上时产水通量非常低（图3）

　　 给水温度越高，前级膜元件的产水量就越大。这种操作条件将导致前级膜元件发生过度的浓差极化，且容易受到污堵。不均衡的通量分布也影响产水质量，特别是在水温度高的条件下，在给水到达系统的尾端之前就已达到设计回收率，这时大部分膜表面与给水中高浓度盐溶液接触，使大量盐离子透过膜元件，从而造成产水中含盐量增加。

　　改进的系统设计

　　 装有超低压膜元件的RO系统的产水通量分布可通过改进系统设计而获得改善。一种方法是调节前段膜元件的产水量，这可以通过在第一段的产水管路上安装一个调节阀来实现，流程如图4所示。

　　 部分关闭调节阀，会提高第一段产水管中的压力，而产水压力增加将降低

　　NDP[公式（2）]，导致第一段产水量降低。为了保证系统产水量，这就需要提高给压力，并进而提高以后各段的水通量。另一种可提供类似效果的方法是在系统中加入增压泵，增压泵通常装在最后一段的给水管上，图5给出了这种方法的流程图。就水通量分布而论，这种方法与产品水节流的方法相比，其实际结果是相同的。第2种设计的主要优点是避免了因产品水节流而造成的能量损失，图6给出了第2种设计的水通量分布情况。第3种设计方法是在同一系统中使用两种不同膜元件，将具有较低特征水通量的CPA2膜元件安装在系统前段位置，这里NDP值最大，在系统后部使用ESPA膜元件以补偿NDP的降低。第三种设计的水通量分布情况见图7。与CPA2膜元件相比，ESPA膜元件有对高的脱盐率，所以ESPA膜元件可以装在这种混合系统的末端，而不会明显提高产品水含盐量。

　　RO装置的能耗

　　RO系统的能耗为生水泵能耗、预处理系统因压力损失所导致的能耗、辅助设备能耗、高压泵能耗及产品水输送泵能耗之和。高压泵马达能耗占RO系统能耗的绝大部份。RO系统所要求的给水压力受所使用的膜元件类型（即特征水通量值）和系统排列的影响。高压泵的比能耗（SPC）是给水压力（P_f）、回收率（R）、泵和马达（E_p、E_m）效率的函数。

　　膜产水通量与膜元件所在序位的关系产水通量与膜元件所在序位的关系

　　注：给水含盐量1500ppm；回收率85%；给水温度（℃）；5、15、25和35，产水通量为15和20fd

　　 SPC=K*Pf/(R*Ep*Em) (4)

　　 K是单位转换常数

　　 上述关系式仅适用于只有单个给水泵的系统。对于使用段间加压泵的系统，所需功率为主给水泵功率及段间加压泵功率之和。表1为不同系统设计时比能耗计算结果。为计算能耗，假设泵效率为82%，马达效率为93%，在对使用传统的CPA2膜元件和使用低压ESPA膜元件的RO装置的能耗进行对比时，很明显给水温度影响能耗。

　　 随着水温度上升，这两类膜元件的能耗差的绝对值和百分数都减少，采用段间加压泵来改善装有ESPA膜元件的系统的水通量分布，不会导致能耗产生明显变化，采用混合膜元件的系统的能耗，即在一个装置中同时使用ESPA膜元件和CPA2膜元件的能耗位于单独使用这两种膜的装置的能耗之间，与带段间加压泵的系统相比，这种使用混合膜元的设计为水通量分布不均匀的场合提供一种间单的、低费用的解决方案，但能耗相对较高。

　　改进的系统排列

　　在传统RO系统中压力容器采用多段排列的方式[2]，前后两段中压力容器的数量比大约为2：1。这种排列是为了使膜元件给水通道中保持高流，以使膜表面产生紊流并减少溶解盐在膜表面的过份浓缩，基于系统成本的考虑，系统设计正转向数量更少、但长度更长的压力容器，这样可更多的膜组件串联起来，这种设计趋势导致系统压力损失更高。

　　 在装有传统膜元件的RO系统中，给水通道中的压力损失仅占总给水压力的一部分。新的ESPA型膜元件有更高的特征水通量，因而在相同较低的给水压力下工作，对于采用ESPA膜元件的系统，其给水-浓水侧压力损失限制了采用新型膜元件所带来的潜在节能可能性。通过改变设计以减少流长度、压力溶器段数可减少压力损失，在图8中给出了对应不同系统排列给水压力也不同的一个例子。给水压绝对值取决于给水成份和系统参数，水流长度越短，能耗越低。但是系统中水流长度越短将就需要有更多的压力容器并联连接，从而导致给水通道中流速较低。在RO系统设计时膜元件制造高建议了浓水的最小流速。对于8”直径的膜组件，最小浓水流速大约为2.7m³/h(12gpm)。图9表明只有少数排列方式能够保证这一设计值。特别是在比较常用的15gfd水通量时更是如此，增加设计平均水通量将提高每个压力容器中的浓水流量，因而可使系统中水流长度缩短在设计水流长度较短的反渗透系统时，另外一个限制参数是浓差极化因子（CPF）。CPF表示在膜表面过量的溶解离子浓度，CPF与产水流量（Qp）和平均给水量的比成正比。

　　 CPF=exp(A*Qp/Qn) (5)

　　 公式（5）中的流量比为膜表面垂直的流量与膜表面平行的横向流量之间的比值。CPF还可根据单个膜元件的回收率表示为：

　　 CPF=exp[A*2R/(2-R)] (6)

　　 单个膜元件的回收率与CPF的关系如图10所示。通常对40”（100cm）长的膜元件限制值是1.2，此时对应回收率大约为18%。

　　使用氯化钠溶液进行的短期测试结果显示，在相对较高的回收率时（对应CPF为1.4，图11和图12）膜性能比很稳定。但是在实际的现场操作中，这会使膜结垢速度加快。

参考文献

　　[1] M.Wilf， New generation of low pressure high salt rejection membranes，Proc;1996 Biennial Conference And Exposition， Monterey，California，1996

　　[2] Reverse Osmosis Technical by Burns and Roe for US Department of Interior Office of Water Treatment and Technology， Contract No.14-34-0001-8530，1979