[发明专利]减少反渗透膜的污染

说明书

交叉引用的相关申请

本发明的优先权文件U.S.Provisional Application No.60/885,885，2007年1月19日登记 备案；以及U.S.Provisional Application No.60/908,172，2007年3月26日登记备案。它们均 被完整的包含在本发明中。

技术领域

本发明与使用反渗透膜和纳米滤膜进行净化水工艺相关。特别是在反渗透或者纳米滤膜 水处理系统使用离子交换树脂对水进行预处理，以减少对于膜表面和通道的污染。

背景技术

反渗透(RO)和纳米滤膜(NF)系统被用于能源、化工、半导体以及药物工业中用水的脱盐 和软化过程中。咸水或者海水的脱盐以生产饮用水也会使用这一类工艺，这在应对世界人口 增长和净水缺乏中起了非常大的作用。

尽管有着快速的增长，使用膜技术进行水处理的成本依然受着一系列由于供给水污染带 来的运转问题的影响。问题的核心在于，半渗透膜本质上是一种通过过滤进行的分离，RO膜 可以阻止平均直径大于0.0001微米(1埃)的原子和分子透过，而NF膜则可以组织平均粒径 大于0.0005微米(5埃)的可溶物质透过。

许多供给水中存在的大于这个粒径的污染物，像悬浮物或者胶体(例如：淤泥，粘土，硅 胶、有机物、铝盐、和铁盐形成的胶状物)和有机大分子(例如：腐殖酸和灰黄霉酸)都会被阻 止透过。这些污染物在膜设备的排出水中积聚，并有可能浓缩，沉淀并污染膜敏感的表面和 滤孔。

并且，溶解度小的盐如钙、钡、锶的硫酸盐和碳酸盐或者磷酸钙和氟化钙在浓缩的排出 水中可能会超过溶解能力从而在膜的表面沉淀。在给水中的存在金属如铁、锰、铝等可以被 空气中的氧气氧化从而生成金属氧化物从而沉积在膜的表面。如果细菌进入了给水或者膜， 比如在保养过后不充分的洗涤，在充足的营养物(有机物质)存在下细菌群落层就可以大规模 的繁殖。这样的生物薄膜可以覆盖在膜的表面并且明显的增加通过膜的压力降。

通过RO膜系统生产水时有相当可观的部分被排到废水中去。除了少部分泄露到最终处 理过的水中，这些排出水中实际上包括了所有大于膜孔径的杂质。因而，排出水中包含了最 初给水中所含有的绝大多数溶解盐以及在膜表面生成的松散的沉淀物或者杂质。这些沉淀和 杂质块粘附在膜的表面从而使得透过膜的流量受到限制，从而需要用化学方法进行清洁。而 经常性的使用化学方法进行清洁会缩短膜的寿命和增加操作费用。

为了保持运转效率，系统设计人员根据实际尽可能保持膜表面和孔道的洁净，避免产生 污染物、沉淀和微生物阻塞。当膜的表面和孔道被污染之后，水流的阻力增加就需要更高的 压力降以及由此产生的更高的泵的耗费。因为透过膜的压力降增加，渗透过的水量减少，其 盐度就上升了。同时，排出水的量增加。系统需要增加规模和成本以抵消这种预期效率损失。 膜工业使用一种术语，给水中的“淤泥密度指数”(SDI)，来决定达到一定流量率时膜的总表 面积。数值在1到7之间，数值1代表着最小的杂质，当数值增加代表着杂质条件的迅速恶 化。SDI值在3到5之间，包含更多胶体杂质典型的地表水供应中，工业标准为每平方英尺 的膜表面的流量每天不可超过8到14加仑。当使用质量更好，SDI值在1到3之间的水，例 如典型的SDI值小于3的井水时，流量可以增加到14到20加仑每平方英尺每天。使用杂质 更多的水意味着需要更大量的膜，也就是需要花费更多的膜的成本以及承载膜的压力容器， 除此之外还有容纳设备的场地。再者，由于需要购买更多的水，以及必须排出更多的废水所 产生污水排放费，操作费用同样的增加了。为了保持渗透水产品在最低水平之上，工厂必须 定期停产，使用化学方法来清除杂质、沉淀以及微生物群胶泥。一般而言，当膜两侧的压力 降(被称为“跨膜压力”或者TMP)增加15％，或者渗透水的产量减少15％，或者当渗透水的 盐度(或者总溶解物)增加15％时，就需要进行化学清理(参见Daniel Comstock，Ultrapure Water Magazine，September 200，pp.30-36))。