反滲透技術是目前應用較為廣泛的一類水處理技術。在對反滲透分離原理討論的基礎上,對反滲透技術的現狀和研究進行了總結,并以鍋爐供水系統為例進行系統的討論。并提出反滲透系統安全運行影響因素以及反滲透技術新的發展方向。
反滲透技術在美國、日本的研究應用較早,我國的研究始于1966年,近年來已得到廣泛應用。反滲透技術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、醫藥衛生、飲料凈化、超純水制備等方面,產生了很高的經濟效益。
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的滲透壓,此現象稱為滲透。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滲透,此現象稱為反滲透。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
側鏈結構:第三級>異位>第二級>第一級
(3)對分子量>300的電解質、非電解質都可有效的除去,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、不產生二次污染等特點而得到了廣泛的應用。然而反滲透經長期運行,在膜上濃水側會積累膠體、金屬氧化物、細菌、有機物、水垢等物質,造成膜污染,引起系統脫鹽率下降,出水量降低,壓差增大等問題。因此,當反滲透性能下降到一定程度時,就應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系統是否需要清洗可根據產水量、脫鹽率、壓差變化來判斷。
3 反滲透技術應用實踐
20世紀末,反滲透水處理的市場份額以每年18%的速度增長,它與許多高科技產品一樣,技術含量高,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部門,廣泛應用于電力、化工、石油、飲料、制藥、電子、冶金等行業。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,化學制造業所接觸的水,食品和飲料的生產,工業污水的凈化等。不同行業所處理的水質情況不同。在反滲透的使用中,必須重視反滲透裝置的長期安全經濟運行,其經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,當系統設計合理的情況下,并排除設備機械損壞(如O形環的損壞)等因素,由于水質千差萬別,若運行控制不當,必然會導致膜的污染,嚴重的會導致整個反滲透裝置的報廢,會造成巨大的經濟損失。應對不同水質的實際情況設計出合理的反滲透系統,掌握正確的反滲透操作方法和運行技術,以保證反滲透設備的安全經濟運行。下面以一套用于鍋爐補給水的反滲透系統的應用情況討論。
1、系統概述
本系統的產水用于鍋爐補給水。采用軟水系統的出水(軟水)作為反滲透水處理系統的水源。系統工藝流程如圖1所示。
2 系統設計及應用實踐
自然界的天然水的水質千差萬別,不同的水源水質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。合理的水處理系統是保證設備安全經濟運行的前提和基礎,根據以上原則首先對水源(軟水)水質進行了分析。根據所分析水質特點的結果,采取了上述的水處理工藝。
2.1 加酸系統
雖然在本系統選用的進口阻垢劑阻垢效果非常好,但原水經過石灰軟化后,PH值將達到9－10,反滲透裝置濃水側仍存在結垢傾向,所以本系統配置一套加酸系統調節反滲透進水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,以利于保證反滲透系統出力的穩定。反滲透系統的出力受進水水溫的變化影響較大,在進水壓力穩定的條件下,水溫每變化1e,其產水量大致增減2.7%。為了避免因水溫較低而造成反滲透系統產水水量的下降的情況出現,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節單元完成,水溫控制在25e左右。
2.3 氧化劑(NaClO次氯酸鈉)加藥裝置
對于反滲透系統而言,需要配置嚴格的預處理工藝。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,以便其在多介質過濾器中被有效地去除。由于系統進水受有機物污染,本系統投加了氧化劑,以破壞和降解有機物。水中還有其它雜質,如懸浮物和膠體等雜質,這些雜質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,使其凝固成大顆粒的礬花,然后通過介質過濾器將其除去。為了增加水中水中雜質顆粒到達凝聚劑Alx(OH)3x-yy基因表面而被吸附的機會,應適當地進行攪動混合,因此本系統PAC的加入點選擇在多介質過濾器的進水母管上,且隨后裝設靜態管道混合器。
2.5 多介質過濾器
多介質過濾器是反滲透系統的重要預處理裝置,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,以及經一級加藥后形成的礬花,從而保證其出水SDI(污染指數)。
2.6 活性碳過濾器
此設備的主要作用是有效去除水中殘余的游離氯,本系統根據需要前面設計了加氯系統,經加氯后,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。活性炭有很好的除氯效果。
2.7 反沖洗動力裝置
本設備在系統中的作用是為多介質過濾器提供充足的壓縮氣體,用于多介質過濾器反沖洗時的氣體擦洗。在多介質過濾器運行過程中,其濾料表面會粘附大量的雜質,甚至造成濾料結成泥球。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或泥球剝落或打散,然后由水流帶出,從而提高多介質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過預處理后的原水進入反滲透系統之前,加入高效率的專用阻垢劑,以防止反滲透濃水側產生結垢。反滲透的工作過程是原水在膜的一側從一端流向另一端,水分子透過膜表面,從原水側到達另一側,而無機鹽離子就留在原來的一側。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等傾向于產生結垢的離子濃度積一般都小于其平衡常數,所以不會有結垢出現，但經濃縮后,各種離子的濃度積都可能大大超過平衡常數,因此會產生嚴重的結垢現象。判斷水結垢的標準:一是對于碳酸鹽垢以朗格利爾(LSI)為基準;當LSI<0時不結垢,LSI>0時結垢;二是對于硫酸鹽垢,是以飽和指數來確定的,水中陽、陰離子的濃度積與飽和平衡常數的比值即為飽和指數。當飽和指數小于1時不結垢,反之就會出現結垢。
