說到反滲透膜，大家的第一反應就是美國陶氏膜、美國海德能膜，它們是世界一線品牌，排名第一第二位置。我們分析反滲透膜的使用情況、日常維護以及清洗也都離不開來自他們的理論、經驗與指導。
8寸膜的外形結構
一、反滲透膜概況
自從上世紀五十年代未六十年代初期，反滲透（RO）和納濾（NF）技術產品商品化投放市場，1963 年在美國明尼蘇達州明尼亞波里斯市開展的膜基礎研究，成為成立 FILMTEC 公司和著名的 FILMTEC?FT30 膜化學的 技術基礎。 自從那時起，原有產品得到不斷地改進，并不斷地推出了新產品，提高了膜元件的產水水質，降低了水處理總成本。 現在反滲透膜能夠在顯著地降低運行壓力的條件下，實現更高的脫鹽率和產水量。
二、關于反滲透膜方面的知識
反滲透(RO) 反滲透是最精密的膜法液體分離技術，它能阻擋所有溶解性鹽及分子量大于 100 的有機物，但允許水分子透過，醋酸纖維素 反滲透膜脫鹽率一般可大于 95%，反滲透復合膜脫鹽率一般大于 98%。
各種濾膜截流物質精度比較圖
它們廣泛用于海水及苦咸水淡化，鍋爐給水、工業純 水及電子級超純水制備，飲用純凈水生產，廢水處理及特種分離等過程，在離子交換前使用反滲透可大幅度地降低操作費用 和廢水排放量。反滲透膜的運行壓力當進水為苦咸水時一般大于 5bar，當進水為海水時，一般低于 84bar。
反滲透和納濾原理 滲透 我們知道滲透是指稀溶液中的溶劑（水分子）自發地透過半透膜（反滲透膜或納濾膜）進入濃溶液（濃水）側的溶劑（水分 子）流動現象。
滲透原理圖
反滲透 納濾 微濾 顆粒過濾 離子和分子 微米 10-3 納米 富里酸 腐殖酸 似隱孢菌素 卵母細胞 細菌 藻類 非揮發有機物/色度/消毒副產物/致癌前驅物 粘土 淤泥 膠體 乳化油 小假單胞菌 流感病毒 合成有機化合物 殺蟲劑，表面活性劑 揮發性有機物，染料 二堊英，生物耗氧量 化學耗氧量 離子 硝酸根、硫酸根 氰化物、硬度、砷 磷酸根、重金屬 大腸桿菌 蛋白質 酶制品 氨基酸 小紅細胞 膠體硅 10-2 10-1 1 1 10 102 103 大分子 微粒 病毒 脊髓灰質炎病毒 超濾 TM陶氏化學公司（“陶氏”）或其附屬公司的商標 - 204 - 滲透壓 定義為某溶液在自然滲透的過程中，濃溶液側液面不斷升高，稀溶液側液面相應降低，直到兩側形成的水柱壓力抵銷了溶劑 分子的遷移，溶液兩側的液面不再變化，滲透過程達到平衡點，此時的液柱高差稱為該濃溶液的滲透壓。 反滲透原理 即在進水（濃溶液）側施加操作壓力以克服自然滲透壓，當高于自然滲透壓的操作壓力施加于濃溶液側時，水分子自然滲透 的流動方向就會逆轉，進水(濃溶液)中的水分子部分通過膜成為稀溶液側的凈化產水（請參見上圖）。
三、膜系統
膜元件：將反滲透或納濾膜膜片與進水流道網格、產水流道材料、產水中心管和抗應力器等用膠粘劑等組裝在一起，能實 現進水與產水分開的反滲透或納濾過程的最小單元稱為膜元件；
膜組件：膜元件安裝在受壓力的壓力容器外殼內構成膜組件； 膜裝置：由膜組件、儀表、管道、閥門、高壓泵、保安濾器、就
膜系統：針對特定水源條件和產水要求設計的，由預處理、加藥裝置、增壓泵、水箱、膜裝置和電氣儀表連鎖控制的完整 膜法水處理工藝過程稱為系統。 待處理的進水經過高壓泵被連續升壓泵入膜裝置內，在膜元件內進水被分成濃度低的或更純的產水，稱為透過液和濃度高的 濃水。濃水調節閥控制成為產水和濃水的比例即裝置回收率。
四、影響反滲透膜性能的因素
定義
回收率：指膜系統中給水轉化成為產水或透過液的百分率。膜系統的設計是基于預設的進水水質而定的，設置在濃水管道 上的濃水閥可以調節并設定回收率?；厥章食３ＯＭ畲蠡员惬@得最大的產水量，但是應該以膜系統內不會因 鹽類等雜質的過飽和發生沉淀為它的極限值。
