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苏州市嘉洲净化设备有限公司
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        反渗透(RO)是一种十分有效的膜分离单元操作,是依靠反渗透膜在压力下使溶液中的溶剂与溶质进行分离的过程。反渗透技术能使离子交换树脂的负荷减轻90%以上,树脂的再生剂用量也可减少90%,除了除盐,还可除去水中的微粒、有机物质、胶体物质,对减轻离子交换树脂的污染,延长使用寿命都有着良好的作用。
  但是长期以来,对于水中含有的游离CO2的去除,反渗透技术似乎无能为力,因为传统的反渗透技术中必须控制进水中LSI(即朗格利尔饱和指数)值,以防止反渗透膜结垢。而LSI值控制的一个重要参数是进水PH值,如果PH值为酸性,则不容易结垢,如果PH为碱性,则结垢倾向十分明显。所以传统的工艺中在反渗透系统前添加HCl溶液,能很好地防止CaCO3、MgCO3等沉淀物结垢;而很少在反渗透系统前添加NaOH溶液。
  2去除CO2的常用方法及反应机理
  2.1脱CO2塔
  目前使用最广泛的是二氧化碳脱气塔,由于水中含有大量的碳酸氢盐碱度,经过H型离子交换器(即阳离子交换床)处理后,树脂上所带的H 被置换到水中而成为碳酸,所以脱CO2塔一般放在阳离子交换床的后面,阴离子交换床的前面。当水的PH值小于4.3时,水中碳酸几乎完全以二氧化碳的形式存在,如下式的变化:
  H HCO3-=H2CO3=CO2 H2O
  当H 增加,即PH越低时,上述反应就向右进行,此时,用一个装置水从上喷淋而下,空气从下鼓风而上,使空气流与水滴充分接触,由于空气中的二氧化碳量很小,分压很低,只占大气压力的0.03%,根据亨利定律,经过H型离子交换器处理的水,由于二氧化碳分压高,逸入分压低的空气流中而被带走,从而除去了水中的二氧化碳,也即除去了水中大量的阴离子HCO3-,这样可以大大减轻阴床的负担,提高阴床的周期制水量,减少再生剂的消耗。
  但是,二氧化碳脱气塔由于吸入的是生产环境中的空气,难免会带入空气中的杂质,通过与水源接触从而污染水源,引起阴床周期制水率的下降。
  2.2真空脱气塔
  真空脱气塔也是一种去除CO2的方法,此外还能去除水中的O2等物质,去除效率比脱CO2塔高的多。它的工作原理是用一个装置将水从上喷淋而下,经过滤料分散后,水中的CO2及O2逸出,而真空泵在塔的中部抽真空,CO2及O2被真空泵吸走,脱气后的纯水流至塔底,经混床供给泵增压后进入后处理混床。如果真空脱气塔进水呈弱酸性,水中的碳酸盐也能被大量去除,因为当水的PH值小于4.3时,水中碳酸几乎完全以二氧化碳的形式存在,由于未脱气的反渗透产水一般为弱酸性,所以真空脱气塔一般放在反渗透的后级。
  真空脱气塔结构比较复杂,大的单元有脱气塔、真空泵等,为了保证进水分散均匀,滤料层高度需设置得很高,导致脱气塔高度达十几米,设备占用空间庞大,另外,由于脱气塔液位控制很严格,液位过高,容易使脱气效率下降,过低,容易导致水泵吸空,引起生产事故,所以使用的液位计必须十分灵敏。虽然真空脱气塔不会带入外界新的杂质,但是由于设备结构复杂,占地空间大,运行费用高,所以在实际生产应用方面受到一定限制。
  除了上述常用的两种脱气方法外,还有膜脱气等方法,但是由于投资成本太高,一般只用于出水水质要求很高的超纯水系统中。
  3RO前加碱除CO2的方法和反应机理
  3.1反应机理
