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RO反滲透設備設計依據

2010-11-22

  反滲透納濾基礎知識

  膜分離:

  物質世界是由原子、分子和細胞等微觀單元構成的,然而這些很小的物質單元總是雜居共生,熱力學第二定律揭示了微觀粒子都會傾向于無序的混合狀態。膜分理技術得基礎是分離膜。分離莫是具有選擇性透過性的薄膜,某些分子(或微粒)可以透過薄膜,而其他的則被阻隔。這種分離總是依賴于不同的分子(或微粒)之間的某種區別,最簡單的區別就是尺寸大小,三維空間之中,什么都有大上巨細而膜有孔徑。

  全量過濾:

  全量過濾也稱為直流過濾、死端過濾、與常規的濾布過濾相似,被處理物料進入模組件,等量透過液流出模組件,截流物留在模組件內。為了保證膜性能的可恢復性,必須及時從模組件內卸載截留物,因此需要定時反沖洗(過濾的反過程)等措施來去除膜面沉積物、恢復膜通量。模組件污染后不能拆開清洗,通常使用在線清洗方式(CIP)超濾/微濾水處理過程一般采用全量過濾模式。

  錯流過濾

  被處理料液以議定的速度流過膜面,透過液以垂直方向透過膜,同時大部分截留物被濃縮液夾帶出模組件。錯流過濾模式減小了膜面濃度極化層的厚度,可以有效降低膜污染,反滲透、納濾均采用錯流過濾方式。

  膜系統 :

  膜系統是指膜分離裝置單元。壓力驅動膜系統主要由預處理系統、升壓泵、模組件(壓力容器和膜元件)、管道閥門和控制系統構成。

  膜污染:

  各種原水中均含有一定濃度的懸浮物和溶解性物質。懸浮物主要由無機顆粒物、膠體和微生物、藻類等生物性顆粒。溶解性物質主要是易溶鹽(如氯化物)和難溶鹽(如碳酸鹽、硫酸鹽和硅酸鹽)。再反滲透過程中,進水的體積在減少,懸浮物和溶解性物質的濃度在增加。懸浮顆粒會沉積在膜上,堵塞進水流道、增加摩擦阻力(壓力降)。難溶鹽會從濃水中沉淀出來,在磨面上形成結垢,降低RO膜的通量。這種在膜面上形成沉積層的現象叫膜污染,膜污染是膜系統性能的劣化。

  反滲透/納濾基本原理:

  半透膜:

  是具有選擇性透過性能的薄膜。當液體或氣體透過半透膜時,一些組分透過,而另外一些組分被截留。實際上半透膜對任何組分都有透過性,只是透過的速率相差很大。在反滲透過程中,溶劑(水)的透過速率遠遠大于溶解在水中的溶質(鹽分)。通過半透膜實現了溶劑和溶質的分離,得到純水以及濃縮的鹽溶液。

  滲透:

  是當流體在跨越半透膜屏障時的一種自然過程。如果將一箱純水用一張半透膜垂直分為兩部分,純水于理想的半透膜的兩面以相同的溫度和壓力接觸,在這樣的條件下沒有跨越半透膜的水的流動產生,因為在膜兩側的化學勢完全相等。如果在其中一側加入溶解性鹽,鹽溶液一邊的化學勢降低了。純水便會向鹽溶液一側滲透,從而產生一個滲透流,直到化學勢的平衡重新建立為止。

  滲透壓:

  按照科學術語在半透膜的兩側存在一個‘化學勢’(離子或溶解分子的濃度差)的差值,通過溶液的滲透過程對化學勢差進行補償。當平衡重新建立時,在半透膜的兩側形成一個水位差即靜壓差,這個壓力差便是滲透壓。滲透壓是溶液本生的性質,取決于溶液濃度,于半透膜沒有關系。

  滲透壓與溶質濃度之間的關系為:

  Posm = 1.19 (T + 273) * Σ(mi) (1)

  其中Posm=滲透壓(psi),T為溫度(℃), Σ(mi)是溶液中所有溶質的總摩爾濃度。TDS為1000ppm的水溶液的近似滲透壓約為11 psi (0.76 bar)。

  反滲透

  在圖-6a的箱子中,水通過滲透作用流向鹽溶液一側,直到達到新的平衡建立。在鹽溶液一邊施加一個額外的壓力與滲透壓相等,原有的平衡會受到影響(圖-6b)。外加壓力將會使鹽溶液一邊的化學勢增加,使溶劑流向純水一邊。這種現象便是反滲透。反滲透過程的驅動力是外加壓力,反滲透分離所需能量與溶液的難度直接相關。因此,從鹽溶液中生產同樣體積的水,鹽的濃度越高,所需能耗也越高。

  圖-6 反滲透原理

  對于反滲透過程分離水和鹽的機理還沒有一個公認的統一解釋。目前一般推薦兩種傳遞模型:毛細孔流模型和溶解擴散模型。水通過膜有兩種方式,一種是通過膜上存在的孔,另外一種是通過膜中的分子節點之間的擴散。根據理論,膜的化學性質是,在固液界面上水優先吸附并通過,鹽被截留。水與膜表面之間有弱的化學結合力,使得水能夠在膜的結構中分散。膜的物理和化學性質決定了在傳遞過程中水比鹽的優先地位。

  水的傳遞

  水通過半透膜的速率由方程(2)確定。

  Qw = ( ΔP - ΔPosm) × Kw × S/d (2)

  其中

  Qw為蘇水透過膜的速率,ΔP為膜兩側壓力差,ΔPosm為膜兩側的滲透壓差,Kw為膜的純水滲透系數,S為膜面積。(2)式通常被簡化為:

  Qw = A × (NDP) (3)

  其中

  A為膜常數,NDP為跨過膜的水傳質凈驅動壓力或凈驅動力。

  鹽的傳遞

  透過膜的鹽流量定義為:

  Qs = ΔC × Ks × S/d (4)

