反滲透裝置運(yùn)行管理中若干問題的探討

反滲透裝置運(yùn)行管理中若干問題的探討

摘要：近幾年來，隨著超純水在微電子、電力、生物工程、基本粒子研究等尖端工業(yè)的廣泛應(yīng)用，為使超純水系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定地運(yùn)行，關(guān)鍵在于反滲透裝置的運(yùn)行管理。本文從幾個(gè)方面詳細(xì)論述了用反滲透裝置制造工業(yè)超純水時(shí)，應(yīng)注意的問題。

關(guān)鍵字：反滲透裝置超純水反滲透膜脫水率產(chǎn)水率純水及超純水是目前微電子、電力（包括核電）、生物工程、基本粒子研究等尖端工業(yè)和科學(xué)研究中不可缺少的基礎(chǔ)材料之一。目前工業(yè)化制造超純水的典型工藝流程是反滲透與離子交換技術(shù)相結(jié)合。由于反滲透工程不僅對(duì)陰陽離子具有90％以上的脫除率，而且具有99％的除菌和熱源能力，同時(shí)對(duì)中性的二氧化硅和分子量300以上的微量有機(jī)物具有較高的脫除率。從而使離子交換床的再生周期延長(zhǎng)約10倍，廢水排放量是全離子法的1／10左右，尤其重要的是使隨后的混合床出水的電阻率長(zhǎng)期穩(wěn)定在17-18MΩ-cm（25℃）。因此，近幾年來，此項(xiàng)技術(shù)日趨成熟，我國已具有許多專業(yè)生產(chǎn)反滲透設(shè)備廠家，可為電力、治金、輕工、汽車、半導(dǎo)體、化工、制藥、食品、醫(yī)療衛(wèi)生等行業(yè)提供高品質(zhì)的純水。超純水系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定地運(yùn)行的關(guān)鍵是反滲透裝置的運(yùn)行管理。本文就這一問題作一綜合性的討論，供有關(guān)人員參考。要使反滲透裝置得到長(zhǎng)期穩(wěn)定的性能，除了選用組件和系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)合理以外，良好的運(yùn)行管理是一個(gè)非常重要的因素，運(yùn)行管理認(rèn)真、仔細(xì)、嚴(yán)格可延長(zhǎng)反滲透膜元件的使用壽命，反之要使反滲透裝置達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)也是困難的，因此，在長(zhǎng)期運(yùn)行管理中應(yīng)著重注意如下問題。1嚴(yán)格控制運(yùn)行條件根據(jù)用戶原水分析報(bào)告，為了滿足對(duì)脫鹽率、產(chǎn)水率、回收率、壽命等要求，選擇合適的組件進(jìn)行設(shè)計(jì)，組裝反滲透裝置。操作壓力、回收率（或濃水排放量）、進(jìn)水的SDI（污染指數(shù)）、PH、余氯和溫度是反滲透裝置的主要運(yùn)行控制參數(shù)；脫鹽率、產(chǎn)水量和裝置的壓力降是三個(gè)主要監(jiān)視性能參數(shù)。操作管理人員必須嚴(yán)格遵守，絕不能隨意改變操作條件。特別要防止提高回收率來增加產(chǎn)水量，導(dǎo)致反滲透膜面產(chǎn)生結(jié)垢；要防止在SDI值超標(biāo)的情況下繼續(xù)運(yùn)行，導(dǎo)致反滲透膜的堵塞；要防止在允許最大壓差以上繼續(xù)工作而造成膜元件的破壞性損壞。2防止碳酸鈣、硫酸鈣和二氧化硅的沉淀在超純水制造系統(tǒng)中，原水往往是苦咸水或城市自來水，而CaCO3、CaSO4、SIO2是反滲透膜面形成水垢的三種主要物質(zhì)。在工程中，往往在保安過濾器前注入酸，降低pH值來防止CaCO3的沉淀，對(duì)醋纖膜講，調(diào)節(jié)進(jìn)水PH值的另一個(gè)重要作用是降低膜的水解速度；注入SHMP或FLOCON－100絡(luò)合劑來防止CaSO4的沉淀；或者在預(yù)處理系統(tǒng)中設(shè)置軟化器來同時(shí)防止CaCO3和CaSO4的沉淀；SiO2的沉淀一般通過提高進(jìn)水溫度或降低回收率來防止；但由于原水中的各種離子是隨季節(jié)的變化而變化，特別在工廠改變水源后，變化則更大，因此，己投入運(yùn)行的反滲透系統(tǒng)，對(duì)進(jìn)水和排放水每季度進(jìn)行一次全面分析，通過計(jì)算LSI指數(shù)，硫酸鈣濃度積來預(yù)測(cè)反滲透膜面是否產(chǎn)生碳酸鈣、硫酸鈣的沉淀是十分必要的。當(dāng)反滲透濃水的LSI＜0，濃度積＜10×10-5時(shí)，將不會(huì)產(chǎn)生碳酸鈣、硫酸鈣的沉淀。對(duì)于SiO2沉淀，同反滲透裝置的進(jìn)水溫度密切有關(guān)，濃水中的二氧化硅濃度，25℃時(shí)不能超過100mg/l，5℃時(shí)則不能超過25mg/l。因此，當(dāng)預(yù)處理系統(tǒng)中無加熱設(shè)備時(shí)，在冬季要十分注意二氧化硅沉淀物對(duì)膜元件的污染問題，嚴(yán)格控制濃水中的二氧化硅含量，其值不能超過在該溫度下的溶解度。