【技术控】反渗透系统中的浓差极化及影响

1. 二级反渗透膜污染来源
对于二级反渗透而言， 由于进水水质较好， 故诸如有机物微生物等膜污染很少见， 另外， 由于难溶盐含量也较少，结垢倾向也比较小。因此，对于二级 RO 而言， 主要的问题来自于浓差极化的影响。

2. 浓差极化对反渗透性能的影响
反渗透分离过程中， 水分子透过以后， 膜界面中含盐量增大， 形成较高的浓水层， 此层与给水水流的浓度形成很大的浓度梯度，这种现象称为膜的浓差极化（ concentration polarization） 。 由于浓差极化现象增大了膜两侧的渗透压， 在同等工作压力作用下， 系统的净驱动压减小， 与净驱动压成正比的水通量将下降。 与此同时， 由于浓差极化现象增大了膜两侧的盐浓度差， 与盐浓度差成正比的盐通量将上升。 因此， 浓差极化现象将使反渗透系统的水通量下降及透盐率上升。
研究表明： 浓差极化现象存在一个建立过程， 膜表面的盐浓度梯度随运行时间逐步建立， 梯度值逐渐增高， 极化层渐厚， 系统性能持续下降。

3. 减小浓差极化的手段
当前， 为了降低浓差极化， 其中一个主要手段是停机时候进行低压冲洗， 确保膜表面的盐浓度与主体浓度一致。有研究表明反渗透系统在不同β值条件下运行 180 分钟后， 通过冲洗其脱盐率及产水量恢复时间也不同（ 见下图） 。 该图表明浓差极化系数保持在 1.2 以内时，通过 1-2 分钟的短时冲洗可以得到恢复； 而浓差极化系数大于 1.2 时， 用冲洗手段恢复性能所需时间不断增加。

上图同时说明系统浓差极化系数保持在合理范围内时， 系统运行过程中适时适量的冲洗对于长期稳定地保持能非常重要。

反渗透系统浓差极化因子计算
浓差极化因子（ β） 可以简单定义为膜表面盐浓度（ Cs） 与本体溶液盐浓度（ Cb） 的比值：β= Cs/ Cb

通常产水通量的增加会增加边界层的盐浓度，从而增加 Cs； 而给水流量的增加会增大膜表面流速， 削减边界层的厚度。 因此 β 值与产水流量成正比， 与平均进水流量成反比。 平均进水流量采用进水量和浓缩液流量的算术平均值计算， β 值可以进一步表达为膜元件产水回收率的函数。
另外， 从上述公式我们可以发现： 不管进水含盐量大与小， 只要存在浓缩分离过程， 浓水侧含盐量肯定会大于给水主体侧含盐量， 也就说二级反渗透也会发生浓差极化。
我们假设反渗透进水含盐量为 100ppm， 分别对于一级反渗透和二级反渗透β进行粗略计算：
对于普通的苦咸水一级反渗透系统而言， 如果单支膜的Zui大回收率限制在 15%内， 那么浓水侧含盐量应该为100×（ 1/（ 1-0.15）） ppm =118ppm，此时β=118/100=1.18。 大部分一级反渗透系统回收率为 75%， 也就是浓缩了 4倍， 此时给水到达Zui后一只膜元件时其含盐量已经接近 400ppm；对于二级反渗透系统而言，如果单支膜的Zui大回收率限制在 30%内， 那么浓水侧含盐量应该为 100×（ 1/（ 1-
0.3）） ppm=143ppm，此时β=143/100=1.43。大部分二级反渗透系统回收率为 85%，也就是浓缩了 6.67 倍， 此时给水到达Zui后一只膜元件时其含盐量已经接近 667ppm。反渗透膜厂家对于系统浓差极化因子有上限规定， 其与回收率有关。 比如 DOW 规定单支苦咸水淡化膜元件Zui大回收率不超过 15%（ 不同水质有上下波动） ， 二级反渗透系统单支膜元件Zui大回收率不超过 30%， 其依次对应了一级反渗透的 β＜1.18，二级反渗透的 β＜1.43。 而海德能公司在反渗透计算书中则明确规定一级 RO 的 β＜1.2， 二级RO 的 β＜1.4。

5. 二级 RO 有没有必要进行低压冲洗
上面我们分析了浓差极化与回收率的关系， 也看出了其不管进水含盐量大或小， 都存在于反渗透浓缩分离过程中。 既然低压冲洗可以稀释膜表面的浓度， 使边界层浓度与给水主体浓度近视一致， 那么我们建议对二级反渗透系统进行低压冲洗。
那么什么时候停机时可以不对二级 RO 进行低压冲洗呢？
1） 二级反渗透浓水侧无难溶盐结垢倾向时；
2） 系统回收率足够低，确保单支膜元件回收率远小于 30%（ 特别是系统Zui后一支膜元件的回收率） ；
3） 系统基本上每天会运行， 不会超过 1 周停运；
4） 进水含盐量不能太高， 如果含盐量太高， 造成自然渗透时， 那么会形成另外一种破坏： 由于自然渗透导致背压， 以至于膜片剥离（ 此种现象在海水淡化中尤其会出现） 。我们可以假设进水温度为 20℃， 假设淡水含盐量略等于零， 考虑膜元件承受的Zui大渗透压为 0.3bar，那么根据渗透压计算的粗略公式∏=Cfc(T+320)/491000bar（ Cfc:进水含盐量， T： 进水温度℃） 可以得出： Cfc(20+320)/491000bar≤0.3bar，那么 Cfc≤433.2mg/L。也就说： 对于高含盐量进水的二级 RO， 即使不考虑浓差极化， 考虑自然渗透导致的背压破坏， 当膜表面含盐量大于 433.2mg/L 时也需要低压冲洗， 尽可能降低浓水侧和淡水侧的浓度差（ 即降低渗透压差） 。 但此时的低压冲洗与前面所说降低浓差极化是不同的目的。当然，结合 2） 中的分析， 当二级 RO 系统回收率为 85%时（浓缩倍数为 6.67） ， 为了使Zui后一支膜元件浓水端含盐量不大于 433.2ppm 时（ 考虑投加氢氧化钠后的含盐量） ， 那么二级 RO Zui大进水含量应该为 433.2/6.67=64.95ppm；
理论上， 不管一级反渗透还是二级反渗透， 我们都应该在停机时候进行低压冲洗， 但是结合多年工程经验， 当二级反渗透浓水侧无结垢倾向， 回收率在合理范围之内时， 也可以不进行低压冲洗， 其对膜性能影响甚微。
综上，当二级 RO 进水含盐量小于 64.95ppm（ 考虑投加氢氧化钠后的含盐量） ， 且无难溶盐结垢倾向时， 而且不会长时间停运可以不进行低压冲洗。