反渗透制备纯水的原理【反渗透制备纯水工艺在帘子布生产过程中的应用】

　　摘 要：介绍了帘子布生产用纯水的生产过程，简述了反渗透原理及特点，提出了采用反渗透工艺替代离子交换法制备纯水的改造方案。指出在满足帘子布生产要求的前提下，采用反渗透技术制备纯水具有产水成本低、环境污染小及系统运行稳定等优点。
　　关键词：帘子布生产 ; 纯水 ; 反渗透 ; 离子交换
　　在帘子布浸胶生产中纯水主要用于浸胶胶液的调配、设备循环及化验室用水等。为确保浸胶帘子布质量，对浸胶生产用纯水水质有以下指标要求：pH值：7.0-8.0、CCl－<7.0 mg/L、电导率＜10 S/cm、CSiO2＜1.5mg/L。神马股份帘子布公司浸胶生产需80吨/天，原采取离子交换法处理原水（自来水）制取纯水。其工艺流程如图1：
　　图1离子交换法制备纯水工艺流程
　　离子交换法制备纯水具有工艺成熟、设备投资低等特点，但在运行中存在以下问题：（1）、设备占用空间大、自动化程度低。（2）、水质稳定性差，尤其是在树脂有效交换基团失活时，水质迅速降低，必须及时再生树脂。（3）、再生药剂（酸碱）利用率低，且再生过程中需要大量的盐酸和烧碱，容易出现安全事故。（4）、有大量的废酸、废碱溶液和清洗废水排放，容易腐蚀下水道，污染水体，破坏生态环境。（5）、再生操作工艺步骤繁多，劳动强度大，工作环境条件差。（6）、再生复杂，设备需要专门防腐，附属设备多。因此随着用水量的大幅提升，如若仍然采用该工艺，势必造成生产成本的大幅增加。
　　1、反渗透原理及特点
　　1.1反渗透原理
　　只透过溶剂而不透过溶质的膜称为理想半透膜。当把溶剂和溶液分置于此膜的两侧时，溶剂将自发地穿过半透膜向溶液侧流动，这种现象叫做渗透，如图2。随着渗透过程的进行，浓溶液不断被稀释，浓水侧的液位上升，当上升到一定高度后，水通过膜的净流量等于零，此时该过程达到平衡，与该液位高度对应的压力称为渗透压，如图3。当在膜的浓溶液一侧施加一个大于渗透压的压力时，水的流向就会逆转，此时浓溶液中的水将流入纯水侧，这种现象叫反渗透，如图4。
　　1.2反渗透的特点
　　反渗透是一个借助外压克服渗透压对溶液进行分离、提纯或浓缩的非自发过程，该工艺是近30年来迅速发展为产业化的高新技术，其特点有：1）、易于实现自动控制，操作方便，有助于减少劳动强度。2）、可以连续运行且水质稳定，即使原水电导率大，其产水水质仍然达标。3）、反渗透属物理脱盐，能耗低、设备紧凑、工作环境安全。4）、酸碱消耗量仅为全离子交换的2﹪-3﹪，大大降低了环境污染和废水治理的费用。因此反渗透技术作为21世纪最有发展前途的生产、环保、节能技术而备受人们的青睐。
　　2、制水系统改造
　　根据反渗透与离子交换制纯水的特点对比分析，我公司决定用反渗透代替离子交换法制取生产用纯水。
　　2.1改造后的工艺流程
　　我公司根据原水水质情况及生产用水水质要求，在调查各行业反渗透纯水系统使用情况的基础上，从项目投资、运行成本、环保、安全等方面考虑，确定了如图5所示的工艺改造方案。
　　图5 改造后反渗透生产纯水的工艺流程
　　2.2 主要处理单元及设备性能
　　2.2.1预处理装置
　　1) 机械过滤器：采用均粒石英砂为滤料，机械截留水中的悬浮物和杂质。其工艺优点为：在规定滤速的条件下，产水量高，且反冲洗耗水低。2) 活性炭精过滤器：过滤器内装填过滤精度为10μm炭棒，用于去除水中的细菌、胶体、有机物、过渡金属等，吸附气体成分，比如余氯，保证出水SDI<3，满足反渗透进水要求。 3) 保安过滤器:保安过滤器内装填过滤精度为5μm的聚丙稀熔喷滤芯,用于截留膜前水中的颗粒、悬浮物，以防止大颗粒物进入反渗透膜。熔喷滤芯具有截留率高、纳污量大、便于快速更换等特点。
　　2.2.2阻垢剂加药装置
