第３０卷第４期 兰州 交通大学学报 Ｖｏ１．３Ｏ Ｎｏ．４ Ａｕｇ．２０１１ ２０１１年８月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌａｎｚｈｏｕ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ 文章编号：１００１—４３７３（２０１１）０４—０１２０—０４ 普通反渗透复合膜处理高含盐量高硬度苦咸水实验研究 李（１．兰州交通大学校产处，甘肃兰州旭 ，武福平 ７３００７０；２．环境与市政工程学院，甘肃兰州７３００７０） 摘要：针对南疆铁路沿线地下水极高硬度及含盐量的水质特征，实验考察了采用普通反渗透复合膜处理其水质 的可行性，考察了该膜的分离性能随操作压力、温度、运行时间等变化的影响及膜的运行稳定性，确定了最佳运行 条件，即：回收率为：４０ ～６Ｏ ，操作压力１．３～１．６ ＭＰａ，温度ｉ０￣２５℃．结果表明：采用普通反渗透复合膜来处 理高含盐量高硬度苦咸水是可行的也是有效的． 关键词：高浓度苦成水；普通反渗透膜；淡化 中图分类号：Ｘ７０３．１ 文献标志码：Ａ 存在能否适应的问题，用海水膜来淡化苦咸水则价 ０引言 水资源紧缺一直是我国面临的主要问题，尤其 是西北地区，水资源极为匮乏，很多地区为苦咸水． 地处西北深处的南疆铁路，是连接南疆与内地的重 要铁路线，但该地区水资源极为匮乏，地下水为含盐 量甚高的苦咸水，很多地区含盐量在５ ０００ ｍｇ／Ｉ 以 上，有些已属于亚海水，由于水资源的缺乏对铁路的 生产尤其是职工的生活带来极大影响，主要靠铁路 罐车来运送淡水，运行成本甚高．反渗透技术是解决 苦咸水淡化的主要方法之一，但一般的反渗透系统 采用普通咸水膜，主要用于处理含盐量小于５ ０００ 格昂贵．为了利用普通咸水膜来淡化高浓度苦咸水， 解决该地区的饮用水和工业用水这一迫切问题，有 必要考察普通咸水膜的适应性及操作压力、水温、运 行时间及回收率等因素对反渗透膜分离性能的影 响，并确定普通反渗透膜的运行参数． １实验部分 １．１实验膜材料和实验水质 实验采用美国ＤＯＷ公司的螺旋卷式ＢＷ３０． ４０４０膜元件，实验地点选择在南疆铁路某建筑段， 直接以现场地下水作为研究对象，其主要水质指标 见表１． ｍｇ／Ｉ 的苦咸水，而对于高于５ ０００ ｍｇ／Ｉ 苦咸水则 表１地下水水质 Ｔａｂ．１ Ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｗａｔｅｒ 从地下水水质可以看出，该地区地下水属高硬 度高盐量水，但水质清澈透明，基本无污染． １．２仪器及分析方法 计：Ｉ ＺＴ．２５Ｇ（１．２０ＧＰＭ） １．３工艺流程 针对该地区地下水高硬度高含盐量的水质特 点，采用以下工艺流程： 电导率测定采用金点的Ｓｃｈｍａ ＳＭＯ１智慧 型仪：测试常温下原水的电导率，间接反映原水中总 离子浓度的大小；温度：０￣１００℃水银温度计；流量 实验装置主要设备如表２所示． 收稿日期：２０１０—０３—０３ 基金项目：甘肃省自然基金（Ｏ８Ｏ３ＲＪＺＡＯＯ３） 作者简介：李旭（ ９６２一），男，陕西岐山人，高级工程师 第４期 李旭等：普通反渗透复合膜处理高含盐量高硬度苦咸水实验研究 １２１ ． 垦查笪Ｈ堕 垂Ｈ垒 堕堕鎏矍卜一Ｉ焦宣彗鲨矍 ｌ消毒 ｌ高压泵ｌ 表２实验装置主要设备一览表 Ｔａｂ．２ Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｄｅｖｉｃｅ ２结果与讨论 ２．１操作压力的影响 图１为系统产水量随操作压力变化的关系，可 以看出，随着操作压力的增大，膜的产水量呈线性增 大．与溶解一扩散模型叫理论一致，产水量和操作压 力成正比，随着压力的升高，产水量相应增大． ｆ 口 。善 岫Ｉ ｛Ｌ 操作压力／ＭＰａ 图１操作压力与产水量的关系 Ｆｉｇ．Ｉ Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｏｆ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕ￣ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｑｕａｎｔｉｔｙ 对于反渗透系统而言，膜的水通量与膜的操作 压力成正比，而膜的盐通量与膜两侧的浓度差成正 比，而与压力无关；系统的回收率会影响盐通量和产 水量．当回收率增加时，高压侧给水浓度增加，引起 盐通量增加，同时，高压侧给水浓度增加，又会引起 渗透压增加，从而减小驱动力，相应的降低水通量， 要维持相同的水通量，必须增加操作压力 ． 瓣 翱 誉 操作压力 Ｐａ 图２操作压力对系统回收率及脱盐率的影响 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ａｎｄ ｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎ 由图２可知，膜的回收率随操作压力的增大而 升高，同时系统的脱盐率也逐渐增大，经过峰值１．６ ＭＰａ有所回落，并渐趋稳定．