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反渗透 Reverse Osmosis

2018-01-13 来源:知乎 Jack Li 182次

今天聊聊反渗透这个东西。Reverse Osmosis,习惯叫RO。


渗透




大家生活中肯定知道洗菜时候用盐水泡一下杀菌吧?但是知道原因吗?其实就是渗透作用。


本来我一个细菌在淡水里面生活的好好的,结果你突然加大量的盐进来,我本身可不怕NaCl,无奈我的细胞液蠢蠢欲动,而不幸的是我的皮肤(细胞壁)是个该死的渗透膜,水可过盐不可过,外头浓度大了细菌体内的水就嗖嗖嗖的往外跑,最后脱水而死,实在凄惨。


其内生原因是浓淡水之间存在一个渗透压差


渗透压π=C×R×T


• C--浓度,(mol/L)


• R --热力学常数8.314(Pa∙L ∙

mol-1 ∙ K-1)


• T --热力学温度(℃)


所以渗透是一个压力驱动的过程。因此可以通过外在压力克服渗透压差,让浓水中的水继续通过半透膜进入淡水侧,以此达到盐分和水的分离。这就是反渗透。




反渗透

RO是一种脱盐技术,就是把溶解于水中的盐分(即各类离子,如Na+,Cl-,Ca2+,CO3 2- 等等)。重复一遍,RO是一种脱盐技术!虽然因为RO膜极为致密几乎可以截留绝大部分的物质,大到细菌、病毒,小到一些小分子的溶解有机物,但是这些都不是RO的主营业务,所以不能本末倒置,不然会导致实际应用中一大堆问题。


目前RO技术应用已经极为普遍,RO高端技术还在国外那几家巨头手里,DOW,HYDRANAUTICS,TORAY,其他外资如GE,LG,LANXESS,国产中时代沃顿(也叫汇通)是当之无愧的大哥大,现在又冒出来很多不同的品牌,当然从技术/生产上来说,国产的可谓八仙过海各显神通,在这不细表了。


业内RO是个说烂掉的技术了,变成一个滤芯一样的标准件,哪个工程公司都会用,要不会用RO的话那就没办法说自己是水处理公司了。


听起来RO是不是很大路货色?不存在的。


所有人都会用说明RO产品已经发展到非常非常非常成熟的地步,对使用者的宽容度已经到了夸张的程度。但是这么一个大家都会用也用了好多年的东西,大钱基本上还是都被那3-5家公司赚去了,可见其技术壁垒有多高。


几乎所有行业都有用到大量RO膜。海水淡化、电力、钢铁、化工、半导体、液晶面板、制药、医院、饮用水、饮料、食品、家用净水机、各类工业废水的处理和回用。。。能想到的地方都有。


从生意角度来说,这是一门非常棒的生意。巨大且稳定的市场(当然不能和大化工比),稳定的价格,较高的技术壁垒,市场普及度,几乎没有竞争技术,简直完美。




下面说说RO产品本身。


最广泛应用的RO膜长封面的图片的样子(图为HYDRANAUTICS公司产品),就是个棍子状。里面是这样:





RO结构是一步步演变成如今的形式,凝结了大量的智慧,通常称其为“卷式膜”。


此结构的目的是为了减少占地、节约能耗。同时也导致一些负面因素,比如对进水要求高、脏东西一旦堵在里面难以洗出来等。


实际项目上长这个样子:



一根根压力容器(俗称膜壳)里面装着1~8支1m长的RO膜,通常6支最普遍。


原本RO膜最大的用处是去淡化海水。当年DOW率先将RO技术大范围的在中国电力行业推广,替代传统的离子交换技术。在粗脱盐领域,绝大部分情况下RO的运行成本和便利性要大于离子交换。之后中国各行各业都开始大量采用这个技术,直到如今满地开花。在RO巨头公司,通常中国市场的份额要占其全球份额的1/3或以上,可见中国项目是多么的多,发展是多么快!


下面选几个方面通俗的说说RO的技术特点,了解这些以后大家都可以设计简陋的RO系统了:


1)RO膜(苦咸水/抗污染等级)


膜主要材质无纺布、聚醚砜PES、过滤层材质芳香聚酰胺PA

对带电离子有高截留率,其他不带电的小东西,比如溶解在水里的有机溶剂要case by case

长度标准都是1m

外径分8寸和4寸,水量大用8寸,小用4寸

面积37m2为主流

根据水质不同,一支8寸膜产水在0.5~1.2t/h,0.8~0.9比较普遍;4寸的除以4

运行压力影响因素比较多,通常7~15 bar

系统回收率通常75%(即进水100tph,产水75tph,浓水25tph)

2)进水要求


怕氧化剂,ORP<180mV

怕油,怕很多有机溶剂,怕生长微生物,怕结垢,怕大的颗粒(SDI<5),怕温度太高(45℃),怕温度太低(0℃),怕太酸怕太碱(pH3-10)

怕的有点多,不过幸好自来水或者河水大部分都满足进水要求,只要前面加个预处理降低浊度就行,比如多介质或者超滤。因此看起来憔悴,其实还成。

3)产水


多价离子截留率非常高,如Ca2+,Mg2+(大部分>99.9%)

1价离子截留率也不错,如Na+,Cl-(大部分>99%)

整体系统脱盐率通常开始>99%,进去TDS=1000ppm,出来10ppm,这个10ppm基本上就是些1价离子或可能后生成的HCO3-

气体分子不能截留,如溶解的CO2

4)系统设计


最普遍采用6芯膜壳(6支RO膜串一起放一个膜壳里)

采用2段式设计,一段和二段膜壳数量比2:1左右,如下:




虽然不全面,但是知道这些基础知识大家应该就能设计自己的RO系统了。


比如我要一套产水20吨/小时的系统,原水还不错是上海的自来水,那么:


1支8寸RO产0.8~0.9吨,需要23~25支膜,那么取24支(6的倍数)

那么膜壳要24/6=4根

说好的2:1排列没法实现,那就3:1好了

进水量需要20/0.75=27 TPH

上海自来水含盐量TDS大概200-300ppm,压力15bar的泵基本上肯定够了(泵就可以选型了,扬程150m,水量>27 TPH)

再配上一些瓶瓶罐罐各类仪表阀门,一套RO系统就好了

生产出来的水和家里用的RO净水机出来的水是一样的,可以直饮。配个消毒,配个灌装系统,一个小型的桶装水小作坊就这么成立了!(大作坊还要复杂和全面,不过核心就是RO,包括农夫山泉啊雀巢啊,可口可乐百事可乐啊他们的水都是这么生产出来的。)



当然,在各种复杂或者超大型环境中把RO系统设计好优化好,是非常非常难的,需要大量的经验和知识去支撑,以达到最优水利分布、最节能、最稳定、最易检修等,当然不是这里三言两语就能说得清的。

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