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最全面的反滲透/納濾運行無機結垢控制措施總結

Author: vch11602707
Published on: 2021-12-27 15:10
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Category: Product Knowledge
當難溶鹽類在膜元件內不斷被濃縮且超過其溶解度極限時，它們就會在反滲透或納濾膜膜面上發(fā)生結垢，回收率越高，產生結垢的風險性就越大。
 
目前出于水源短缺或對環(huán)境影響的考慮，設置反滲透濃水回收系統(tǒng)以提高回收率成為一種習慣做法，在這種情況下，采取精心設計、考慮周全的結垢控制措施和防止微溶性鹽類超過其溶解度而引發(fā)沉淀與結垢尤為重要。
 
 
RO/NF 系統(tǒng)中，常見的難溶鹽為CaSO4、CaCO3和SiO2，其它可能會產生結垢的化合物為CaF2、BaSO4、SrSO4和Ca3(PO4)2，下表列舉了難溶無機鹽的溶度積數據。
 

為了防止膜面上發(fā)生無機鹽結垢，可采用如下措施：
 
（1）加酸
 
大多數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，通過加入酸中的H+，化學平衡可以向左側轉移，使碳酸鈣維持溶解狀態(tài)，所用酸的品質必須是食品級。
在大多數地區(qū)，硫酸比鹽酸更易于使用，但是另一方面，進水中硫酸根的含量增加了，就硫酸鹽垢而言，問題會嚴重。
CaCO3在濃水中更具有溶解的傾向，而不是沉淀，對于苦咸水而言，可根據朗格利爾指數(LSI)，對于海水可根據斯蒂夫和大衛(wèi)飽和指數(S&DSI)，表示這種趨于溶解的傾向。
在飽和pHs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 - pHs （TDS≤10000mg/L）
S&DSI = pH - pHs （TDS>10000mg/L）
 
僅采用加酸控制碳酸鈣結垢時，要求濃水中的LSI或S&DSI指數必須為負數，加酸僅對控制碳酸鹽垢有效。
 
（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，通常有三類阻垢劑：六偏磷酸鈉(SHMP)、有機磷酸鹽和多聚丙烯酸鹽。
 
 
由于SHMP 在計量箱中容易發(fā)生水解，一旦水解，不僅會降低阻垢效率，同時也有產生磷酸鈣沉淀的危險。
 
因此，目前極少使用SHMP，有機磷酸鹽效果更好也更穩(wěn)定，適應于防止不溶性的鋁和鐵的結垢，高分子量的多聚丙烯酸鹽通過分散作用可以減少SiO2結垢的形成。
 
但是聚合有機阻垢劑遇到陽離子聚電解質或多價陽離子時，可能會發(fā)生沉淀反應，例如鋁或鐵，所產生的膠狀反應物，非常難以從膜面上除去。
 
對于阻垢劑的加入量，需要咨詢阻垢劑供應商。必須避免過量加入，因為過量的阻垢劑對膜而言也是污染物。
陽離子聚電介質可能會與負電性的阻垢劑發(fā)生協(xié)同沉淀反應并污染膜表面，必須保證當添加陰離子阻垢劑時，水中不存在明顯的陽離子聚合物。
 
（4）強酸樹脂軟化
 
可以使用Na+離子置換和除去水中結垢陽離子如Ca2+、Ba2+和Sr2+。
 
交換飽和后的離子交換樹脂用NaCl再生。在這種處理過程中，進水pH不會改變。
 
因此，不需要采取脫氣操作，但原水中的溶解氣體CO2 能透過膜進入產品側，引起電導率的增加。
 
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轉化成重碳酸根，重碳酸根能被膜所脫除，使反滲透產水電導率降低。
 
 
強酸樹脂對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。
如果及時進行再生的話，采用強酸陽離子交換樹指進行軟化是非常有效和保險的阻垢方法，但主要用于中小型苦咸水系統(tǒng)中，而海水淡化中不會使用軟化法。
 