  其中Qs為膜的透鹽量,Ks為膜的鹽滲透系數,ΔC為膜兩側鹽濃度差,S為膜面積,d為膜厚度。該方程可簡化為:

  Qs = B×(ΔC) (5)

  其中B代表膜常數,ΔC為鹽傳質驅動力。

  從方程(4)和(5)可以看出。對于一個已知的膜來說:

  ● 膜的水通量與總驅動壓力差成比例;

  ● 膜的透鹽量與膜兩側的濃度差成比例,與操作壓力無關。

  透過液的鹽濃度Cp,取決于透過反滲透膜的鹽量和水量的比:

  Cp = Qs/Qw (6)

  膜對水和鹽的傳質系數不同,所以才有脫鹽率。沒有什么理想的膜具有對鹽完全的脫除性能,實際上是傳質速率的差別早就了脫鹽率。方程(2)、(4)和(5)給出了設計反滲透系統必須考慮的一些主要因素。比如操作壓力的增加會提高水通量,但對鹽的透過沒有影響,所以透過液的鹽度會更低。

  透鹽率

  原水中溶解性雜質透過膜的百分率,計算公式為:

  SP = 100% × (Cp/Cfm) (7)

  其中SP為透鹽率(%),Cp為透過液鹽濃度,Cfm為料液的平均鹽濃度。

  水通量和透鹽率的基本關系式是反滲透的基本原理?梢钥闯,透鹽率隨操作壓力增加而降低,其原因是水通量隨壓力增加,但鹽的透過速率在壓力變化情況下保持不變。

  脫鹽率

  通過反滲透膜從原水中脫除總可溶性雜質濃度或特定溶質濃度的百分率。計算公式為:

  SR = 100% - SP (8)

  其中SR為脫鹽率(%),SP為透鹽率(見7式)。

  產水-透過液

  反滲透、納濾膜的透過液為凈化水,因此也稱為系統產水。

  濃水-濃縮液

  未透過膜的溶液,原水中的溶質在其中被濃縮。在水處理反滲透系統中濃水作為廢水排出。

  回收率(轉化率)

  料液轉化為透過液的百分率;厥章适欠礉B透系統設計和運行的重要參數,計算公式為:

  R = 100%×(Qp/Qf) (9)

  其中R為回收率(%),Qp為產水流量,Qf為原水流量;厥章视绊懲耕}量和產水量;厥章试黾訒r料液側中的鹽濃度也會增加,致使透鹽量增加、滲透壓上升以及NDP降低,產水量降低。

  濃差極化比(b系數)

  膜透過水并截留鹽時,在膜表面附近會形成一個邊界層,邊界層中的鹽濃度比本體溶液濃度高,這種鹽濃度在膜面附近的增加叫做濃差極化。濃差極化會使實際的產水通量和脫鹽率低于理論估算值。濃差極化效應如下:

  膜面上的滲透壓比本體溶液中高,從而降低NDP(凈驅動壓力);

  降低水通量(Qw);

  增加透鹽量(Qs);

  增加難溶鹽在膜面上超過其溶度積形成沉淀結垢的可能性。

  濃差極化因子(CPF)被定義為膜面濃度(Cs)與本體濃度(Cb)的比:

  CPF = Cs/Cb (10)

  水通量的增加會增加離子向膜面的輸送量,從而增加Cs。料液流速的增加加劇了紊流效果,減少了膜面高濃度層的厚度。因此CPF與透過通量(Qp)成正比,與平均料液流量(Qfavg)成反比:

  CPF = Kp×exp(Qp/ Qfavg) (11)

  其中Kp是取決于系統結構的比例常數。料液平均流量采用料液和濃縮液的算術平均數,CPF可以表達為膜元件透過液回收率(r)的函數:

  CPF = Kp×exp[2R/(2-R)] (12)

  海德能推薦的濃差極化因子極限值為1.20,對于40英寸長的膜元件來說,相當于18%的回收率。

  納濾膜及其主要應用

  理想的反滲透膜只對水有透過性能,任何溶質都會被阻留。納濾膜早期稱為松散反滲透(Loose RO)膜,納濾膜可以讓部分溶質透過,根據膜和溶質的種類不同,溶質的透過率也不同。

  納濾膜的一個很大特征是膜本體帶有電荷性。這是它在很低壓力下仍具有較高脫鹽性能和截留分子量為數百的膜也可脫除無機鹽的重要原因。納濾主要應用于以下幾個介面:

  (1) 軟化水處理

  對苦咸水進行軟化、脫鹽是納濾膜應用的最大市場。

  (2) 飲用水中有害物質的脫除。

  傳統的飲用水處理主要通過絮凝、沉降、砂濾和加氯消毒來去除水中的懸濁物和細菌,而對各種溶解性化學物質的脫除作用很低。納濾膜可用于脫除河水及地下水中含有的三鹵甲烷中間體THM(加氯消毒時的副產物為致癌物質)、低分子有機物、農藥、異味物質、硝酸鹽、硫酸鹽、氟、硼、砷等有害物質。

  (3) 中水、廢水處理。

  (4) 食品、飲料、制藥行業。

  各種蛋白質、氨基酸、維生素、奶類、酒類、醬油、調味品等的濃縮、精制。

  (5) 化工工藝過程水溶液的濃縮、分離。

  3 膜性能的影響因素

  反滲透以及納濾過程的主要指標是產水通量和脫鹽率。對于一定的膜元件,產水量和脫鹽率受到給水水質條件和系統運行參數的影響,最基本的給水水質因素有含鹽量(濃度)、溫度和pH值等,運行參數有壓力、給水流量和回收率等。下面就關于對產水量和脫鹽率產生影響的各操作因子做一般論述。

  給水濃度

  濃度對產水量和截留率的影響如圖-7所示。一定壓力下當供給的原水濃度增高時,產水量就會減少。這是因為供給水的滲透壓變高,有效壓力降低的緣故。脫鹽率受濃度影響非常大。通常濃度提高,產水量就會降低的同時,脫鹽率也會降低。但是當非常低的濃度下,起初濃度增加,脫鹽率率也會稍許增加。隨后,隨著濃度的不斷增加脫鹽率就變的低下。

