打破束缚--宽给水隔网反渗透膜元件的优势及进展

作者：本网编辑文章来源：弗戈水处理网发布时间：2010-07-04

图1 反渗透膜元件中给水隔网示意。

随着反渗透系统给水水源的日趋复杂，对抗污染性能的改善已逐步成为反渗透膜元件发展的核心问题之一。电中性、分离层光滑度以及亲水性等方面的膜表面改性措施，已经提高了反渗透膜元件的抗污染能力。而增加膜元件的给水流道的隔网厚度，不仅能够有效提高膜元件的抗污染性能，还可使反渗透系统具有系统压力损失减小、前后段通量均衡等多项优势。

伴随膜技术的发展，国内的反渗透膜技术不仅得到了广泛的应用，其应用环境与应用对象也发生了很大的变化。十余年前的反渗透技术主要用于海水淡化、工业给水深加工及直饮水制备；而随着水源匮乏的加剧及资源化水处理要求的提高，生活污水、市政污水及各类工业废水已经成为当前反渗透工艺的处理对象主体，从而打破了分离膜水处理中给水处理与污水处理的传统界限。

面对反渗透膜应用领域中新的挑战，在反渗透预处理工艺与膜元件自身性能两方面均取得了相应的进步。膜生物反应器及分置式或浸没式超滤等膜法预处理工艺减轻了污水处理时反渗透膜工艺的污染负荷，反渗透膜元件自身的抗污染能力也得到了长足的发展。

图2 单元膜元件压力损失变化对比。

卷式反渗透膜元件膜表面改性

反渗透膜元件抗污染能力的提高又分为膜片与元件两个不同方面。目前，制备卷式膜元件用的平膜膜片的抗污染能力主要表现在膜表面的电中性、平滑度与亲水性三方面。此三类膜表面性能的改善均属于膜材料表面物理或化学改性的性质。

由于水体中的有机或无机胶体呈负电性或呈正电性，无论膜表面呈何种电性均将易造成异性电荷胶体的污染。因此，通过膜改性使膜表面由带负电性变为呈电中性，将有效提高平膜抗电荷性物质污染的能力。由于反渗透工艺总是工作于错流运行状态，膜表面的平滑度越高，越不易在膜表面形成径流死角，即不易形成有机物积存或难溶盐结垢。因此，通过聚合涂层等方式可提高膜表面的平滑度。聚酰胺类反渗透膜材料即具有高脱盐特性也具有高疏水特性，鼓易于受到各类污染。膜表面的亲水改性不仅提高了平膜的抗污染能力，还可有效提高平膜的透水性能。

图3不同宽度流道的污染物截留示意图。

　　
反渗透膜元件的抗污染低压结构

如图1所示，目前流行的卷式反渗透膜元件是由平板膜袋、淡水隔网、给水隔网及中心管卷制而成。提高膜元件的抗污染能力包括加宽给水流道、增加膜叶片数量、改善给水隔网结构及网格夹角等措施，其中加宽给水流道是近年来元件工艺技术进步的热点。膜元件给水流道高度系指元件中卷制两膜袋间形成的距离，也可理解为给水隔网高度。

由于给水隔网由经纬网线编织而成，故经纬线交点处的搭接高度一般被定义为给水隔网高度或给水流道宽度，其数值为毫英寸（mil）量级。400ft2（平方英尺）膜面积的8in膜元件于上世纪90年代逐渐成为反渗透工业膜产品的标准，在不减少膜面积的前提条件下，其给水流道宽度由早期的26mil、28mil及31mil，直至2006年6月由美国海德能公司推出了PROC10膜元件的给水隔网高度达到34mil。在此之前，采用34 mil给水隔网的反渗透膜元件的面积从未突破过365ft2。2009年5月美国海德能公司再次推出运用宽给水隔网的新型超低压节能反渗透膜元件PROC20，同样采用了34 mil的给水隔网，同时大幅降低运行能耗最高可达30 %。

图4 标准化产水流量比较。

宽给水流道膜元件的技术优势

降低膜元件压降

所谓膜压降系指特定给浓水流量条件下，膜元件给水侧与浓水侧压力之差。在长流程系统中的膜压降指标的降低意味着给水泵压力的降低，以及系统能源利用率的提高。如图2所示，流道宽度为28mil和34mil单支膜元件的流量压降特性表明，相同给水流量时，宽流道膜元件比窄流道膜元件的压力损失减少了近60 %。

系统压力损失可上升余度增大

无论膜元件遭受的是有机、无机、胶体或微生物污染，给水流道中均将形成相应的物质沉积，从而堵塞流道及增大膜压降。卷式膜元件因结构特征，其膜压降不得超过0.07MPa，否则可能出现元件结构的破坏。

图5 标准化系统降压比较。

如表1数据所示，元件的给水流道越宽，未污染膜元件的初始膜压降越低，则膜压降增加的余度越大，膜元件的纳污量越大，系统清洗间隔越长，系统运行越稳定。

图6 标准化透盐率比较。

不易形成污染系统

给水中的有机、无机、胶体或微生物等各类污染物进入元件给水流道后，如不能及时随浓水排出元件，将在流道中或膜表面形成积存进而造成给水流道堵塞。如图3所示，给水流道宽度从28 mil增加到34mil时，水流的流路增加了21%，污染物更容易被给水流道中的湍流冲出膜元件，从而延长元件的化学清洗周期，也减少系统维护成本。

表1 反渗透膜元件的初始膜压降及其压降余度

以某地表水源系统为例，并联运行两套反渗透系统，给水流道宽度分别为28mil与34mil，单套产水量100m3/h，膜元件的面积、数量与排列均一致，且具有相同的预处理工艺。图4、5示出的曲线表明，在恒定给水压力条件下，宽流道膜元件系统的产水流量保持了较高水平，给水侧与浓水侧压力降保持了较低水平，且系统的透盐率保持了较低水平。

图7 化学清洗效果比较。

系统性能容易恢复

给水流道加宽后，不仅不易形成膜污染，且由于污染物容易被冲除，将使膜元件易于水力冲洗及化学清洗。另外两套并行膜系统运行实例中，由于没有及时控制压差的增涨，导致了两套系统第一段压差远远超过允许限值，需要进行化学清洗。如图7所示，34mil流道膜元件系统的第一段压差增加到近0.70 MPa，但在化学清洗后可以恢复到运行初始约0.09MPa；而传统28mil通道膜元件系统的化学清洗效果有限。

前后段通量平衡

为了保证各个膜元件的浓水与产水的适当比例，膜系统中各元件必然形成相应的串并联结构，从而形成一定的系统流程长度。由于各元件给水径流形成的过膜压降以及给水浓缩后的渗透压升高，膜系统中各元件的产水通量延流程长度不断下降。如果假设给水浓缩倍数与元件流道宽度无关，则宽给水流道元件的低元件压降必然使流程中各元件的给水压力较为均衡，进而使流程中各元件的产水通量较为均衡。通量均衡系统中流程前后膜元件的产水负荷差异较小，即污染速率差异较小，系统具有较强的运行稳定性。

图8给出了每段容器安装6支膜元件的某两套2段系统中，系统流程各个位置上膜元件产水通量的分布曲线。图中28mil流道膜元件系统前后元件通量之差高达16.3L/m2h，而34mil流道膜元件系统前后元件通量之差仅为10.6L/m2h。

图8 系统流程中不同位置膜元件通量分布。