浅谈高效反渗透技术

参考文献
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题
目：浅谈高效反渗透技术
内容提要：本文针对对常规反渗透运行出现的问题与现状，分析了系 统稳定运行的影响因素，提出高效反渗透（HERO）技术，详细介绍了 HERO 的工艺流程，以及高效反渗透相对于常规反渗透的技术优势， 同时分析了应用 HERO 工艺的问题与对策。
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摘要：本文针对对常规反渗透运行出现的问题与现状，分析了系统稳定运行的影 响因素，提出高效反渗透（HERO）技术。本文详细介绍了 HERO 的工艺流 程，对比介绍了高效反渗透相对于常规反渗透的技术优势，同时分析了应 用 HERO 工艺的问题与对策。 关键词：高效反渗透；膜污染 1 引言 反渗透是采用膜分离的水处理技术。随着膜科学研究和制造工艺的进步，反 渗透水处理技术得到了迅速发展[1]。反渗透技术具有无相变、组件化、流程简单、 操作方便、占地面积小、投资省、耗电低等优点[2]，在海水苦咸水淡化、锅炉水处 理、纯水制备、食品、制药用水及废水处理方面有广泛的应用[3]。利用反渗透技术 对水进行深度处理具有极高的实用价值，所以反渗透水处理技术在许多大中型系 统中应用广泛。 但是反渗透膜的污染和劣化始终是制约该技术发展的瓶颈之一[4,5]。 导致反渗透膜的污染和劣化的原因主要来自于水中的杂物，由于各地水源水质不 同，所采用的预处理工艺方法也不尽相同，所以反渗透的污染物各不相同，常见 的污染有：胶体污染、生物污染、化学结垢及颗粒污堵[6]。 2 反渗透系统稳定运行的影响因素 2.1 原水水质 为了避免堵塞反渗透膜，原水应经预处理，以消除水中的悬浮物，降低水的 浊度；此外，还应进行杀菌，以防微生物在反渗透膜内滋长。 (1)悬浮物的多少是水质好坏的一个指标，如果悬浮的物质多，就会在反渗透 的膜上沉积，阻碍膜的透水率，使膜孔受堵而不能正常工作。 (2)反渗透给水中的微生物种类很多，包括细菌、藻类、真菌及其芽孢、孢子 和病毒。水中有机物一般是微生物的饵料，因此含有微生物和有机物的水进入反 渗透装置后，由于水的浓缩，膜浓水侧表面有机物和微生物浓度同时增加，所以 微生物繁殖较快。微生物在具有有机物和无机物的营养环境下进行新陈代谢产生 的生物粘泥的粘附力较强，难以用水冲走，这就会造成反渗透膜的生物污堵[7]。还 有些微生物的大量繁殖会寄生在反渗透膜表面，同样会堵塞膜孔[8]。 2.2 温度 一般反渗透膜的适用温度范围为 5~45℃。适当地提高水温，有利于降低水的 粘度，增加膜的透过速度。通常在膜的允许适用温度范围内，水温每增加 1℃，水 的透过速度约增加 2%。膜材料不同，最高允许适用温度不同。若水温超过最高允
许温度，应采取降温措施，如设置冷却装置；当水温太低时，应采取加热措施， 如蒸汽加热、电加热等。 2.3 操作压力 为了使反渗透得以进行，所加压力必须使膜侧的压力差大于其渗透压差。
F=W(△p-△π ) (2.1)
式中 F 为反渗透水的通量；W 为渗透系数；△P 为膜两侧的压力差，即在盐 水侧外加的压力；△π 为两侧的渗透压差。操作压力的选择取决于原液的浓度， 还取决于膜的的透水性和水的回收率。操作压力的提高会使产水量增大，但压力 过大又会因膜道压力而使透水量下降。 2.4 浓差极化 在反渗透过程中， 膜表面浓度到主体溶液浓度形成梯度边界层， 即浓差极化。 随着膜表面的浓度升高成过饱和液， 有些盐分如硫酸钙、 硫酸镁等等会慢慢析出， 出现了晶核并开始成长，逐渐的形成面或螺状态。逐渐长大的晶体在膜的表面形 成坚固水垢堵塞膜孔，从而降低了产水效率。 