行業研究：經編織物在反滲透膜中的應用

　　[摘要] 以反滲透膜元件中的淡水收集網為對象，通過實驗評價對反滲透膜產水性能產生影響的一系列因素。經過數據收集、分析后，發現不同結構經編織物對應一定運行壓力在反滲透膜性能上有不一樣的影響效果。不同厚度的經編織物抗壓力的效果也是不同的。
　　[關鍵詞] 反滲透；淡水收集網；經編織物
　　目前，反滲透已廣泛應用于水處理行業中，卷式反滲透膜元件是目前反滲透應用中較多的一種品種。它是由具有高效脫鹽能力的反滲透膜片密封成“口袋”卷制而成，實際應用中待處理水流經過泵增壓后流經口袋表面，經過膜片脫鹽后即得到純水。為了收集純水，在膜“口袋”中間有一層收集網，它的作用是在口袋之間撐開一個通道，使純水能夠順著收集網集中到一起。通常使用經編織物作收集網。
　　因為卷式膜元件獨特螺旋線純水收集方式，使得我們必須考慮收集網結構對純水收集速率的影響。而這就必須從收集網——經編織物的結構開始。
　　經編織物表面有纖維編織成的溝槽紋理，這一結構構成了水流傳輸的通道，通過這些溝槽的傳送，讓反滲透膜片過濾后的純水能夠匯集到一起，完成收集。因此這些通道成為影響傳輸速率的關鍵。
　　本文即從經編織物結構的幾個方面對影響純水收集的因素進行實驗，通過實驗數據分析它們對純水收集的影響。
　　實驗部分
　　1.1 儀器與材料：
　　表面接觸角測試儀，上海中辰數字技術有限公司
　　反滲透膜片檢測臺，貴陽時代沃頓科技有限公司自制。
　　膜片貴陽時代沃頓科技有限公司產ULP低壓系列反滲透膜片
　　1.2試驗方法
　　為全面了解織物對水流傳輸的影響，特對織物本身特性、和在實際傳輸中應用性質進行測試。實驗方法有如下：
　　①測定織物疏水性：使用外形圖像分析法來測定表面接觸角，原理為：將液滴滴于固體樣品表面,通過顯微鏡頭與相機獲得液滴的外形圖像,再運用數字圖像處理和一些算法將圖像中的液滴的接觸角計算出來。把接觸角測定方法及其它兩個試驗方法放在此處
　　②測定不同編織結構的織物對傳輸速率的影響，模擬實際運行情況進行實驗。該項實驗目的在于測試織物在不同壓力下流量大小，比較兩種不同編織密度織物的水平方向傳輸區別。
　　截取長條形織物，將表面的凹槽與水流方向同向，將織物平放，織物一端作進水端，另一端作收集端。施加壓力驅動水源，經過反滲透膜片過濾，得到穩定水流，勻速從織物表面流過。這樣除了減少水流中的雜質對流速的影響外，也最大程度地模擬反滲透中傳輸過程。定時量取通水量。通過比較不同結構織物通水量，分析結構對水流傳輸的影響。進水為普通250TDS水溶液，溫度25℃，采用普通低壓反滲透膜片為過濾介質。
　　③測定織物在不同壓力下的抗壓特性。
　　經編織物表面的凹槽式水流傳輸的通道，但高壓情況下，反滲透膜片容易深陷在凹槽里，這樣阻礙了傳輸速率。如果凹槽排列合適，膜片收到的支撐點多，抗壓性就增加。
　　同樣截取長條形織物放，織物平放，織物下放置反滲透膜片，織物上為收集端。施加壓力驅動水源，經過反滲透膜片過濾的穩定水流，豎直方向通過織物表面。定時量取通水量。比較不同結構織物通水量，分析織物對不同壓力下的抗壓表現。
　　該項實驗目的在于測試在不同壓力下，經過織物的流量大小，用以比較織物的豎直方向傳輸效能。
　　2.結果與討論
　　2.1織物結構對疏水性能的影響
　　為了了解織物傳輸特性，我們先要了解水流在不同界面流動時候的特點。通常，水在疏水性（親油性）管道中流動時，會產生滑移。滑移的結果是流量增大，流動阻力減小[1]。我們的淡網是一種用作收集作用的織物，因此要求它有良好的導水性能。而通常疏水性越好越利于水流在其表面的傳輸，因此我們將織物疏水性作為首先考察因素。
　　疏水性是指的是一個分子（疏水物）與水互相排斥的物理性質[2]。這種性質可以通過測量基材表面與基材表面的水珠之間形成的接觸角判定。角度越大，則界面疏水性越好。為表征不同結構淡網的疏水性，選取了A、B、C三種編織密度的淡網布樣，他們分別表示由疏致密的編制結構。測量其表面接觸角。量取接觸角角度，以此判別三種布樣疏水性大小。
　　3種淡網接觸角照片：

