反滲透海水淡化中無機結(jié)垢現(xiàn)象分析

反滲透海水淡化中無機結(jié)垢現(xiàn)象分析

采用滲透法的海水淡化技術(shù)具有生產(chǎn)效率高、占地面積小、操作簡單、運營成本低等優(yōu)點。近年來，它作為解決世界淡水資源短缺的重要手段，發(fā)展迅速。據(jù)統(tǒng)計，全球一半以上海水淡化產(chǎn)生的淡水是通過反滲透法生產(chǎn)的無機垢會導(dǎo)致通量下降、離子截留率降低、不可逆的膜損壞、縮短膜使用壽命、增加維護費用無機結(jié)垢是制約反滲透法海水淡化發(fā)展的主要因素之一1定性指數(shù)反滲透法海水淡化過程中的無機垢是Ca對于微溶鹽，結(jié)晶和溶解存在著一定的動態(tài)關(guān)系，逐步達(dá)到飽和狀態(tài)時，其溶解的趨勢減小。對于某一微溶鹽的飽和程度可以用構(gòu)成它的離子的活度積（IAP）和溶度積常數(shù)（KIAP與構(gòu)成微溶鹽的離子（如CaLSI是測定碳酸鈣溶解或沉淀能力的參數(shù)：式中的pH為溶液的酸堿度；pH式中的pCa、pALK分別為鈣離子濃度、堿度對數(shù)的負(fù)值；K為離子強度和溫度的常數(shù)。K可以表示為：LSI指數(shù)適用于10mg/L<TDS<10000mg/L的范圍。D&DSI是LSI的發(fā)展，將適用范圍擴展至TDS>10000mg/L的溶液，不同之處在于K的取值：式中的I1.1一般無機頭皮屑1.1.1反滲透膜最佳ph和阻垢劑的篩選與其他鹽類相比較，在反滲透膜組件的末端更易出現(xiàn)碳酸鈣結(jié)垢，圖1展示了多個不同實驗條件下碳酸鈣結(jié)垢的形貌。具體實驗條件為：（a)pH=8.4,F=16.0～16.5L/（m此外，反滲透膜的表面性質(zhì)也會影響碳酸鈣結(jié)晶狀態(tài)，GuodongKang等雖然碳酸鈣是膜過程常見的無機垢，但是可以通過調(diào)節(jié)pH或者添加阻垢劑等簡單的方式抑制碳酸鈣的結(jié)晶析出，故通常情況下，碳酸鈣形式的無機垢不是預(yù)防的重點1.1.2調(diào)節(jié)ph的方法在海水濃縮過程中，硫酸鈣的結(jié)晶析出是和碳酸鈣的結(jié)晶析出一樣非常普遍的現(xiàn)象，然而硫酸鈣結(jié)垢不像碳酸鈣那樣可以易于用調(diào)節(jié)pH的方法進行控制。硫酸鈣是反滲透法脫鹽過程中無機垢的主要組成部分，據(jù)統(tǒng)計反滲透過程中硫酸鈣含量占無機垢總量的約42%通常硫酸鈣結(jié)晶存在三種形式，即CaSO反滲透系統(tǒng)中微生物、有機大分子物質(zhì)會直接參與微溶鹽的結(jié)晶過程，形成交聯(lián)的膠狀結(jié)構(gòu)，并導(dǎo)致通量下降在海水反滲透過程中，硫酸鈣（CaSO1.1.3硅在海水中，可溶性SiO海水中可溶性SiO1.1.4無機垢的產(chǎn)生和來源海水中的多種離子在無機結(jié)垢中有不同的結(jié)晶行為，隨著反滲透過程濃海水濃度的增加，由于反滲透膜的截留，使離子濃度和海水鹽度發(fā)生變化，部分微溶鹽開始結(jié)晶析出，形成無機垢，加之膜組件中流體力學(xué)的影響，各種離子濃度和沉降變化規(guī)律也是不同的。雖然世界各地的海水水質(zhì)不同，碳酸鈣、硫酸鈣、二氧化硅仍是較為普遍的無機垢，其他無機垢也會在反滲透過程中出現(xiàn)，其中氫氧化物如氫氧化鋁、氫氧化鈣、氫氧化鎂等；硫酸鹽如硫酸鋇、硫酸鎂；磷酸鹽如磷酸鈣、磷酸鎂1.2反滲透的流變學(xué)模型反滲透海水淡化過程中，形成以上礦物無機垢的直接成因是膜截留作用導(dǎo)致的濃差極化，溶質(zhì)或粒子在膜表面的濃度（C式中的CA.H.Taheri等式中的π向原料液中注入NaCl后，反滲透的滲透壓增加，為保持相同的通量，需提供更高的壓力，此時J式中下標(biāo)“s”表示注入鹽后的參數(shù)，滲透壓的計算方法詳見文獻(xiàn)由式（7）和式（8）可得式（9）。