脫鹽率：通過反滲透膜從系統進水中除去總可溶性的雜質濃度的百分率，或通過納濾膜脫除特定組份如二價離子或有機物 的百分數。
透鹽率：脫鹽率的相反值，它是進水中溶解性的雜質成份透過膜的百分率。 滲透液：經過膜系統產生的凈化產水。
流 量： 進水流量是指進入膜元件的進水流量，常以每小時立方米（m3/h）或每分鐘加侖表示（gpm）。濃水流量是指離 開膜元件系統的未透過膜的那部分的“進水”流量。這部分濃水含有從原水水源帶入的可溶性的組份，常以每小 時立方米（m3/h）或每分鐘加侖表示（gpm）。
通 量： 以單位膜面積透過液的流率，通常以每小時每平方米升（l/m2h）或每天每平方英尺加侖表示（gfd）。
稀溶液：凈化后的水溶液，為反滲透或納濾系統的產水。
濃溶液：未透過膜的那部分溶液，如反滲透或納濾系統的濃縮水。
壓力的影響
進水壓力影響 RO 和 NF 膜的產水通量和脫鹽率，我們知道滲透是指水分子從稀溶液側透過膜進入濃溶液側的流動，反 滲透和納濾技術即在進水水流側施加操作壓力以克服自然滲透壓。當高于滲透壓的操作壓力施加在濃溶液側時，水分子自然 滲透的流動方向就會被逆轉，部分進水（濃溶液）通過膜成為稀溶液側的凈化產水。 正如圖 1 所示，透過膜的水通量增加與進水壓力的增加存在直線關系，增加進水壓力也增加了脫鹽率，但是兩者間的 變化關系沒有線性關系，而且達到一定程度后脫鹽率將不再增加。
壓力與溫度對反滲透膜的影響
溫度的影響
膜系統產水電導對進水溫度的變化非常敏感，隨著水溫的增加，水通量幾乎線性地增大，這主要歸功于透 過膜的水分子的粘度下降、擴散能力增加。增加水溫會導致脫鹽率降低或透鹽率增加，這主要是因為鹽分透過膜的擴散速率 會因溫度的提高而加快所致。
鹽濃度的影響
滲透壓是水中所含鹽分或有機物濃度和種類的函數，鹽濃度增加，滲透壓也增加，因此需要逆轉自然滲透流動方向的進 水驅動壓力大小主要取決于進水中的含鹽量。圖 4 表明，如果壓力保持恒定，含鹽量越高，通量就越低，滲透壓的增加抵消 了進水推動力，同時如圖 下圖所示，水通量降低，增加了透過膜的鹽通量 （降低了脫鹽率）
pH 值的影響
各種反滲透和納濾膜元件適用的 pH 值范圍相差很大，象 FILMTEC?FT30 這樣的超薄復合反滲透和納濾膜與醋酸纖維素 反滲透和納濾膜相比，在更寬廣的 pH 值范圍內更穩定，因而，具有更寬的操作范圍。 膜脫鹽率特性取決于 pH 值，水通量也會受到影響， FILMTECTM FT30 膜在寬廣的 pH 范圍內水通量和脫鹽率相當 穩定。與醋酸纖維素膜相比，FT30 在很寬的 pH 范圍內所具有的穩定性允許我們采用更強烈、更快和 更有效的化學清洗程序。
五、膜結垢控制
當難溶鹽類在膜元件內不斷被濃縮且超過其溶解度極限時，它們就會在反滲透或納濾膜膜面上發生結垢，如果反滲透水 處理系統采用 50%回收率操作時，其濃水中的鹽濃度就會增加到進水濃度的兩倍，回收率越高，產生結垢的風險性就越大。 目前出于水源短缺或對環境影響的考慮，設置反滲透濃水回收系統以提高回收率成為一種習慣做法，在這種情況下，采取精 TM陶氏化學公司（“陶氏”）或其附屬公司的商標 - 218 - 心設計、考慮周全的結垢控制措施和防止微溶性鹽類超過其溶解度而引發沉淀與結垢尤為重要，RO/NF 系統中，常見的難溶 鹽為 CaSO4、CaCO3和 SiO2，其它可能會產生結垢的化合物為 CaF2、BaSO4、SrSO4和 Ca3(PO4)2，下表列舉了難溶無機鹽的溶 度積數據。
難溶鹽溶度積
設計、考慮周全的結垢控制措施和防止微溶性鹽類超過其溶解度而引發沉淀與結垢尤為重要，RO/NF 系統中，常見的難溶 鹽為 CaSO4、CaCO3和 SiO2，其它可能會產生結垢的化合物為 CaF2、BaSO4、SrSO4和 Ca3(PO4)2，下表列舉了難溶無機鹽的溶 度積數據。
