滲透法在海水淡化方面的應(yīng)用.doc

滲透法在海水淡化方面的應(yīng)用 1、反滲透法1960年美國加利福尼亞大學(xué)的Loeb和Sourirajan研制出第一張可實(shí)用的反滲透膜，標(biāo)志著現(xiàn)代膜科學(xué)技術(shù)的誕生。其工作原理如圖1所示。半透膜的兩個槽內(nèi)，分別為淡水和鹽水，在自然狀態(tài)下，淡水由于滲透壓力逐漸通過半透膜向鹽水移動，鹽水變稀，這就是滲透現(xiàn)象。當(dāng)滲透進(jìn)行到鹽水一側(cè)的液面達(dá)到某一高度而產(chǎn)生一個壓頭，從而抑制淡水進(jìn)一步向鹽水滲透，滲透的自然趨勢被壓頭所抵消達(dá)到平衡，這種平衡壓力叫滲透壓。與滲透現(xiàn)象相反，在鹽水側(cè)加以壓力P，且該壓力大于滲透壓時，鹽水中的水分子克服滲透壓而透過半透膜進(jìn)入水，鹽水濃縮，淡水增加。這就是反滲透現(xiàn)象。為使反滲透裝置正常運(yùn)行，鹽水側(cè)的壓力必須高于滲透壓H，一般情況P在4-7 MPa范圍內(nèi)。 將反滲透排放的高壓濃海水輸送到脈沖渦輪機(jī)或回程離心泵中，由此獲的能量提供給海水高壓泵的電動機(jī)使用，可以使反滲透淡化海水的單位電耗從9千瓦時/立方米降到4千瓦時/立方米。 圖1：反滲透法原理2、海水淡化裝置簡介威海電廠海水淡化系統(tǒng)采用如下流程：原海水、加NaOCl 系統(tǒng)、加PAC、系統(tǒng)、多介質(zhì)過濾器、活性碳過濾器、加NaHSO3、阻垢劑系統(tǒng)、5保安過濾器、高壓泵、級反滲透裝置、級淡水池、高壓泵、二級反滲透裝置、二級淡化水池、淡化水泵、化學(xué)車間水處理混床、鍋爐補(bǔ)水，見圖2。 威海電廠一級反滲透為2列布置的RO，每列反滲透支架上都裝有1套出力各為52m3/h的RO膜元件，每套都配置保安過濾器一臺，高壓泵及能量回收裝置各兩臺，每列R/O裝置設(shè)有兩臺出力65 m3/h、110kw的丹麥格蘭富BMET469/8型不銹鋼增壓及能量回收一體泵；每列配置102根SWHRF380膜組件，安裝在17個FRP的壓力容器內(nèi)，每個壓力容器內(nèi)6只膜，設(shè)計R/O系統(tǒng)回收率在40%以上，運(yùn)行壓力6.3 MPa，一級產(chǎn)水含鹽量低于350mg/l(25)，并滿足生活用水標(biāo)準(zhǔn)。因一級反滲透產(chǎn)水PH偏低，所以在一級產(chǎn)水進(jìn)入生活水箱時應(yīng)加NaHCO3調(diào)PH值，加NaClO消毒殺菌。 圖2：2500噸/時反滲透海水淡化裝置二級反滲透為1列布置的RO，每列反滲透支架上都裝有2套出力各為40m3/h的RO膜元件，每套都配置丹麥格蘭富CRN6471型立式高壓泵一臺，高壓泵出力56 m3/h。反滲透膜組件每套配置42根BW30400膜組件，安裝在7個FRP的壓力容器內(nèi)，每個壓力容器內(nèi)6只膜，設(shè)計R/O系統(tǒng)回收率在75%以上，運(yùn)行壓力1.6MPa，二級產(chǎn)水含鹽量低于6mg/l(25)。 3、反滲透預(yù)處理海水淡化的原則是先經(jīng)過反滲透預(yù)處理，去除原水中懸浮物和膠體雜質(zhì)，經(jīng)預(yù)處理后，使其出水達(dá)到反滲透處理的要求（出水污染指數(shù)SDI對卷式醋酸纖維素膜、復(fù)合膜小于4），然后再經(jīng)過反滲透處理，達(dá)到海水淡化的目的。 3.1、水的混凝、沉淀處理 水中的懸浮物和膠體物質(zhì)的粒徑不同，它們的沉降速度相差很大。大顆粒懸浮物在重力作用下容易沉降，而微小粒徑的懸浮物以及膠體雜質(zhì)能在水中長期保持分散懸浮狀態(tài)，為了除去水中這些微小粒徑的懸浮物以及膠體雜質(zhì)，需要進(jìn)行混凝處理，使這些微小雜質(zhì)聚結(jié)成較大的顆粒，迅速沉降下來，從而使水得到澄清。 在目前的水處理工藝中，常用的混凝劑有：硫酸鋁、聚合氯化鋁（PAC）、硫酸亞鐵、氯化鐵、聚合鐵（PFS）等。常用的助凝劑有：用于調(diào)節(jié)pH值的石灰（CaO）或純堿（Na2CO3）等。助凝劑是為了提高混凝效果而投加的輔助藥劑。PAC和PAM投加的目的是水中膠體和懸浮物凝聚，然后通過多介質(zhì)過濾器濾掉。 