最全面的反滲透/納濾運(yùn)行無(wú)機(jī)結(jié)垢控制措施總結(jié)

作者： vch11602707

發(fā)布于： 2021-12-27 15:10

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分類(lèi)：產(chǎn)品知識(shí)

當(dāng)難溶鹽類(lèi)在膜元件內(nèi)不斷被濃縮且超過(guò)其溶解度極限時(shí)，它們就會(huì)在反滲透或納濾膜膜面上發(fā)生結(jié)垢，回收率越高，產(chǎn)生結(jié)垢的風(fēng)險(xiǎn)性就越大。

目前出于水源短缺或?qū)Νh(huán)境影響的考慮，設(shè)置反滲透濃水回收系統(tǒng)以提高回收率成為一種習(xí)慣做法，在這種情況下，采取精心設(shè)計(jì)、考慮周全的結(jié)垢控制措施和防止微溶性鹽類(lèi)超過(guò)其溶解度而引發(fā)沉淀與結(jié)垢尤為重要。

RO/NF 系統(tǒng)中，常見(jiàn)的難溶鹽為CaSO₄、CaCO₃和SiO₂，其它可能會(huì)產(chǎn)生結(jié)垢的化合物為CaF₂、BaSO₄、SrSO₄和Ca₃(PO₄)₂，下表列舉了難溶無(wú)機(jī)鹽的溶度積數(shù)據(jù)。

為了防止膜面上發(fā)生無(wú)機(jī)鹽結(jié)垢，可采用如下措施：

（1）加酸

大多數(shù)地表水和地下水中的CaCO₃幾乎呈飽和狀態(tài)，由下式可知CaCO₃的溶解度取決于pH值：

Ca²⁺ + HCO₃^–« H⁺ + CaCO₃

因此，通過(guò)加入酸中的H+，化學(xué)平衡可以向左側(cè)轉(zhuǎn)移，使碳酸鈣維持溶解狀態(tài)，所用酸的品質(zhì)必須是食品級(jí)。

在大多數(shù)地區(qū)，硫酸比鹽酸更易于使用，但是另一方面，進(jìn)水中硫酸根的含量增加了，就硫酸鹽垢而言，問(wèn)題會(huì)嚴(yán)重。

CaCO₃在濃水中更具有溶解的傾向，而不是沉淀，對(duì)于苦咸水而言，可根據(jù)朗格利爾指數(shù)(LSI)，對(duì)于海水可根據(jù)斯蒂夫和大衛(wèi)飽和指數(shù)(S&DSI)，表示這種趨于溶解的傾向。

在飽和pH_s的條件下，水中CaCO3處于溶解與沉淀之間的平衡狀態(tài)。LSI和S&DSI的定為：

LSI = pH - pH_s （TDS≤10000mg/L）

S&DSI = pH - pH_s （TDS>10000mg/L）

僅采用加酸控制碳酸鈣結(jié)垢時(shí)，要求濃水中的LSI或S&DSI指數(shù)必須為負(fù)數(shù)，加酸僅對(duì)控制碳酸鹽垢有效。

（2）加阻垢劑

阻垢劑可以用于控制碳酸鹽垢、硫酸鹽垢以及氟化鈣垢，通常有三類(lèi)阻垢劑：六偏磷酸鈉(SHMP)、有機(jī)磷酸鹽和多聚丙烯酸鹽。

由于SHMP 在計(jì)量箱中容易發(fā)生水解，一旦水解，不僅會(huì)降低阻垢效率，同時(shí)也有產(chǎn)生磷酸鈣沉淀的危險(xiǎn)。

因此，目前極少使用SHMP，有機(jī)磷酸鹽效果更好也更穩(wěn)定，適應(yīng)于防止不溶性的鋁和鐵的結(jié)垢，高分子量的多聚丙烯酸鹽通過(guò)分散作用可以減少SiO₂結(jié)垢的形成。

但是聚合有機(jī)阻垢劑遇到陽(yáng)離子聚電解質(zhì)或多價(jià)陽(yáng)離子時(shí)，可能會(huì)發(fā)生沉淀反應(yīng)，例如鋁或鐵，所產(chǎn)生的膠狀反應(yīng)物，非常難以從膜面上除去。