為了防止膜面上發生無機鹽結垢，我們要以預防為主，應采用如下措施：
1、加 酸
大多數地表水和地下水中的 CaCO3幾乎呈飽和狀態，由下式可知 CaCO3的溶解度取決于 pH 值： Ca2+ + HCO3 – ? H+ + CaCO3 因此，通過加入酸中的 H+，化學平衡可以向左側轉移，使碳酸鈣維持溶解狀態，所用酸的品質必須是食品級。在大多 數國家和地區，硫酸比鹽酸更易于使用，但是另一方面，進水中硫酸根的含量增加了，就硫酸鹽垢而言，問題會嚴重。 CaCO3 在濃水中更具有溶解的傾向，而不是沉淀，對于苦咸水而言，可根據朗格利爾指數(LSI)，對于海水可根據斯蒂夫 和大衛飽和指數(S&DSI)，表示這種趨于溶解的傾向。在飽和 pHs 的條件下，水中 CaCO3處于溶解與沉淀之間的平衡狀態。 LSI 和 S&DSI 的定為： LSI = pH – pHs （TDS ≤ 10,000 mg/L） S&DSI = pH – pHs （TDS > 10,000 mg/L） 僅采用加酸控制碳酸鈣結垢時，要求濃水中的 LSI 或 S&DSI 指數必須為負數，加酸僅對控制碳酸鹽垢有效。
2、加阻垢劑
阻垢劑可以用于控制碳酸鹽垢、硫酸鹽垢以及氟化鈣垢，通常有三類阻垢劑：六偏磷酸鈉(SHMP)、有機磷酸鹽和多聚丙 烯酸鹽。 相對聚合有機阻垢劑而言，六偏磷酸鈉價廉但不太穩定，它能少量的吸附于微晶體的表面，阻止結垢晶體的進一步生長 和沉淀。但須使用食品級六偏磷酸鈉，還應防止 SHMP 在計量箱中發生水解，一旦水解，不僅會降低阻垢效率，同時也有產 生磷酸鈣沉淀的危險。因此，目前極少使用 SHMP，有機磷酸鹽效果更好也更穩定，適應于防止不溶性的鋁和鐵的結垢，高 分子量的多聚丙烯酸鹽通過分散作用可以減少 SiO2結垢的形成。 但是聚合有機阻垢劑遇到陽離子聚電解質或多價陽離子時，可能會發生沉淀反應，例如鋁或鐵，所產生的膠狀反應物， 非常難以從膜面上除去。對于阻垢劑的加入量，請咨詢阻垢劑供應商。必須避免過量加入，因為過量的阻垢劑對膜而言也是 污染物。 在含鹽量為 35,000mg/L 的海水反滲透系統中，結垢問題沒有苦咸水中那樣突出，海水受濃水滲透壓所困，其系統回收率 在 30~45%之間，但為安全起見，當運行回收率高于 35%時，推薦使用阻垢劑。 陽離子聚電介質可能會與負電性的阻垢劑發生協同沉淀反應并污染膜表面，必須保證當添加陰離子阻垢劑時，水中不存 在明顯的陽離子聚合物。
3、強酸陽樹脂軟化（針對我國南方水質是可行的，而且有很高的效果）
可以使用 Na+離子置換和除去水中結垢陽離子如 Ca2+、Ba2+和 Sr2+。交換飽和后的離子交換樹脂用 NaCl 再生，這一過程 稱為原水軟化處理。在這種處理過程中，進水 pH 不會改變。因此，不需要采取脫氣操作，但原水中的溶解氣體 CO2 能透過 膜進入產品側，引起電導率的增加，操作者仍可以在軟化后的水中加入一定量 NaOH（直到 pH8.2）以便將水中殘留 CO2轉化 成重碳酸根，重碳酸根能被膜所脫除，使反滲透產水電導率降低，FT30 膜的脫鹽率在中性 pH 范圍內較高。
4、預防性清洗
在某些場合下，可以通過對膜進行預防性清洗來控制結垢問題，此時系統可不需要進行軟化或加化學品阻垢。通常這類 系統的運行回收率很低，約 25%左右，而且 1~2 年左右就考慮更換膜元件。這些系統通常是以自來水或海水作水源，制造飲 用水的單元件不重要的小型系統，其最簡單的清洗方式是打開濃水閥門作低壓沖洗，設置清洗間隔短的模式要比長的模式有 效，例如常用每運行 30 分鐘低壓沖洗 30 秒。 也可以采用類似于廢水處理中的批操作模式，即在每批操作之后清洗一次膜元件。清洗步驟、清洗化學品和清洗頻率等 需要作個案處理和優化。特別要注意采取措施不讓結垢層隨運行時間的延長進一步的加劇。
