质并不是极难之事，个别甚至达到0.25us/cm。关键是科学地设计和科学地运行RO系统。
这里我们有必要讨论一下，带负电的TFC复合膜对低浓度(1-10mg/L)的NaCl到 底有多大脱除率。参考下图。测试条件为pH6.5，压力选用15Bar。一般来讲，苦咸水的一级RO的产品水电导率在5.0us/cm以上，折算成TDS为>2.5mg/L，这样从上图中查出对应的Cl-离子的脱除率在99.5%以上，Na+离子的脱除率则在 97.5%以上。这个脱除率实际上比正电膜宣称的效果(97％)还好。
4.3.2 膜的稳定性探讨
就稳定性而言，陶氏公司的FILMTEC反渗透膜是行业内好的。这种稳定性不仅表现在正常运行过程中，而且表现在清洗后的性能回复快/衰减小，如下图所示。陶氏膜的稳定性正是来源于其精湛的制膜工艺。几乎所有品牌的供应商均宣称RO膜的有效脱盐层厚度为0.2微米，但是有关专利却显示有的品牌其实际的厚度从0.02-2.0微米不等。而陶氏膜脱盐层则相对均匀得多。为什么有如此巨
大的差别呢？这是因为陶氏膜不需经过后处理，所以没有产生薄弱点，在实践中表现为运行稳定性好；但其他品牌的制膜工艺中则有后处理，从而产生了不确定的薄弱点，进而导致膜的长期运行不稳定。后处理本身反映了制膜工艺的均匀性不足。
此外，陶氏反渗透膜的清洗和运行pH范围在所有品牌中是宽的。运行pH范围宽表现为适用的进水水质范围宽；清洗pH范围宽则反映为膜耐严厉酸洗或严厉碱洗的能力强。有关清洗pH范围的比较参考下表。不论是清洗还是运行，陶氏膜的pH上/下限均宽1个单位，也就是说陶氏膜耐酸碱的能力比其他品牌至少强10倍以上。正因如此，陶氏公司推荐的标准清洗方法为强酸(0.2%HCl)强碱(0.1%NaOH+0.1-1%EDTA)清洗，而不是弱酸弱碱。
项目 |
BW30 |
其他品牌 |
清洗 |
|
|
下限 |
1 |
3-5 |
上限 |
12 |
10 |
运行 |
|
|
下限 |
2 |
3 |
上限 |
11 |
10 |
4.3.3 病毒脱除能力探讨
有关反渗透膜的病毒脱除能力参考以下例子。
在该试验中，美国的AQUA 2000 研究中心选用了包括陶氏BW30在内的5种膜。并选用在病理学研究上典型的病菌MS-2噬菌体作为研究对象。噬菌体的体型 大小约50纳米(nm)，如下图所示。
噬菌体的脱除效果如下表所示。可见不同品牌的膜对MS-2噬菌体脱除效果有很大的差别。陶氏化学的BW30膜元件具有脱除病毒的能力。
膜类型 |
试验次数 |
结果均值 |
结果范围 |
TFC复合膜 |
|
|
|
BW30 |
11 |
>6.5 |
>3.4->7.4 |
其他品牌1 |
10 |
5.6 |
3.7-6.9 |
其他品牌2 |
14 |
2.7 |
1.4-5.8 |
CA膜 |
|
|
|
其他品牌3 |
3 |
>4.9 |
>4.5->6.0 |
其他品牌4 |
4 |
4.6 |
1.9-5.0 |
*注：有关数据摘自Journal AWWA, 90(9), 130 (1998)。有关BW30/其他品牌1/其他品牌2对MS-2噬菌体脱除率的比较的柱形图见下一页。
4.3.4 膜的热消毒探讨
热消毒作为杀灭有机组织的有效的方法，在医学领域始终倍受青睐，因为热能可穿透生物膜，且分布均匀，可以减少化学药品用量。陶氏公司近年开发出可热消毒的反渗透膜(HSRO)。这种膜主要为制药和电子半导体行业开发设计的。目前，陶氏公司可为客户提供两种可热消毒的元件，其规范如下表所示。
产品名称 |
膜面积
ft2(m2) |
稳定后的产水量
GPD(m3/d) |
典型的稳定后
脱盐率 |
HSRO-4040-FF |
85 (7.9) |
1900 (7.2) |
99.5% |
HSRO-390-FF |
390 (36) |
9000 (34) |
99.5% |
可热消毒的反渗透元件(HSRO)有其独特的设计。8寸规格见下图所示。
特别之处在于，其一，元件结构设计上，可热消毒元件去掉了用于盐水密封的O形环。其二，元件的外壳不再使用玻璃钢或PP胶带，而是较软的聚丙烯网。其三，在元件的两端，防止膜片发生望远镜效应的装置(ATD)由过去的固定式改为活动式。这种更新设计，可消除普通反渗透元件与压力容器内壁之间的死区，从而有效控制微生物的繁殖。
可热消毒元件，顾名思义是可用热源消毒的。与普通元件不一样的是，HSRO元件在初次使用之前，应用热水进行稳定化处理。其方法如下：
- 在低压低流速下，用RO产品水级的水充分冲洗(>2h)HSRO系统，冲洗废水排放掉。