3 HERO 工艺 高效反渗透（high efficiency reverse osmosis，简称 HERO）技术是在常规反渗 透技术基础上发展起来的一种新的反渗透技术。HERO 技术的核心工艺原理是： 采用离子交换去除水中的硬度，将水中碳酸盐和重碳酸盐转化为二氧化碳而去除， 再利用反渗透除盐。 HERO 技术的特点是： 预处理去除全部的硬度和部分碱度后， 反渗透在高 pH 条件下运行。 反渗透在高 pH 条件下运行，硅主要是以离子形式存在，不会污染反渗透膜并 可通过反渗透去除；而水中的有机物在高 pH 条件下皂化或弱电离，微生物在高 pH 下不会繁殖，这样就可以避免膜的有机物污染和生物污染；既节省了大量的酸 碱，又使反渗透的回收率提高到 95%以上。它克服了单纯离子交换和反渗透各自 的缺点，结合了离子交换和反渗透各自的优点。 HERO 工艺的简单流程见图 1。
图 2 不同 pH 下 SiO2 的校正系数
由表 1 和图 2 可得出 SiO2 溶解度与 pH 值的关系，如图 3 所示。
图 3 SiO2 溶解度与 pH 值的关系
由式(5.1)、表 1、图 2 及图 3 可知，HERO 浓水温度 30℃、pH 值 10.0 时 SiO2 溶解极限值可达 524.4mg/L，可见反渗透浓水中硅的结垢极限浓度随着 pH 值升高 得到明显的提高。 相比之下， 常规反渗透装置在进水 pH 值 7.0、 温度 30℃时运行， 浓水的硅结垢极限浓度只有 138mg/L 左右。 由此分析可知，在高 pH 条件下运行，可以很好的避免反渗透膜的硅垢污染， 因此，HERO 工艺特别适合对高含硅量的水的处理。特别适用于处理高含硅量的 水。 6 结论与建议 高效反渗透技术特别适用于高含硅量水的除盐处理，但后续反渗透的正常稳 定运行与预处理系统的硬度去除率密切相关，必须保证弱酸氢型阳离子交换器的 稳定运行。一旦有残余硬度进入反渗透系统，则其结垢风险将大大增加。因此， 从运行管理上，应严格保证弱酸阳离子交换器的稳定运行。另外，RO 的高 pH 运 行，能将硅和有机物保持为溶解状态，这样，膜的清洗频率就比较低。每年仍需 要对 HERO 系统进行维护保养性清洗，保证反渗透装置安全、高效运行，提高服 务年限。
图 1 HERO 的工艺流程图
3.1 悬浮固形物的去除 为了满足反渗透装置对进水浊度和 SDI 的要求，常在预处理系统中设置多层 滤料过滤器、微滤和超滤等深度过滤装置。多层滤料过滤器又称多介质过滤器，
常用无烟煤和石英砂所组成的双层滤料过滤器；微滤器又称微孔过滤器、精密过 滤器，孔径范围 0.01~350 m，在此范围内有 30 余种孔径规格，以满足不同过滤 精度的需要；超滤器的过滤精度用截留分子量表示，其值一般在 500~500000 道尔 顿，相应孔径近似为（20~1000）×10-10m。 3.2 硬度的去除 水的硬度是指水中多价金属离子的浓度，对天然水体来说，主要是钙离子和 镁离子，其他多价金属离子很少，所以通常称水中钙离子和镁离子之和为硬度， 它在一定程度上表示了水中结垢物质的多少。反渗透膜过滤时，水中绝大部分盐 类保留在浓水中，导致浓水含盐量上升。盐类的这种浓缩是反渗透装置结垢的主 要原因。反渗透装置结垢的物质主要是难溶化合物，最常见的有是 CaCO3，其次 是 CaSO4、BaSO4、SrSO4、硅酸化合物（以 SiO2 表示）和 CaF2 等。因此，硬度离 子的去除对提高反渗透装置的效率是至关重要的。 在 HERO 工艺中，采用弱酸氢离子交换树脂，去除水中的碳酸盐硬度和部分 的碱度。 由于出水呈弱酸性， 因此水中的碳酸化合物全部以游离 CO2 的形式存在。 3.3 二氧化碳的去除 CO2 气体在水中的溶解度服从于亨利定律， 即在一定温度下气体的溶解度与液 面上该气体的分压成正比。