5.2　膜元件的主要参数

5.2.1　膜元件的标准性能参数

如果认为图5.2所示各项径流关系及浓差极化现象，是表征膜元件中某无限小局部微元上所发生的微观现象，则图5.4示出的是实际单支完整膜元件上发生的宏观现象。膜微元上微观参数是确立膜元件宏观参数的基础，而膜元件宏观参数是膜系统分析与膜系统设计的基础。

膜元件的性能主要表现为脱盐率与产水量两大参数。膜生产厂商为标定膜产品的性能，需要对膜元件的性能进行标准测试。该过程中，需要限定水温、水质等给水工况，以及测试压力、元件收率等运行工况。每个品种与规格膜元件的性能参数，是在特定的给水工况与运行工况条件下，对大量膜元件进行测试的数据统计结果。

膜元件的测试条件既参照了膜元件可能的实际运行环境范围，又具有一定的规范数值。为避免不同无机盐成分造成性能参数的差异，膜性能测试一般针对具有典型意义的氯化钠溶液，测试液应采取反渗透产出淡水配以工业纯氯化钠的方式制备。测试液的含盐量与相应的膜品种及其工作环境相关，海水膜的测试液浓度为32000mg/L，苦咸水膜为1500～2000mg/L，自来水膜为500mg/L。测试用压力也与工作环境相关，海水膜的测试压力为5.52MPa，苦咸水膜为1.00～1.55MPa，自来水膜为0.7MPa。一般的测试液温度为25℃，测试回收率为15％（海水条件下为10％），测试液pH值为6.5～7.0。各膜厂商的膜元件测试条件不尽相同，表5.1给出了时代沃顿、海德能、陶氏、蓝星东丽公司的产品测试条件及部分产品的脱盐率与产水量两大性能参数。

膜元件的测试条件与性能参数具有如下特点。

①膜元件的性能参数，既是膜厂商的产品标准，又是用户进行系统设计与指导系统运行的参考依据。

②膜厂商提供的性能参数中，脱盐率指标存在标准脱盐率与最低脱盐率之分。最低脱盐率是产品出厂性能参数的保守数值，一般低于实际性能参数。对于脱盐率水平仅有一般要求的系统而言，参考标准脱盐率即可。对于要求严格的系统而言，应参考最低脱盐率指标。

③由于膜片生产工艺条件的限制，不同膜元件的产水量参数存在一定差异，膜厂商提供的元件产水量指标一般仅为测试数据的期望值。湿膜与干膜产品实际产水量的误差范围分别是期望值的±15％与±20％。产水量指标具有的较大离散性，是构成系统的设计计算参数与实际运行参数之间偏离的重要因素。

④各厂商同类产品的测试条件不同，性能参数缺乏统一的标准，致使不同厂商的元件性能指标缺乏可比性。

⑤同厂商不同膜品种的测试条件也有区别，同厂商膜元件性能参数间仍然缺乏可比性。

⑥膜厂商的给水含盐量、盐的成分、给水温度、元件收率及给水pH值等标准测试条件与用户的现场测试条件的差异一般较大，两类性能参数缺乏可比性。

⑦性能参数的主要用途是标定膜元件的性能，与膜元件的实际设计或运行参数存在很大差距。膜元件的设计流量应参考设计导则指定，其数值约为测试流量的50％，与之对应的新膜元件的运行压力约为测试压力的60％。

各膜厂商生产的膜元件除性能参数的区别外，还存在干膜与湿膜的区别。湿膜产品出厂时全部进行运行测试，并被真空封装于0.95％偏亚硫酸氢钠（Na2S2O5）与1.0％丙二醇的保护溶液中。干膜产品出厂检测后需经烘干处理，其保存时无需液体保护。湿膜需在贮存与运输过程中防止保护液的泄漏与冻结，但可在初始运行30min时间内使膜元件运行指标达到正常与稳定。干膜更便于储存与运输，但在运行初期需要一个润湿过程，一般需要运行300min或更长时间才能使膜元件运行指标达到正常与稳定。

