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加堿在反滲透系統(tǒng)中的應(yīng)用1 前言 反滲透(RO)是一種十分有效的膜分離單元操作,是依靠反滲透膜在壓力下使溶液中的溶劑與溶質(zhì)進(jìn)行分離的過(guò)程。反滲透技術(shù)能使離子交換樹(shù)脂的負(fù)荷減輕90%以上,樹(shù)脂的再生劑用量也可減少90%,除了除鹽,還可除去水中的微粒、有機(jī)物質(zhì)、膠體物質(zhì),對(duì)減輕離子交換樹(shù)脂的污染,延長(zhǎng)使用壽命都有著良好的作用。 但是長(zhǎng)期以來(lái),對(duì)于水中含有的游離CO2的去除,反滲透技術(shù)似乎無(wú)能為力,因?yàn)閭鹘y(tǒng)的反滲透技術(shù)中必須控制進(jìn)水中LSI(即朗格利爾飽和指數(shù))值,以防止反滲透膜結(jié)垢。而LSI值控制的一個(gè)重要參數(shù)是進(jìn)水PH值,如果PH值為酸性,則不容易結(jié)垢,如果PH為堿性,則結(jié)垢傾向十分明顯。所以傳統(tǒng)的工藝中在反滲透系統(tǒng)前添加HCl溶液,能很好地防止CaCO3、MgCO3等沉淀物結(jié)垢;而很少在反滲透系統(tǒng)前添加NaOH溶液。 2 去除CO2的常用方法及反應(yīng)機(jī)理 2.1 脫CO2塔 目前使用最廣泛的是二氧化碳脫氣塔,由于水中含有大量的碳酸氫鹽堿度,經(jīng)過(guò)H型離子交換器(即陽(yáng)離子交換床)處理后,樹(shù)脂上所帶的H+被置換到水中而成為碳酸,所以脫CO2塔一般放在陽(yáng)離子交換床的后面,陰離子交換床的前面。當(dāng)水的PH值小于4.3時(shí),水中碳酸幾乎完全以二氧化碳的形式存在,如下式的變化: H+ + HCO3- = H2CO3 = CO2+ H2O 當(dāng)H+增加,即PH越低時(shí),上述反應(yīng)就向右進(jìn)行,此時(shí),用一個(gè)裝置水從上噴淋而下,空氣從下鼓風(fēng)而上,使空氣流與水滴充分接觸,由于空氣中的二氧化碳量很小,分壓很低,只占大氣壓力的0.03%,根據(jù)亨利定律,經(jīng)過(guò)H型離子交換器處理的水,由于二氧化碳分壓高,逸入分壓低的空氣流中而被帶走,從而除去了水中的二氧化碳,也即除去了水中大量的陰離子HCO3-,這樣可以大大減輕陰床的負(fù)擔(dān),提高陰床的周期制水量,減少再生劑的消耗。 但是,二氧化碳脫氣塔由于吸入的是生產(chǎn)環(huán)境中的空氣,難免會(huì)帶入空氣中的雜質(zhì),通過(guò)與水源接觸從而污染水源,引起陰床周期制水率的下降。 2.2 真空脫氣塔 真空脫氣塔也是一種去除CO2的方法,此外還能去除水中的O2等物質(zhì),去除效率比脫CO2塔高的多。它的工作原理是用一個(gè)裝置將水從上噴淋而下,經(jīng)過(guò)濾料分散后,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,脫氣后的純水流至塔底,經(jīng)混床供給泵增壓后進(jìn)入后處理混床。如果真空脫氣塔進(jìn)水呈弱酸性,水中的碳酸鹽也能被大量去除,因?yàn)楫?dāng)水的PH值小于4.3時(shí),水中碳酸幾乎完全以二氧化碳的形式存在,由于未脫氣的反滲透產(chǎn)水一般為弱酸性,所以真空脫氣塔一般放在反滲透的后級(jí)。 真空脫氣塔結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,大的單元有脫氣塔、真空泵等,為了保證進(jìn)水分散均勻,濾料層高度需設(shè)置得很高,導(dǎo)致脫氣塔高度達(dá)十幾米,設(shè)備占用空間龐大,另外,由于脫氣塔液位控制很?chē)?yán)格,液位過(guò)高,容易使脫氣效率下降,過(guò)低,容易導(dǎo)致水泵吸空,引起生產(chǎn)事故,所以使用的液位計(jì)必須十分靈敏。雖然真空脫氣塔不會(huì)帶入外界新的雜質(zhì),但是由于設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜,占地空間大,運(yùn)行費(fèi)用高,所以在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用方面受到一定限制。 除了上述常用的兩種脫氣方法外,還有膜脫氣等方法,但是由于投資成本太高,一般只用于出水水質(zhì)要求很高的超純水系統(tǒng)中。 3 RO前加堿除 CO2的方法和反應(yīng)機(jī)理 3.1 反應(yīng)機(jī)理 反滲透是高效的除鹽工藝,所以只要把水中的二氧化碳轉(zhuǎn)化成碳酸氫鹽就可利用反滲透去除二氧化碳,由于H + HCO3- = H2CO3 = CO2+ H2O這個(gè)化學(xué)反應(yīng)是可逆的,當(dāng)OH-增加時(shí),該反應(yīng)就向左進(jìn)行,當(dāng)水的PH值大于8.2時(shí),水中的CO2將全部轉(zhuǎn)化為HCO3-,這樣HCO3-通過(guò)反滲透系統(tǒng)全部去除,間接實(shí)現(xiàn)了去除CO2的目的。 但是,在加堿的同時(shí),反滲透膜的結(jié)垢趨勢(shì)將十分明顯,因?yàn)長(zhǎng)SI值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于允許的范圍。