值得一提的是SHMP在四小時(shí)以后將失效，因此，如反滲透裝置停運(yùn)4h以上時(shí)，應(yīng)低壓運(yùn)行10min，將反滲透裝置中的濃水置換掉。3防止膠體對(duì)反滲透膜的污染由于反滲透膜對(duì)膠體具有非常高的去除效果。從而使反滲透裝置中膜面的膠體濃度，沿水流方向不斷提高，當(dāng)回收率75％時(shí)，裝置中最后一級(jí)膜元件水中的膠體濃度大約是第一級(jí)的四倍。膠體在膜面的沉淀主要取決于二個(gè)因素，即膠體的濃度和凝聚速率常數(shù)。膠體的濃度可以用污染指數(shù)（SDI值）測(cè)量，而速率常數(shù)與2ETA電位有關(guān)。人們?cè)陂L(zhǎng)期實(shí)踐中，已經(jīng)找到了為防止膜被膠體的污染而需要控制的SDI值，就卷式裝置來說，SDI值要控制在4以下或MF值小于150S。中空裝置，SDI值應(yīng)控制在3或4以下，這樣可使膠體污染程度降到反滲透裝置可以正常運(yùn)行的地步。值得一提的是當(dāng)進(jìn)水的2ETA電位大于負(fù)30毫伏時(shí)，反滲透進(jìn)水的SDI值可以提高。如中空纖維組件可以從SDI＜3提高到SDI＞5。一般講，膠體污染多半存在于以地表水為水源的系統(tǒng)中，由于膠體的種類及真濃度將隨季節(jié)的變化而變化，盡管預(yù)處理設(shè)備選用時(shí)考慮了這種變化，但由于波動(dòng)太大，往往原有預(yù)處理系統(tǒng)不適應(yīng)，從而導(dǎo)致SDI值經(jīng)常超標(biāo)。因此，SDI值的監(jiān)測(cè)在反滲透運(yùn)行管理中就顯得尤為重要。操作人員應(yīng)該通過日常小試驗(yàn)來確定實(shí)際運(yùn)行中化學(xué)藥劑的最佳注入量，同時(shí)要防止注入藥劑過量而產(chǎn)生新的膠體污染。4防止微生物對(duì)膜的侵蝕和污染目前商品化的反滲透膜材料主要有醋酸纖維和聚酰胺二大類，而醋酸纖維素膜裝置是目前超純水制造系統(tǒng)中常用且經(jīng)濟(jì)的反滲透裝置。但真最大的缺點(diǎn)之一就是抗微生物的侵蝕能力較差。聚酰胺類膜盡管能抗微生物侵蝕，但污染問題仍然存在。大量微生物在膜、組件內(nèi)的大量繁殖，將造成三方面的不良后果，第一是微生物要吞食反滲透膜，脫鹽層被侵蝕而使脫鹽率下降（僅對(duì)CA膜）；第二是微生物的大量繁殖和代謝，產(chǎn)生大量的膠體物質(zhì)，致使膜被堵塞造成通水量下降；第三將造成產(chǎn)水中細(xì)菌總數(shù)的增加，這一點(diǎn)特別對(duì)超純水系統(tǒng)的可靠長(zhǎng)期運(yùn)行是十分不利的，大量的細(xì)菌進(jìn)人后面的離子交換設(shè)備，將造成最終超純水的電阻率逐漸下降，TOC，細(xì)菌總數(shù)和微顆?？倲?shù)也隨之增大。因此，微生物對(duì)膜的侵蝕和污染不僅直接影響反滲透裝置的性能，而且對(duì)整個(gè)超純水系統(tǒng)的長(zhǎng)期性能也影響極大，必須引起高度重視造成微生物在組件內(nèi)的大量繁殖有二方面的原因，其一進(jìn)水的余氯值控制得偏低（對(duì)CA膜）；另外是反滲透裝置的容量選擇過大而導(dǎo)致運(yùn)行率太低。實(shí)踐證明，醋酸纖維素膜，在其進(jìn)水中能維持0.2－0.5mg／l的余氯，就可防止微生物的繁殖。定期地分析進(jìn)水、濃水中的細(xì)菌總數(shù)可以判斷反滲透裝置內(nèi)部是否有微生物大量繁殖。如果進(jìn)水中含有大量微生物，往往會(huì)出現(xiàn)SDI值達(dá)不到指標(biāo)的現(xiàn)象。5防止膜的水解和氧化在長(zhǎng)期運(yùn)行管理中，注意控制醋酸纖維素膜的水解速度是十分重要的。水解速度與進(jìn)水的PH值和溫度密切有關(guān)，在較低或較高的pH值下都會(huì)造成較快的水解速度，真水解速度最低的pH值范圍是4-6。同時(shí)，水解速度隨進(jìn)水溫度的升高而加快。因此，在實(shí)際管理中，除了正常的pH檢測(cè)以外，還必須對(duì)PH測(cè)量、顯示儀表定期地進(jìn)行校正，防止PH值失控而加快膜的水解。從而延長(zhǎng)膜的使用壽命，而聚酰胺類膜的突出問題是防止其被氧化。進(jìn)水余氯值和強(qiáng)氧化均對(duì)其造成不利的影響，必須嚴(yán)格控制，美國ESPA1型中空纖維膜，進(jìn)水余氯值必須小于0.01mg／l。值得一提的是南方許多城市自來水的余氯值隨時(shí)間變化很大，特別在夏季余氯值往往高達(dá)數(shù)+mg／l，這時(shí)，對(duì)CA膜可以將原次氯酸鈉改成亞硫酸鈉，對(duì)聚酰胺膜，可以采用過量的亞硫酸鈉去余氯，從而防止膜的氧化。6防止金屬氧化物對(duì)膜的污染原水中溶解性的金屬鹽，在反滲透裝置中可能會(huì)產(chǎn)生沉淀而污染膜。最常見的有氫氧化鐵、氫氧化鋁和氧化錳。氫氧化鐵產(chǎn)生的原因有：（1）二價(jià)鐵的氧化；（2）預(yù)處理系統(tǒng)管閥件和設(shè)備的腐蝕；（3）調(diào)節(jié)pH用酸中的含鐵量超標(biāo)。表1