對(duì)于阻垢劑的加入量，需要咨詢(xún)阻垢劑供應(yīng)商。必須避免過(guò)量加入，因?yàn)檫^(guò)量的阻垢劑對(duì)膜而言也是污染物。

陽(yáng)離子聚電介質(zhì)可能會(huì)與負(fù)電性的阻垢劑發(fā)生協(xié)同沉淀反應(yīng)并污染膜表面，必須保證當(dāng)添加陰離子阻垢劑時(shí)，水中不存在明顯的陽(yáng)離子聚合物。

（4）強(qiáng)酸樹(shù)脂軟化

可以使用Na⁺離子置換和除去水中結(jié)垢陽(yáng)離子如Ca²⁺、Ba²⁺和Sr²⁺。

交換飽和后的離子交換樹(shù)脂用NaCl再生。在這種處理過(guò)程中，進(jìn)水pH不會(huì)改變。

因此，不需要采取脫氣操作，但原水中的溶解氣體CO₂ 能透過(guò)膜進(jìn)入產(chǎn)品側(cè)，引起電導(dǎo)率的增加。

可以在軟化后的水中加入一定量NaOH（直到pH8.2）以便將水中殘留CO₂轉(zhuǎn)化成重碳酸根，重碳酸根能被膜所脫除，使反滲透產(chǎn)水電導(dǎo)率降低。

強(qiáng)酸樹(shù)脂對(duì)Ca²⁺、Ba²⁺和Sr²⁺的脫除效率大于99.5%，可消除各種碳酸鹽或硫酸鹽垢的危險(xiǎn)。

如果及時(shí)進(jìn)行再生的話(huà)，采用強(qiáng)酸陽(yáng)離子交換樹(shù)指進(jìn)行軟化是非常有效和保險(xiǎn)的阻垢方法，但主要用于中小型苦咸水系統(tǒng)中，而海水淡化中不會(huì)使用軟化法。

這一過(guò)程的主要缺點(diǎn)是相當(dāng)高的NaCl消耗，存在環(huán)境問(wèn)題，也不經(jīng)濟(jì)。

（5）弱酸樹(shù)脂軟化

采用弱酸陽(yáng)離子交換樹(shù)脂脫堿度主要是大型苦咸水處理系統(tǒng)，它能夠?qū)崿F(xiàn)部分軟化以達(dá)到節(jié)約再生劑的目的。

在這一過(guò)程中，僅僅與重碳酸根相同量的暫時(shí)硬度中的Ca²⁺、Ba²⁺和Sr²⁺等為H⁺所取代而被除去，這樣原水的pH 值會(huì)降低到4-5。

由于樹(shù)脂的酸性基團(tuán)為羧基，當(dāng)pH 達(dá)到4.2時(shí)，羧基不再解離，離子交換過(guò)程也就停止了。因此，僅能實(shí)現(xiàn)部分軟化，即與重碳酸根相結(jié)合的結(jié)垢陽(yáng)離子可以被除去。

因此這一過(guò)程對(duì)于重碳酸根含量高的水源較為理想，重碳酸根也可轉(zhuǎn)化為CO2。

在大多數(shù)情況下，并不希望產(chǎn)水中出現(xiàn)CO₂，這時(shí)可以對(duì)原水或產(chǎn)水進(jìn)行脫氣來(lái)實(shí)現(xiàn)，但當(dāng)存在生物污染嫌疑時(shí)（地表水，高TOC 或高菌落總數(shù)），對(duì)產(chǎn)水脫氣更為合適。

在膜系統(tǒng)中高CO₂濃度可以抑制細(xì)菌的生長(zhǎng)，當(dāng)希望系統(tǒng)運(yùn)行在較高的脫鹽率時(shí)，采用原水脫氣較合適，脫除CO₂將會(huì)引起pH的增高，進(jìn)水pH>6 時(shí)，膜系統(tǒng)的脫除率比進(jìn)水pH<5 時(shí)要高。

采用弱酸脫堿度的優(yōu)點(diǎn)如下：

再生所需要的酸量不大于105%的理論耗酸量，這樣會(huì)降低操作費(fèi)用和對(duì)環(huán)境的影響；
通過(guò)脫除重碳酸根，水中的TDS減低，這樣產(chǎn)水TDS 也較低；