  圖-7 原水濃度對透水量及脫鹽率的影響

  膜元件CPA3-8040 原水濃度氯化鈉1500mg/L 操作壓力1.55MPa 溫度25℃

  溫度的影響

  溫度對脫鹽率和產水量的影響如圖-8所示。溫度變高,水的粘度降低,水的擴散性增加,產水量也隨著溫度上升而增加。在同一壓力下,溫度上升一攝氏度,產水量可增大3~4%。另一方面對于不同類型的膜,溫度對于脫鹽率率的影響的差別較大。一般來講溫度增高脫鹽率降低。這是因為溫度上升,鹽的擴散速度就會增大的原因。

  pH依存性

  進水pH值對膜分離性能有較大影響,但對于不同的膜材質和原水水質有一定差別。采用氯化鈉測試溶液, CPA3膜的pH依存性如圖-9所示。聚酰胺系列的反滲透膜是擁有氨基(-NH2)和羧基(-COOH)的兩性電荷膜。在低pH值時,膜面電位比等電點(膜電位

  圖-8 給水溫度對透水量及脫鹽率的影響

  膜元件CPA3-8040 操作壓力1.55MPa 回收率15%

  圖-9 pH對透水量及脫鹽率的影響

  CPA3-8040 原水濃度1500mg/L 操作壓力1.55MPa 回收率15% 溫度25℃

  圖-10 操作壓力對透水量及脫鹽率的影響

  膜元件CPA3-8040 原水濃度氯化鈉1500ppm 回收率15%

  圖-11 濃水流量對透水量及脫鹽率的影響

  CPA3-8040 原水濃度1500mg/L 操作壓力1.55MPa 溫度25℃

  =0)要高,氨基吸收質子(-NH2+ H+ = -NH3+),膜表面現正電性;在高pH值時,膜面電位比等電點要低,羧基失去質子(COOH = COO- + H+)表現為陰性。因為通常聚酰胺系列反滲透膜的等電點在酸性范圍,因此在中性(pH=7)附近,聚酰胺膜表現負電荷性。原水的濃度稀薄的時候,表現負電荷性的膜相對于(Cl-)陰離子比較,陽離子(Na+)的脫除率就相對降低。在高濃度,兩種離子的脫除率基本相近。對于天然水RO/NF系統,pH降低會使產水電導率升高。這是由于天然水一般都含有碳酸氫根(HCO3-),而碳酸氫根與氫離子、二氧化碳和碳酸根的平衡關系受到pH值的影響。在pH降低時二氧化碳含量增加,膜對二氧化碳沒有分離效果(進、產水中二氧化碳濃度相等),透過膜的二氧化碳會建立新的平衡,增加產水電導率。

  操作壓力

  產水量的增加與壓力成正比。由于鹽透過速率受壓力影響較小,隨著產水量增加脫鹽率會隨著操作壓力的增加而上升,大致為一定值。操作壓力對于脫鹽率和產水量的影響如圖-10所示。

  流量的影響

  濃水流量對產水量和脫鹽率的影響如圖-11所示。在壓力一定的條件下,進水流量降低時脫鹽率和產水量都會下降。這里有兩方面的原因。一方面壓力不變而進水流量降低會增加系統的濃縮倍率,提高了下游的給水濃度,滲透壓會相應提高,從而降低了凈推動壓力。同時由于降低了產水量,鹽濃度增加導致鹽透過增加,降低了脫鹽率。另一方面,降低進水流量等于膜表面線速度的降低,增加了膜表面邊界層厚度和邊界層濃度,同樣提高了滲透壓和透鹽速率。

  回收率

  回收率對產水量和脫鹽率的影響見圖-12所示。在壓力一定情況下,回收率提高,膜面的濃差極化比也提高,有效壓力則減小,最終產水量減小。同時脫鹽率也降低。和上面提到的流量的影響相同。膜系統回收率的限制來自于兩個方面,一個是存在滲透壓的影響,另外一個同原水水質也密切相關;厥章试龈邥r,溶解于溶液中的鹽呈過飽和狀態,會有鹽及其它溶質析出在膜面沉淀、結垢的可能,會對膜性能帶來很大的危害。

  圖-12 回收率對透水量及脫鹽率的影響

  CPA3-8040 原水濃度氯化鈉1500mg/L 操作壓力1.55MPa 溫度25℃

  溫度

  溫度是一個十分關鍵的設計參數。給水泵壓力、各段產水量平衡、淡水水質及難溶鹽的溶解度等各個設計參數均與溫度密切相關。作為一種粗略算法:給水溫度每降低10華氏度,給水泵壓力則需增加15%。各段產水量也受到溫度的影響。水溫增加時,位于RO系統前端的膜元件產水量增加,而后端的膜元件產水量下降。而水溫較低時,各段產水量較為均衡。水溫較高時,離子透過膜體的動能增加,因而系統透鹽率增加。水溫增高時,碳酸鈣的溶解度下降。水溫降低時,硫酸鈣、硫酸鋇、硫酸鍶及二氧化硅的溶解度下降。

  pH值

  給水的pH值定義了它的酸堿性。pH值為7時是中性;為0-7時呈酸性;為7-14時呈堿性。在分析化學中,pH值是氫離子濃度負對數。在水化學中,pH值用于定義二氧化碳、碳酸氫根、碳酸根、氫氧根離子的堿度平衡是十分重要的。濃水的pH值一般較給水pH值偏高,這是由于碳酸氫根、碳酸根離子濃度高于二氧化碳濃度!綬odesign】軟件允許用戶用鹽酸與硫酸調整給水的pH值,用酸降低給水pH值將LSI(朗格里爾)指數下降,且降低碳酸鈣沉淀的可能。給水與濃水的pH值也影響著硅、鋁、有機物與油脂的溶解度與污染程度。給水pH值的變化還影響了離子的脫除率,pH值下降時氟、硼與硅的脫除率隨之下降。

