膜蒸餾用于反滲透高水回用的中試研究

膜蒸餾用于反滲透高水回用的中試研究

作為一種新型的膜分離技術(shù)，膜蒸發(fā)在預(yù)處理技術(shù)中具有以下優(yōu)點：（1）沒有受到壓力的限制。在液體零排放典型工藝中，反滲透處理會產(chǎn)生較高濃度的鹽水，主要成分為無機鹽、少量COD及阻垢劑等。高效處理反滲透濃水成為制約零排放發(fā)展的關(guān)鍵。對于反滲透濃水的繼續(xù)濃縮，一般采用電滲析技術(shù)筆者以實際生產(chǎn)過程產(chǎn)生的反滲透濃水為進水，通過優(yōu)化加熱溫度、進水流量及設(shè)備真空壓力，考察平板多效膜蒸餾對產(chǎn)水量、產(chǎn)水水質(zhì)、設(shè)備回收率的處理效果，并進行穩(wěn)定性實驗，以期為平板多效膜蒸餾的放大提供一定基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。1實驗部分1.1md-70rzm以某化工股份有限公司的反滲透濃水為進水料液，其水質(zhì)情況為Ca實驗儀器：N836.3AP.40E真空泵（80W),KNF公司；MD-70RZM產(chǎn)水泵/濃水泵（200W）、MD-30RZM冷凝回流泵（100W),IWAKI公司；UPS25-80N熱冷循環(huán)泵（150W),GRUNDFOS公司；DDBJ-350型便攜式電導(dǎo)率儀，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司。1.2加熱循環(huán)過程設(shè)計采用多效膜蒸餾技術(shù)對反滲透濃水進行濃縮。所用中試設(shè)備由北京中科瑞升資源環(huán)境技術(shù)有限公司提供，膜材質(zhì)為PTFE，膜組件為四效，有效膜面積為6.4m熱循環(huán)以純水為媒介，通過循環(huán)泵在加熱器中循環(huán)，熱量來自電加熱過程，電加熱裝機功率為16kW。循環(huán)過程中通過真空蒸發(fā)的熱蒸汽為后續(xù)膜組件提供熱源，原料罐內(nèi)的料液以真空為動力源被吸入膜組件中連續(xù)進行四效蒸發(fā)，濃水回流至原料罐中繼續(xù)濃縮，末端蒸汽通過冷循環(huán)系統(tǒng)冷凝成產(chǎn)水，通過產(chǎn)水泵外排。熱循環(huán)過程產(chǎn)生的蒸汽與料液進行換熱冷凝，冷凝液回流至熱循環(huán)系統(tǒng)，降低熱損失，循環(huán)過程中控制加熱溫度為70℃，蒸發(fā)后的水溫度降低，通過電加熱補充熱量；熱量在向后傳遞過程中，不斷冷凝再蒸發(fā)再冷凝，實現(xiàn)多效蒸發(fā)過程，末效蒸汽則通過與冷循環(huán)水換熱冷凝，冷循環(huán)水與外界換熱的形式釋放熱量。1.3回收率、水處理和濃縮考察實驗過程中進水流量、加熱溫度、冷端真空壓力對設(shè)備運行情況的影響，此過程采用濃水與產(chǎn)水同時回流的形式。采用優(yōu)化運行參數(shù)考察濃縮過程中產(chǎn)水水質(zhì)、水量，濃水濃度，回收率以及能耗的變化，該過程采用濃縮液不斷循環(huán)回原料桶、產(chǎn)水外排的形式。實驗可實現(xiàn)高倍濃縮，而進水料液含有鈣、鎂離子和碳酸氫根離子，加熱后易形成沉淀，影響設(shè)備運行，因此對反滲透濃水進行軟化。經(jīng)過離子分析后決定用NaOH進行沉淀，靜置后過濾，預(yù)處理工序完成，料液經(jīng)軟化后TDS為5500～6000mg/L。軟化反應(yīng)過程如式（1）～式（3）所示。1.4分析電導(dǎo)率采用電導(dǎo)率儀測定，TDS采用稱重法測定。2結(jié)果與討論2.1濃縮過程中的壓力和速度變化為研究硬度對濃縮過程的影響，將未經(jīng)藥劑軟化的反滲透濃水和軟化后的反滲透濃水作為膜蒸餾進水，分別進行濃縮實驗。