本法的缺點(diǎn)是：水中會(huì)有殘余硬度，如果需要完全軟化，可以增設(shè)強(qiáng)酸陽(yáng)樹(shù)脂的鈉交換過(guò)程。

（6）石灰軟化

通過(guò)水中加入氫氧化鈣可除去碳酸鹽硬度。

Ca(HCO₃)₂+ Ca(OH)₂ → 2CaCO₃ + 2H₂O

Mg(HCO3)₂+ 2Ca(OH)₂ → Mg(OH)₂ + 2CaCO₃ + 2H₂O

非碳酸鈣度可以能過(guò)加入碳酸鈉（純堿）得到進(jìn)一步地降低。

CaCl₂+ Na₂CO₃ → 2NaCl + CaCO₃

石灰－純堿處理也可以降低二氧化硅的濃度，當(dāng)加入鋁酸鈉和三氯化鐵時(shí)，將會(huì)形成CaCO₃ 以及硅酸、氧化鋁和鐵的復(fù)合物。

通過(guò)加入石灰和多孔氧化鎂的混合物，采用60-70℃熱石灰硅酸脫除工藝，可將硅酸濃度降低到1mg/L以下。

采用石灰軟化，也可以顯著地降低鋇、鍶和有機(jī)物，但是石灰軟化處理需要使用反應(yīng)器，以便形成高濃度作晶核的可沉淀顆粒，通常需要采用上升流動(dòng)方式的固體接觸澄清器。

本過(guò)程的出水還需設(shè)置多介質(zhì)過(guò)濾器，并在進(jìn)入RO/NF之前應(yīng)調(diào)節(jié)pH值，使用含鐵絮凝劑，不論是否同時(shí)使用或不使用高分子助凝劑（陰離子或非離子型），均可提高石灰軟化的固－液分離作用。

（7）預(yù)防性清洗

在某些場(chǎng)合下，可以通過(guò)對(duì)膜進(jìn)行預(yù)防性清洗來(lái)控制結(jié)垢問(wèn)題，此時(shí)系統(tǒng)可不需要進(jìn)行軟化或加化學(xué)品阻垢。

通常這類(lèi)系統(tǒng)的運(yùn)行回收率很低，約25%左右，而且1-2年左右就考慮更換膜元件。

這些系統(tǒng)通常是以自來(lái)水或海水作水源，制造飲用水的單元件不重要的小型系統(tǒng)。

其最簡(jiǎn)單的清洗方式是打開(kāi)濃水閥門(mén)作低壓沖洗，設(shè)置清洗間隔短的模式要比長(zhǎng)的模式有效，例如常用每運(yùn)行30分鐘低壓沖洗30秒。

也可以采用類(lèi)似于廢水處理中的批操作模式，即在每批操作之后清洗一次膜元件。清洗步驟、清洗化學(xué)品和清洗頻率等需要作個(gè)案處理和優(yōu)化。

特別要注意采取措施不讓結(jié)垢層隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)進(jìn)一步的加劇。

（8）調(diào)整操作參數(shù)

當(dāng)其它結(jié)垢控制措施不起作用時(shí)，必須調(diào)整系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，以防止產(chǎn)生結(jié)垢問(wèn)題，因?yàn)楸ＷC濃水中難溶鹽濃度低于溶度積，就不會(huì)出現(xiàn)沉淀，這需要通過(guò)降低系統(tǒng)回收率來(lái)降低濃水中的濃度。

溶解度還取決于溫度和pH值，水中含硅時(shí)，提高溫度和pH可以增加其溶解度，二氧化硅常常是唯一考慮需要調(diào)節(jié)這些運(yùn)行參數(shù)以防止結(jié)垢的原因，因?yàn)檫@些參數(shù)的調(diào)節(jié)存在一些缺點(diǎn)，如能耗高或其它結(jié)垢的風(fēng)險(xiǎn)（如高pH下易發(fā)生CaCO₃沉淀）。

對(duì)于小型系統(tǒng)，選擇低回收率并結(jié)合預(yù)防性清洗操作模式是控制結(jié)垢最簡(jiǎn)便的手段之一。