  電導率

  電導率是表示水中溶解離子導電能力的指標。沒有離子的理想純水,不會產生電流。電導率用電導率儀測量,其單位為微西門子/厘米(μs/cm)。電導率也是測量水中離子濃度的簡便方法,但不能精確反映離子種類。離子構成不同,電導值也不同;但電導的數值隨離子濃度增加而增加。TDS(溶解固體總量)儀是利用變換因子將電導率值轉換為TDS值。在水質分析中,可用不同離子對應的不同轉換系數或溶解固體總量(TDS)對應的單一轉換系數,估算電導率的數值?捎枚趸嫉膒pm濃度的平方根乘以0.6求得其電導率;硅離子對電導率變化不產生影響。RO高純水最精確的電導率數值是在線測量的。否則,高純水暴露于空氣之中,將改變其二氧化碳含量。

  TDS(溶解固體總量)

  在水處理工藝中,TDS是濾除懸浮物與膠體并蒸發掉全部水分后的剩余無機物。TDS以ppm或mg/l為單位,在【IMSdesign】軟件中TDS是全部正負離子與二氧化硅的合計!綢MSdesign】軟件中給水與淡水的TDS可以通過各自電導率折算出來。也可以在現場用TDS儀測量TDS,TDS儀測量水的電導率并乘以轉換因子即得出已知參考溶液(如氯化鈉、氯化鉀)的TDS值。值得注意的是:通過電導率數值間接測出的各類離子混合而成水溶液的TDS值,與通過總加各類離子濃度得出的TDS值并不相同。一個粗略算法是:對于氯化鈉參考溶液,每1 ppm的TDS值對應2ms/cm的電導率。

  堿度

  堿度主要是指二氧化碳、碳酸氫鹽、碳酸鹽與氫氧化物。在自然界中土地是堿性體,在中和酸雨過程中其pH值變化不大。二氧化碳與碳酸氫鹽溶液的pH值為4.4至8.2;pH值為4.4或更低時,堿度以二氧化碳形式存在;pH值8.2時,不存在二氧化碳,全部堿度均為碳酸氫鹽。在pH值為8.2至9.6時碳酸氫鹽與碳酸鹽溶液相互平衡。pH值為9.6時,不存在二氧化碳與碳酸氫鹽,全部堿度為碳酸鹽。當pH值在9.6以上時,由于氫氧根離子的存在,出現了氫氧基堿度。大部分自然界中水源的pH值為6.0至8.4,所以氫氧化物的出現是人為的。堿度(特別對于鍋爐水化學)可表示為M堿度與P堿度。M堿度是指以碳酸鈣計的ppm值表示的水的總堿度(用甲基橙作指示劑,酸滴定終點為pH=4.2)。P堿度測量碳酸氫鹽、碳酸鹽及氫氧化物的量(用酚酞作指示劑,酸滴定終點為pH=8.2)。

  濁度

  濁度是對水中不易沉淀的微小膠體懸浮物的檢測指標。用濁度儀測量濁度就是測量溶液的相對透光度,并以NTU為單位。RO膜元件運行限值中經常規定:給水的最大濁度為1.0 NTU。

  色度

  色度是非精確測試參數,依據不同有機物引起色度的大小,可以用色度表示水中有機化合物含量的大小,并使用以白金為標準的APHA單位。

  SDI(污染指數)

  SDI是針對膜系統而檢測給水中懸浮物與膠體粒子淤塞0.45微米孔徑濾紙的速度的試驗數據。該試驗的主要數據是保持30 PSI給水壓力狀態下在5、10、15分鐘內過濾的水量。典型RO元件的使用條件規定了給水的15分鐘的最高SDI值為4.0。如果因為淤塞而使SDI試驗只進行了5或10分鐘,說明給水對RO系統的污染將是十分嚴重的。略加處理或全無預處理情況下,深井水的SDI值等于或低于3,濁度小于1。對地表水而言,欲達到SDI與濁度的要求,必須采用預處理工藝以去除懸浮物與膠體顆粒。

  COD(化學耗氧量)

  COD是以氧的ppm值為單位的非精確測試參數,用以測定生物可降解與生物不可降解有機物的含量,即計量重鉻酸鉀溶液氧化有機物的能力。

  BOD (生物耗氧量)

  BOD是以氧的ppm值為單位的非精確測試參數,用以測定生物可降解有機物的含量。BOD測量的是20℃下5天培養期內分解全部有機物質時所消耗的氧量。

  TOC(總有機碳)

  TOC是總有機碳(Total Organic Carbon)或總可氧化碳(Total Oxidizable Carbon)的英文縮寫,是一個非精確測試參數。它以碳的ppm值為單位檢測與有機物結合的碳的總量。由于TOC僅反映有機物中碳的數量,地表水中有機物的實際重量是該值的3倍。有機物是不包括二氧化碳、碳酸氫鹽與碳酸鹽在內的含碳的化合物。在水處理范疇內有機物可分為人造的與自然存在的兩類。自然存在的典型有機物包括帶負電荷的膠體、懸浮物、鞣酸、木質素、腐爛植物生成的水溶性腐殖酸混合物、腐爛植物生成的棕黃酸等。自然存在的有機物可以污染RO膜,特別是對帶負電荷的聚酰胺復合膜。電中性的RO膜即電中性聚酰胺復合膜與醋酸纖維膜具有較強的抗有機物污染能力。RO系統可以有效的去除有機物,分子量大于200的有機物可去除99%以上,小于200的依分子量、形狀、帶電的不同,其去除率也不同。自然水源在RO系統中產生有機物污染的警戒水平:TOC為3 ppm、BOD為5 ppm、COD為8 ppm。

