创新进水隔网技术提升反渗透膜元件性能

2016-11-29CarstenSchellenberg博士

上海化工 2016年6期

关键词：反渗透膜反渗透湍流

Carsten Schellenberg博士

朗盛德国股份有限公司液体净化技术业务部

可持续发展

创新进水隔网技术提升反渗透膜元件性能

Carsten Schellenberg博士

朗盛德国股份有限公司液体净化技术业务部

图1　膜结构工作原理

图2　朗盛反渗透卷式膜元件外形

当前，全球水资源正在日益枯竭。到2025年，近10亿人口将无法获得新鲜的饮用水。反渗透（RO）水处理技术将在缓解水短缺方面发挥重要作用，但是该技术也会产生能源成本。反渗透膜或元件技术的任何改进都有助于提升该工艺的效率。在一个联合研究项目中，Conwed Plastics公司和德国朗盛集团液体净化技术业务部已经证明，进水隔网技术的创新可以提升反渗透膜元件的性能。

反渗透工艺

反渗透是一种利用半透膜，主要去除单价离子（如氯化钠）的水净化技术。该工艺通过施加压力来克服天然渗透压。反渗透膜以卷式膜元件的形式提供，用于各式各样的脱盐应用。通常进水隔网被称为布、网丝、网或网布等，是卷式反渗透膜元件多层中的一层，在膜之间提供重要的分隔功能，以实现优异的过滤性能。卷式膜元件是指由卷在渗透水收集管上的“平板膜-渗透水通道隔网-平板膜-进水通道隔网”组成的膜结构。图1所示膜元件结构中的进水隔网可以隔开相邻膜的表面。网状的进水隔网使进水通道保持打开状态，允许水沿膜元件在进水通道内流动。图2所示的便是一个实际的反渗透卷式膜元件。

反渗透面临的挑战

目前已经确认，反渗透水处理工艺面临三大主要挑战，即压降、膜损坏、生物污染和结垢。经过研究和分析，反渗透膜片制造商、卷膜操作工和装置操作工都认为这些挑战是他们十分关注的问题。这些挑战推动着Conwed Plastics和朗盛携手开展技术研究，期待开发出更有效的反渗透产品。

进水隔网对压降的影响

进水隔网是卷式膜元件的一个基本组成部分。进水隔网由聚合物材料制造，经优化改进，可以在范围宽泛的进水组成和工艺参数下保持膜元件的稳定性能。进水通道和进水隔网的构造见图3。进水通道形成了一个高度约为0.7～0.9 mm的矩形开口，其以展开结构展示。由于进水通道中存在隔网或网线，因此面向进水水流的实际横截面面积要小于几何横截面的面积。

进水通道的长度约为1 m。填满进水通道的进水隔网具有双平面摆放的丝或线。双平面特性使进水水流在流经后续的丝上方和下方时改变流向。除了使进水通道保持开放状态外，进水隔网还被用来促进水流的湍流。水流之所以需要湍流，与反渗透脱盐工艺的性质密不可分。进水和溶解盐沿着平行于膜表面的方向流动，一部分进水通过膜，成为渗透水，而溶解离子则被留在浓水的部分中。该过程会在膜表面产生高浓度的溶解离子，这一现象被称为“浓差极化”。进水隔网诱发的湍流可以抑制浓差极化的扩大，从而提升反渗透膜的性能。然而，进水隔网诱发的湍流会增加进水通道中的阻力，使进水在膜元件进口和出口之间形成压降。

卷式反渗透膜元件的进水隔网的现有构造是根据实际实验和基础研究进行开发的，其目标是形成“混合流”，即使在卷式反渗透膜元件内进水通道中的水的流速较低。后续研发工作证明了进水隔网线的几何构造、角度构造以及使进水隔网与进水水流方向保持一致的重要性。根据实验结果和流体模拟，用于反渗透进水隔网的构造演变成了一个具有方形或长斜方形开口的双平面网。长斜方形网构造通常被称为“菱形网”。隔网被置于进水通道中，网丝与进水流向之间的角度约为45°（见图3）。这种构造可以在进水水流足够的湍流和混合之间形成可接受的折衷，而不会造成过高的压降。

图3　进水通道图

绝大多数的卷式反渗透膜和纳滤膜元件都采用这种进水隔网方向。上述进水隔网方向（相对于进水的方向）以及高密度膜支撑点的存在会使进水通道中的流道显著堵塞。因此，需要使用悬浮物浓度较低的极洁净进水来确保膜系统的稳定运行。如果进水通道处于洁净状态，没有造成流道阻塞的颗粒，那么单个元件的压降约为0.01～0.02 MPa。在反渗透系统中，膜元件被封在压力容器中运行，单个的压力容器通常包含6～8个串联运行的膜元件。因此，一个压力容器的组合压降范围为0.06～0.15 MPa。海水反渗透系统结构为单段单元。用于苦咸水应用的反渗透系统主要结构为二段甚至三段单元。因此，苦咸水反渗透系统中的组合压降更高，通常为0.15～0.30 MPa。

隔网浓水压降造成的反渗透系统进水压力所要求的增加量，大约等于压降值的一半。因此，进水隔网的构造必须确保在膜表面附近区域提供足够的湍流和混合，同时不显著增加进水通道的压降。

膜元件进水通道中的摩擦损失是反渗透单元总能耗的成因。根据进水泵和电动机的共同效率，1 MPa压降就相当于产出了0.25 kW·h/m3产物水时消耗的额外能量。在系统运行期间，一些进水颗粒将沉积在膜元件的进水通道中，造成压降的增加，而在极高的压降下运行会损坏膜元件。尽管如此，一些系统仍在压降比系统启动时的初始压降高50%～100%的情况下运行较长的时间（在两次膜元件清洗之间）。压降增加速率主要取决于进水的水质。然而，初始进水压力较低时，进水隔网的压降增加速率也较低，这有助于降低反渗透设备在运行期间的功耗。

联合研究项目实现优化的进水隔网几何构造——交替线设计

基于上述知识，朗盛启动了一个联合研究项目，并开发出了一种应对上述挑战的进水隔网新技术。首先，用3D打印样品评估基本进水隔网的几何构造。随后，对减小的压降和最小化的低流量区进行详细的CFD（计算流体动力学）计算。利用相等线、交替线和瓶颈式线构造的进水隔网计算被视为生物污染起点的低速区（见图4）。这些计算的基本结果总结于图5中。系统交替线型进水隔网在压降方面实现了良好平衡，同时最大限度地减少了进水低速区。

为了证明采用交替线设计（ASD）的进水隔网的性能，我们通过流动池测量程序测试了用大规模网生产工艺生产的大量不同类型的进水隔网，并对压降性能进行了评估。该测试将进水隔网样品安装在一个特殊的流动池内，使用不同条件测试进水流量、时间、污染等状况。选择的试验进水隔网材料见图6，相应的压降结果见图7（给定的流速为20 L/h）。与CFD计算结果相似，这项研究证实了新的ASD技术可提高进水隔网材料的性能。展示出的结果确实表明可以实现ASD进水隔网的目标。采用这种创新隔网几何构造的反渗透膜元件可以实现低压降，从而减少能耗。此外，全新的ASD型隔网显示出了微调的流动模式，可以降低生物污染倾向，这改进了该种反渗透膜元件的耐久性。