濃差極化影響膜過程的傳質(zhì)，S.Lee等層流：湍流：式中的u為膜面流速；v為運動黏度；D為溶質(zhì)擴散系數(shù)；d此外I.Sutzkover等式中的（J1.3膜層阻力的計算圖3是濃差極化與膜過濾總阻力組成示意圖，濃差極化導(dǎo)致膜表面離子濃度升高，當(dāng)達(dá)到飽和或過飽和狀態(tài)時，微溶鹽即結(jié)晶析出，逐漸形成無機垢。在反滲透法海水淡化過程中，無機垢會在膜表面沉積或進入膜孔內(nèi)其中，膜層阻力（R式中的n不可壓縮的無機垢層阻力（R式中的K′為常數(shù)，值為5；ε當(dāng)無機垢顆粒進入膜孔后，會導(dǎo)致膜孔孔徑減小或直接堵塞膜孔，此時膜孔內(nèi)阻力（R值得注意的是，雖然濃差極化可以使膜表面濃度升高，并對傳質(zhì)產(chǎn)生影響，但過濾一旦停止，濃差極化層也隨之消失，即膜污染不包含濃差極化，在濃差極化層中傳質(zhì)已在前面的內(nèi)容進行討論。但是反滲透海水淡化過程中的濃差極化現(xiàn)象的確使膜表面形成鹽濃度較高的流層，并阻礙傳質(zhì)，而且可進一步導(dǎo)致膜的無機結(jié)垢，從而對傳質(zhì)過程產(chǎn)生影響。1.4膜表面沖洗劑降低進入反滲透系統(tǒng)海水中成垢離子的濃度是通過緩解膜表面濃差極化而實現(xiàn)控制無機結(jié)垢的有效方法，納濾膜對水中二價離子有良好的截留作用F.Macedonio等A.S.Al-Amoudi等除納濾之外，添加化學(xué)藥劑如Ca(OH)無機結(jié)垢通常出現(xiàn)在膜組件末端膜元件的膜孔內(nèi)、膜表面，影響膜過程的傳質(zhì)。對膜表面進行沖洗，可在水流的作用下沖刷膜表面黏附不牢固的無機結(jié)垢，以減緩更多無機結(jié)垢的形成。而反沖洗則以反向的流體沖刷膜孔內(nèi)及膜表面的無機垢，定期反洗是一種有效的抑制無機垢的措施，為了更好地減緩無機結(jié)垢的形成，往往采取添加檸檬酸、草酸、次氯酸鈉或氫氧化鈉的加強反洗2膜表面無機垢的形成原因。在壓力、分級、清洗、清洗、清洗、清洗、清洗、清洗、清洗、清洗、清洗、清洗、清洗、清洗、清洗、清洗、清洗、清洗、反滲透海水淡化鑒于反滲透海水淡化過程中無機垢的形成過程，用于評估反滲透膜污染程度的結(jié)垢監(jiān)測是多種多樣的。對無機結(jié)垢的監(jiān)測有助于提前采取措施（調(diào)整預(yù)處理、適時膜清洗），以降低膜污染、減少膜的損壞，從而為反滲透系統(tǒng)的長期運行提供保障直觀的監(jiān)測參數(shù)有壓力、流量、電導(dǎo)率等，以及以破壞膜為代價的掃描電鏡、透射電鏡等，然而通過這些方法無法知曉反滲透海水淡化過程中膜表面的細(xì)微改變，這對膜表面無機垢形成的初期階段的檢測與預(yù)防也是較為困難的。因此應(yīng)當(dāng)提升對反滲透膜無機結(jié)垢的監(jiān)測水平。2.1元結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)收集無機結(jié)垢觀測器實現(xiàn)了膜表面無機垢的形成過程可視化另一種可以實現(xiàn)觀測膜表面無機垢形態(tài)的技術(shù)是光學(xué)斷層相干掃描（OCT），圖5是光學(xué)斷層相干掃描成像示意圖和以該技術(shù)觀察到的二氧化硅結(jié)垢實時圖像，光譜儀發(fā)射的光進入不同的深度，反向散射的光與原光線重新組合成干涉光譜，這樣即可收集到樣本縱深方向的數(shù)據(jù)（A向掃描）；在同一條直線上的一系列A向掃描即可形成一個二維的數(shù)據(jù)收集（B向掃描）；當(dāng)完成一個矩形區(qū)域的多個B向掃描即獲得樣品的三維圖像O.Supekar等由于反滲透系統(tǒng)運行時需要較高的操作壓力，在膜組件上開窗存在安全隱患，而且目前的海水淡化工廠中普遍使用的是卷式膜組件，在膜組件上安裝顯微鏡或采用光學(xué)掃描的方式存在一定的局限性。