六、清洗與消毒
水處理系統進水中存在各種形式可導致反滲透和納濾膜表面污染的物質，如水合金屬氧化物、含鈣沉淀物、有機物及生 物。污垢（fouling）就是指覆蓋在膜表面上的各種沉積物，包括水中的結垢物。 膜系統預處理的目的在于盡量減少膜表面的上述污染，通過安裝合適的預處理系統，選擇恰當的操作條件，如產水流 量，運行壓力與產水回收率等，就能達到這一目標。
下列因素有可能引起膜系統污垢：
? 預處理系統不完善
? 預處理運行不正常
? 系統選材不合適（泵和管線等）
? 預處理投藥系統失靈
? 系統停機后沖洗不及時或不充分
? 操作控制不當
? 膜面長時間累積沉淀物（鋇和硅垢等）
? 進水組份或其它條件改變
? 進水受生物污染 發生膜表面的污垢將加速系統性能的下降，如減少產水流量，降低脫鹽率。污垢的另一個負面現象是進水和濃水間的壓 差增加。
1、清洗條件
在正常操作過程中，反滲透元件內的膜片會受到無機鹽垢、微生物、膠體顆粒和不溶性的有機物質的污染。操作過程中 這些污染物沉積在膜表面，導致標準化的產水流量和系統脫鹽率分別下降或同時惡化。
當下列情況出現時，需要清洗膜元件：
? 標準化產水量降低 10%以上
? 進水和濃水之間的標準化壓差上升了 15%
? 標準化透鹽率增加 5%以上 以上的標準（基準）比較條件取自系統經過最初 48 小時運行時的操作性能。
2、清洗安全注意事項
2.1. 在下列各章節中，當使用任何清洗化學品時，必須遵循獲得認可的安全操作規程。關于化學品安全性、使用方法和排放 處置方面的細節請咨詢該化學品制造商。
2.2. 當準備清洗液時，應確保在進入元件循環之前，所有的清洗化學品得到很好的溶解和混合。
2.3. 在清洗化學藥品與膜元件循環之后，應采用高品質的不含余氯等氧化劑的水對膜元件進行沖洗（最低溫度>20oC），推薦 用膜系統的產水，如果對管道沒有腐蝕問題時，可用經脫氯的飲用水和經預處理的給水。在恢復到正常操作壓力和流量 前，必須注意開始要在低流量和壓力下沖洗大量的清洗液。此外，在清洗過程中清洗液也會進入產水側，因此，產水必 須排放 10 分鐘以上或直至系統正常啟動運行后產水清澈為止。
2.4. 在清洗液循環期間，pH2~10 時溫度不應超過 50oC，pH1~11 時溫度不應超過 35oC，pH1~12 時溫度不應超過 30oC。
2.5. 對于直徑大于 6 英寸的元件，清洗液流動方向與正常運行方向必須相同，以防止元件產生“望遠鏡”現象，因為壓力容 器內的止推環僅安裝在壓力容器的濃水端。在小型元件的系統清洗時也建議注意這一點。
3、清洗設備
清洗所需設備參見下面的清洗系統流程圖，針對 FILMTECTM元件的清洗液 pH 值范圍可能在 1~12 之間，因此清洗系統應采 用耐腐蝕材料建造。
3.1、 作混合與循環的清洗水箱可以是聚丙烯或玻璃鋼（FRP），清洗水箱應設有可移動的蓋子和溫度計，提高清洗溫度有利 于提高清洗效率，在此建議清洗過程中應按表中的規定維持清洗液 pH 值和溫度的恒定。由于低 溫下清洗化學動力學極 低，清洗液溫度不應低于 15oC（59oF），此外，某些化學品如月桂酸鈉（十二烷基磺酸鈉）在低溫下可能發生沉淀，在 某些地區，清洗系統中則需要安裝冷卻部件，因此設計清洗系統時應考慮加熱和冷卻要求。確定清洗箱大小的大致方法 是將空的壓力容器的體積與清洗液循環管路的體積之和。
3.2、清洗泵的大小的流量和壓力再加上管路和濾芯的壓力損失來選擇，水泵的材質至少必須是 316 不銹鋼或非金屬聚酯復合材料。
3.3、清洗系統中應設有必要的閥門、流量計和壓力表以控制清洗流量，聯結管線既可以是硬管也可以是軟管，清洗管道流速 應小于 3 米/ 秒（10 英尺 / 秒）。
4、清洗參數
高流量循環期間每支壓力容器建議流量和壓力
清洗 pH 值和溫度極限 |
