反渗透

水化学和系统预处理44-1.简介反渗透系统的寿命和使用效果很大程度上依赖于预处理单元的工作效果。预处理可以包括任何能够减少污染、结垢、膜降解及优化产水量、脱盐率、回收率和运行成本的工艺。有的污染是有机和无机胶体微粒积累在膜表面造成的。例如，无机胶体包括絮状铁微粒、硅土、黏土和泥沙，有机胶体大多是有机聚合物和微生物。结垢是难溶盐晶体在RO系统的膜表面沉淀堆积所致。例如，碳酸钙、硫酸钙和硫酸钡沉淀。恰当的预处理工艺应该是根据原水类型、原水成分决定的。通常有三种原水水型，井水，SDI值低（通常2），细菌数低，预处理可相对简单；地表水相反，SDI值高，细菌数高，预处理需要更精心设计，经常需要混凝、澄清和多介质过滤器；海水的预处理也要考虑杀菌和混凝沉淀甚至超滤处理。现在废水回用的项目越来越多，其预处理更为复杂。一旦原水确定下来，需要做精确的原水水质分析，包括细菌数量分析，分析结果决定了混凝剂用量、阻垢剂和杀菌剂的使用。世韩CSM技术27水化学和系统预处理44-2.进水水质分析反渗透系统设计前必须提供完整准确的原水分析报告。水质分析报告包括水质类型和主要成分指标。所需指标包括溶解离子，硅，胶体，有机物(TOC)■典型溶解阴离子碳酸氢根(HCO3-),碳酸根(CO32-),氢氧根(OH-),硫酸根(SO42-),氯离子(Cl-),氟离子(F-),硝酸根离子(NO3-),硫离子(S2-)，磷酸根(PO43-)■典型溶解阳离子钙离子(Ca2+),镁离子(Mg2+),钠离子(Na+),钾离子(K+),铁离子(Fe2+或Fe3+),锰离子(Mn2+),铝离子(Al3+),钡离子(Ba2+),锶离子(Sr2+),铜离子(Cu2+)和锌离子(Zn2+).世韩CSM技术28水化学和系统预处理4某些阴阳离子结合形成难溶盐，当难溶盐浓度达到饱合浓度时会在膜表面结垢。典型的难溶盐和其饱合浓度积值如表1.物质名称分子式温度(℃)溶度积AluminumHydroxideBariumCarbonateBariumSulfateCalciumCarbonateCalciumFluorideCalciumSulfateCupricSulfideFerricHydroxideFerrousHydroxideMagnesiumAmmoniumPhosphateMagnesiumCarbonateMagnesiumHydroxideManganeseHydroxideStrontiμmCarbonateStrontiμmSulfateZincHydroxideAl(OH)3BaCO3BaSO4CaCO3CaF2CaSO4CuSFe(OH)3Fe(OH)2MgNH4PO4MgCO3Mg(OH)2Mn(OH)2SrCO3SrSO4Zn(OH)2201625252610181818251218182517.4201.9×10-337×10-91.08×10-108.7×10-93.95×10-116.1×10-53.5×10-451.1×10-361.64×10-142.5×10-132.6×10-51.2×10-114×10-141.6×10-92.81×10-71.8×10-14表1各种无机难溶盐的溶度积世韩CSM技术29水化学和系统预处理4反渗透系统中经常遇到的难溶盐是CaSO4、CaCO3和硅.其他不常遇到的结垢有CaF2、BaSO4和SrSO4,其他导致问题的离子下面会讲到。硫酸盐在大多数原水中大量存在，它们的浓度有时因人工加硫酸调节PH值而增加。这种情况下，Ba2+和Sr2+离子应该被分析并精确到ppb和ppm级别，因为BaSO4和SrSO4的溶解度比CaSO4低，并且它们结垢后很难再溶解。碱度包括负离子中的碳酸根、碳酸氢根、氢氧根，自然水体中的碱度主要由HCO3-.形成。pH在8.3以下的水中,碳酸氢根和二氧化碳平衡存在。当pH高于8.3时,HCO3-将转变为CO32-存在.