3.2、水的過濾 過濾的目的就是進(jìn)一步除去水中的懸浮物。要求經(jīng)過多次過濾后的出水水質(zhì)如下：澄清器出水濁度小于1FTU，最好小于0.5FTU; 過濾器的出水濁度小于0.5FTU，CODMn小于1.5mg/h，含鐵量小于0.05mg/h(以Fe表示)。為了保證反滲透進(jìn)水的SDI小于4，系統(tǒng)設(shè)置五用一備多介質(zhì)過濾器。多介質(zhì)出水后經(jīng)三用一備活性碳過濾器，用以吸附水中有機(jī)物及余氯。 海水分別進(jìn)入5臺多介質(zhì)過濾器 ，多介質(zhì)過濾器的作用是除去凝聚物和懸浮物。多介質(zhì)過濾器出水到活性炭過濾器。 多介質(zhì)過濾器的出水進(jìn)入三臺活性炭過濾器，它的作用是除去部分余氯膠有機(jī)物。 由于反滲透器對進(jìn)水中懸浮雜質(zhì)含量有嚴(yán)格的要求，所以威海電廠每套反滲透裝置（RO）還配置了一臺出力為130m3/h的5微孔過濾器（或稱保安過濾器），以防止懸浮顆粒雜質(zhì)進(jìn)入高壓泵及反滲透膜組件。5微孔過濾器透過大于5m顆粒的幾率小于0.05%。 3.3、水的消毒殺菌 為了防止反滲透膜的微生物污染，對反滲透進(jìn)水要進(jìn)行氯化處理，當(dāng)反滲透膜元件材料為醋酸纖維素時，水中還要求有0.2-1 mg/L的殘余含氯量,以防膜元件的再污染。 當(dāng)向水中投加NaC1O時，其氧化能力取決于水中HC1O與C1O-所占的比例。當(dāng)HC1O與C1O-作為氧化劑時，它們均有較強(qiáng)的氧化能力，但HC1O的氧化能力比C1O-要強(qiáng)的多，C1O-殺菌作用一般只有HC1O的1%-2%。 威海電廠在進(jìn)入多介質(zhì)過濾器之前加一定量的NaCIO進(jìn)行消毒（采用2臺1kg/h海水電解槽，一用一備），PAM幫助絮凝，為保證反滲透進(jìn)水余氯小于0.1ppm，所以在活性炭過濾器出水母管上加適量的NaHSO3進(jìn)行還原，以滿足反滲透的要求。 3.4、水的酸化 在反滲透除鹽過程中，由于反滲透膜對于水中CO2的透過率幾乎為100%，而對Ca2+的透過率幾乎為零，因此給水被濃縮時，將會導(dǎo)致濃水側(cè)的pH值升高和Ca2+濃度增加。而pH值的升高，會引起水中HCO-3轉(zhuǎn)化為CO2-3，這樣，極容易造成碳酸鈣CaCO3在反滲透膜上析出，損壞膜元件，造成反滲透膜透水率和脫鹽率的下降。反滲透系統(tǒng)中，通常防止CaCO3在膜上沉淀的方法是加酸（鹽酸）調(diào)節(jié)水的pH值，加酸量的大小就是要使?jié)馑欣矢窭餇栔笖?shù)LSI小于或等于零，使CaCO3無法在膜上沉淀出來。一般情況下，在反滲透系統(tǒng)中加鹽酸調(diào)節(jié)pH值為多。 3.5、水中加阻垢劑 防止硫酸鹽結(jié)垢的方法，通常是在給水中加入阻垢劑（如六偏磷酸鈉）。但是由于六偏磷酸鈉分解后又能成為細(xì)菌的營養(yǎng)物，獲取此營養(yǎng)物的細(xì)菌會在膜元件內(nèi)部迅速繁殖造成難以清洗的生物結(jié)垢。所以在大型海水淡化設(shè)備中最好采用復(fù)合阻垢劑。威海電廠采用英國進(jìn)口Permatreat PC100復(fù)合阻垢劑。該產(chǎn)品具有如下特點(diǎn)：不造成二次污染；降低運(yùn)行成本；可以對膠體有分散作用，避免膠體污染；壽命長，操作方便。 4、反滲透膜元件的選擇在60年代初，美國的Loeb和Sourirajan研究的造CA膜技術(shù)，使CA膜產(chǎn)水量提高了10倍，脫鹽率高達(dá)95%，這樣，開始了CA膜在商業(yè)上的使用。隨后，由于反滲透技術(shù)應(yīng)用于水的脫鹽等領(lǐng)域后顯示出了許多優(yōu)勢，因此被廣泛地研究，并研制出了許多種類的膜材料。80年代開發(fā)出TFC復(fù)合膜，該膜通?？稍赑H211之間運(yùn)行，抗生物侵蝕能力強(qiáng)，且能抗膜的壓密。該膜的最大優(yōu)點(diǎn)：一是可在較低壓力下運(yùn)行，節(jié)約能源；二是不易水解，透鹽量能維持穩(wěn)定，不象CA膜，其透鹽量隨時間增長而增加。 