反渗透膜壳的设计开发及生产
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摘 要：本文通过对反渗透膜壳结构设计中涉及的基体材料、增强材料、辅料等问题讨论研究，最终达到反渗透膜壳的量产及应用推广。
关键词：反渗透膜壳 设计
Design Development and Production for Reverse Osmosis Membrane
XU Jianying，ZHANG Zongwei
（Lianyungang Zhongfu Lianzhong Composites Group Co.，Ltd. Jiangsu Lianyungang 222006）
ABSTRACT：Based on research of the material involved such as base material，reinforced material， auxiliary materials for reverse osmosis membrane shell finally achieve the production and application promotion.
KEYWORDS：Reverse osmosis membrane；design
1本项目的研究意义及国内外研究现状分析
当今世界面临着人口、资源与环境三大问题。其中水资源是各种资源中不可替代的一种重要资源，它是生命的源泉，是经济社会发展的命脉。水资源与环境密切相关，也与人口间接有关，水资源问题已成为举世瞩目的重要问题之一。地球表面约有70%以上面积为海水所覆盖，其余约占地球表面30%的陆地也有水的存在，但只有2.53%的水是供人类利用的淡水。据联合国预计，到2025年，世界将近一半的人口会生活在缺水的地区。水危机已经严重制约了人类的可持续发展，水将成为世界上最严重的资源问题。
在我国，随着经济持续的发展和人民生活水平的提高，对水量的需求越来越大，对水质的要求越来越高，而水资源的不足，时空分布的不均，加上超限度的开采，无节制的浪费，随意地污染，使本来紧张的水资源供需矛盾更加尖锐。如何解决水资源短缺问题，已成为关乎某些地方经济与社会发展生死存亡的关键问题，这就要求我们必须依靠科技进步，实现节约与开发并重、进一步加大水资源节约和水环境保护的力度，利用现代技术对工业和生活废水进行处理实现中水回用、或者大规模开辟新的水源，例如海水和苦盐水淡化技术。
近年来， 在众多的水处理技术中，最引人注目的为膜分离法污水处理技术。膜分离是通过膜对混合物中各组分选择渗透作用的差异， 以外界能量或化学位差为推动力对双组分或多组分混合物的气体或液体进行分离、分级、提纯和富集的方法。而反渗透膜分离技术作为当今世界水处理先进的技术， 由于不发生相变化和不需要酸碱再生， 在能源紧张的今天具有非常重要的意义；并且， 反渗透工艺生产过程中不使用酸、碱等对环境有害的物质，具有清洁、高效、无污染等优点，已在海水淡化、城市给水处理、纯水和超纯水制备、城市污水处理及利用、工业废水处理、放射性废水处理等方面得到广泛的应用。采用反渗透膜技术进行水处理，涉及水的长距离输送及处理。在整个技术装备中，因玻璃钢复合材料具有轻质高强、耐腐蚀性好、强度可设计等突出优点，在水处理领域得到普遍认同和广泛应用，其中，耐腐蚀大口径玻璃钢管道、现场大型玻璃钢储罐、玻璃钢防腐装置和压力容器（反渗透膜壳）将发挥独特作用。
膜壳是反渗透水处理装置中的重要部件之一，多在高压、高流速（磨损）、介质浓缩等不利条件下运行操作。根据所用的材料划分为玻璃钢类、不锈钢类以及工程塑料类等。由于玻璃钢材料具有优异的耐腐蚀性能及卫生性能， 同时制品可设计性强、尺寸精度稳定、表面质量高， 因此目前国际上反渗透水处理用膜壳均以玻璃钢类为主， 各种大型及重点工程几乎全部采用玻璃钢膜壳。以海水淡化市场为例，日前国家环境膜分离工程技术中心的《中国海水淡化发展研究分析报告》披露：截至2010年10月，中国已建成海水淡化装置65套，淡化海水能力接近61.26万吨，比上一年增长52%。根据国家发展规划，2015年我国海水淡化产能要达到日产200万吨。据此估算，从2011～2015年，我国每年需形成海水淡化产能为日产30万吨。国际行业研究组织普遍认为，中国是全球最具发展潜力的海水淡化业务市场，国内对于具有自主知识产权的海水淡化技术和装备，需求十分迫切。作为海水淡化过程中应用最广的反渗透水处理技术是一种有效、可持续缓解水资源危机的方法，反渗透膜壳市场需求量非常大，经济效益可观，而且市场需求还在不断扩大。
