基于低壓膜的海水淡化方法研究

基于低壓膜的海水淡化方法研究

抗旱蝕鹽去除技術(shù)是應(yīng)用最廣泛的抗旱蝕鹽技術(shù)之一。低壓膜價(jià)格較低、操作壓力低，能截留大部分高價(jià)鹽，對(duì)于水質(zhì)要求不高的領(lǐng)域，利用低壓膜對(duì)海水進(jìn)行脫鹽處理，有利于降低成本1實(shí)驗(yàn)部分1.1膜nf293-2430采用某公司特制的聚酰胺低壓反滲透膜（LPRO）及納濾膜NF90-2540和NF270-2540（分別簡(jiǎn)記為“NF90”和“NF270”），其中LPRO膜允許最大進(jìn)水壓力為5.5MPa，有效膜面積為8.4m1.2反滲透預(yù)處理流程實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。實(shí)驗(yàn)采用4支低壓膜串聯(lián)，通過(guò)調(diào)節(jié)管道間的閥門，實(shí)現(xiàn)1～4支膜串聯(lián)。原海水先經(jīng)過(guò)保安過(guò)濾器（過(guò)濾精度2μm，聚丙烯材質(zhì)）和超濾進(jìn)行預(yù)處理，將預(yù)處理后海水經(jīng)過(guò)高壓泵進(jìn)入低壓膜組件，系統(tǒng)運(yùn)行30min后取水樣分析，而后透析液進(jìn)入產(chǎn)水儲(chǔ)槽，濃水進(jìn)入濃水儲(chǔ)槽。實(shí)驗(yàn)以膜通量和產(chǎn)水水質(zhì)為指標(biāo)，設(shè)計(jì)了以進(jìn)料流量、進(jìn)料壓力、進(jìn)料溫度、海水含鹽量和膜支數(shù)為變量的實(shí)驗(yàn)，選取NF270、NF90及LPRO探究低壓膜淡化海水的效果。1.3顆粒雜質(zhì)的提取實(shí)驗(yàn)取福建泉州某海域的海水。原海水經(jīng)過(guò)保安過(guò)濾器除去水中的大顆粒雜質(zhì)，然后再通過(guò)超濾系統(tǒng)除去絕大部分剩余的顆粒物、絕大部分有機(jī)物。預(yù)處理后海水無(wú)嗅，色度<5mg/L,pH為7.33，濁度<1NTU,TDS的質(zhì)量濃度34.90g/L,NH1.4分析Cl式中，V為透過(guò)液的體積，A為膜的有效面積，t為操作時(shí)間；q2結(jié)果與討論2.1mpa對(duì)脫鹽性能的影響以超濾后海水為膜系統(tǒng)進(jìn)水原料，根據(jù)膜的特性，選定的3支膜以適宜的溫度和流量為進(jìn)料條件，考察了進(jìn)料壓力（3.4～4.2MPa）對(duì)于脫鹽性能的影響，結(jié)果如圖2～圖3和表1所示。由圖2可知，隨著進(jìn)料壓力的增加，海水膜通量在3種膜下近似成直線增加，但NF270膜的膜通量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于LPRO和NF90膜，超過(guò)99L/(m由表2和圖2、圖3可知，在實(shí)驗(yàn)操作壓力范圍內(nèi)，LPRO脫鹽效果優(yōu)于NF90和NF270膜。LPRO膜對(duì)于海水中Cl2.2進(jìn)料流量對(duì)膜通量的影響以超濾后海水為膜系統(tǒng)進(jìn)水原料，根據(jù)膜的特性，選定的3支膜以適宜的壓力和溫度為進(jìn)料條件，考察了進(jìn)料體積流量（270～840L/h）對(duì)于單支膜脫鹽性能的影響，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，3種膜的膜通量隨著進(jìn)料流量增大而增大，其中LPRO膜通量受進(jìn)料流量的影響最小，但其膜通量最小。當(dāng)進(jìn)料體積流量由360L/h增加到840L/h,LPRO膜通量從17.17L/(m由圖4還可知，隨著進(jìn)料流量的增大，產(chǎn)水TDS含量逐漸降低，海水脫鹽率逐漸上升，且脫鹽率大小順序?yàn)椋篖PRO>NF90>NF270。進(jìn)料流量的增大，增大了膜表面的流動(dòng)速度，從而降低了膜表面的鹽含量，使得膜兩側(cè)的有效壓差增大，產(chǎn)水脫鹽效果變好。當(dāng)進(jìn)料體積流量大于420L/h時(shí)，LPRO膜產(chǎn)水TDS的質(zhì)量濃度小于1.5g/L，達(dá)到城市雜用水TDS含量的標(biāo)準(zhǔn)。2.3進(jìn)料溫度的影響以超濾后海水為膜系統(tǒng)進(jìn)水原料，根據(jù)膜的特性，選定的3支膜以適宜的壓力和和流量為進(jìn)料條件，考察了進(jìn)料溫度（20～38℃）對(duì)于脫鹽性能的影響，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，NF270膜通量與進(jìn)料溫度呈正相關(guān)，而其余2支膜的膜通量受進(jìn)料溫度影響不大，但3支膜產(chǎn)水TDS含量都隨著進(jìn)料溫度的增加而增加，產(chǎn)水水質(zhì)變差。