如果原水PH达到11.3以上,将存在OH-形式。空气中的二氧化碳会溶解在水中形成H2CO3，酸性水将溶解CaCO3，而CaCO3可能是流经含CaCO3岩时带来的。许多自然水体中由PH决定的CaCO3和Ca(HCO3)2的化学动平衡已接近饱和浓度。Ca(HCO3)2的溶解度大于CaCO3。如果原水在RO系统中被浓缩,CaCO3容易沉淀在系统中。所以投加阻垢剂或加酸调低PH值会经常在RO系统中使用。硝酸盐很容易在水中溶解，所以不会在RO系统中形成沉淀。硝酸盐与健康关系更密切，当哺乳动物包括人在内摄取了硝酸盐后会转变为亚硝酸盐，它会干扰血液中血红素和氧气的结合，会引起很严重后果，尤其对于胎儿和儿童，由于这个原因，饮用水中硝酸盐含量世韩CSM技术30水化学和系统预处理4要求低于40mg/l。反渗透对硝酸盐的典型脱除率是90-96%。铁和锰通常在水中以二价溶解状态存在或以三价非溶解氢氧化物形成存在。Fe2+可能来源自井水本身或来自泵、管路、水箱的腐蚀，尤其上游系统中投加了酸。如果原水中铁、锰浓度大于0.05mg/l并且被空气或氧化剂氧化为Fe(OH)3和Mn(OH)2，当pH值偏高时会在系统中形成沉淀。分析表明铁锰的存在会加速氧化剂对膜的氧化降解，因此在预处理中必须去除铁锰。铝一般不存在于自然水体中。三价铝会象三价铁一样在RO系统中形成难溶的Al(OH)3，当pH在5.3至8.5范围内时候，因为铝高价正电特性，所以Al2(SO4)3和NaAlO2可以用于地表水的预处理去除水中负电性胶体。千万小心铝盐不要过多投加，残留的铝离子对膜有污染。对于肾透析病人，透析液中铝含量不要高于0.01mg/l.也可用FeCl3和Fe2(SO4)3代替铝盐作为混凝剂。铜和锌在自然水体中很少存在。有时水中微量的铜和锌来自管道材料。在pH值5.3至8.5范围内，Cu(OH)2和Zn(OH)2不溶于水，因为它们一般在水中的含量较低，所以只有当系统长时间不清洗，它们积累到一定程度时，才会对膜系统造成污染。可是如果铜锌与氧化剂（比如过氧化氢）同时存在于原水中，那么会造成膜材质的严重降解。世韩CSM技术31水化学和系统预处理4硫化物以H2S气体形式溶于水中，去除硫化氢可以用脱气装置或氯氧化或空气接触变为不溶性硫磺，用多介质过滤去除。磷酸盐具有较强负电性，容易和多价离子形成难溶盐。磷酸钙在PH中性时溶解度很有限，PH值高时溶解度也不高。进水中投加阻垢剂或调低PH（小于7）可以防止磷酸盐沉淀。硅存在大多数自然水体中，浓度从1至100㎎/L。而且PH低于9.0时主要以Si(OH)4存在。当PH低时，硅酸可以聚合形成硅胶体。当PH高于9.0时，它会分离成SiO32-离子而且会和钙、镁、铁或铅形成沉淀。硅和硅酸盐沉淀很难溶解。氟化氢氨溶液清洗硅垢比较有效，可是氟化氢氨溶液排放会造成环境污染。当进水中硅含量超过20㎎/L时，要注意硅结垢的潜在危险。胶体（悬浮物颗粒）分析淤泥密度指数(SDI)也被称为污染指数(FI),是衡量RO进水中胶体（颗粒物）潜在污染性的重要指标。RO进水中的胶体是各种各样的，经常包括细菌、黏土、硅胶体和铁腐蚀产物。预处理中的澄清器中会用一些化学品，例如明矾、三氯化铁或阳离子型聚合剂来去除胶体污染或通过后续介质过滤器去除。世韩CSM技术32水化学和系统预处理4SDI的检测应在设计预处理之前并且RO系统运行后也要检测（地表水源至少每天1次）。该实验是检测一张0.45μm过滤孔径膜片的污染速度。方法如下：放置一张膜片（直径47mm,孔径0.45μm）在夹板上，放一点水浸湿膜片，小心放好○型圈，夹板水平拿好，沿垂直方向分别均匀上紧螺栓。调节压力阀保持2.1bar（30psi）压力下检测，用秒表记录下第1个500ml过滤水所用时间t0（压力必须保持2.1bar）.继续过滤持续15分钟，(如果膜片15分钟内堵塞不产水，就测量SDI10分钟或SDI5分钟的数值。)到15分钟后立刻测量第二个500ml所用时间t1。