威海電廠采用美國陶式TFC復(fù)合膜，美國DOW公司生產(chǎn)的TFC復(fù)合膜由三層組成，底層是聚酯織物，約120m厚，中層為微孔的聚砜材料，約40m厚，表面孔徑約為15nm，上層即為超薄的脫鹽層，為特制的聚酰胺材料，約0.2m厚。 5、反滲透裝置的清洗在正常運(yùn)行情況下，反滲透膜可能被無機(jī)物垢、膠體、微生物、金屬氧化物等污染，這些物質(zhì)沉積在膜表面上，將會引起反滲透裝置出力下降或脫鹽率下降，因此，為了恢復(fù)良好的透水和除鹽性能，需要對膜進(jìn)行化學(xué)清洗。 凡具備下列條件之一，需要對膜元件進(jìn)行清洗：正常的出水流量下降10%；產(chǎn)品水含鹽量明顯增加；RO裝置每鍛壓差比運(yùn)行初期增加15%或35kPa；已證實(shí)有污染或結(jié)垢發(fā)生；即使壓差尚未增加15%，但已運(yùn)行34個月；需要長時間停用，在停止運(yùn)行之前進(jìn)行清洗。 因?yàn)闇囟容^低時將影響清洗效果，所以要求清洗溫度不低于15。選用的清洗泵應(yīng)能克服保安過濾器的壓降、膜組件的壓降、管道阻力損失等，一般選用壓力可為0.3-0.5MPa。 6、影響反滲透運(yùn)行的因素影響反滲透運(yùn)行的因素很多，主要的有以下幾點(diǎn)。 6.1、溫度 醋酸纖維素膜、聚酰胺膜和復(fù)合膜對溫度都有使用限制。膜元件（組件）標(biāo)明的透水量一般是在25C的情況下，在其它溫度下可以根據(jù)廠商資料做適當(dāng)?shù)男Ｕ?。適當(dāng)提高進(jìn)水溫度，可以降低水的粘度，提高膜的透水量。尤其是在冰冷的北方，對給水進(jìn)行加熱是必要的。在溫度高于20時運(yùn)行，溫度升高1，透水量約增加3%。 6.2、運(yùn)行壓力 運(yùn)行壓力由滲透壓力、凈推動力和管路等的壓降組成。滲透壓力與原水中的含鹽量和水溫成正比，與膜性能無關(guān)。凈推動力是為了使膜元件（組件）產(chǎn)生足夠的產(chǎn)品水而需要的壓力。由于透水量與運(yùn)行壓力成正比，因此提高運(yùn)行壓力將增大透水量。 6.3、膜上結(jié)垢 膜上結(jié)垢是由給水中一些難溶鹽的沉淀引起的。給水中的鹽在RO工藝中得到濃縮，回收率為50%時濃縮2倍，回收率為75%時濃縮4倍。這引起一些鹽的離子濃度乘積超過其溶度積而沉淀。濃差極化和膜組件排列的不均勻分布在一些地方會產(chǎn)生更大的濃度。濃水流量必須維持在難溶鹽不析出的狀態(tài)下，并保持合適的水回收率。常見的垢有CaCO3、CaSO4。加聚丙烯酸阻垢劑，可以防止CaCO3、CaSO4垢的形成。 6.4、二氧化碳 二級反滲透產(chǎn)水通過一臺1400的除CO2器，用于控制淡水箱的CO2含量在5ppm之內(nèi)。除CO2器的作用是除去水中的CO2，減少對用水設(shè)備的腐蝕；減少后級處理的混床負(fù)荷，提高水處理系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和出水水質(zhì)。 7、完善與結(jié)論7.1、制水成本 根據(jù)實(shí)際計算威海電廠反滲透海水淡化運(yùn)行成本為：一級反滲透制水成本6.4元/噸，二級反滲透制水成本7.2元/噸。由于二級反滲透出水(導(dǎo)電率約4.2s/cm)并不能滿足鍋爐補(bǔ)充水(導(dǎo)電率小于0.2s/cm)要求，所以必須再進(jìn)入化學(xué)混床處理，才能進(jìn)入鍋爐，此時補(bǔ)充水成本為12.0元/噸左右。而用自來水處理成鍋爐補(bǔ)充水，其軟化成本為12.514.0元/噸。所以，海水淡化不但不會增加發(fā)電成本，而且完全解決了威海電廠淡水緊缺問題。 7.2、產(chǎn)水量 根據(jù)海水溫度增加、產(chǎn)水量增加的規(guī)律，我們將海水取口移到凝汽器海水排放口，這樣由于排放口海水溫度比原海水溫度平均高10左右，高于原設(shè)計值（15），所以出水量（105 m3/h、43 m3/h）已超過了設(shè)計值（52m3/h、40m3/h）。同時由于凝汽器海水排放口的海水已經(jīng)過NaC1O殺菌滅藻，所以我們又去掉了原設(shè)計中的2臺1kg/h電解海水制氯裝置。即簡化了設(shè)備，減少了