　　由于反渗透膜脱盐率高达99﹪以上，为了防止膜元件的浓水侧出现诸如CaCO3、CaSO4浓度积大于其平衡溶解度指数而结晶析出，从而损坏膜元件的应用特性，造成反渗透系统产水量减少，脱脱盐率降低，因此在进入膜元件之前设置了阻垢剂投加装置。阻垢剂具有以下功能：1）抑制析出作用 2）分散作用 3）晶格扭曲作用 4）络合作用。它的主要作用是相对增加水中结垢物质的溶解性，以防止碳酸钙、硫酸钙等物质对膜的阻碍，同时它也可以降低铁离子堵塞膜的微孔，使反渗透膜组件能够正常运行。
　　2.2.3 高压泵
　　高压泵的作用是提供水经过反渗透膜反向渗透出来所需推动力，克服自然渗透压，补偿系统中各项沿程损失及局部损失，达到设计的产水量。一级高压泵额定流量20 m3/h，二级高压泵额定流量9 m3/h。高压泵由PLC控制，受高压报警和低压报警的保护。
　　2.2.4反渗透膜组装置
　　反渗透膜组是整个系统改造的核心部分，采用两级反渗透膜组件，一级RO系统设计产水量为8 m3/h，采用2-1形式排列，9支膜组件。二级RO系统设计产水量为6 m3/h，采用1-1形式排列，6支膜组件。经过预处理后合格原水进入反渗透膜组件，产出纯水。一级反渗透浓水收集在水箱内，可满足车间冲洗厕所及现场地面卫生；二级反渗透浓水优于预处理后的原水水质，收集到预处理水箱进行循环利用。在反渗透装置停运时，用产品水冲洗、挤排掉存于反渗透膜和不锈钢管道中的高TDS残水，使停运的反渗透膜完全浸泡在淡水中，可以防止反渗透膜自然渗透造成的膜损伤，去污除垢，使装置和反渗透膜得到有效保养。
　　2.2.5 PH调节系统
　　当水的PH值大于8.2时，水中的二氧化碳全部转化为碳酸氢盐，通过在一级RO出水投加碱液来提高二级RO进水的PH值，把水中的二氧化碳气体转化为碳酸氢盐，利用RO高效脱盐的性质，间接去除水中的二氧化碳。使出水水质进一步提高，满足后续处理的进水要求。
　　3 改造效果
　　3.1纯水水质
　　反渗透系统改造后纯水PH值均为7.0-8.0；电导率（1.1-1.8us/cm）与改造前的（1.5-2.2us/cm）差异不大；CSiO2在4-7 mg/L；CCl－在 2.6-3.0mg/L。改造后的纯水水质能够满足帘子布生产工艺要求。
　　3.2反渗透系统运行稳定性
　　改造后反渗透系统运行近一年来，纯水水质稳定，产水量达到设计要求，能够满足帘子布生产工艺要求。改造后反渗透系统纯水生产流程大为简化，自动化程度高，操作简单，系统故障率低。
　　3.3运行费用分析
　　1)反渗透膜元件消耗：反渗透膜元件更换按5年一次计（实际可不用更换），每支膜元件按6500元/支。反渗透膜元件消耗：15×6500÷5÷350÷16÷6≈0.57元/吨水。2）药剂消耗：阻垢剂消耗：2×0.06×18÷6＝0.36元/吨水。氢氧化钠消耗：5×0.012×9÷6＝0.09元/吨水。3）用电消耗：（11 + 4）×0.55÷6≈1.37元/吨水。4）滤芯消耗：活性炭精滤器滤芯和保安过滤器滤芯一般三个月更换一次，活性炭滤芯价格30元/支，保安滤芯价格40元/支。滤芯消耗：（20×30）÷3÷30÷16÷6＋（40×10）÷3÷30÷16÷6＝0.114元/吨水。总合计成本约2.5元/吨纯水。改造投资38万元，运行3年左右可以回收投资成本，因此本次制水系统改造取得较好的经济效益和环境效益。
　　4结论
　　中国平煤神马帘子布公司帘子布浸胶生产用离子交换法制纯水设备经过反渗透工艺改造后，纯水水质稳定，能够满足帘子布生产工艺要求。改造后反渗透系统纯水生产流程大为简化，自动化程度高，操作简单，系统故障率低；生产过程中不再大量使用酸碱，环境污染小，作业条件明显得到改善；运行成本低，运行3年左右可以回收投资成本，因此本次制水系统改造取得较好的经济效益和环境效益。
　　参考文献
　　[1]梁艳，反渗透技术在高纯水生产中的应用〔J〕，聚氯乙烯，2010，38（3）：12～14
　　[2]刘茉娥等编，膜分离技术应用手册〔M〕 北京：化学工业出版社 2001
　　作者简介
　　闫永强 ，男，副厂长、工程师，清华大学化学工程专业在读工程硕士 。