因上述现象的存在，对不同厂商的少量膜产品进行运行效果的严格比较，以期判定膜厂商产品整体优劣的办法并无实际意义。

式（5.9）给出了膜元件的脱盐率定义，而膜元件的脱盐率性能存在测试条件的差异，相同膜元件在不同测试条件下具有不同的脱盐率。在必须区别标准测试条件与实际运行条件下产生的不同脱盐率时，本书将标准测试条件下的脱盐率称为膜元件的“脱盐水平”。

5.2.2　膜元件的运行极限参数

膜厂商在给出各类元件标准参数的同时也给出了各类元件的最高给水压力、最高给水流量、最小浓水流量、最高浓淡水流量比、单支元件最大压降等极限参数。极限参数即为破坏性或恶化性参数，系统的设计参数与运行参数均应与极限参数保持一定距离。表5.2示出时代沃顿公司膜元件的极限运行参数。

（1）膜元件的最高给水压力

元件“给水压力”也称元件“工作压力”。表5.2所示极限参数中并未给出产水量上限，而且也确无此上限参数。理论上讲，给水压力越高产水量越高；但过高的给水压力将使复合膜片及淡水格网产生形变，造成运行异常甚至产生结构破坏。膜元件根据不同用途，设计出不同的复合膜片与不同的淡水隔网，因此具有不同水平的最高给水压力的限值。例如，海水淡化膜的最高给水压力为7.0～8.5MPa，而苦咸水淡化膜为4.0～4.5MPa。

就系统流程位置而言，无段间加压工艺系统的前段特别是前段首端元件的给水压力最高；有段间加压工艺系统也可能其后段首端元件的给水压力最高。就系统运行时间而言，如采用恒通量（或恒流量）运行方式，则系统运行后期即系统受到深度污染或系统性能严重衰减时，将在前后段的首端元件处出现最高给水压力。

值得指出的是，由于元件的给浓水流道内侧与元件的封装层外侧基本属于等压区域，较高的给水压力一般不会使元件的玻璃钢封装层产生爆裂。只有在元件给浓水流道内被严重污堵，且在给水侧施加的压力很高且很急时才可能产生封装层的爆裂。

（2）膜元件的最高压力损失

膜元件的压力损失也称膜元件给浓水两端之间的膜压降。狭窄的给浓水流道及流道中浓水隔网的存在，将对给浓水径流形成阻力，给浓水流量越大，膜压降越高。卷式膜元件结构中，膜袋及隔网仅在中心管上进行缠绕，与中心管的机械配合关系介于动配合与静配合之间，因此过高的膜压降会使膜袋及隔网产生位移与变形即破坏元件结构，进而使膜元件的各项性能指标恶化。

洁净系统中，各元件给浓水流道阻力相等，各段前端元件的给浓水流量大于后端元件，最高膜压降一般出现在系统首端元件之上。污染膜元件给浓水流道阻力加大，最高膜压降可能出现在系统末端元件之上。因此，膜压降限值主要是针对元件及系统污染后运行状态的限制指标。

（3）膜元件的最高给水流量

以错流运行方式为特征的反渗透系统中，产水流量给定时，给水流量越大，错流效果越好。所以存在给水流量的限值，是由于给水流量与膜压降相关，即最高给水流量限值是最高压力损失限值的另一表现形式。

由于给浓水流道沿程阻力的存在，回收率与产水量是影响给水流量的两大因素。如图5.5曲线所示，当元件回收率给定时，产水流量及给水流量越大，元件给浓水两端的压力差越大。如图5.6曲线所示，当元件产水流量给定时，元件的回收率越低，给水流量越大，元件给浓水两端的压力差越大。图5.5与图5.6中给浓水两端压力之差即为膜压降。

膜系统中，元件的最高给水流量总是发生在前段首端元件或后段首端元件。对于恒产水量恒回收率的系统而言，前段首端元件的给水流量恒定，而后段首端元件的给水流量将随系统给水温度及污染程度而变化。

（4）膜元件的最低浓水流量

膜元件中浓水流量的作用有两个。一是将浓缩的给水外排以防止难溶盐结垢，二是在给浓水流道中形成有效紊流以降低膜表面的浓差极化度。防止难溶盐结垢属于系统概念，主要依靠限制全系统最高收率进行控制；保证紊流状态属于局部概念，主要依靠保证单元件最低浓水流量。