反渗透的盐通量与操 作压力无直接关系，只是膜两侧盐浓度的函数，随压 力的增大透过膜的水通量增大，透过膜的水量增大 而盐量不变，故脱盐率增加，但盐通量不变水通量增 加也会使透过液浓度减小，造成膜两侧盐浓度增大， 有降低脱盐率的趋势，这两方面的共同作用使脱盐 率增加逐渐变缓，最后趋于某一定值，另外，操作压 力越高，能耗越大，膜的压密作用越大，越易影响膜 的使用寿命［３］．综合考虑系统回收率和脱盐率及其 对膜压密的影响，为保持较高的回收率和脱盐率，又 防止操作压力较高，使系统动力消耗增大，确定系统 合适的回收率为４２ ～５３ ．此时的操作压力为１． ３～１．５ ＭＰａ． ２．２水温的影响 水温对反渗透系统的脱盐率、回收率具有明显 的影响，水温与系统脱盐率及回收率的关系见图３ 和图４，随着水温的升高，系统的回收率提高，相应 的产水量增大，对盐的截留率越小脱盐率降低，并且 水温与回收率和脱盐率均近似呈线性变化． 同样，温度对反渗透系统的操作压力及淡水水 质也有明显的影响．从图５中可以看出进水温度增 加，操作压力降低，而淡水电导率则增加．这是因为 对于特定的反渗透装置，由于膜和水溶液的性质相 对稳定，根据溶解．扩散模型Ｌ４］，膜的水通量和溶质 通过膜的速率可分别表示为： 水通量Ｊｗ＝Ａ（ Ｐ一 ７ｃ） （１） 式中：‘，ｗ为膜的水通量，ｍ。／（ｍ２・ｓ）；Ａ为膜 的溶剂体积透过系数，ｍ／（ｓ・Ｐａ）； 为膜两侧的 １２２ 兰州 交通大学学报 第３Ｏ卷 水溶液的溶质浓度，ｍｏＩ ／ｍ。；Ｃ２ｓ为膜低压侧界面上 水溶液的溶质浓度ｍｏＩ ／ｍ。Ａ、Ｂ与温度Ｔ之间的 关系可根据阿累尼乌斯定律得出．温度上升，Ａ增 大，渗透性能增加，在一定水通量下要求的净推动力 褂 馨 减少，因此，实际运行压力降低．同时溶质透过速率 系数Ｂ也随温度的升高而增加，盐通量增加，直接 表现为淡水电导率升高［５］． 由此可见，合理的进水温度对系统的脱盐率有 重要的影响．根据溶解．扩散模型，温度升高，膜内的 图３水温与脱盐率的关系 Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎｒａｔｅ 通道由于聚合物分子链段运动的剧烈变化，使得溶 剂的透过更加容易，导致水通量的上升，从而系统回 收率增大；同时，由于水是在氢键的作用下以缔合体 的形式存在的，而缔合体的大小取决于温度，而提高 进水温度，水的缔合体尺寸变小，更加容易在压力的 作用下透过膜，导致水通量的上升，系统回收率增 大；另外，盐离子同样也以水合物的形式存在，温度 的升高，也使得水合离子的半径减小，增大了盐离子 的透过率，从而导致脱盐率的下降． 从提高系统回收率的角度出发，提高进水温度 是个很好的办法，但进水温度升高，将增大膜的压密 作用，加快膜的水解速度，导致膜结构的不可逆变 温度，℃ 化，影响膜的使用寿命．但是，从出水水质来说，进水 温度低，有利于保障膜的脱盐率，因此综合考虑，进 水温度控制在１５￣２５℃范围内为宜． ２．３运行时间的影响 图４水温与系统回收率的关系 Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｏｆｗａｔｅｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｓｙｓｔｅｍ ｒｅｃｏｖｅｒｙ 反渗透膜的性能稳定与否直接关系到系统出水 水质的稳定性，确定膜的性能稳定与否相对比较困 难，实验采用分析反渗透系统的脱盐率和回收率随 时间的衰减情况来间接判断反渗透的性能是否稳 定． 吕 ｉ 瓣 曲 图６是ＢＷ３Ｏ．４０４０膜系统在操作压力为１．４ ＭＰａ、常温条件下，膜的回收率和脱盐率随时间的变 篙 化关系，可以看到该系统具有较好的稳定性，这是因 为反渗透膜在制备过程中，采用了复合技术，膜的耐 压密性比较好，回收率衰减现象并不严重，在一定时 间内，由于膜的表面污染不明显，基本没有影响膜的 温厦／ 分离性能． 图５操作压力和淡水电导率与温度的关系 Ｆｉｇ．５ Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｏｆ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙａｎｄｗａｔｅｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ３结论 １）操作压力对反渗透系统的产水量、脱盐率及 回收率有直接影响，因此对于每种膜确定合理的操 作压力范围很重要，对于ＢＷ３０．４０４０膜组成的系 统工作压力定在１．３～１．５ ＭＰａ． ２）进水温度对系统的产水量、回收率和脱盐率 压力差，Ｐａ；／１兀为膜两侧的溶液渗透压力差，Ｐａ． Ｊｓ－－Ｂ（Ｃ１ｓ×Ｃ２ｓ） （２） 式中：－，ｓ为膜的盐通量，ｍｏＩ ／（ｍ。・ｓ）；Ｂ为膜 的溶质透过速率系数，ｍ／ｓ；Ｃａ 为膜高压侧界面上 第４期 李 旭等：普通反渗透复合膜处理高含盐量高硬度苦咸水实验研究 １２３ ４）ＢＷ３０．４０４０膜对当地苦咸水的脱盐率在 ９５ 以上． 综上所述，可以采用普通复合反渗透咸水膜 瓣 翱 馨 ＢＷ３０．