- 在低压(<25psi)下，用温和(<45°C)的热水打循环。
- 以低于4°C/min的速率逐渐升温到80°C。
- 恒温至少30min。
- 以低于4°C/min的速率逐渐降温到45°C以下。
- 冲洗HSRO系统。稳定处理完毕。稳定处理的过程会有通量的损失，这是正常的。规范值是指稳定后的参数。
HSRO元件和普通玻璃钢元件的尺寸比较如下表。HSRO和普通玻璃钢元件具有同样的尺寸。
元件类型 |
膜长A英寸(mm) |
接口B英寸(mm) |
膜外径C 英寸(mm) |
HSRO-4040-FF |
40.00 (1016) |
0.75 OD (19) |
3.9 (99) |
普通4”FRP元件 |
40.00 (1016) |
0.75 OD (19) |
3.913(99.4) |
HSRO-390-FF |
40.00 (1016) |
1.125 ID (28.58) |
7.9 (200) |
普通8”FRP元件 |
40.00 (1016) |
1.125 ID (29) |
7.9 (201) |
接下来，讨论一下HSRO的测试效果。
杀菌效果热消毒后，产品水的细菌浓度几乎从1.0cfu/100ml降到了接近0的水平。参考后图。
脱盐效果
热消毒后，HSRO元件的脱盐率和冷元件几乎一样。参考后图。
产水效果
和冷RO元件相比，HSRO产水量的变化类似。经初次热消毒后，HSRO元件的产水量与冷元件相比有所下降。需强调的是，这种下降是正常的。规范值即指热稳定化后的参数。参考后图。热消毒元件(HSRO)在对微生物要求很严的医药用水系统中，有其独到的 优势和使用价值。
4.4 系统回收率
系统回收率是给水浓缩度的函数。给水浓缩度越高，系统回收率也越高。相反地，产品水水质则随着系统回收率的提高而降低。这是因为，系统回收率提高后，给水浓缩加剧，进而导致膜面的边界层盐分浓度急剧升高。其结果是，盐分透过膜层的驱动力增加，产品水含盐量增加。为了制得合格的两级RO产品水，除了选择合适的品牌膜之外，调节系统的回收率也是十分重要的。国外的经验表明，即使选用稳定脱盐率99.0%的低压膜BW30LE-440，通过合理调节系统及各级RO的回收率，也能制得合格的两级RO产品水。
实践表明，当苦咸水的回收率达到85％时，多半会结垢。所以，大型一级RO系统的回收率一般设75％，留10％的裕度。对大型两级RO系统来讲，系统回收率可设70-75％，而且第2级RO的浓水都应再循环利用，因为这个浓水比给水水质还好。一般，第1级RO的回收率控制在70-80%的范围内，第2级 RO的回收率控制在50-90%的范围内。
那么该怎样来合理的选取两级RO的回收率呢？这里，我们首先应掌握一些经验规律。经验表明，第2级RO的回收率对产品水质的影响超过第1级RO的回收率的影响。而且有人研究过，增加第2级RO的回收率，对产品水品质有相当显著的负面影响，而其实这并不能显著减少浓水排放量。选择回收率的关键是第2级。第1级回收率一般选择75％，如果给水预处理有软化，则该回收率可适当提高(<90%)。第2级RO的回收率选择则应考虑第1级给水品质的好坏。有如下经验。
如果给水DD<400us/cm，则可考虑控制第2级RO的回收率80-90%；
如果给水DD=400-600us/cm，则可考虑控制第2级RO的回收率75-85%；
如果给水DD>600us/cm，则可考虑控制第2级RO的回收率70-80%；
如有其他未知因素影响，对每种情况，还应酌情下调回收率。比如欧洲客户选用低压膜BW3OLE-440元件用于两级RO系统，其第2级RO的回收率就是60%，因有软化第1级则高达90%，运行良好。
应当指出，调节回收率是提高水质的重要方法，有时它还应同其他调节方法协同使用，会起到更好的效果。
4.5 加药调节
加药调节在两级RO系统中十分重要。所需加入的调节药品分为三类：阻垢剂、酸(HCl)、碱(NaOH)。
阻垢剂
阻垢剂主要是抑制各种难溶或微溶垢的形成。一般来讲，预处理合格的给水进入RO膜系统之后多半会因浓缩而产生结垢倾向。抑制垢的产生，有多种方法，加酸降低给水LSI，离子交换树脂软化除硬/脱碱，加入阻垢剂，等等。加入阻垢剂是常规的阻垢方法。有关阻垢剂加药量的计算请参考相应厂商的技术文件。有关阻垢的基础知识也可参考陶氏公司提供的<<反渗透膜技术手册>>。
酸 (HCl)
在两级RO系统中，加酸有两种作用。其一，降低给水pH值，从而降低浓水的拉格朗日饱和指数(LSI)，达到抑制碳酸钙垢目的。有时，当给水pH值高达8.3以上时，加酸可以阻止阻垢剂超出使用范围，从而提高阻垢剂的效果。其二，当给水中含NH3.H2O或其他弱碱较显著时，加酸以适当降低给水的pH值有利于在一级RO中充分去除这些成分，提高产品水水质。当然，给水的pH值不宜低于5.5，一般控制6.0-6.5比较合适。