運行方式采用濃水循環(huán)和產(chǎn)水外排，控制熱循環(huán)進水溫度為70℃，熱循環(huán)流量700L/h，冷循環(huán)進水溫度25～30℃，冷循環(huán)流量1200L/h，末端真空操作壓力8～9kPa；運行過程中料液減少，中途添加料液。TDS和產(chǎn)水流量的變化情況如圖2所示。由圖2(a）可見，濃縮過程中隨著TDS的提升，產(chǎn)水流量先相對穩(wěn)定，4h后緩慢下降，6h后補充新的料液繼續(xù)濃縮，但產(chǎn)水流量無法恢復(fù)，反而持續(xù)緩慢下降。在膜蒸餾過程中，受濃差極化的影響，水中的鈣、鎂離子和碳酸氫根離子會在膜表面形成不溶性的鈣鎂沉積物根據(jù)料液成分，計算得到軟化1L料液需加入20mL質(zhì)量分數(shù)為32%的NaOH溶液，攪拌混合后過濾，測得鈣去除率>92%，鎂去除率>90%,pH在11左右。在對軟化后的料液進行濃縮之前，先經(jīng)過簡單酸洗去除膜表面的沉淀，再用清水沖洗干凈。圖2(b）中，反滲透濃水經(jīng)軟化后，運行6h產(chǎn)水流量降至40L/h，這是受濃縮過程中濃差極化的影響；重新添加料液后TDS下降，產(chǎn)水流量回升，表明產(chǎn)水流量具有可恢復(fù)性，同時證實藥劑的軟化效果明顯。2.2進水流量對膜通量的影響控制加熱溫度為70℃，真空壓力為8～9kPa，進水為TDS6g/L軟化后的反滲透濃水，考察不同進水流量下產(chǎn)水流量的變化情況，如表1所示。由表1可見，進水流量增加可提高產(chǎn)水流量，濃縮倍數(shù)隨之降低；進水流量超過63L/h后產(chǎn)水流量無提升，單次濃縮倍數(shù)繼續(xù)下降；繼續(xù)提高進水流量，產(chǎn)水流量基本趨于穩(wěn)定。分析原因在于，在層流狀態(tài)下，隨著流速的增加，流場的擾動加強，離子界面層的厚度減小，膜通量上升。低流速下膜表面會形成一定厚度的溫度邊界層，不利于料液與膜表面的熱交換；當(dāng)進水流量增加時，溫度邊界層的厚度受到擾動而減小，提高了傳熱效率，降低了溫度極化效應(yīng)2.3產(chǎn)水流量變化情況控制真空壓力為8～9kPa，進水流量為63L/h，進水為TDS6g/L軟化后的反滲透濃水，在不同加熱溫度下運行中試設(shè)備，考察不同溫度下產(chǎn)水流量的變化情況，如表2所示。從表2可見，加熱溫度降低后產(chǎn)水流量及濃縮倍數(shù)隨之降低，主要是由于溫度降低后，產(chǎn)生的蒸汽溫度下降，通過熱交換傳遞給料液的初始溫度降低，進而導(dǎo)致膜兩側(cè)的飽和蒸汽總壓差降低，產(chǎn)水流量減少。理論上來講，加熱溫度越高膜通量越高，但受電加熱功率及材料的限制，溫度通常不高于85℃，該中試過程采用的溫度最高為70℃。2.4加熱溫度對蒸發(fā)的影響控制進水流量為63L/h，加熱溫度為70℃，進水為TDS6g/L軟化后的反滲透濃水，考察真空壓力對膜蒸餾效果的影響，如表3所示。由表3可見，在相同的加熱溫度下，真空壓力越低，產(chǎn)水流量越高，越有利于水的蒸發(fā)。這是由于壓力降低會提高冷熱端的跨膜壓差，驅(qū)動力增大，從而提高產(chǎn)水流量。通常情況下，冷卻水的溫度越低，真空壓力也會降低，冷卻水溫度對真空壓力呈負相關(guān)變化。綜上，影響產(chǎn)水流量的主要因素有真空壓力、加熱溫度、進料流量，后續(xù)實驗選取優(yōu)化后的運行參數(shù)：真空度為8～9kPa，加熱溫度為70℃，進水流量63L/h。2.5運行水tds對濃縮過程的影響反滲透濃水經(jīng)過軟化處理后TDS為5.8g/L，采用濃水循環(huán)和產(chǎn)水外排形式，控制熱循環(huán)進水溫度為70℃，熱循環(huán)流量700L/h，冷循環(huán)進水溫度為25～30℃，冷循環(huán)流量1200L/h，末端真空操作壓力為8～9kPa，進水流量63L/h。濃縮體積為300L，待溶液體積減少后重新補充料液。記錄濃縮過程中的產(chǎn)水流量和電導(dǎo)率。