４０４０来淡化南疆铁路高含盐量高硬度的苦 咸水，而且反渗透系统运行较为稳定． 参考文献： ［１］ 尚天宠．膜分离技术在中国西部省区苦咸水淡化工程 中的应用［Ｊ］．净水技术，２０００（２）：２８—３３． 时间 ［２３ 冯逸仙，杨世纯．反渗透水处理工程［Ｍ］．北京：中国电 力出版社，２０００． 图６运行时间的影晌 Ｆｉｇ，６ Ｔｈｅｉｎｆ瓣 凰 ｌｕｅｎｃｅｏｆ ｒｕｎｎｉｎｇｔｉｍｅ ［３］ 许振良．膜法水处理技术［Ｍ］．ｊＥ京：化学工业出版社， ２００１． 也有一定的关系，较理想的进水温度为１５－－￣２５℃范 围内． ［４３ 时钧．袁权，高从堵．膜技术手册［Ｍ］．北京：化学工业 出版社，２００１． ３）系统回收率对膜的性能有很大影响，回收率 过高，膜的出水水质及膜的寿命将受到影响，系统的 回收率范围为４２ ～５３ ． ［５］ 王湛．膜分离技术基础［Ｍ］．北京：化学工业出版社， ２０００． Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｂｌａｃｋｉｓｈ Ｗａｔｅｒ ｗｉｔｈ Ｈｉｇｈ Ｓａｌｉｎｉｔｙ ａｎｄ Ｈｉｇｈ Ｈａｒｄｎｅｓｓ ｂｙ Ｏｒｄｉｎａｒｙ Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｏｓｍｏｓｉｓ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ ＬＩ Ｘｕ，ＷＵ Ｆｕ—ｐｉｎ （１．Ｓｃｈｏｏｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｙ Ａｇｅｎｃｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｉｍｒｍｈｏｕ ７３００７０，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ａｎｄ Ｍｕｎｉｃｉｐａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｌａｎｚｈｏｕ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００７０） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｈａｒｄｎｅｓｓ ａｎｄ ｓａｌｉｎｉｔｙ ａｌｏｎｇ Ｎａｎｊ ｉａｎｇ ｒａｉｌｗａｙ，ｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｏｆ ｂｌａｃｋｉｓｈ ｗａｔｅｒ ｗｅｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ＢＷ３０．４０４０ ｏｒｄｉｎａｒｙ ｒｅｖｅｒｓｅ ｏｓｍｏｓｉｓ ｍｅｍｂｒａｎｅ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎ ｔｉｎｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｂｌａｃｋｉｓｈ ｗａｔｅｒ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｎ ｔｈｅ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｒｅｖｅｒｓｅ ｏｓｍｏｓｉｓ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｗｅｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ，ｎａｍｅｌｙ，ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｒａｔｅ ｉｓ ４０￣６０ ，ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｓ １．３ ～１．６ ＭＰａ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉＳ １０￣２５℃．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｉｔ ｉＳ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｔｏ ｄｅｓａｌｉｎａｔｅ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｂｌａｃｋｉｓｈ ｗａｔｅｒ ｗｉｔｈ ｏｒｄｉｎａｒｙ ｒｅｖｅｒｓｅ ｏｓｍｏｓｉｓ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｂｌａｃｋｉｓｈ ｗａｔｅｒ；ｏｒｄｉｎａｒｙ ＲＯ ｍｅｍｂｒａｎｅ；ｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎ
