反滲透技術(shù)是目前應(yīng)用較為廣泛的一類水處理技術(shù)。在對反滲透分離原理討論的基礎(chǔ)上,對反滲透技術(shù)的現(xiàn)狀和研究進行了總結(jié),并以鍋爐供水系統(tǒng)為例進行系統(tǒng)的討論。并提出反滲透系統(tǒng)安全運行影響因素以及反滲透技術(shù)新的發(fā)展方向。
反滲透技術(shù)在美國、日本的研究應(yīng)用較早,我國的研究始于1966年,近年來已得到廣泛應(yīng)用。反滲透技術(shù)最初只用于海水淡化,后來逐步擴大到苦咸水淡化、食品加工、醫(yī)藥衛(wèi)生、飲料凈化、超純水制備等方面,產(chǎn)生了很高的經(jīng)濟效益。
1 反滲透分離原理
用一張半透膜將稀溶液(如純水)與濃溶液(如鹽水)隔開,稀溶液會向濃溶液滲透并保持相應(yīng)的滲透壓,此現(xiàn)象稱為滲透。如果在濃溶液處施加大于滲透壓的壓力,則濃溶液會向稀溶液一側(cè)滲透,此現(xiàn)象稱為反滲透。一般反滲透膜微孔尺寸在1OA左右,操作壓力為1.0-10.0MPa,切割分子量小于500,能截留鹽或小分子量有機物,可使水中離子的含量降低96%-99%。反滲透的去除性能一般有
如下規(guī)律:
(1)高價離子去除率大于低價離子A13+>Fe3+>Mg2+>Ca2+>Li+
(2)去除有機物的特性受分子構(gòu)造與膜親和性影響
分子量:高分子量>低分子量
親和性:醛類>酸類>胺類
側(cè)鏈結(jié)構(gòu):第三級>異位>第二級>第一級
(3)對分子量>300的電解質(zhì)、非電解質(zhì)都可有效的除去,其中分子量在100-300之間的去除率為90%以上。
2 膜污染
近年來,反滲透以其操作簡單、可靠性高、不產(chǎn)生二次污染等特點而得到了廣泛的應(yīng)用。然而反滲透經(jīng)長期運行,在膜上濃水側(cè)會積累膠體、金屬氧化物、細菌、有機物、水垢等物質(zhì),造成膜污染,引起系統(tǒng)脫鹽率下降,出水量降低,壓差增大等問題。因此,當(dāng)反滲透性能下降到一定程度時,就應(yīng)對膜進行及時有效地清洗,避免造成嚴重膜污染而難以恢復(fù)系統(tǒng)是否需要清洗可根據(jù)產(chǎn)水量、脫鹽率、壓差變化來判斷。
3 反滲透技術(shù)應(yīng)用實踐
20世紀末,反滲透水處理的市場份額以每年18%的速度增長,它與許多高科技產(chǎn)品一樣,技術(shù)含量高,科技附加值高,易操作,使用方法易掌握。反滲透用途幾乎涵蓋了所有工業(yè)部門,廣泛應(yīng)用于電力、化工、石油、飲料、制藥、電子、冶金等行業(yè)。包括水的脫鹽,由苦咸水和海水制取飲用水,輔助處理過程的凈化,高純漂洗水的生產(chǎn),化學(xué)制造業(yè)所接觸的水,食品和飲料的生產(chǎn),工業(yè)污水的凈化等。不同行業(yè)所處理的水質(zhì)情況不同。在反滲透的使用中,必須重視反滲透裝置的長期安全經(jīng)濟運行,其經(jīng)濟可行性很大程度上取決于其能達到的最高透過速率和膜壽命。在反滲透運行過程中,當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計合理的情況下,并排除設(shè)備機械損壞(如O形環(huán)的損壞)等因素,由于水質(zhì)千差萬別,若運行控制不當(dāng),必然會導(dǎo)致膜的污染,嚴重的會導(dǎo)致整個反滲透裝置的報廢,會造成巨大的經(jīng)濟損失。應(yīng)對不同水質(zhì)的實際情況設(shè)計出合理的反滲透系統(tǒng),掌握正確的反滲透操作方法和運行技術(shù),以保證反滲透設(shè)備的安全經(jīng)濟運行。下面以一套用于鍋爐補給水的反滲透系統(tǒng)的應(yīng)用情況討論。
1、系統(tǒng)概述
本系統(tǒng)的產(chǎn)水用于鍋爐補給水。采用軟水系統(tǒng)的出水(軟水)作為反滲透水處理系統(tǒng)的水源。系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。
2 系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用實踐
自然界的天然水的水質(zhì)千差萬別,不同的水源水質(zhì)及對水處理后的不同用途,需采用不同的水處理工藝,水處理系統(tǒng)。合理的水處理系統(tǒng)是保證設(shè)備安全經(jīng)濟運行的前提和基礎(chǔ),根據(jù)以上原則首先對水源(軟水)水質(zhì)進行了分析。根據(jù)所分析水質(zhì)特點的結(jié)果,采取了上述的水處理工藝。
2.1 加酸系統(tǒng)
雖然在本系統(tǒng)選用的進口阻垢劑阻垢效果非常好,但原水經(jīng)過石灰軟化后,PH值將達到9－10,反滲透裝置濃水側(cè)仍存在結(jié)垢傾向,所以本系統(tǒng)配置一套加酸系統(tǒng)調(diào)節(jié)反滲透進水PH值至7.2左右,以降低濃水的LSI值,保證反滲透裝置的長期可靠運行。
2.2 熱交換器
熱交換器的作用是使原水維持在一定的溫度范圍之內(nèi),以利于保證反滲透系統(tǒng)出力的穩(wěn)定。反滲透系統(tǒng)的出力受進水水溫的變化影響較大,在進水壓力穩(wěn)定的條件下,水溫每變化1e,其產(chǎn)水量大致增減2.7%。為了避免因水溫較低而造成反滲透系統(tǒng)產(chǎn)水水量的下降的情況出現(xiàn),就必須加熱進水使其維持在20e－25e左右。在冬季水溫低時,熱交換器的出水水溫由熱交換器上的溫度控制調(diào)節(jié)單元完成,水溫控制在25e左右。
2.3 氧化劑(NaClO次氯酸鈉)加藥裝置
對于反滲透系統(tǒng)而言,需要配置嚴格的預(yù)處理工藝。加氧化劑的作用是提供足夠量的氧化性的NaClO,用于原水的滅菌、滅藻、氧化有機物,其目的是保證反滲透系統(tǒng)免遭生物的污染。為了達到以上目的,一般需加入1－3×10-6的有效氯。一般投入市場上出售的NaClO溶液,其有效氯濃度為8%－12%。
2.4 凝聚劑(PAC)加藥裝置
該裝置的作用是為系統(tǒng)投加適量的凝聚劑,將原水中的懸浮物、有機物、膠體等凝聚成大顆粒的礬花,以便其在多介質(zhì)過濾器中被有效地去除。由于系統(tǒng)進水受有機物污染,本系統(tǒng)投加了氧化劑,以破壞和降解有機物。水中還有其它雜質(zhì),如懸浮物和膠體等雜質(zhì),這些雜質(zhì)一般帶有一定量的同性電荷,它們相互排斥,難以自動聚成大顆粒。PAC(聚合氯化鋁)是長鏈的高分子聚合物,在水中可形成帶電荷的Alx(OH)3x-yy長鏈多功能基因,它具
有壓縮膠體雙電層的作用,同時對異性電荷也起到中和的作用,而且每一個基因都可以吸附水中分散的懸浮物、有機物、膠體等小顆粒雜質(zhì),使其凝固成大顆粒的礬花,然后通過介質(zhì)過濾器將其除去。為了增加水中水中雜質(zhì)顆粒到達凝聚劑Alx(OH)3x-yy基因表面而被吸附的機會,應(yīng)適當(dāng)?shù)剡M行攪動混合,因此本系統(tǒng)PAC的加入點選擇在多介質(zhì)過濾器的進水母管上,且隨后裝設(shè)靜態(tài)管道混合器。
2.5 多介質(zhì)過濾器
多介質(zhì)過濾器是反滲透系統(tǒng)的重要預(yù)處理裝置,它的作用是濾除原水帶來的細小顆粒!懸浮物、膠體、有機物等雜質(zhì),以及經(jīng)一級加藥后形成的礬花,從而保證其出水SDI(污染指數(shù))。
2.6 活性碳過濾器
此設(shè)備的主要作用是有效去除水中殘余的游離氯,本系統(tǒng)根據(jù)需要前面設(shè)計了加氯系統(tǒng),經(jīng)加氯后,水中會有殘余氯,而殘余氯是強氧化劑,會對反滲透膜造成損害,因此必須除去�；钚蕴坑泻芎玫某刃Ч�
2.7 反沖洗動力裝置
本設(shè)備在系統(tǒng)中的作用是為多介質(zhì)過濾器提供充足的壓縮氣體,用于多介質(zhì)過濾器反沖洗時的氣體擦洗。在多介質(zhì)過濾器運行過程中,其濾料表面會粘附大量的雜質(zhì),甚至造成濾料結(jié)成泥球。若只用水進行沖洗很難湊效；而采用壓縮氣體進行鼓泡擦洗,同時借助水的作用,則很容易將濾料表面粘附的雜質(zhì)或泥球剝落或打散,然后由水流帶出,從而提高多介質(zhì)過濾器反沖洗的效果。
2.8 阻垢劑加藥裝置
加藥裝置的作用是在經(jīng)過預(yù)處理后的原水進入反滲透系統(tǒng)之前,加入高效率的專用阻垢劑,以防止反滲透濃水側(cè)產(chǎn)生結(jié)垢。反滲透的工作過程是原水在膜的一側(cè)從一端流向另一端,水分子透過膜表面,從原水側(cè)到達另一側(cè),而無機鹽離子就留在原來的一側(cè)。隨著原水的流程逐漸增長,水分子不斷從原水中取走,留在原水中的含鹽量逐步增大,即原水逐步得到濃縮,而最終成為濃水,從裝置中排出。濃水受濃縮后各種離子濃度將成倍增加。自然水中Ca2+、Mg2+、Ba2+、Sr2+、HCO3-、SO42-、SiO2等傾向于產(chǎn)生結(jié)垢的離子濃度積一般都小于其平衡常數(shù),所以不會有結(jié)垢出現(xiàn)，但經(jīng)濃縮后,各種離子的濃度積都可能大大超過平衡常數(shù),因此會產(chǎn)生嚴重的結(jié)垢現(xiàn)象。判斷水結(jié)垢的標(biāo)準:一是對于碳酸鹽垢以朗格利爾(LSI)為基準;當(dāng)LSI<0時不結(jié)垢,LSI>0時結(jié)垢;二是對于硫酸鹽垢,是以飽和指數(shù)來確定的,水中陽、陰離子的濃度積與飽和平衡常數(shù)的比值即為飽和指數(shù)。當(dāng)飽和指數(shù)小于1時不結(jié)垢,反之就會出現(xiàn)結(jié)垢。
2.9 反滲透本體系統(tǒng)
本系統(tǒng)的主要作用是把經(jīng)預(yù)處理的水進行膜分離脫鹽。它包括下列單元設(shè)備:
2.9.1 5L保安過濾器
5L保安過濾器的作用是截留原水帶來的大于5L的顆粒,以防止其進入反滲透系統(tǒng)。這種顆粒經(jīng)高壓泵加速后可能擊穿反滲透膜組件,造成大量漏鹽的情況,同時劃傷高壓泵的葉輪。過濾器中的濾元為可更換卡式濾棒,當(dāng)過濾器進出口壓差大于設(shè)定的值(通常為0.07－0.1MPa)時,應(yīng)當(dāng)更換。保安過濾器采用耐腐蝕的304不銹鋼材質(zhì)外殼。濾棒是由聚丙烯噴熔制成,其特點:
1)孔形呈錐形結(jié)構(gòu);
2)過濾能進入深處,形成深層過濾;
3)納污量大、壽命長;
4)便于快速更換。
2.9.2 高壓泵
高壓泵的作用是為反滲透本體裝置提供足夠的進水壓力,保證反滲透膜的正常運行。根據(jù)反滲透本身的特性,需有一定的推動力去克服滲透壓等阻力,才能保證達到設(shè)計的產(chǎn)水量。
2.9.3 反滲透本體裝置
反滲透裝置是本系統(tǒng)中最主要的脫鹽裝置,反滲透系統(tǒng)利用反滲透膜的特性來除去水中絕大部分可溶性鹽分,膠體,有機物及微生物。經(jīng)過預(yù)處理后合格的原水進入置于壓力容器內(nèi)的膜組件,水分子和極少量的小分子量有機物通過膜層,經(jīng)收集管道集中后,通往產(chǎn)水管再注入反滲透水箱。反之不能通過的就經(jīng)由另一組收集管道集中后通往濃水排放管,排入濃水收集箱。系統(tǒng)的進水、產(chǎn)水和濃水管道上都裝有一系列的控制閥門,監(jiān)控儀表及程控操作系統(tǒng),它們將保證設(shè)備能長期保質(zhì)、保量的系統(tǒng)化運行。本裝置反滲透膜組件均采用世界上最先進的復(fù)合反滲透膜,單根膜脫鹽率達99.6%。經(jīng)過反滲透膜專用計算軟件分析,當(dāng)設(shè)計反滲透裝置的回收率為85%時,每套反滲透配置36根BW30-365型膜組件,分別安裝在6根FRP壓力容器內(nèi),成3×2×1排列。
2.10 反滲透清洗和沖洗系統(tǒng)
清洗的作用是根據(jù)反滲膜運行污染的情況,配制一定濃度的特定的清洗溶液,清除反滲透膜中的污染物質(zhì),以恢復(fù)膜的原有特性。無論預(yù)處理如何徹底,反滲透經(jīng)過長期使用后,反滲透膜表面仍會受到結(jié)垢的污染。所以本系統(tǒng)設(shè)置一套反滲透清洗系統(tǒng),當(dāng)膜組件受到污染后,可進行化學(xué)清洗。它包括一臺5L保安過濾器,一臺不銹鋼清洗泵,一臺清洗箱及一批配套儀表、閥門、管道等附件。沖洗的作用是用反滲透產(chǎn)水置換反滲透膜中停機后滯留的濃水,防止?jié)馑畟?cè)亞穩(wěn)態(tài)的結(jié)垢物質(zhì)出現(xiàn)結(jié)垢,以保護反滲透膜。本系統(tǒng)中沖洗水泵與清洗水泵公用。
2.11 加氨系統(tǒng)
經(jīng)RO系統(tǒng)處理后的水,雖然已達到出水水質(zhì)指標(biāo),但是鍋爐補水的PH值要求為8.5－9.2,所以在產(chǎn)品水泵出口處還需要設(shè)置加氨系統(tǒng),以調(diào)節(jié)鍋爐補給水的PH值至規(guī)定的范圍內(nèi)。
3 反滲透維護運行中應(yīng)注意的幾個問題
3.1 嚴格控制反滲透進水污染指數(shù)
污染指數(shù)(淤泥密度指數(shù)SDI)是反滲透進水重要的控制指標(biāo),它綜合反映水中懸浮物、膠體、部分生物等所有粒徑大于0.45um的物質(zhì)含量的一個參
數(shù)。一般要求反滲透進水SDI低于4,最大值不超過5。為此,在實際生產(chǎn)中,嚴格控制反滲透前的預(yù)處理過程,精確控制過濾器前聚合鋁的加入量,按照過濾器的擦洗要求對過濾器進行擦洗等。在平時的設(shè)備運行中,保證了SDI在3以下運行。
3.2 規(guī)范系統(tǒng)的操作管理
正確的系統(tǒng)操作和維護管理是保證RO系統(tǒng)長期高性能穩(wěn)定運行的關(guān)鍵,它包括系統(tǒng)的首次投運和日常開停機操作,膜元件污堵、結(jié)垢、堵塞、氧化降解以及水力沖擊破壞等的預(yù)防。為此,在系統(tǒng)投運前,對員工進行嚴格的培訓(xùn),使每位員工都能按操作規(guī)程熟練規(guī)范的進行操作。在設(shè)備運行過程中,認真監(jiān)測反滲透系統(tǒng)的各個運行參數(shù),并做好記錄,發(fā)現(xiàn)問題立即進行分析解決。當(dāng)設(shè)備停運行時,做好反滲透的低壓沖洗等反滲透的保養(yǎng)工作。
4 影響反滲透系統(tǒng)安全運行的因素
4.1 人的因素
設(shè)計者應(yīng)依據(jù)水質(zhì)特點選出膜元件,設(shè)備系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)當(dāng)正確,設(shè)備的安全應(yīng)符合設(shè)計要求,經(jīng)過預(yù)處理的水質(zhì)應(yīng)能滿足反滲透裝置的要求。反滲透裝置調(diào)試人員應(yīng)能滿足保證條件和保證值,應(yīng)設(shè)定保證安全的警戒值,應(yīng)建立有效的技術(shù)服務(wù)支持和預(yù)警機制。移交用戶后,操作和管理人員應(yīng)按規(guī)定的條件運行和監(jiān)測,在運行參量偏離規(guī)定值時應(yīng)按照規(guī)定的程序處置,操作和管理人員應(yīng)嚴格遵守安全規(guī)程。以上任何一點做不到,都可能導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生安全運行問題。
4.2 物(設(shè)備) 因素
反滲透裝置是承受較高工作壓力的設(shè)備,如果泵體、管道、閥門和裝置本身的任何部件耐壓不夠,任何金屬部件受到腐蝕損壞,任何非金屬材料發(fā)生老化變質(zhì),都有可能引起斷裂、跑冒滲漏,以致系統(tǒng)不能安全可靠運行,另外檢測儀表失靈,加藥系統(tǒng)不可靠,電氣設(shè)備性能衰減或絕緣破損,控制系統(tǒng)發(fā)生故障等同樣導(dǎo)致系統(tǒng)不能安全可靠運行。
4.3 系統(tǒng)環(huán)境的因素
反滲透系統(tǒng)的工作環(huán)境也存在影響系統(tǒng)安全運行的因素,原水可能引起的污染和水質(zhì)的二次污染,電磁輻射可能引起對控制系統(tǒng)的干擾,噪聲可能對人身心損壞引起疲勞、分神、精力不集中和違規(guī)(習(xí)慣性地和不熟悉設(shè)備) 操作,化學(xué)藥劑可能引起的意外傷害,以及可能的觸電和電弧等等。
5
RO技術(shù)因具有特殊的優(yōu)越性而得到日益廣泛的應(yīng)用。為了保證反滲透膜組件良好的設(shè)計性能和長時間的安全經(jīng)濟運行，特別是為了保證膜的使用壽命,必須對原水進行合適的預(yù)處理，以確保反滲透組件給水質(zhì)量合格；為了保證反滲透膜安全運行，高壓泵一般選用不銹鋼的高揚程多級離心泵，泵的進口與出口必須分別設(shè)置低水壓與高水壓保護；選擇膜材料時應(yīng)考慮透水量、脫鹽率、pH值適用范圍、耐氯性、機械強度、耐熱溫度等因素；而清洗劑的選擇,是裝置持續(xù)穩(wěn)定運行必不可少的工藝，應(yīng)根據(jù)垢的種類和膜的材料來選擇清洗劑。在日常工作中,只要做好管理，嚴格操作，及時發(fā)現(xiàn)運行參數(shù)的變化并及時調(diào)整設(shè)備運行工況,就可避免系統(tǒng)出現(xiàn)嚴重的問題,從而保證反滲透系統(tǒng)長期、安全、穩(wěn)定運行。
由于RO技術(shù)優(yōu)良的分離性能,它的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒃絹碓綇V泛。今后反滲透的主要發(fā)展方向:1、開發(fā)抗氧化性、抗酸堿性以及高透水性的新型膜材料。2、開發(fā)具有低能耗、抗污染、耐高溫、高壓和特種分離等性能的反滲透膜組件。3、反滲透膜組件與與超濾、微濾、納濾、EDI等膜組件的組合應(yīng)用。4、新型氣體膜分離材料的研制。