非侵入式模擬監(jiān)測器2.2結(jié)垢層厚度的計算超聲波在聲阻抗率不同的表面反射時，其反射聲壓的振幅是有所差異的。對于特定的介質(zhì)，其聲阻抗是固定的，把介質(zhì)這種特性關(guān)聯(lián)到膜無機結(jié)垢的超聲監(jiān)測時，若超聲反射波的振幅發(fā)生變化，即可認(rèn)為膜表面形成了沉積層。通過向未發(fā)生膜結(jié)垢（水/膜界面）和已發(fā)生膜結(jié)垢（水/污染層）的表面發(fā)射超聲波，采集因結(jié)垢而導(dǎo)致的超聲波反射時間和波形的差異數(shù)據(jù)，可以計算得出結(jié)垢層的厚度。在目前被廣泛使用的卷式反滲透膜組件中，超聲時域技術(shù)能實時監(jiān)測來自膜組件內(nèi)反射聲波的振幅和聲強，對反滲透過程中CaSO超聲波時域反射技術(shù)能夠?qū)崟r在線監(jiān)測膜表面的濃差極化、污染層厚度、污染層緊實程度等，并可以與傳統(tǒng)膜性能監(jiān)測進行良好的關(guān)聯(lián)，此技術(shù)被認(rèn)為是非常有發(fā)展前景的膜無機污染無損監(jiān)測工具。2.3nyquest圖的監(jiān)測另一種膜結(jié)垢無損監(jiān)測技術(shù)是電阻抗圖譜，在測試樣品兩側(cè)輸入一系列已知頻率（ω）和振幅（i阻抗為復(fù)數(shù)，可以用Nyquist圖的形式以實部（Z除上述膜無機結(jié)垢實時監(jiān)測方法，質(zhì)子核磁共振3納濾技術(shù)在海水淡化工作中的應(yīng)用本研究的第一部分對反滲透法海水淡化過程中常見無機垢的相關(guān)研究分別進行了介紹，這些研究對于認(rèn)識無機垢的形成有非常重要的幫助，然而在實際生產(chǎn)過程中，海水中存在多種成垢離子，無機垢不可能以單一組分存在，即多種無機垢并存，雖然它們的含量不同，但是彼此間存在著一定的相互作用。在研究單一組分結(jié)垢的基礎(chǔ)上，對于多組分體系中無機垢的研究，可進一步揭示多組分無機垢在形成過程中各種離子間相互作用，以及這些離子與膜、操作條件的關(guān)系。多組分無機垢形成過程的研究對于有針對性地選擇無機垢的預(yù)處理措施具有更加重要的意義，采用最少的工藝手段消除更多無機垢的影響是最好的效果，增加多種工藝手段會實現(xiàn)較好的無機垢處理效果，但是預(yù)處理措施的經(jīng)濟性將變差，因此增強研究的針對性才能更好地指導(dǎo)實際生產(chǎn)。同時對于不同地域的海水，無機垢的種類和含量有較大區(qū)別，對于含有特殊無機垢成分的海水往往會增加預(yù)處理的難度，通常的無機垢和特殊無機垢組成成分的相互作用使問題復(fù)雜化，預(yù)處理過程中需要特別關(guān)注。無機垢的形成是十分復(fù)雜的過程，受到溫度、壓力、進水組成、操作條件等多方面的共同影響。海水中的雜質(zhì)包括大分子有機物、懸浮顆粒、膠體、微生物等，這些雜質(zhì)與無機垢相互交聯(lián)締結(jié)，形成頑固的膜污染。其中腐殖酸（HA）對CaSO在海水淡化工廠中抑制無機結(jié)垢形成的方法主要有兩方面：（1）針對成垢離子去除的預(yù)處理措施，（2）防止膜表面結(jié)垢的添加阻垢劑。添加化學(xué)藥劑（pH調(diào)節(jié)劑、阻垢劑）對于無機垢的形成有一定的抑制作用，但是在海水水質(zhì)較差時，需投加的藥劑量較大，這一方面使海水淡化成本增加，另一方面對環(huán)境也存在潛在的危害。成垢離子是海水中固有存在的，納濾技術(shù)可以除去海水部分Ca隨著反滲透技術(shù)的發(fā)展，對于反滲透膜表面無機結(jié)垢的監(jiān)測方法也越