因保持紊流状态仅决定于流道中的最小切向流速而与法向流速无关，故保证单元件最低浓水流量与单元件产水流量或单元件回收率无关。

膜系统中，元件的最低浓水流量总是发生在前段末端元件或后段末端元件。对于恒产水流量且恒系统收率的系统而言，后段末端元件的浓水流量恒定，而前段末端元件的浓水流量将随系统给水温度及污染程度等因素而变化。对于串联运行的首末段膜壳中的元件而言，首段膜壳数量过多则首段各壳末端元件浓水流量过少，末段膜壳数量过多则末段各壳末端元件浓水流量过少，该问题见8.4节“大型规模系统设计”。对于并联运行的各膜壳中的元件而言，如果因通量及污染不均衡，会使重污染膜壳中的末端元件浓水流量少于轻污染膜壳中的末端元件，该问题见10.1节“污染的分类与分布”。

（5）膜元件最低浓淡流量比

元件中的浓水流量Qc与产水流量Qp之比Kcp称为浓淡流量比（简称浓淡比或错流比），错流量比还可以表现为回收率Re的函数

　　 （5.12） 　　

式（5.7）所示膜元件浓差极化度β也可表征为回收率Re的指数函数：

β=exp（kRe）　　（5.13）

值得指出的是，各膜厂商给出5:1的浓淡比限值属于约限值而非实限值，在海德能公司等系统设计软件中实际限制体现在浓差极化度指标。因为浓差极化度β的实限值为1.2，相应的回收率限值为约17％，相应的浓淡比限值约为4.4:1。

5.2.3　膜元件给水水质极限参数

反渗透膜元件的给水水质具有诸多参数，对于膜元件及膜系统长期稳定运行构成严重威胁的主要包括温度、pH值、余氯、浊度、污染指数（SDI）及有机物等水质参数。

①给水温度过低会使水的黏度提高、膜的透水性降低、工艺运行效率下降。给水温度过高也会使复合膜的机械强度降低，易于造成膜片及膜元件材料及结构的破坏。因此，一般的反渗透膜规定了膜元件的给水温度应在5～45℃之间。

②长期运行过程中，给水pH值过低或过高均对于膜材料产生化学性损伤，使得透盐率上升。故运行过程中给水的pH值一般限定在3～10之间。由于膜元件污染后的清洗过程中必须使用较高浓度的酸碱，但因清洗时间较短，故清洗过程中清洗液的pH值一般限定于2～12之间。

③目前的反渗透复合膜均为聚酰胺材料，其抗氧化能力较差，遭氧化后复合膜的产水量与透盐率均有增加。因此，给水的余氯指标一般要求低于0.1mg/L，也称反渗透膜可承受2000mg/（L·h）余氯。近年来各膜厂商不断推出抗氧化的膜品种，其给水余氯指标可提高至0.5mg/L。

④给水的浊度限值一般为1.0NTU，浊度的超标将形成严重膜污染，妨碍系统稳定运行。

⑤污染指数即SDI是悬浮物、有机物及胶体等非无机污染物的综合测量参数，严格意义上是0.45μm以上粒径污染物的综合测量参数，但并不包含0.45μm以下粒径污染物的参数。因此，即使污染指数足够低，也不能保证0.45μm以下粒径污染物对于反渗透系统的污染。反渗透工艺的给水污染指数一般应控制在5以下。

⑥对于给水中易于造成系统污染的金属氧化物的上限要求一般为c（Fe2+）<0.3mg/L，c（Fe3+）<50μg/L，c（Mn3+）<50μg/L。

⑦因有机物的构成复杂，给水的有机物指标很难量化，一般要求TOC（以C计）应低于5mg/L，COD（以O2计）应低于15mg/L，BOD（以O2计）应低于10mg/L。

⑧给水中的难溶盐也是反渗透膜工艺的处理对象，一般对其含量并无具体的严格限值，但其含量过高将形成较快且严重的膜污染，轻则造成运行效率降低，重则造成系统运行失稳。

膜元件极限参数就是膜系统给水的极限参数，这里对膜系统限值参数不再重复。