反滲透進(jìn)水水鐵離子的控控制值氧含量（mg/ll)pH值Fe++控制值（mg/l）＜0.5＜640.5-56-70.55-10＞70.05為了防止鐵的污染，首先必須控制進(jìn)水中鐵的濃度，而該值與進(jìn)水中的含氧量和PH值密切有關(guān)（表1）。目前，工程中除鐵的方法是氧化--過濾法，即首先用次氯酸鈉氧化，隨后經(jīng)雙層過濾器將其除掉。軟化器具有除鐵功能，但如果原水中鐵含量大于1mg/l，樹脂同樣受到鐵的污染。鋁對(duì)膜的污染是由于氫氧化鋁沉淀而導(dǎo)致的，氫氧化鋁沉淀物通常以膠體形式存在，鋁離子是一種兩性離子（鋁能和酸或堿反應(yīng)）并在6.5－6.7的pH范圍內(nèi)具有最小的溶解度，如果鋁凝聚過程在太高或太低的PH值下進(jìn)行，鋁離子將進(jìn)入反滲透裝置中造成膜的污染，因此對(duì)于采用鋁鹽為聚凝劑的預(yù)處理系統(tǒng)，其PH值最好控制在6.5－6.7，使鋁的溶解度達(dá)到最小，并且定期監(jiān)測(cè)經(jīng)預(yù)處理過的水中的鋁含量，控制在0.05mg／L以下。7反滲透膜的清洗反滲透裝置盡管采用了合理的預(yù)處理系統(tǒng)，和良好的運(yùn)行管理，它只能使反滲透膜的污染程度降到最低限度，要完全消除膜的污染是不可能的。因此，反滲透裝置在正常運(yùn)行一段時(shí)間之后，將受到各種微量有機(jī)物、無機(jī)物的污染。當(dāng)膜受到污染后，往往會(huì)出現(xiàn)反滲透裝置的產(chǎn)水量、脫鹽率和裝置進(jìn)出口壓力降增大等明顯征狀。當(dāng)裝置的產(chǎn)水量下降10％（在同溫度和壓力下），鹽透過量增加一倍，壓降增加一倍，這三種現(xiàn)象出現(xiàn)其中一個(gè)時(shí)，進(jìn)行化學(xué)清洗是必要的。同時(shí)當(dāng)反滲透裝置需要長(zhǎng)期停用而進(jìn)行保護(hù)之前，也需要進(jìn)行化學(xué)清洗。值得注意的是，如果進(jìn)水溫度降低也會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)水量下降，這是正常的，并不表明膜被污染，預(yù)處理、高壓等方面產(chǎn)生故障也會(huì)導(dǎo)致進(jìn)水壓力、進(jìn)水流量、產(chǎn)水流量和脫鹽率的下降?；瘜W(xué)清洗時(shí)，首先是要判斷污染物的種類，然后根據(jù)膜的特性選擇合適的清洗配方和清洗工藝（表2）。要注意控制清洗液的PH值、溫度和每根組件的進(jìn)入流量，清洗效果可以通過比較清洗前后裝置的脫鹽率、產(chǎn)水量和壓力降等性能來確認(rèn)，除了周期性的化學(xué)清洗之外，每次停車之后，用預(yù)處理水或反滲透水進(jìn)行低壓大流量沖洗，這對(duì)于降低膜污染的速度，延長(zhǎng)化學(xué)清洗的周期和膜的使用壽命是有效的。表2