  反渗透是高效的除盐工艺,所以只要把水中的二氧化碳转化成碳酸氢盐就可利用反渗透去除二氧化碳,由于H HCO3-=H2CO3=CO2 H2O这个化学反应是可逆的,当OH-增加时,该反应就向左进行,当水的OH值大于8.2时,水中的CO2将全部转化为HCO3-,这样HCO3-通过反渗透系统全部去除,间接实现了去除CO2的目的。
  但是,在加碱的同时,反渗透膜的结垢趋势将十分明显,因为LSI值远远高于允许的范围。实践证明:当反渗透系统前加碱而不采取其他的措施时,RO浓水结晶析出十分迅速,一般1~2个小时就可以在浓水侧发现白色的结晶。
  其反应式为:Ca2 2OH- CO2=CaCO3 H2O
  Mg2 2OH- CO2=MgCO3 H2O
  所以,有必要在RO前添加阻垢剂避免结垢。
  随着科学技术的发展,目前反渗透阻垢剂品种繁多,阻垢效率越来越高,如杭州英普水处理技术公司的产品MDC220,能做到浓水侧LSI值达3.0的水平。我们车间使用了这种阻垢剂,即在RO前加碱的同时添加阻垢剂,实际运行下来反渗透可以确保三个月以上清洗一次,加碱结垢这个问题得到了很好的解决。
  3.2在实际运用中的遇到的问题及整治
  3.2.1原水水质
  原水水质不同对反渗透清洗周期的影响较大。我们公司原水采用的是工业自来水,由于该自来水是经过处理后的富营养化的太湖水,所以水中的有机物含量较高,且受季节变化影响也比较大,电导率也比较高(600μs/cm以上),使用下来发现,RO系统运行一段时间后,进口操作压力就明显上升,而段间的压差不变,经过适当的清洗可恢复至正常状态,但经过一段时间后又重复出现。通过对RO系统加碱和阻垢剂的分析研究,我们怀疑与原水水质中有机物含量变化有关,后来通过更换另一种阻垢剂后,问题得到了解决。
  如果原水使用的是硬度较高的深井水,由于在RO系统前添加碱液,虽然添加了阻垢剂缓解了系统结垢的时间,但是RO膜结垢的趋势仍然比采用自来水作为原水来得要迅速。实践证明:一般1个月左右就需要对二段膜进行化学药洗。
  3.2.2控制方式
  由于在反渗透系统前添加了NaOH溶液,使LSI值远远高于允许的范围,很容易导致二段反渗透膜结垢。如果阻垢剂未能及时地添加,比如加药泵故障或断电;或者添加量不够,比如加药泵冲程选得太小,也容易发生生产事故。这就对控制方式提出了更为严格的要求。建议一旦阻垢剂加药泵发生故障时应及时关闭碱液加药泵,以防止RO浓水迅速结晶析出,因为短时间内水中的CO2不会对整个纯水系统产生大的影响,长时间也只是影响混床的定收量,所以当加药泵发生故障时可以停泵修理,不会影响生产运行;在控制方式上我们可以使阻垢剂泵和碱泵连动,一旦其中一台停止,另一台也随即停止运行,或者当加药泵故障时发出报警信号,使故障能在最短的时间里得到解决,此外,加强生产现场的巡检也是必不可少的,比如看到反渗透二段淡水产量下降明显,应立即检查阻垢剂的加药情况,并及时对反渗透进行药洗。定期的巡检对于减少设备故障的发生,避免生产事故是十分有益的。
  3.2.3RO运行方式
  最好的防止RO二段结垢的方式是采用二级RO运行方式,并在二级反渗透系统前添加NaOH溶液,因为二级反渗透进水是一级反渗透的产水,含盐量极低,即使添加了碱液,对二级反渗透的脱盐能力的影响也是微乎其微,所以二级反渗透一般不会结垢,无需添加阻垢剂。但是这种运行方式的缺点是一次性投资较高,但对于整个纯水系统来说是最为理想的运行方式,既能提高后处理混床的定收量(二级RO产水电导率≤1μs/cm),又能提高整个纯水系统的运行效率(故障率低)。
  4结论