  陽離子與陰離子

  陽離子是正價離子,可吸收電子;陰離子是負價離子,有剩余電子;正負離子可以相互作用。他們對電子的共享形成電中性。例如,鈣是二價陽離子可以結合兩個單價氯離子形成電中性的氯化鈣。不論計量單位是ppm、碳酸鈣或meg/l,水中的正負離子濃度均相等。極性弱的陰離子硅雖計入TDS,但不參與陰陽離子平衡。

  離子強度

  給水中TDS增加時難溶鹽的溶解度隨之增加。為在計算硫酸鈣、硫酸鋇、硫酸鍶或SDSI的溶解度時計及上述現象的影響,需要計算水中的離子強度:單價離子的強度是其以碳酸鈣計ppm濃度乘以1×10-5,二價離子的強度是其以碳酸鈣計ppm濃度乘以2×10-5,依此計算各價離子的強度?偧痈黝愲x子的強度即為水的總離子強度。

  鈉離子(Na)

  鈉是單價陽離子,鈉鹽的溶解度很高,不會在RO系統中造成結垢。海水中鈉是主要的陽離子。作為陽離子的鈉,在RO給水分析中自動與其它陰離子相平衡。飲食中鈉的攝取濃度范圍是從低鈉的2000 mg/L到平均的3500 mg/L。美國EPA已設立了飲用水水質標準(DWEL),規定飲用水中鈉為20mg/L。每天飲用2升100 mg/L鈉含量的飲用水只有200 mg鈉。每加侖10打蘭(171.2 mg/l)硬度的相對硬水經軟化后只含鈉79 mg/L。

  鉀離子(K)

  鉀是單價正離子,在水中鉀的含量較鈉低得多,且有很高的溶解度,不會造成RO結垢。

  鎂離子(Mg)

  鎂是二價陽離子。鎂在苦咸水硬度中約占三分之一,但在海水中可比鈣的含量高出五倍。鎂鹽的溶解度較高,在RO系統中通常不會造成結垢問題。

  鈣離子(Ca)

  鈣是二價陽離子,鈣于鎂同為苦咸水中硬度的組成部分。在使用阻垢劑時,硫酸鈣(CaSO4)(石膏)的溶解度可達230%。碳酸鈣的溶解度LSI(朗格里爾指數)值可達+1.8-+2.5。

  鍶離子(Sr)

  鍶是二價陽離子。硫酸鍶的溶解度很低,可能在RO系統的后端造成沉淀。當硫酸根濃度增加或溫度降低時,硫酸鍶的溶解度將降低。通常,鉛礦附近的井水中含有小于15 ppm濃度的鍶。硫酸鍶的飽和濃度為100%,而使用阻垢劑時,飽和濃度可達800%。

  鋇離子(Ba)

  鋇是二價陽離子。硫酸鋇(BaSO4)的溶解度很低,能夠在RO系統的濃水出口側造成沉淀。溫度降低與硫酸鹽濃度增高均使硫酸鋇的溶解度進一步下降。鋇一般出現在井水中,濃度一般小于0.05-0.2 ppm。鋇的檢測必須在精度為0.01 ppm(10 ppb)水平的儀器上進行。飽和度為100%,使用阻垢劑時可達6000%。

  錳離子(Mn)

  錳是井水與地表水中的污染物,其含量可達3 ppm。如鐵一樣,地表水的有機物中存在錳。在無氧氣的水中錳呈溶解狀態,氧化后呈不溶的黑色二氧化錳沉淀。暴露于空氣中的反滲透給水中錳的警戒水平是0.05 ppm。由于會產生黑銹,在飲用水標準中規定了錳含量限值為0.05 ppm。用于控制鐵污染的分散劑也可以用于控制錳污染。

  鐵離子(Fe)

  鐵是以兩種形式存在的污染物。溶于水的形式為二價鐵。不暴露于空氣的井水中,二價鐵類似于鈣、鎂,可通過軟水器去除,或在RO原水中加入分散劑以控制RO系統尾部的沉淀。不溶于水的形式為三價鐵。膜生產商建議RO給水中的全部鐵含量低于0.05 ppm。如果全部的鐵均為可溶的二價狀態且pH值低于7.0,可以允許0.5 ppm含鐵濃度(盡管此時建議使用分散劑)?諝馀c可溶二價鐵的接觸可將其氧化為不溶的三價鐵。井水之中一般存在可溶的鐵,當井水被置于容器或水泵密封不嚴時,即可使二價鐵變為的不溶的三價鐵?扇荑F可以用分散劑處理,或用鐵過濾器、軟水器、軟化法加以去除。而不溶的三價鐵氧化物或以膠體形式存在的氫氧化鐵,將污染RO系統的前端。不溶鐵的來源是暴露于空氣中的井水、地表水、無襯里管路與容器的鐵銹。不溶鐵的去除可采用鐵過濾器、石灰軟化法、軟化器(部分去除)、超濾器(部分去除)及在給水中加有聚電解質的多介質過濾器(部分去除)。在錳砂過濾器中使用高錳酸鉀須十分注意,因該氧化劑可損傷任何聚酰胺膜。使用陽離子聚電解質同樣需要注意,它能夠永久污染帶負電荷的聚酰胺膜。建議RO系統、預處理系統及RO的供水配水系統中的容器或管道使用耐腐蝕材料(如:FRP、PVC或不銹鋼)。作為污染物的鐵含量的增加,會造成給水壓力及淡水TDS增加。有時鐵還會造成生物污染問題,因為它會成為食鐵還原菌的食品。食鐵還原菌能夠生成粘性的生物膜,造成RO給水通道的阻塞。

  鋁離子(Al)