碱(NaOH)
加碱的主要目的是中和二氧化碳，从而提高两级RO的产品水质。这里先讨论一下，RO工程实践中去除二氧化碳的方法。
方法一、采用除碳器。除碳器有鼓风填料式和真空式两种。鼓风填料式除碳器更适用于CO2>10ppm以上的系统；真空式除碳器则适用于 CO2<10ppm的系统。 CO2<5ppm时，采用除碳器效果不好，故应采用其他化学加药办法，比如加NaOH调节。
方法二、加碱(NaOH)中和。加碱更适合于去除低浓度的二氧化碳。实践上，由于一级RO纯水的酸碱缓冲性已经很小，故用一个pH点值来自动控制加药操作有些难度，科学一些的办法是控制二级RO给水pH在一个较窄的范围内。
在两级RO中，用NaOH调节给水pH值有两种工艺。一种，在一级RO的给水中加NaOH；另一种，在二级RO的给水中加NaOH。这两种工艺的特点比较如下表。
指标 |
一级RO给水加碱 |
二级RO给水加碱 |
pH控制范围 |
8.3-8.6 |
8.3-8.6 |
水溶液的缓冲性 |
大 |
小 |
加药量 |
大 |
小 |
加药控制难易 |
较易 |
较难 |
产品水质稳定性 |
更稳定 |
相对有波动 |
原水软化 |
需要 |
不需要 |
需要指出的是，如果在一级RO的给水中加碱，那么就需要在预处理中增设离子交换软化，以防止一级RO结垢。
离子脱除率％
在二级RO给水中加碱，pH值不宜超过8.5。下图可给我们一些启示。下图是在1mg/L的NaCl溶液中保持压力1.5Bar，在不同的pH下，TFC复合膜对Na+和Cl-离子的脱除效果。可以看出，当pH>5.5时，Cl- 的脱除率>99.5%；当pH<5.5时， Cl- 离子的脱除率随pH减小而迅速下降。当pH<5.5时， Na+离子 
的脱除率随pH减小而上升；当pH>5.5时，则更复杂一些，在pH=6.5-8.6的范围内，Na+离子的脱pH值除率有一个较高的凸起。正是这个凸起在两级RO设计运行中有重要意义，它为我们控制第2级RO给水pH值<8.6提供了依据。很明显，当pH>8.6时，Na+离子的脱除率迅速下降，需要指出的是，此时Na+离子以NaOH形式漏过，而不是NaCl形式。也就是说，加入过多的NaOH反而会降低两级RO的产品水质。在二级RO给水中加碱，pH值不宜低于8.3。从下图可以清除的看出，当pH值低于8.3时，尚有相当比例二氧化碳未离子化，故不利于二氧化碳的去除。
单从去除二氧化碳的角度，pH值越高越好。但pH过高又会引起NaOH的脱除下降。总括两者，pH控制在8.3-8.6范围内较好，若能控制在8.4-8.5则更好。
第5节两级RO的案例
在两级RO上，可供选择的陶氏膜有如下数种：
8”规格4”规格2.5”规格
BW30-365BW30-4040BW30-2540
BW30-400TW30-4040TW30-2540
BW30-365FR HSRO-4040-FF
BW30LE-440
HSRO-390-FF
在标准测试条件下，除低压膜BW30LE-440的NaCl典型脱除率为99.0%以外，其余上述元件对NaCl的典型脱除率均可达到99.5%。
下面分享一个用陶氏低压反渗透膜的例子。该案例发生在欧洲。
第1级参数如下：
Feed:7.41 M3/H,373 MG/L,15.0 Deg C11.4 BAR
Recovery:90.1 Percent
Array:123
No.of PV:111
Element:BWLE-440BWLE-440BWLE-440
No.El/PV:222
El.Total:222
BackP (BAR): 0.00.00.0
Recyc M3/H:2.00.00.0
Recyc From:300
Fouling Factor:0.80
FEEDREJECTAVERAGE
Pressure(BAR)11.49.610.2
Osmotic Pressure(BAR)0.22.11.3
NDP(Mean)=8.9 BAR
Average Permeate Flux=27.2 L/M2/H, Permeate Flow=6.67 M3/H
RecoveryPermeateFeed FeedFeed
Array El.No.(Perm/Feed)M3/D MG/LM3/HMG/L PRESS(BAR)
11.13530.51119.4112111.1
2.15129.47148.1129410.8
21.166 27.45196.9152210.3
2.19126.39265.8182010.1 *
31.21624.14344.722449.7
2.25322.22493.728519.6 *
Array:TotalArray 1Array 2Array 3
Reject (M3/H):6.94.70.7
Reject (MG/L):152222443802
Perm (M3/D):160605446
Perm (MG/L):24122241
测量值(Measured): 5.3 uS/cm
Permeate, (MG/L as Ion)
Array:TotalArray 1Array 2Array 3
NH40.00.00.00.0
K0.10.10.10.2
Na6.63.46.011.3
Mg0.00.00.00.0
Ca0.00.00.00.1
Sr0.00.00.00.0
Ba0.00.00.00.0
HCO311.36.010.419.3
NO34.82.44.48.5
Cl0.50.30.40.8
F0.00.00.00.0
SO40.60.30.61.0
SiO20.00.00.00.0
Feed/Reject, (MG/L as Ion)
FeedReject 1Reject 2Reject 3
NH40.00.00.00.0
K1.76.910.217.3
Na102.2416.8614.51041.1
Mg0.10.40.61.0
Ca1.56.29.215.7
Sr0.00.00.00.0
Ba0.00.00.00.0
HCO3214.4880.51299.22204.5
NO326.8101.9148.9248.1
Cl9.237.855.894.6
F0.10.40.61.0
SO417.170.9104.8178.2
SiO20.00.00.00.0
To Balance 0.1 MG/L Sodium and 0.0 MG/L Chloride added to feed.
Feed water is Well or Softened Water (BW) SDI < 3
第2级参数如下：
Feed:6.67 M3/H,19 MG/L,16.0 Deg C16.5 BAR
Recovery:60.0 Percent
Array:1
No.of PV:1
Element:BWLE-440
No.El/PV:2
El.Total:2
BackP (BAR):0.0
Recyc M3/H:1.0
Recyc From:1
Fouling Factor:0.77
FEEDREJECTAVERAGE
Pressure(BAR)16.515.916.0
Osmotic Pressure(BAR)0.00.00.0
NDP(Mean)=16.0 BAR
Average Permeate Flux=48.9 L/M2/H, Permeate Flow=4.00 M3/H
RecoveryPermeateFeedFeedFeed
Array El.No.(Perm/Feed)M3/D MG/LM3/HMG/L PRESS(BAR)
11.26248.1707.72516.2
2.35247.7705.73416.0 *
Array:TotalArray 1
Reject (M3/H):2.7
Reject (MG/L):53
Perm (M3/D):9696
Perm (MG/L):00
测量值(Measured): 0.25 uS/cm
Permeate, (MG/L as Ion)
Array:TotalArray 1
NH40.00.0
K0.00.0
Na0.10.1
Mg0.00.0
Ca0.00.0
Sr0.00.0
Ba0.00.0
HCO30.10.1
NO30.10.1
Cl0.00.0
F0.00.0
SO40.00.0
SiO20.00.0
Feed/Reject, (MG/L as Ion)
FeedReject 1
NH40.00.0
K0.10.3
Na5.214.5
Mg0.00.0
Ca0.00.0
Sr0.00.0
Ba0.00.0
HCO39.125.5
NO33.59.8
Cl0.41.1
F0.00.0
SO40.51.4
SiO20.00.
To Balance 0.1 MG/L Sodium and 0.0 MG/L Chloride added to feed.
Feed water is RO Permeate
。