實(shí)踐證明:當(dāng)反滲透系統(tǒng)前加堿而不采取其他的措施時(shí),RO濃水結(jié)晶析出十分迅速,一般12個(gè)小時(shí)就可以在濃水側(cè)發(fā)現(xiàn)白色的結(jié)晶。 其反應(yīng)式為:Ca2+ + 2OH- + CO2 = CaCO3 + H2O Mg2+ + 2OH- + CO2 = MgCO3 + H2O 所以,有必要在RO前添加阻垢劑避免結(jié)垢。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,目前反滲透阻垢劑品種繁多,阻垢效率越來(lái)越高,如杭州英普水處理技術(shù)公司的產(chǎn)品MDC220,能做到濃水側(cè)LSI值達(dá)3.0的水平。我們車(chē)間使用了這種阻垢劑,即在RO前加堿的同時(shí)添加阻垢劑,實(shí)際運(yùn)行下來(lái)反滲透可以確保三個(gè)月以上清洗一次,加堿結(jié)垢這個(gè)問(wèn)題得到了很好的解決。 3.2 在實(shí)際運(yùn)用中的遇到的問(wèn)題及整治 3.2.1 原水水質(zhì) 原水水質(zhì)不同對(duì)反滲透清洗周期的影響較大。我們公司原水采用的是工業(yè)自來(lái)水,由于該自來(lái)水是經(jīng)過(guò)處理后的富營(yíng)養(yǎng)化的太湖水,所以水中的有機(jī)物含量較高,且受季節(jié)變化影響也比較大,電導(dǎo)率也比較高(600s/cm以上),使用下來(lái)發(fā)現(xiàn),RO系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后,進(jìn)口操作壓力就明顯上升,而段間的壓差不變,經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)那逑纯苫謴?fù)至正常狀態(tài),但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后又重復(fù)出現(xiàn)。通過(guò)對(duì)RO系統(tǒng)加堿和阻垢劑的分析研究,我們懷疑與原水水質(zhì)中有機(jī)物含量變化有關(guān),后來(lái)通過(guò)更換另一種阻垢劑后,問(wèn)題得到了解決。 如果原水使用的是硬度較高的深井水,由于在RO系統(tǒng)前添加堿液,雖然添加了阻垢劑緩解了系統(tǒng)結(jié)垢的時(shí)間,但是RO膜結(jié)垢的趨勢(shì)仍然比采用自來(lái)水作為原水來(lái)得要迅速。實(shí)踐證明:一般1個(gè)月左右就需要對(duì)二段膜進(jìn)行化學(xué)藥洗。 3.2.2 控制方式 由于在反滲透系統(tǒng)前添加了NaOH溶液,使LSI值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于允許的范圍,很容易導(dǎo)致二段反滲透膜結(jié)垢。如果阻垢劑未能及時(shí)地添加,比如加藥泵故障或斷電;或者添加量不夠,比如加藥泵沖程選得太小,也容易發(fā)生生產(chǎn)事故。這就對(duì)控制方式提出了更為嚴(yán)格的要求。建議一旦阻垢劑加藥泵發(fā)生故障時(shí)應(yīng)及時(shí)關(guān)閉堿液加藥泵,以防止RO濃水迅速結(jié)晶析出,因?yàn)槎虝r(shí)間內(nèi)水中的CO2不會(huì)對(duì)整個(gè)純水系統(tǒng)產(chǎn)生大的影響,長(zhǎng)時(shí)間也只是影響混床的定收量,所以當(dāng)加藥泵發(fā)生故障時(shí)可以停泵修理,不會(huì)影響生產(chǎn)運(yùn)行;在控制方式上我們可以使阻垢劑泵和堿泵連動(dòng),一旦其中一臺(tái)停止,另一臺(tái)也隨即停止運(yùn)行,或者當(dāng)加藥泵故障時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào),使故障能在最短的時(shí)間里得到解決,此外,加強(qiáng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的巡檢也是必不可少的,比如看到反滲透二段淡水產(chǎn)量下降明顯,應(yīng)立即檢查阻垢劑的加藥情況,并及時(shí)對(duì)反滲透進(jìn)行藥洗。定期的巡檢對(duì)于減少設(shè)備故障的發(fā)生,避免生產(chǎn)事故是十分有益的。 3.2.3 RO運(yùn)行方式 最好的防止RO二段結(jié)垢的方式是采用二級(jí)RO運(yùn)行方式,并在二級(jí)反滲透系統(tǒng)前添加NaOH溶液,因?yàn)槎?jí)反滲透進(jìn)水是一級(jí)反滲透的產(chǎn)水,含鹽量極低,即使添加了堿液,對(duì)二級(jí)反滲透的脫鹽能力的影響也是微乎其微,所以二級(jí)反滲透一般不會(huì)結(jié)垢,無(wú)需添加阻垢劑。但是這種運(yùn)行方式的缺點(diǎn)是一次性投資較高,但對(duì)于整個(gè)純水系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是最為理想的運(yùn)行方式,既能提高后處理混床的定收量(二級(jí)RO產(chǎn)水電導(dǎo)率1s/cm),又能提高整個(gè)純水系統(tǒng)的運(yùn)行效率(故障率低)。 4 結(jié)論 反滲透系
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