濃縮過程中產(chǎn)水流量隨運行水TDS的變化曲線如圖3所示。由圖3可見，運行水TDS低于40g/L時，產(chǎn)水流量保持在40～45L/h；濃縮過程中由于料液較稀，膜表面的濃差極化和溫差極化現(xiàn)象不明顯，通量比較穩(wěn)定。當(dāng)運行水TDS>40g/L后，產(chǎn)水流量開始隨TDS的增加而降低；當(dāng)TDS>90g/L，產(chǎn)水流量降幅變大，原因在于隨著濃縮過程的進行，溶液黏度逐漸增大，使得溫度邊界層和濃度邊界層增厚，膜面處溶液的溫度降低、濃度增高，因而水蒸氣壓力下降，傳質(zhì)推動力減小濃縮過程中設(shè)備通量從7L/（mJ式中：VJS———膜元件面積，m濃縮過程中產(chǎn)水水質(zhì)和產(chǎn)水流量隨產(chǎn)水回收率的變化情況如圖4所示。由圖4可以看出，回收率在90%以內(nèi)時，產(chǎn)水流量能較好地保持在45L/h，通量可達7L/（m2.6單次膜濃縮效果采用同樣膜面積的四效膜組件連續(xù)進行120h的實驗，以考察設(shè)備的長期運行穩(wěn)定性。實驗進水為軟化后的反滲透濃水，進水TDS為6g/L，濃水與產(chǎn)水同時回流。控制進水流量在63L/h，加熱溫度為70℃，熱循環(huán)流量700L/h，冷循環(huán)流量1200L/h，末端真空壓力8～9kPa，結(jié)果如圖5所示。單次膜濃縮后濃水的TDS穩(wěn)定在20g/L，水回收率為63%。由圖5可以看出，產(chǎn)水流量基本保持穩(wěn)定，產(chǎn)水電導(dǎo)率總體穩(wěn)定在20μS/cm以下，水質(zhì)較好，判斷膜內(nèi)部未發(fā)生污染，疏水性能良好。2.7供熱節(jié)能計算實驗過程的動力源主要來自真空泵、熱冷循環(huán)泵、濃水泵、產(chǎn)水泵和冷凝回流水泵。其中熱、冷循環(huán)泵的功率均為150W，產(chǎn)水和濃水泵的功率均為200W，真空泵功率為80W，冷凝回流泵功率100W，動力總功率880W。根據(jù)平均通量6.4L/（m對處理量為2t的設(shè)備進行實際泵體選型時，冷熱泵功率均為3kW，濃水和產(chǎn)水泵功率為0.75kW，水環(huán)泵功率為4kW，冷凝回流泵功率為0.5kW。計算得到動力源消耗可控制在5～6kW·h/t，在零排放工藝中相比熱法（MVR、多效蒸發(fā)等）的動力消耗具有優(yōu)勢考慮到裝置的便攜性，實驗采用電加熱形式的熱源，按式（2）計算出造水比（GOR）為3.6。GOR=Q·H/〔c·q·（t式中：Q———產(chǎn)水流量，L/h;c———水的比熱容，kJ/（kg·K);q———熱循環(huán)流量，L/h;TTH———水的汽化潛熱，kJ/kg。實際應(yīng)用中如選用蒸汽作為熱源，考慮到放大后的損失，每產(chǎn)1t水需提供約0.3t的蒸汽；中試研究中以70℃的熱水提供熱源，循環(huán)流量為700L/h，可將熱量等效為同等溫度和流量的熱水熱源。實際工業(yè)項目中若有合適的熱源，如余熱、低壓乏汽及太陽能、地?zé)岬刃履茉?，則可省掉蒸汽部分，節(jié)約大量熱能耗。3濃縮效果和穩(wěn)定性(1）反滲透濃水經(jīng)軟化處理后（TDS約6g/L），采用多效膜蒸餾系統(tǒng)進行濃縮。優(yōu)化熱循環(huán)進水溫度70℃，熱循環(huán)流量700L/h，冷循環(huán)進水溫度25～30℃，冷循環(huán)流量1200L/h，末端真空操作壓力8～9kPa，進水流量63L/h。濃縮處理后，TDS可達240g/L左右，濃縮倍數(shù)約40倍，平均通量為6.4L/（h·m(2）濃縮初期產(chǎn)水回收率達到90%之前，產(chǎn)水量比較穩(wěn)定；回收率超過90%后，由于進料溶液濃度的提高，膜通量從7L/（m(3）為期120h的連續(xù)運行實驗表明，在進水TDS保持穩(wěn)定（6g/L）的情況下，產(chǎn)水流量和水質(zhì)均