玻璃钢材料具有优异的耐腐蚀性能及卫生性能，同时制品可设计性强、尺寸精度稳定、表面质量高，成型产品美观，但是相应来讲，质量和性能的优势也带来价格的偏高，所以通常国内反渗透水处理领域用玻璃钢材料的膜壳多用在大型及重点工程上。
近年来，国内反渗透膜法水处理用膜壳还主要以进口为主，但近些年国产反渗透膜壳经过从产品引进到国内自主开发，呈现出良好的发展势头，而且水平已接近国际先进水平。如今，反渗透膜壳的生产厂家主要有美国滨特尔（Codeline 膜壳）， 英国维赛勃， 哈尔滨乐普，西安百衡，无锡瑞沃克，常州康普等。美国滨特尔作为世界上最大的水处理设备公司之一，其旗下品牌Codeline膜壳是世界上最值得信赖的膜壳品牌，并引领整个行业的标准。哈尔滨乐普经过近十几年的发展，已发展成为中国最大的水处理用玻璃钢压力容器生产商，也是中国首家通过美国ASME“RP”（玻璃纤维增强塑料容器）认证的玻璃钢压力容器生产企业，其生产的18"多芯（1～8芯）膜壳产品已在工程中得到应用。除哈尔滨乐普规模较大外，国内其他生产厂家规模均较小，而且国内生产的反渗透膜壳在质量上与国外相比，仍存在一定差距。
目前，玻璃钢膜壳主要以高强度的连续无捻粗纱浸渍环氧树脂，采用纤维缠绕工艺制造，针对玻璃钢复合材料产品强度可设计的特点，如何根据国内玻璃钢原材料、工艺、设备的技术特点，以及相关容器配件的技术指标，合理制定产品的技术性能指标、工艺路线和成本指标；如何通过改变材料组分的种类、含量、铺层方向和顺序，改变材料的性能，使之满足结构设计中对材料强度、弹性和方向性的要求，以达到结构设计与材料设计高度统一，充分发挥纤维抗拉强度高的优势以及如何进一步开发更大口径的玻璃钢压力容器及其配件，提高产品在使用中的可靠性，将成为玻璃钢膜壳行业今后的发展趋势。
2研究目标、研究内容和拟解决的关键问题
本项目的研究目标
通过对反渗透膜壳结构设计中涉及的基体材料、增强材料、辅料等问题进行讨论，并综合考虑材料力学性能、耐化学侵蚀性等性能及反渗透膜壳及其配件的使用环境和技术要求，开发设计反渗透膜壳及其配件，建立反渗透膜壳生产线，产品按美国机械工程师协会（ASME）“锅炉及压力容器规范 第X卷 玻璃纤维增强塑料压力容器”标准生产，力争通过ASME RP认证，产品质量及性能达到国际先进水平、国内领先水平。
本项目的主要研究内容
（1） 膜壳壳体的环氧树脂基体、增强材料选择及其结构设计与生产工艺
由于反渗透膜壳内壁长期与水接触，故膜壳壳体一般分为内衬层和外缠绕层，内衬层决定壳体的耐水性能好坏。倘若耐水性差，则树脂固化物由于吸水而引起溶胀或溶解导致内衬层树脂破坏，吸水率增加，材料性能变差，力学强度明显降低。鉴于此，内衬层应选择低克重表面毡增强物及选用韧性好、延伸率高、固化收缩率低且耐水优异的树脂，且增强材料与树脂有良好的浸润性，与树脂固化后应变集中系数小且能保持较高树脂含量。同时，根据选取的材料属性，进一步优化膜壳壳体的结构设计及纤维缠绕工艺，实现膜壳在工作压力条件下处于最佳的受力状态，真正体现出“轻质高强”这一概念。
（2） 膜壳配件的选材及结构设计
膜壳内配件的结构形式及端板厚度将决定膜壳端口的结构形式，同时不同口径、不同额定工作压力下，均需设计不同的膜壳配件。这就需要根据反渗透膜壳的额定工作压力及运行环境，选取适合的材质并设计配件的结构，实现配件结构形式及性能最优化。
（3） 膜壳端口的生产及后加工工艺
膜壳端口挡环设计一般采用非预埋（主要针对低压力反渗透膜壳）和预埋（主要针对高压力反渗透膜壳）两种方式，需根据不同的设计方式，在不影响膜壳端口强度及内表面光洁度的前提下，选择合适的生产及后加工工艺。其次，对于侧开口膜壳，其两端侧开口位置必须在同一轴线上，因此如何实现简单、快速、精确的打孔，也是本项目主要的研究内容之一。
本项目拟解决的关键问题
（1） 环氧树脂基体及增强材料的选择。由于反渗透膜壳多在高压、高流速（磨损）、介质浓缩等不利条件下运行使用，所以必须选用韧性好、延伸率高、固化收缩率低且耐水优异的树脂，且要求增强材料与树脂基体有良好的润湿性，这样才能保证树脂基体与增强材料间具有良好的界面相容性，使复合材料的物理性能最优化。其次，选用不同的树脂基体及增强材料，其形成复合材料的力学性能不同，将决定反渗透膜壳的结构设计，如膜壳壳体的纤维缠绕方式、壁厚等。
（2） 内衬层玻璃纤维表面毡的铺设工艺研究。无论是干的玻璃纤维表面毡，还是浸过树脂的湿玻璃纤维表面毡，强度均较低，在铺设过程中，极易被拉扯断，如何设计并制造出合适的工装设备，既能保证在缠绕玻璃纤维纱之前使璃纤维表面毡充分浸胶，并能实现玻璃纤维表面毡的连续、快速、自动化铺设是生产工艺过程制定中需要解决的关键问题之一。
（3） 膜壳配件主要包括端口端板、挡板、推力环、适配器、密封圈、侧开口接口等，各配件功能、作用不同，结构形式也不同，如何将膜壳配件的选材及结构形式有机结合起来，既能保证膜壳配件的安全稳定使用，又能保证其结构简单、用料省、安装方便，且在实际水处理过程中，不产生死水区（角），有效防止膜壳壳体内细菌及藻群的滋生，亦是本项目拟解决的关键问题之一。
3拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析
为实现上述研究内容及解决上述关键问题，本项目拟采取的研究方法、技术路线及实验方案如下：
（1） 在综合考虑树脂基体及其辅料粘度、耐水性以及增强纤维纱浸润性等性能因素的情况下，选择粘度适中、韧性好、耐水性优越的环氧树脂、增韧剂、固化剂及浸润性良好的玻璃纤维纱，制备浇铸体试样及纤维缠绕玻璃钢环形试样（NOL环），测试浇铸体试样的拉伸、压缩和弯曲性能，以及NOL环形试样的拉伸、剪切、弯曲性能，并对试样的力学性能进行比较，选择出综合性能优异的环氧树脂基体、辅料及增强纤维纱。
（2） 对反渗透膜壳配件及其壳体结构进行设计。首先，根据膜壳配件的特殊用途及使用环境，设计配件结构，选用韧性好、结构强度高、耐腐蚀的尼龙+ABS工程塑料材质，并采用注塑成型工艺制备膜壳配件，由此确定膜壳长度及其端口结构形式。其次，根据反渗透膜壳的特殊防腐及防渗要求，设计反渗透膜壳壳体有内层耐腐蚀及防渗层和外层结构层构成。其中内层有富树脂层及中间层构成，富树脂层用玻璃纤维表面毡铺设，控制树脂含量大于90%，厚度0.25 mm；中间层采用短切纤维毡，控制树脂含量70-80%，厚度1 mm。外层结构层采用玻璃纤维缠绕纱缠绕而成，控制树脂含量30%左右，缠绕线性采用55o角螺旋缠绕，两端头部加厚部分采用环向加螺旋缠绕，缠绕厚度按载荷要求计算确定。
（3） 按图1所示生产工艺流程，试制内径为8′′、压力等级为300 psi （2.1MPa）的反渗透膜壳产品，并按《JC692-1998 反渗透水处理装置用玻璃纤维增强塑料压力壳体》及《ASME锅炉及压力容器规范（2010） 第X卷 玻璃纤维增强塑料压力容器》标准，对膜壳进行水压渗漏试验、静水压爆破试验及105次水压疲劳试验，检验膜壳试制品的密封及力学性能。
（4） 分别设计并生产4′′、8′′（进一步开发18′′膜壳产品），能装1-8芯膜元件及额定工作压力为150psi（1.03Mpa）、300 psi （2.1MPa）、450 psi （3.1MPa）v、600 psi （4.1MPa）、1000 psi （6.9Mpa）、1200psi （8.3MPa） 的不同规格的膜壳产品及其配件，进行反渗透膜壳产品小批量试产，并按《JC692-1998 反渗透水处理装置用玻璃纤维增强塑料压力壳体》及《ASME锅炉及压力容器规范（2010） 第X卷 玻璃纤维增强塑料压力容器》标准，对每种型号的膜壳进行水压渗漏试验、静水压爆破试验及105次水压疲劳试验，检验每种型号膜壳产品的密封及力学性能。