学习电渗析和反渗透系统的基础知识。



在自然界中，膜在盐的分离中起着重要的作用，包括发生在体内的透析和渗透过程。膜用于两个重要的商业脱盐过程-电渗析(ED)和反渗透(RO)。每个过程都利用膜的能力来区分和选择性地分离盐和水。然而，膜在这些过程中的使用是不同的。

电渗析利用电势使盐选择性地通过膜，留下淡水作为产品水。在反渗透过程中，通过允许淡水通过膜，将盐留在膜中，使用压力进行分离。自世纪之交以来，科学家们已经对这两个概念进行了探索，但将其用于市政用水脱盐的商业化只是在最近30年才出现。

电渗析

电渗析在20世纪60年代早期开始商业化，比反渗透早了大约10年。电渗析技术的发展提供了一种具有成本效益的方法来淡化微咸水，并引起了人们对这一领域的极大兴趣。

电渗析遵循以下一般原则:

• 大多数溶解在水中的盐是离子的，带正电(阳离子)或负电(阴离子)。

• 这些离子被带相反电荷的电极所吸引。

• 膜的构造可以允许阴离子或阳离子有选择性地通过。

盐溶液中溶解的离子成分，如Na+、Ca2+和CO32-分散在水中，有效地中和了它们各自的电荷。当电极与外部直流电(如电池)相连时，将电极置于盐水容器中，电流通过溶液，离子倾向于迁移到带相反电荷的电极上。

为了使这些现象淡化海水，在一对电极之间放置了允许正离子或阴离子(但不能同时允许两者)通过的膜。这些膜由阴离子选择膜和阳离子选择膜交替排列。在每一对膜之间放置一个允许水沿着膜表面流动的间隔片。

一个间隔器提供一个通道，输送饲料(和产品)水，而下一个间隔器输送盐水。当电极被充电，盐水沿着产品水间隔与电极成直角流动时，水中的阴离子被吸引并转向正极。这将稀释产品水通道中水的含盐量。阴离子可以穿过阴离子选择膜，但不能超过阳离子选择膜，因为阳离子选择膜挡住了它的路径，并将阴离子困在盐水中。同样，在负极的影响下，阳离子沿相反方向通过阳离子选择膜移动到另一侧的浓缩通道。在这里，阳离子被困住，因为下一层膜是阴离子选择性的，防止进一步向电极移动。

通过这种安排，浓缩和稀释的溶液在交替膜之间的空间中产生。这些由两层膜(一层阴离子，另一层阳离子)包围的空间称为细胞。该电池对由两个电池组成，一个是离子迁移的电池(产品水的稀释电池)，另一个是离子浓缩的电池(盐水流的浓缩电池)。

基本的电渗析单元由几百个细胞对组成，它们与外部的电极结合在一起，被称为膜堆。给水同时以平行路径通过所有单元，以提供连续的脱盐水和盐水流，从堆栈中出现。根据系统的设计，可以将化学物质添加到堆栈中的流中，以减少结垢的可能性。

原料水必须经过预处理，以防止可能损害膜或堵塞细胞狭窄通道的物质进入膜堆。给水在烟囱中循环，通过一个低压泵，有足够的功率来克服水通过狭窄通道时的阻力。整流器通常用于将交流电转换为直流电，供应给膜堆外部的电极。

后处理包括稳定水和为分配做准备。这种后处理可能包括去除硫化氢等气体并调整pH值。

走另一条路

在20世纪70年代早期，电渗析逆转(EDR)工艺被商业引入用于电渗析。EDR装置的运行原理与标准电渗析装置相同，除了产品和盐水通道在结构上是相同的。每隔一小时几次，电极的极性反转，流量同时切换，使盐水通道变成产品水通道，产品水通道变成盐水通道。

结果是离子被吸引在相反的方向通过膜堆。在极性和流量逆转后，立即倾倒足够的产品水，直到冲洗出堆栈和管线，并恢复所需的水质。冲洗大约需要一到两分钟，然后设备就可以恢复生产水了。这一逆转过程有助于在细胞内的鳞片、黏液和其他沉积物积聚并产生问题之前，将其分解并排出。冲洗使设备操作较少的预处理化学品和最大限度地减少膜污染。

反渗透

与电渗析相比，反渗透技术(RO)相对较新，在20世纪70年代早期就成功实现了商业化。反渗透是一种膜分离过程，其中压力盐水溶液中的水通过膜流动与溶质(溶解物质)分离。这种分离不需要加热或相变。脱盐所需的主要能源是给水加压。

在实践中，盐水被泵入一个封闭的容器，在那里它被压在膜上。当一部分水通过膜时，剩余的给水盐浓度增加。与此同时，这种给水的一部分不通过膜被排出。

如果没有这种控制排放，加压给水的盐浓度将继续增加，产生过饱和盐沉淀和跨膜渗透压增加等问题。在这种盐水流中排放到废物的饲料水的量从饲料流量的20%到70%不等，这取决于饲料水的含盐量。

预处理在反渗透中很重要，因为在这个过程中进料水必须通过非常狭窄的通道。因此，必须去除悬浮物，并对水进行预处理，这样就不会在膜上发生盐沉淀或微生物生长。通常预处理包括细过滤和添加酸或其他化学物质抑制沉淀

高压泵提供所需的压力，使水能够通过膜，并使盐被排除。对于微咸水，压力范围为250 psi到400 psi，海水压力范围为800 psi到1180 psi。

所述膜组件包括压力容器和膜，该膜允许给水对所述膜加压。薄膜必须能够承受整个压力的下降。这些半透膜很脆弱，它们通过淡水和排斥盐分的能力各不相同。没有一种膜能完美地排除盐，所以少量的盐会穿过膜，出现在产品水中。

反渗透膜有多种结构。其中两种商业上最成功的是螺旋缠绕和中空细纤维。这两种配置都用于淡化咸水和海水，尽管膜和压力容器的结构将根据制造商和预期的给水含盐量而有所不同。

后处理包括稳定水和为分配做准备。这种后处理可能包括去除硫化氢等气体和调整pH值。

在过去的十年中，有两项发展有助于降低反渗透装置的运行成本——可以在较低压力下高效运行的膜的开发和能量回收装置的使用。低压膜被广泛应用于微咸水的脱盐。当浓缩液离开压力容器时，能量回收装置与浓缩液相连。与高压泵施加的压力相比，浓缩液中的水仅损失约15psi至60psi。这些能量回收装置是机械的，通常由涡轮机或某种类型的泵组成，可以将压降转换为旋转能量。