　　由以上比較圖來看，A,B,C的疏水性分別為A    由此可看出編織緊密的織物疏水性好于編織松散的織物，織物表面水流流動也應較快。
　　2.2 不同結構對傳輸速率的影響
　　將每個壓力測試點取得的流量數值做表，對兩個不同結構織物的測試數據進行對比即得下圖：

 

樣品1為結構松散流道較寬；樣品2結構緊密，流道較窄。
　　由上圖可知，在150psi條件下，兩種樣品流量相仿；150psi以上，結構緊密淡網流量高于結構松散的淡網。說明一定壓力條件下，織物結構對傳輸影響不大，有基本相同的傳輸效率；但在高壓情況下，由于流速加快，結構松散的織物表面疏水性差，供水流流動的界面傳輸效果不好，容易產生較大的阻力阻礙，因此影響水流傳輸。
　　2.3 不同結構織物抗壓密情況
　　將每個壓力測試點取得的流量數值做表，得下圖：
 

 

反滲透膜膜片厚度遠低于收集網，在高壓水流沖刷下，膜片與收集網貼合緊密度會越來越大，容易造成壓密情況，及膜片深陷入收集網的紋理里。壓密情況如若產生，將會嚴重影響產水流道的通暢，自然會降低產水效率，引起膜元件產水明顯下降。
　　由收集數據點可看出，隨著壓力增加，傳輸流量下降。在接近1200psi壓力值點，傳輸流量只有200psi壓力值點流量一半左右。流量下降嚴重。這一現象可從淡網結構上解釋。淡網是由經編織物涂覆或不涂覆涂層制成，網表面有細小空隙，該空隙大小受編織織物選用的纖維粗細影響。反滲透膜流量與壓力關系是隨壓力增加，流量亦增加。淡網是作為收集應用于膜組件中的，膜片滲透過來產水會延淡網表面流動，最后到達多孔中心管。淡網在水平方向和豎直方向會有產水流動。個人認為，空隙增加后豎直方向滲流增加，從而減少水平方向流動速率。這也可以解釋高壓下傳輸流量減少的現象。高壓下，上下膜片水透過量增加，同時增加了豎直方向淡網滲流，這個方向是產水透過主方向，抵消了大部分動力，水平方向的水流動因而被大大削弱。另一種觀點是，膜片在高壓下和淡網貼緊，膜片被壓入淡網凹槽內，限制導水效能，引起水通量衰減。
　　3.結論
      收集網作為應用在反滲透膜元件里的功能附件，對反滲透產水收集有著重要的作用。它的特性好壞，會影響反滲透膜功能的發揮，甚至影響膜元件的長期使用效果。通過對幾種不同編織結構的實驗，并對影響水流傳輸的幾個因素分析后，得到以下幾點：
　　結構緊密較疏松的織物疏水性大，其表面水流流速也大。
　　隨著壓力增加，結構緊密織物表面水流流速比疏松織物的大。
　　隨著壓力增加，豎直方向水流透過量減少較快。

       參考文獻

 [1]Jean-LouisBarrat.LargeSlipEffectataNonwettingFluidSolidInterface[J].Phys.Rev.Lett.,1999,82(23):4671-4674.

 [2]AryehBen-Na’imHydrophobicInteractionPlenumPress,NewYork(ISBN0-306-40222-X)

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