  反渗透系统前添加了NaOH溶液去除水中CO2的方法,和传统的脱气塔、脱气膜比较起来,一次性投资费用和运行费用低,无需增加额外的大型设备,并且充分利用了RO系统的脱盐能力,此外,由于添加了碱液,对于去除水中的有机物也十分有利。但是在控制方式上必须严格要求,这一点对于反渗透不是采用二级方式,而是一级方式时尤其重要。
  【反渗透膜的污染及清洗方案】
  一、反渗透膜元件的污染物:
  在正常运行一段时间后,反渗透膜元件会受到在给水中可能存在的悬浮物质或难溶物质的污染,这些污染物中最常见的为碳酸钙垢、硫酸钙垢、金属氧化物垢、硅沉积物及有机或生物沉积物。
  污染物的性质及污染速度与给水条件有关,污染是慢慢发展的,如果不早期采取措施,污染将会在相对短的时间内损坏膜元件的性能。
  定期检测系统整体性能是确认膜元件发生污染的一个好方法,不同的污染物会对膜元件性能造成不同程度的损害。
  二、反渗透膜元件的污染物的去除
  污染物的去除可通过化学清洗和物理冲洗来实现,有时亦可通过改变运行条件来实现,作为一般的原则,当下列情形之一发生时应进行清洗。
  1、在正常压力下如产品水流量降至正常值的10~15%。
  2、为了维持正常的产品水流量,经温度校正后的给水压力增加了10~15%。
  3、产品水质降低10~15%。盐透过率增加10~15%。
  4、使用压力增加10~15%
  5、RO各段间的压差增加明显(也许没有仪表来监测这一迹象)。
  三、反渗透膜元件的常见污染物及其去除方法:
  1、碳酸钙垢
  在阻垢剂添加系统出现故障时或加酸系统出现而导致给水PH升高,那么碳酸钙就有可能沉积,出来,应尽早发现碳酸钙垢沉淀的发生,以防止生长的晶体对膜表面产生损伤,如早期发现碳酸钙垢,可以用降低给水PH至3.0~5.0之间运行1~2小时的方法去除。对沉淀时间更长的碳酸钙垢,则应采用柠檬酸清洗液进行循环清洗或通宵浸泡。
  注:应确保任何清洗液的PH不要低于2.0,盃则可能会RO膜元件造成损害,特别是在温度较高时更应注意,最高的PH不应高于11.0。查使用氨水来提高PH,使用硫酸或盐酸来降低PH值。
  2、硫酸钙垢
  清洗液是将硫酸钙垢从反渗透膜表面去除掉的最佳方法。
  3、金属氧化物垢
  可以使用上面所述的去除碳酸钙垢的方法,很容易地去除沉积下来的氢氧化物(例如氢氧化铁)。
  4、硅垢
  对于不是与金属化物或有机物共生的硅垢,一般只有通过专业水处理的清洗方法才能将他们去除,有关的详细方法请与水处理专业公司联系。
  5、有机沉积物
  有机沉积物(例如微生物粘泥或霉斑)可以使用清洗液3去除,为了防止再繁殖,可使用经认可的杀菌溶液在系统中循环、浸泡,一般需较长时间浸泡才能有效,如反渗透装置停用三天时,最好采用消毒处理,请与水处理专业公司会商以确定适宜的杀菌剂。
  6、清洗液
  清洗反渗透膜元件时建议采用水处理专用的清洗液。确定清洗前对污染物进行化学分析十分重要的,对分析结果的详细分析比较,可保证选择最佳的清洗剂及清洗方法,应记录每次清洗时清洗方法及获得的清洗效果,为在特定给水条件下,找出最佳的清洗方法提供依据。
  对于无机污染物、硫酸钙及有机物、以及严重有机物污染所使用的清洗液,所有清洗可以在最高温度为华氏104度(摄氏40℃)下清洗60分钟,所需用品量以每100加仑(379升)中加入量计,配制清洗液时按比例加入药品及清洗用水,应采用不含游离氯的反渗透产品水来配制溶液并混合均匀。
  反渗透膜的化学清洗与水冲洗
  清洗时将清洗溶液以低压大流量在膜的高压侧循环,此时膜元件仍装压力容器内而且需要用专门的清洗装置来完成该工作。