這一過程的主要缺點是相當高的NaCl消耗，存在環(huán)境問題，也不經濟。
 
（5）弱酸樹脂軟化
 
采用弱酸陽離子交換樹脂脫堿度主要是大型苦咸水處理系統(tǒng)，它能夠實現部分軟化以達到節(jié)約再生劑的目的。
 
在這一過程中，僅僅與重碳酸根相同量的暫時硬度中的Ca2+、Ba2+和Sr2+等為H+所取代而被除去，這樣原水的pH 值會降低到4-5。
 
由于樹脂的酸性基團為羧基，當pH 達到4.2時，羧基不再解離，離子交換過程也就停止了。因此，僅能實現部分軟化，即與重碳酸根相結合的結垢陽離子可以被除去。
 
因此這一過程對于重碳酸根含量高的水源較為理想，重碳酸根也可轉化為CO2。
 
在大多數情況下，并不希望產水中出現CO2，這時可以對原水或產水進行脫氣來實現，但當存在生物污染嫌疑時（地表水，高TOC 或高菌落總數），對產水脫氣更為合適。
 

在膜系統(tǒng)中高CO2濃度可以抑制細菌的生長，當希望系統(tǒng)運行在較高的脫鹽率時，采用原水脫氣較合適，脫除CO2將會引起pH的增高，進水pH>6 時，膜系統(tǒng)的脫除率比進水pH<5 時要高。
 
采用弱酸脫堿度的優(yōu)點如下：
 

  • 再生所需要的酸量不大于105%的理論耗酸量，這樣會降低操作費用和對環(huán)境的影響；

     

  • 通過脫除重碳酸根，水中的TDS減低，這樣產水TDS 也較低；

 
本法的缺點是：水中會有殘余硬度，如果需要完全軟化，可以增設強酸陽樹脂的鈉交換過程。
 
（6）石灰軟化
 
通過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加入碳酸鈉（純堿）得到進一步地降低。
 
CaCl2+ Na2CO3 → 2NaCl + CaCO3
 
石灰－純堿處理也可以降低二氧化硅的濃度，當加入鋁酸鈉和三氯化鐵時，將會形成CaCO3 以及硅酸、氧化鋁和鐵的復合物。
 
通過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、鍶和有機物，但是石灰軟化處理需要使用反應器，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方式的固體接觸澄清器。
 
本過程的出水還需設置多介質過濾器，并在進入RO/NF之前應調節(jié)pH值，使用含鐵絮凝劑，不論是否同時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）預防性清洗
 
在某些場合下，可以通過對膜進行預防性清洗來控制結垢問題，此時系統(tǒng)可不需要進行軟化或加化學品阻垢。
 
通常這類系統(tǒng)的運行回收率很低，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)。
 
其最簡單的清洗方式是打開濃水閥門作低壓沖洗，設置清洗間隔短的模式要比長的模式有效，例如常用每運行30分鐘低壓沖洗30秒。
 
也可以采用類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、清洗化學品和清洗頻率等需要作個案處理和優(yōu)化。
 
特別要注意采取措施不讓結垢層隨運行時間的延長進一步的加劇。
 
（8）調整操作參數
 
當其它結垢控制措施不起作用時，必須調整系統(tǒng)的運行參數，以防止產生結垢問題，因為保證濃水中難溶鹽濃度低于溶度積，就不會出現沉淀，這需要通過降低系統(tǒng)回收率來降低濃水中的濃度。
 
溶解度還取決于溫度和pH值，水中含硅時，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節(jié)這些運行參數以防止結垢的原因，因為這些參數的調節(jié)存在一些缺點，如能耗高或其它結垢的風險（如高pH下易發(fā)生CaCO3沉淀）。
 
對于小型系統(tǒng)，選擇低回收率并結合預防性清洗操作模式是控制結垢最簡便的手段之一。
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