  由于鋁的可溶性很差,在井水或地表水中不會有很高的濃度。在RO給水中的鋁是以膠體形式而不是以離子形式出現,它是市政給水系統或現場處理時澄清池、石灰軟化器產生的明礬殘留物造成的。明礬(硫酸鋁)是常用的絮凝劑,對地表水中帶負電荷的膠體(淤泥與黏土)起吸附與沉淀作用。明礬溶入水中變成三價鋁與硫酸根。鋁離子的水合物與水發生反映形成大量的氫氧化鋁水合物,進行聚合并開始吸引水中的負電荷膠體,并會發生鋁質膠體在系統中的污堵。因此,在RO給水中0.1-1.0 ppm的鋁已達到報警水平。由于鋁是中性的,性質較為復雜,在低pH值條件下,鋁以帶正電荷的三價陽離子或氫氧化鋁形式存在;在高pH值條件下,鋁以帶負電荷的陰離子復合物形式出現。鋁合物最小溶解度的范圍內,pH值為

  5.5-7.5。

  銨離子(NH4)

  銨為單價陽離子,銨鹽極易溶解不會造成RO系統的結垢問題。銨離子是溶于高pH值水中的氨氣(NH3)形成的,高pH值水中氨的離解生成了銨離子與氫氧離子;低pH值水中氨為氣態,象二氧化碳一樣,不會被RO系統脫除。井水中一般不存在銨離子,泥土中細菌的作用已使銨轉化為暫態的亞硝酸鹽(NO2)進而氧化成常見的硝酸鹽離子。銨離子以不超過1 ppm的低濃度存在于地表水中,是破壞有機氮化合物與生物活動的結果。施氨肥農田、畜牧場與發酵場所的排水可以造成地表水的銨污染。由于生物活動與大量有機氮的作用,銨離子在市政污水中可達20 ppm,另外一個銨污染源是氨氣與氯氣生成的氯氨殺蟲劑。

  碳酸氫根離子(HCO3)

  碳酸氫根是單價陰離子。碳酸氫鈣的溶解度很低,能夠在RO系統的濃水出口側形成沉淀。碳酸氫鈣的溶解度測量單位,對苦咸水應該用LSI(朗格里爾飽和指數),對海水應該用史蒂夫戴維斯指數。溫度升高與pH值增加均使碳酸氫鈣的溶解度進一步下降。碳酸氫根是堿性物,pH值在4.4-8.2之間時它與二氧化碳相平衡,pH值在8.2-9.6之間時它于碳酸鹽相平衡。

  碳酸根離子(CO3)

  碳酸根是二價陰離子,碳酸鈣的溶解度很低,可在RO系統尾側結垢。其溶解度對苦咸水用LSI(朗格里爾飽和指數),對海水用SDSI(史蒂夫戴維斯指數)表示。溫度上升或pH值增高均使其溶解度下降。碳酸根是堿性成分,pH值在8.2-9.6之間時,其濃度與碳酸氫根平衡。pH值大于9.6時,不存在二氧化碳與碳酸氫根,全部堿性物均為碳酸根。

  硝酸根離子(NO3)

  硝酸根是單價負離子,硝酸鹽具有高溶解度,不會造成RO系統結垢問題。硝酸根與氨氣、銨均為氮基離子,它是自然界中氮循環中的一個環節。RO原水中的氮源自動植物分解、發酵、畜牧及施氮肥農田等排出的水。井水中不存在氨與銨,他們已經被土壤中的細菌轉化為亞硝酸鹽,進而氧化為更加常見的硝酸根離子。在水質分析中,通常將硝酸根含量表示為氮的ppm值,而不是RO系統所關注的硝酸根的ppm值。欲將前者轉化為后者,需將氮的ppm值乘以4.43。美國EPA已公布了飲用水中硝酸根含量極限為:氮的4.43 ppm即硝酸根的44.3 ppm。當硝酸根占據了氧在血紅蛋白中的位置時是十分有害的,含氧量的下降將導致Blue-Baby綜合癥,因此孕婦與嬰兒受硝酸根的作用是更加危險的。

  氯離子(Cl)

  氯根為單價陰離子。氯鹽的溶解度很高,在RO系統中不會造成結垢。在海水中氯的比重很大。在RO給水分析中氯根被用來自動平衡水中正離子濃度。從味覺方面考慮,美國EPA與WHO標準中指出,飲水中氯根高限為250 ppm。

  氟離子(F)

  氟為單價負離子,一般它在井水中的含量較低。為了防止牙病,在市政自來水中需加入氟離子并保持其殘留量達2.5ppm,因此氟離子在RO給水中是常見離子。在飲用水中氟含量高于5 ppm即可造成牙斑與骨脆。

  RO系統中氟的去除率決定于給水的pH值。pH值顯堿性時,由于氟以鹽的形式存在,用聚酰胺膜脫除氟可達99%以上;pH值顯酸性時,由于氟以酸的形式存在,氟的脫除率可降至50%。

  硼 (B)

  硼一般存在于海水中,其含量可達5 ppm,內陸咸水湖中含量更低。硼不是污染源,但由于在某些使用環境中會造成不利影響,因此在電子工業中必須去除。硼的化學性質類似于硅,pH值高于10狀態下,它以單價硼酸根陰離子形式存在,pH值低于10狀態下,它以非離子化的硼酸B(OH)3形式存在,硼酸鹽的去除率與pH值有關,pH值高時,取除率也高。

  二氧化硅(SiO2)

  硅在某種情況下是一個陰離子。它的化學性質很復雜,甚至是不可預測的。TOC(以碳計)表示有機物總量而未指明有機物的構成,同樣,硅濃度僅表示了硅的總濃度(以碳計),但沒有指明硅的各種構成的濃度。水中的硅總量中包括活性硅與惰性硅;钚怨枋强扇芄,它被弱電離且未聚合成長鏈;钚怨枋荝O與離子交換工藝中希望的形式,也是Rodesign軟件所使用的二氧化硅的形式。雖然活性二氧化硅有陰離子特性,但在水質分析中它未以陰離子方式計入陰陽離子平衡,卻以鹽的形式計入TDS。惰性硅是聚合硅,或膠體硅,就其性質而言與其說是個離解離子毋寧說是個溶解固體。膠體形式的硅可以被RO系統去除,但可能在RO前端造成膠體污染。膠體硅的直徑可小到0.008微米,但只有大于或等于0.45微米的部分才能用SDI來測量。粘土、淤泥、沙石等微粒狀的硅混合物一般有1微米或更大的直徑,可用SDI值測量。以二氧化硅做基本粒子的聚合硅在自然界以水晶或瑪瑙形式存在,它也是活性硅超飽和的結果。在使用硅分散劑條件下,活性硅的溶解度限值為200-300%。溫度的升高、pH值在7.0以下或7.8以上均會使硅的溶解度上升,對硅聚合起催化作用的鐵離子存在時,活性硅溶解度下降。在RO系統中,硅的脫除率與原水pH值密切相關,隨pH值的增加,該脫除率也增加,這是因為活性硅更多的是以鹽的形式存在,而不是酸的形式。