反滲透膜常常規(guī)清洗配方方序號(hào)污染物清洗液配方清洗工藝1氫氧化鐵檸檬酸2%TRIITONX--10000.1%RRO水97.99%使用膜組件允許的的最高溫度和和流速，循環(huán)環(huán)清洗時(shí)間45分，用氨水水將pH調(diào)節(jié)至32

三聚磷酸鈉2%TTRITONNX-10000.1%%39%的EDTA鈉2%RO水

95..9%溫度、流速、時(shí)間間同上；用H2SO4調(diào)節(jié)pH至7.5；配方中加加入0.5%的甲醛已滅滅菌3鐵鋁錳氧化物檸檬酸2%

339%的EDTA鈉2%ROO水96%溫度、流速、時(shí)間間同上用氨水調(diào)節(jié)pH至44碳酸鈣反滲透水用鹽酸或檸檬酸調(diào)調(diào)節(jié)PH至4.05SiO2二氟化銨2%

RO

水

98%%組件允許的最高溫溫度、流速、清清洗時(shí)間45分鐘8RO系統(tǒng)控制自動(dòng)化由于微機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)化控制技術(shù)日見成效，RO系統(tǒng)控制己經(jīng)完全自動(dòng)化。8.1整套系統(tǒng)采用可編程控制器控制控制系統(tǒng)具有集成功能，實(shí)時(shí)特性，因此可以滿足流程控制需要，亦可增加彩色觸摸屏CRT顯示器終端與可編程控制器（PLC）配合，可實(shí)現(xiàn)流程動(dòng)態(tài)顯示，數(shù)據(jù)和流程自動(dòng)顯示，輕觸操作，數(shù)據(jù)表格顯示，定時(shí)、即時(shí)打印，并能通過串行口和辦公室計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)。該自動(dòng)控制系統(tǒng)采用程序控制自動(dòng)開機(jī)，壓力、流量、電導(dǎo)、水箱液位等數(shù)據(jù)采集，故障判斷報(bào)警及自動(dòng)故障處理。8.2信息參數(shù)所有制水流程中的流量、壓力、電導(dǎo)率等都在管道中在線設(shè)置傳感元件現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。8.3檢測(cè)儀表及控制保護(hù)反滲透產(chǎn)水管路均安裝了一臺(tái)連續(xù)檢測(cè)的電導(dǎo)儀，以監(jiān)測(cè)反滲透裝置運(yùn)行性能及產(chǎn)水電導(dǎo)率。在反滲透的濃水管路上設(shè)置了一臺(tái)快關(guān)的電磁閥。開機(jī)時(shí)，電磁閥處于全開狀態(tài)，這時(shí)可對(duì)反滲透膜進(jìn)行低壓沖洗，沖洗一段時(shí)間后電磁閥關(guān)閉，反滲透設(shè)備正常產(chǎn)水，這樣