技术讲堂 | 高压膜过程的浓度主导传质特性及ROTOWER工艺的技术优势（一）
本期内容由苏伊士水务技术与方案ES产品全球应用技术总监翟建文提供。
为了适应工业废水及物料浓缩市场对于高倍率浓缩的工艺需求，作为工业分离及高浓缩技术的先驱，SUEZ-WTS从2013年以来持续发力探索卷式高压膜元件的制造技术难点突破和工艺系统优化。
2014年
率先提出了将卷式高压膜系统应用于工业废水零排放等高倍率浓缩应用。
推出了最高操作压力80bar的高压反渗透膜INDRO5及INDRO6系列产品。
发明了以多种膜元件组合为主要特点的高效、高回收率高压反渗透系统设计工艺ROTOWER。
2015年
推出了最高操作压力120bar的INDRO HP系列产品。
2019年
上市了INDRO HP系列更新版本，进一步提高了通量、能效和浓缩终点TDS。
为了帮助读者更为科学地理解高压膜产品和浓缩过程，我们将通过两期推文向大家概括性介绍以下几方面内容：
第一期
高压膜过程浓度主导传质的鲜明技术特征
不同类型反渗透膜的浓缩极限
第二期
SUEZ-WTS专利高压膜系统工艺ROTOWER的设计原理和应用方法。
从制造成本、运行能耗、设备制造及管理控制等方面，对比分析工业废水零排放典型预浓缩工况的三种常见工艺配置。
高压膜浓缩过程鲜明的特性：
浓度主导透膜传质
按传统的溶解扩散理论，反渗透膜的水通量可以用在过滤分离领域广泛使用的达西定律描述：
Jw=A(ΔP-Δπ)
其中，
A=透水系数或单位净压力（NDP）水通量
ΔP=进水压力
Δπ=渗透压
高压膜及其系统设备的设计目标是为了获得尽量高浓度的浓缩液，而浓缩过程能够成立就是要保证膜系统的有效透过液通量。按照达西定律的描述，我们可以通过改变公式右边的任何一个因素来获得所需要的通量，也就是说有三个途径：
❶ 采用透水性更好的膜（A值）
❷ 提高压力（ΔP）
❸ 提高膜的盐透过率降低渗透压（Δπ）
膜系统的理论浓缩终点为末端膜元件浓水出口位置的局部通量为零时的TDS，但从工业系统工程性能和经济性的角度考虑，我们将末端膜元件最低有效通量定义为3-5LMH，相当于30m2有效面积膜元件产水量约90-150l/h。
高压膜过程主要针对在常规BWRO及SWRO膜浓缩液进行进一步的尽可能浓缩，膜进水侧的TDS为20-150g/l（NaCl），远远超出了传统反渗透膜的应用范围。长期的实验研究和工程实践证明，由于操作压力和进水TDS范围的影响，高压膜具有独特的性能特点变化规律，与常规苦咸水和海水脱盐反渗透过程差异较大。作者认为高压膜过程属于新的技术领域，常规反渗透理论无法对其进行近似的表征计算，需要对现有的RO机理解释进行改进，或者推出新的理论模型。由于详细的推导论证比较复杂，本文将分享我们研究结论的一些简要总结。
01
高压膜片的压实变形
当前大部分高压膜元件所采用的平板膜材料，依然是以聚酯无纺布基材多孔聚砜膜为支撑材料的TFC复合膜，在80bar以上的超高操作压力作用下，基础多孔支撑体必然会发生不可逆的压缩和形变，因此高压膜元件中平板膜的实际结构是经过高压操作后压实变形的结果。如图-1所示，膜片的微观形态构造与其初始状态有很大区别，膜片变得更薄，支撑体的孔隙尺寸和孔隙率都会更小，同时膜片随着透水导流布支撑结构的形状发生了明显的拉伸形变。虽然说高压膜的性能一定与其初始状态有关，但已变为完全不同的膜，较低压力下的平膜及膜元件测试数据都不再有效。
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图-1 高压运行后膜片的变薄变形
结论
简单模仿成功的先导高压膜产品硬件配置，对于深层次的技术细节缺乏研究理解，并不能制造出性能良好的高压膜元件，更勿论性能可靠、计算合理的系统设计。
02
高压膜的浓度主导传质特性：
透水系数随进水侧TDS的增加快速下降
A值的习惯单位为10-5cm/s/atm，换算为更为直观的特性通量，即单位压力通量值。
10-5cm/s/atm=0.36LMH/bar
在传统意义下，膜特性透水系数A值通常被视为主要受温度影响的近似常数（TCF，温度矫正系数，计算公式为阿伦尼乌斯方程），但在高压浓缩过程中A值会随着进水TDS和操作压力的增加而明显下降，TDS的增加影响尤大，我们称之为浓度主导传质特性。
图-2-a/b/c是三种膜元件在不同压力下的通量及透水系数A值随进水侧平均NaCl浓度的变化趋势：
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INDRO7HP、INDRO5HP和HPRO平膜分别采用高透性膜、中透性膜和低透性膜，三种膜元件的最高耐受压力均为120bar。 |
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图-2/a和图-2/b为8040膜元件实测数据。 |
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图-2/c为120bar下不同进水浓度下产水量文献数据的计算值。 |
图-2-a和图-2-b两种压力下A值趋势比较：
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A值主要受进水侧浓度的影响，两个压力下的测试数据基本上处于同一个趋势线上。 |
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100bar压力下，INDRO7HP、INDRO5HP分别在约155g/l和105g/l时A值降到1×10-5cm/s/atm，膜元件的测试通量为3.5LMH和5LMH。 |
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120bar压力下，HPRO的操作数据就已经充分显示了低透性膜在60g/l进水NaCl时A值就只有1×10-5cm/s/atm，继续浓缩到120g/l时，A值已经降到了0.55×10-5cm/s/atm。 |
图-2-a INDRO7 HP 8040F实测通量Jw
及特性透水系数A
图-2-b INDRO5 HP 8040F实测通量Jw
及特性透水系数A
图-2-c HPRO 8040F文献通量Jw
及特性透水系数A
结论
从测试数据可以总结出特性透水系数A值随浓度变化的幅度与膜片初始特性的基本相关规律：膜的初始透水性越低，A值随进水TDS下降越快，其浓缩上限TDS越低。
03
膜元件的浓缩极限定义：A值≮1
当A值为1时，NDP=A(ΔP-Δπ)=10bar时，膜元件的通量为3.6LMH，一般系统设计中末端膜元件的最低通量设置为3-5LMH，如果膜元件有效面积为30m2，单支膜元件的产水量为90-150l/h，因此我们将A值等于1时的TDS定义为浓缩极限。从图-2-c数据可以看出，在120bar操作压力下，HPRO膜的A值均低于1，能效非常之低。
表-1 常规RO膜片的高压浓缩极限(g/l NaCl) 膜片类型
04
高压膜系统的合理配置方式
基于上述高压膜基本特性为了获得尽量高的浓缩液TDS，我们认为正确的高压膜系统设计应该是：
在较高的TDS采用初始脱盐率较低的膜元件，该规则与常规水处理系统的配置正好相反。
表-2 高压膜推荐选膜规则
通过本期内容，您已经对高压膜的浓缩特性有了一定了解。那么苏伊士专利的、以多种膜元件组合为主要特点的高效、高回收率高压反渗透系统工艺ROTOWER其设计原理是怎样的？应用方法方面有哪些要点？欢迎继续关注本系列推文。