原因是溫度影響膜表面高分子功能層的膨脹以及流體的粘度，從而對(duì)溶劑和溶質(zhì)的擴(kuò)散具有重要影響。溫度越高，高分子鏈活躍，膜孔徑變大，膜對(duì)溶質(zhì)的脫除效果變差，海水中主要離子透過(guò)率變高，產(chǎn)水TDS含量增大。根據(jù)Stokes-Einnstein的溶質(zhì)及溶劑的擴(kuò)散系數(shù)公式，隨著溫度的升高，其擴(kuò)散系數(shù)增大，擴(kuò)散作用增強(qiáng)。由于膜孔徑和擴(kuò)散這2方面的共同作用，導(dǎo)致膜通量隨著溫度的升高而呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)且脫鹽效果變差。2.4nf270膜通量下降以不同溶質(zhì)含量的海水為膜系統(tǒng)進(jìn)水原料，根據(jù)膜特性，選定的三支膜以適宜的壓力、流量和溫度為進(jìn)料條件，考察了海水含鹽量對(duì)脫鹽性能的影響，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，膜通量隨著海水含鹽量的升高而迅速下降，且NF270膜通量下降最為明顯。原因是海水中溶質(zhì)含量的升高導(dǎo)致進(jìn)料原料滲透壓的增大，相同壓力下，有效推動(dòng)力減少，且溶質(zhì)的增加導(dǎo)致濃差極化影響變大，從而導(dǎo)致膜通量下降。而由于NF270膜孔徑最大，較易造成污染，故膜通量減少趨勢(shì)最大。由圖6還可知，隨著海水含鹽量增大，產(chǎn)水TDS含量呈上升趨勢(shì)，且NF270膜變化最明顯。主要原因?yàn)槿芤蝴}含量較高，不僅提高降低膜的電荷效應(yīng)，還導(dǎo)致膜邊界層中的離子含量逐漸增加，極易形成含量極化，使溶液的傳質(zhì)推動(dòng)力增加，透過(guò)液中溶質(zhì)含量增加，使得鹽的透過(guò)量增加，產(chǎn)水TDS含量增大。2.5進(jìn)料壓力對(duì)膜串聯(lián)率的影響實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中單支膜不能滿足所需產(chǎn)水量，多支膜串聯(lián)的使用是增大回收率的重要手段。在反滲透系統(tǒng)中，不同排列方式的膜具有不同的處理效果，膜串聯(lián)數(shù)量也是影響膜性能的一個(gè)重要因素。綜合考慮脫鹽效果的優(yōu)異性，選定LPRO膜，在給水溫度為25℃、進(jìn)料體積流量為720L/h的條件下，探究不同數(shù)量膜串聯(lián)，在進(jìn)料壓力為3.4～4.2MPa，其膜通量、回收率及產(chǎn)水TDS的影響，結(jié)果如圖7和圖8所示。由前述可知，膜通量與海水含鹽量呈負(fù)相關(guān)，產(chǎn)水TDS含量隨著海水含鹽量的增加而增加。多支膜串聯(lián)使后面膜的進(jìn)料溶質(zhì)溶度逐漸增大且進(jìn)料流量變小，從而膜通量逐漸減少且速率逐漸趨于平穩(wěn)，產(chǎn)水TDS含量逐漸增大，但回收率大大增加。由圖7和圖8可知，在進(jìn)料壓力為4MPa時(shí)，當(dāng)膜串聯(lián)數(shù)量由1支增加到4支時(shí)，產(chǎn)水回收率由21.44%增加到46.67%。膜串聯(lián)數(shù)量相同時(shí)，隨著進(jìn)料壓力增加其膜通量呈上升趨勢(shì)，產(chǎn)水TDS含量逐漸減少。相同進(jìn)料壓力下，膜通量隨著膜數(shù)量的增加而降低，產(chǎn)水TDS含量增大。當(dāng)進(jìn)料壓力為4MPa、4支膜串聯(lián)時(shí)，水回收率為46.7%，但膜通量減小到10L/(m2.6o組成膜組件處理實(shí)驗(yàn)以福建泉州某海域海水為原料，經(jīng)過(guò)由單支LPRO組成膜組件處理，在進(jìn)料壓力4MPa、原水體積流量720L/h、進(jìn)料溫度25℃時(shí)，其產(chǎn)水回收率為22.4%，膜通量也達(dá)到18.31L/(m3膜脫鹽效果評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)LPRO、NF90和NF2703種不同的低壓膜對(duì)海水淡化性能的比較，結(jié)果表明，NF270膜脫鹽效果差，其產(chǎn)水TDS含量遠(yuǎn)高于城市雜用水水中TDS含量的要求，LPRO膜脫鹽效果略優(yōu)于NF90膜，其海水中主要離子截留效果也略勝于NF90膜，海水膜通量相近，產(chǎn)水TDS含量也達(dá)到GB/T18920-2002城市雜用水標(biāo)準(zhǔn)。因此，綜合考慮LPRO膜更適合于海水低壓淡化。利用選定的LPRO膜進(jìn)行海水低壓淡化實(shí)