  二氧化碳(CO2)

  二氧化碳為氣體,當溶于水時與水反應生成弱碳酸(H2CO3)。如純水中二氧化碳處于飽和狀態,其濃度約為1600 ppm,pH值約為4.0。自然界水體中二氧化碳的來源是基于pH值的碳酸氫根平衡。水體中的二氧化碳濃度間接的決定于pH值與碳酸氫根濃度的對應關系。二氧化碳與碳酸氫根離子在pH值的4.4-8.2區間保持平衡。pH值為4.4時堿性物均為二氧化碳,pH值為8.2時堿性物均為碳酸氫根!綬odesign】程序運用碳酸氫根濃度與pH值計算水中二氧化碳濃度。由于二氧化碳為氣體,RO膜對其不具有脫除或濃縮作用,其濃度在給水、淡水與濃水中相同。在給水中加酸將碳酸氫根化為二氧化碳,故而pH值下降。

  硫化氫(H2S)

  硫化氫呈氣態,使給水中有臭蛋氣味。其0.1 ppm濃度是異味的臨界值,在3-5 ppm濃度時,具有強烈的異味。硫化氫易于被空氣、氯及高錳酸鉀等氧化劑氧化成硫。硫的作用類似于膠體污染,用傳統的介質過濾器不能去除。在系統設計中,建議將硫化氫保留為氣態,使其穿過RO系統進入淡水,再對淡水進行處理并去除。

  mg/L

  表示給定水體中離子或物質重量的方法之一是毫克/升(mg/L)。對稀溶液而言。毫克/升和ppm是等同的。例如,1000 mg/L(ppm)的氯化鈉溶液意味著:一升該溶液蒸發之后,應生成1000 mg氯化鈉(NaCl)固體。RO工程師們經常用mg/L單位計算TDS的數值。

  Meq/L

  表示給定水體中離子或物質的當量重量或濃度的方法之一是毫克當量/升(Meq/L),該值計算方法是用相應離子或物質的毫克/升(mg/L)數值除以其當量重量。在RO水質分析時meq/L是常用單位,特別用于判斷正、負離子總毫克當量值是否平衡。

  打蘭/加侖

  離子交換與鍋爐給水處理常以打蘭/加侖(以碳酸鈣計)為量綱計量水的硬度。每打蘭/加侖(以碳酸鈣計)等于17.1 ppm(以碳酸鈣計)。

  ppb(1/1,000,000,000)

  ppb是表示水中某種物質或離子濃度的單位,下列轉換關系適用于比重為1的低含鹽量的淡水。1 ppb 等于1微克每升(mg/L),1 ppm 等于1000 ppb。

  ppm(1/1,000,000)

  ppm是表示水中某種物質或離子濃度的單位,下列轉換關系適用于比重為1的低含鹽量的淡水。 1 ppm 等于1毫克每升(mg/L);1打蘭每加侖等于17.1 ppm;1磅每1,000加侖等于120 ppm;百分之一的溶液等于10,000 ppm;1 ppm 等于1000 ppb。

  ppm(以CaCO3計)

  ppm(以碳酸鈣計)是表示水中的物質或離子當量濃度的單位。以碳酸鈣計的離子ppm濃度。在離子交換工藝中經常使用,用以計算陰陽樹脂的離子載荷,水質分析時判斷水中正負離子總量是否平衡。由于自然界中正負離子間的平衡是以其化合價與剩余電子計算,而不是以各自的重量計算,因此在水質分析時應采用當量來衡量正負離子的電中性水平。用碳酸鈣做標準僅僅由于其分子量為100,其化學價為2,其克當量重為50。將以mg/L為單位的離子濃度值變為以碳酸鈣計的ppm濃度值的方法如下:以某離子mg/L濃度值乘以碳酸鈣離子克重與某離子克重值比。

  例如,以碳酸鈣計的100 ppm鈉與以碳酸鈣計的100 ppm氯是平衡的。因為每一個鈉離子均對應著一個氯離子。但此時的鈉為47 mg/L(鈉的克當量重為23),氯為71 mg/L(氯的克當量重為35.5),且氯化鈉溶液的TDS值為118 mg/L。

  苦咸水

  在一定意義上,苦咸水可定義為由于海水的入侵使其TDS值大量增加的低TDS水源。在RO范疇中,可將苦咸水定義為:含鹽量TDE值處于中低水平(高達10,000-15,000 ppm),且可以用最大給水壓力600psi的苦咸水RO膜進行處理的反滲透給水。

  河水

  由于下雨而落在地表的水,通過地表或者經由地下匯入河流。通過地表的水多含有懸浮物,而地下經由的水則含有較多的流經地層的溶解性無機鹽類。在流經地表的雨水匯入河流時,懸浮物濃度會急劇增加,因此河水的特征就是河水中懸浮物的變化幅度大。而且河水的季節性的明顯,比如水溫變化,水生生物的繁殖,以及來自于生物的沉渣和來自于有機物的膠體物質的含有量等。另外流經森林地帶和泥媒地帶的河流中腐殖質和有機物含量也會很高。河流還會被城市廢水處理水,工廠排放污水,或者含農藥的灌溉用水污染。所以要求我們對水質進行足夠的調查,把握其變化幅度,要對預處理裝置或者運行條件做必要的考慮。