SDI计算公式;(1-t0/t1)SDI=100×TT值选择5,10，15（根据过滤时间5分钟，10分钟或15分钟）RO的进水SDI值必须小于等于5.0浊度也是影响RO膜污染的一个重要指标。浊度仪工作原理是测量水样中悬浮物对光的散射。水样的浊度大于1.0的原水可能对RO膜有污染，浊度仪测量数值的单位是NTU。象SDI值一样，浊度也是表世韩CSM技术33水化学和系统预处理4征膜污染潜在风险的一个参数。高浊度并不表示悬浮物会沉淀在膜表面。其实某些污染膜的物质如表面活性剂和溶解态聚合物并不能从浊度指标上反映出来。虽然浊度和SDI值并不能完全准确地预测胶体污染，但它们对于描述RO进水的特点是很重要的。例如，如果原水的SDI大于5而且浊度大于1.0，就必须在预处理单元的澄清工艺中加入混凝剂而且后面要使用多介质过滤器。如果原水中SDI小于5，而且浊度小于1，那么预处理可以考虑介质过滤器和保安过滤器而不一定投加混凝剂。预处理混凝剂的投加量也是有控制指标的，过量使用会对膜有污染。Zeta电压通过测量两个电极极间水流的电性来反映水中悬浮物总体电性特点的方法。水中胶体因电性排斥而悬浮水中，自然界中的胶体物质一般表现为负电性，所以含胶体的水的Zeta电位一般是负电性。通过投加混凝剂中和胶体表面电性，比如投加硫酸铝和三氯化铁，直到Zeta电压值为零。胶体颗粒表面电中性后会聚集成较大颗粒，从而很容易被多介质过滤器过滤掉。StreamingCurrentDetector（游动电流测试）SCD用在投放絮凝剂的预处理工艺中，在线监测混凝效果的手段。如果水中存在负电性的悬浮胶体颗粒，它们在SCD电极之间的移动形成世韩CSM技术34水化学和系统预处理4微观电流，如果絮凝剂中和了悬浮物的电荷变为中性，SCD测到的电流会减弱，从而确定混凝效果。原水中还有两个重要指标需要分析。细菌总数和有机物含量。有两种方法测定水中细菌数，一种是培养法，另一种是荧光染色法，后者更常用因为很方便快捷。原水中的有机物一般是油类-表面活性剂、水溶性聚合物和腐质酸。检测指标有总有机炭(TOC)，生物耗氧量（BOD）和化学耗氧量（COD）。要想更精确地分析有机物成份，需要使用液相色谱和气质联用仪器分析。如果原水中的TOC含量大于3mg/l,预处理单元要考虑去除有机物工艺。世韩CSM技术35水化学和系统预处理44-3.结垢预防反渗透膜表面结垢现象发生在浓水中的难溶盐浓度达到饱和值时候。难溶盐结垢概率从大到小，顺序如下：CaCO3CaSO4SilicaSrCO3BaSO4SrSO4CaF2CaSiO3MgSiO3MgSiO3Ca3(PO4)2Fe(OH)2虽然CaSO4的溶解度大于BaSO4和SrSO4，但是自然水体中的Ca2+含量通常远大于Ba2+和Sr2+，这样CaSO4结垢概率大于BaSO4和SrSO4。另一方面要注意,BaSO4和SrSO4沉淀后很难溶解，一定尽量避它们发生结垢现象。大多数的难溶盐沉淀是CaCO3结垢，因为它沉淀快而且自然水体中含量高。CaCO3、SrCO3、BaCO3沉淀可以通过加入酸、阻垢剂、软化器冲洗和降低回收率来防止发生。CaSO4、BaSO4、SrSO4、CaF2沉淀的防止也可以采用阻垢CaCO3的方法，但不包括加酸方法。实际上投加硫酸降低PH值阻止CaCO3结垢，但增加了硫酸盐沉淀的风险。加酸法碳酸钙与酸反应的化学平衡式如下：CaCO3+H+Ca2++HCO3-水中加酸后，H+增加，化学动平衡向右移动，CaCO3更多转变为世韩CSM技术36水化学和系统预处理4Ca(HCO3)2。酸要使用食品级别以上的优质酸。经常采用的酸种类有硫酸和盐酸，有CaSO4、SrSO4、BaSO4结垢可能的水中昀好投加盐酸。为了避免CaCO3结垢，浓水中PH值应低于饱含pH值(pHs)，用朗格利尔指数（LSI）来表示这个关系（海水通常用S&DSI指数）LSI=pH-pHS(TDS10,000㎎/L)pHs=(9.3+A+B)-(C+D)这里;A=(Lo