2.9 反滲透本體系統
本系統的主要作用是把經預處理的水進行膜分離脫鹽。它包括下列單元設備:
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。這種顆粒經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,當過濾器進出口壓差大于設定的值(通常為0.07－0.1MPa)時,應當更換。保安過濾器采用耐腐蝕的304不銹鋼材質外殼。濾棒是由聚丙烯噴熔制成,其特點:
1)孔形呈錐形結構;
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,才能保證達到設計的產水量。
2.9.3 反滲透本體裝置
反滲透裝置是本系統中最主要的脫鹽裝置,反滲透系統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。經過預處理后合格的原水進入置于壓力容器內的膜組件,水分子和極少量的小分子量有機物通過膜層,經收集管道集中后,通往產水管再注入反滲透水箱。反之不能通過的就經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。系統的進水、產水和濃水管道上都裝有一系列的控制閥門,監控儀表及程控操作系統,它們將保證設備能長期保質、保量的系統化運行。本裝置反滲透膜組件均采用世界上最先進的復合反滲透膜,單根膜脫鹽率達99.6%。經過反滲透膜專用計算軟件分析,當設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,成3×2×1排列。
2.10 反滲透清洗和沖洗系統
清洗的作用是根據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,以恢復膜的原有特性。無論預處理如何徹底,反滲透經過長期使用后,反滲透膜表面仍會受到結垢的污染。所以本系統設置一套反滲透清洗系統,當膜組件受到污染后,可進行化學清洗。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水置換反滲透膜中停機后滯留的濃水,防止濃水側亞穩態的結垢物質出現結垢,以保護反滲透膜。本系統中沖洗水泵與清洗水泵公用。
2.11 加氨系統
經RO系統處理后的水,雖然已達到出水水質指標,但是鍋爐補水的PH值要求為8.5－9.2,所以在產品水泵出口處還需要設置加氨系統,以調節鍋爐補給水的PH值至規定的范圍內。
3 反滲透維護運行中應注意的幾個問題
3.1 嚴格控制反滲透進水污染指數
污染指數(淤泥密度指數SDI)是反滲透進水重要的控制指標,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的物質含量的一個參
數。一般要求反滲透進水SDI低于4,最大值不超過5。為此,在實際生產中,嚴格控制反滲透前的預處理過程,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。在平時的設備運行中,保證了SDI在3以下運行。
3.2 規范系統的操作管理
正確的系統操作和維護管理是保證RO系統長期高性能穩定運行的關鍵,它包括系統的首次投運和日常開停機操作,膜元件污堵、結垢、堵塞、氧化降解以及水力沖擊破壞等的預防。為此,在系統投運前,對員工進行嚴格的培訓,使每位員工都能按操作規程熟練規范的進行操作。在設備運行過程中,認真監測反滲透系統的各個運行參數,并做好記錄,發現問題立即進行分析解決。當設備停運行時,做好反滲透的低壓沖洗等反滲透的保養工作。
4 影響反滲透系統安全運行的因素
4.1 人的因素
設計者應依據水質特點選出膜元件,設備系統的設計應當正確,設備的安全應符合設計要求,經過預處理的水質應能滿足反滲透裝置的要求。反滲透裝置調試人員應能滿足保證條件和保證值,應設定保證安全的警戒值,應建立有效的技術服務支持和預警機制。移交用戶后,操作和管理人員應按規定的條件運行和監測,在運行參量偏離規定值時應按照規定的程序處置,操作和管理人員應嚴格遵守安全規程。以上任何一點做不到,都可能導致系統發生安全運行問題。
4.2 物(設備) 因素
反滲透裝置是承受較高工作壓力的設備,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,任何非金屬材料發生老化變質,都有可能引起斷裂、跑冒滲漏,以致系統不能安全可靠運行,另外檢測儀表失靈,加藥系統不可靠,電氣設備性能衰減或絕緣破損,控制系統發生故障等同樣導致系統不能安全可靠運行。
4.3 系統環境的因素
反滲透系統的工作環境也存在影響系統安全運行的因素,原水可能引起的污染和水質的二次污染,電磁輻射可能引起對控制系統的干擾,噪聲可能對人身心損壞引起疲勞、分神、精力不集中和違規(習慣性地和不熟悉設備) 操作,化學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技術因具有特殊的優越性而得到日益廣泛的應用。為了保證反滲透膜組件良好的設計性能和長時間的安全經濟運行，特別是為了保證膜的使用壽命,必須對原水進行合適的預處理，以確保反滲透組件給水質量合格；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置低水壓與高水壓保護；選擇膜材料時應考慮透水量、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,是裝置持續穩定運行必不可少的工藝，應根據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，及時發現運行參數的變化并及時調整設備運行工況,就可避免系統出現嚴重的問題,從而保證反滲透系統長期、安全、穩定運行。
由于RO技術優良的分離性能,它的應用領域將越來越廣泛。今后反滲透的主要發展方向:1、開發抗氧化性、抗酸堿性以及高透水性的新型膜材料。2、開發具有低能耗、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等膜組件的組合應用。4、新型氣體膜分離材料的研制。