当水中 CO2 浓度超过了它在该分压下的溶解度，它就 会从水中析出，所以，只要降低与水相接触的气体中的 CO2 的分压，溶解于水中 的游离 CO2 便会从水中解吸出来，从而将水中的游离 CO2 除去。降低 CO2 气体分 压以提高水中 CO2 析出速度的方法：一是在除碳器中鼓入空气，使水中 CO2 尽快 与空气中 CO2 达到平衡，即大气式除碳；另一办法是从除碳器的上部抽真空，降 低水的沸点，即为真空式除碳。为了提高脱气效果，还可用氮气解吸水中气体[7]。 3.4 反渗透装置在高 pH 值条件下运行 采用氢氧化钠调节 pH 到 10.0 左右，但不能超过 11.0，因为反渗透膜适用的 pH 范围最高为 11.0，超过此 pH 范围，会导致反渗透膜的水解而丧失选择性透过 能力，造成永久性破坏。 4 高效反渗透的技术优势 4.1 防垢性能好 难溶性金属盐类在 RO 系统中的结垢倾向是由原水的水质特点和特定的一些 组分和离子含量的高低来决定的，因为反渗透过程相当于对盐分的一个浓缩过程， RO 系统按 75％的回收率运行时，理论上原水被浓缩 4 倍，在这种情况下，难溶性 金属盐类将在浓水段达到饱和，从而在末端（或 RO 二段）的膜表面会析出，沉积 和结垢，导致 RO 系统性能下降，甚至损坏膜元件。
温度/℃ SiO2 溶解度(mg/L)
[9]
，如表 1 所示。
25 128 30 138 35 148
表 1 温度与 SiO2 溶解度的关系 3 10 15 20 85 96 106 118
SiO2 溶解极限值与溶解度有如下关系：
[SiO2 ]lit [SiO2 ]t
(5.1)
式中： [SiO2]lit 为 SiO2 溶解极限值； [SiO2]t 是与温度有关的溶解度(表 1)； 是 与反渗透浓水 pH 值有关的校正系数(图 2)。当 pH 值大于 8 后，校正系数 pH 值的 增加而增加(图 2)，也即 SiO2 的溶解度也随 pH 值的增加而增加。
HERO 工艺中反渗透膜的防垢是通过预处理系统来实现的，即在预处理系统 中首先是去除硬度至非常低的水平，所以能在高 pH 条件运行，若采用弱酸阳离子 交换，其树脂不仅去除所有的硬度，还能交换出水中的多价阳离子，如铯、钡、 铝、铁——这些离子的存在会引起膜的结垢，这样就可以有效防止膜污堵。没有 污堵就意味着膜的通量可以很高。 4.2 抗有机物污染强 在高 pH 条件下， 水中的脂肪酸皂化——形成如肥皂般物质有助于清洗膜表面； 有机物溶解在水中，不会附着在膜上。通常清洗 RO 膜的有机物污染是采用高 pH 的溶液进行清洗。高效反渗透的运行相当于一直在进行稀溶液的清洗，避免了常 规反渗透因有机物粘泥而所需的后续化学清洗工序。 4.3 抗生物污染强 在高 pH 的条件下，大多数生物（细菌、孢子等）被“溶解”或遭破坏，没有遭 破坏的生物也不能正常繁殖。生物由于进水与浓水之间巨大的浓度变化而遭破坏， 由此产生的渗透压变化使微生物的细胞壁破裂。 4.4 HERO 工艺允许给水中含有少量的油和油脂。 HERO 系统在高 pH 值下运行，油和油脂会发生皂化反应，在膜表面形成清洗 作用，从而不会使油和油脂污染膜。 5 高效反渗透技术的适用范围 反渗透膜表面结垢会使能耗增加,膜使用寿命下降，设备需要经常清洗，结垢 严重时还会使设备无法正常工作。硅垢是反渗透过程中最难处理的垢型。在反渗 透处理水过程中硅垢通常以难溶盐形式、聚合态或无定型态形式存在存在。最终 成垢形式取决于 pH、温度及其它离子的存在类型等多种因素。硅垢一旦形成后， 很难去除。预防硅垢的办法很多，最简单的办法是使成垢离子的浓度维持在临界 浓度以下。 SiO2 的溶解度随温度升高而增大