  湖泊

  河川水在湖泊或者水庫中發生長時間的滯留后懸浮物因為沉降其含量會變少,但另一方面又容易受微生物的影響。湖泊或者水庫水容易造成富營養化,致使比重較輕的藻類會過度繁殖,造成湖泊的沉淀凝集功能不良,有時可能會造成過濾池的堵塞。還會因為碳酸同化作用,消耗溶解在水里的二氧化碳,造成湖水的pH增高。

  湖泊內部形成水的分層時,水的底層由于處于缺氧的狀態會有利于厭氧細菌的生長,還有硫化氫的生成、包括引起鐵、錳的再溶解等等。因此,在采用湖泊或者水庫水作為原水的時候,必須深入研究對其的處理方式的同時,有必要的話,在取水上盡量考慮不用湖底變質的水。

  地下水

  地下水在地層的流速極為緩慢,由于自然的濾過作用,幾乎不含有懸浮物,但受到流過的地層的影響十分明顯。比如,流經石灰鹽帶的水中鈣的濃度就非常高,通過火山地帶的地下水中硅的濃度也會變高。通常地下水中由于氧氣的不足,顯還原性,可能水中含有還原狀態的鐵或錳,也可能因為地層的不同,含有硫化氫或者鋇、鍶的情況也會出現。

  地下水的懸浮物較少,全年的水溫變化也顯得比較穩定,作為RO系統的原水來考慮,必須考慮在前處理中需要除去的硬度成分、硅以及含量較多的金屬離子。

  市政用水

  RO系統使用自來水作為原水時,要確認自來水處理工藝,管道狀況,注意余氯。

  海水

  標準海水中NaCl的含量在3.5%以上,還有鎂、鈣、鉀、硫酸根、碳酸根、溴、硼和氟等10多種溶解性成份。由于入?,降水、潮汐或者水溫影響,海水中的鹽份濃度有一定差異,懸浮物和有機物含量受到江河和人類活動等的影響,會有地域差異。因此海水淡化系統的取水點及取水方式至關重要,直接影響到原水的水質和預處理方式。

  廢水

  近年來在越來越多的市政污水及工業污水的深度處理中開始采用反滲透工藝,用于反滲透處理的污水一般為工業冷循環排污水和達到雜用水回用標準的三級處理水,COD小于50mg/L,含油量、濁度經過進一步處理后必須達到RO進水要求。要特別注意原水中是否含有表面活性劑等回造成反滲透膜嚴重污染的有機物,以及與膜材料不相容的有機溶劑等。由于污水水質的復雜性和波動性,水質資料的收集和調查工作顯得尤為重要。廢水處理反滲透系統要求極為嚴格的預處理,采用非常保守的低通量設計,使用性能優異的低污染膜元件(比如LFC3-LD)。

  4.2水質分析

  1原水分析

  一個水樣表現了具體水源在特定時間的水質。所以通過一個水樣并不能全面了解在整個運行時間內發生的、能夠影響系統運作的趨勢或變化。收集多個水樣除了可以獲得對一個水源特性的更好了解外,還能分析水質變化的原因。了解一個現有的或潛在的水源組成的正確分布輪廓是一個反滲透系統有效設計和運作的必需的要素。

  取樣

  取樣是整個水分析方案的組成部分。在樣品的采集中要滿足兩個基本要求。首先,樣品應該準確代表所要評價的水。這可能需要采集在24h或更長時間的整個期間內的混合樣品。其次,樣品必須有足夠的量以保證完成所有應該分橋的項目。根據ASTM-D 4195—88關于反滲透應用的水分析標準指南中的分析要求,對大多數情況10升樣品量應是足夠的。

  在取樣之前,應仔細考慮以下幾個問題:

  由水樣必須獲得什么信息?

  將要采用哪些分析方法?

  取樣點能足以保證取得代表性的樣品嗎?

  哪些分析最好在現場完成?

  在樣品轉移至實驗室過程中會發生什么貽誤,需要什么樣的保護方法?

  樣品體積需要多少?

  什么樣的容器對完成分析最適宜?

  通過對這些問題的仔細考慮,可以設計出一個有效的取樣方案。對所要求資料的全面了解將使人們能獲得恰如其分的資料,而不致做過多的分析項目,或是遺漏有價值的數據。通過對要完成的特定分析步驟的了解,便能夠收取恰當體積的樣品,并能對水樣采取適當的及有效的保護。通過對方案全貌的了解,樣品能協調地轉移至一個合格的實驗室。

  合適的樣品收集容器是保證準確的水分析的關鍵。必須考慮由于容器引起的污染。常使用塑料或玻璃樣品容器。樣品容器在使用前必須清洗,以免污染樣品。玻璃瓶用硫酸和重鉻酸鹽溶液清洗,這些溶液對避免瓶子的有機物污染特別有效。塑料容器可用實驗室洗滌劑擦洗,或用濃鹽酸漂洗.然后用去離子水徹底清洗。用于取樣的容器需要進行消毒處理。

  系統內取樣點的選樣是一重要的問題。新的系統應具有位于可容易取得有代表件樣品位旨的諸多取樣孔,并且這些取樣孔應避免位于系統內的死區。若不考慮這些,這些取樣點?赡艹蔀槲廴驹。最好的取樣點是位于促進水均勻混合的位置。在樣品收集之前,應徹底沖洗取樣孔。除非容器中的保護劑必須隨樣品保留,否則樣品容器也應該用被取樣的水漂洗數次。樣品收集歷,需要記錄的資料包括如下:

  a) 樣品名稱;

  b) 取樣點;

  c) 收集時間及日期;

  d) 保護(若有任何保護措施);

  e) 收集時的水溫;

  f) 現場所做的任何分析,如溶解氧或二氧化碳的濃度。

經典工程案例

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