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反渗透系统中的浓差极化及影响
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文章附图

1. 二级反渗透膜污染来源
对于二级反渗透而言, 由于进水水质较好, 故诸如有机物微生物等膜污染很少见, 另外, 由于难溶盐含量也较少,结垢倾向也比较小。因此,对于二级 RO 而言, 主要的问题来自于浓差极化的影响。


2. 浓差极化对反渗透性能的影响
反渗透分离过程中, 水分子透过以后, 膜界面中含盐量增大, 形成较高的浓水层, 此层与给水水流的浓度形成很大的浓度梯度,这种现象称为膜的浓差极化( concentration polarization) 。 由于浓差极化现象增大了膜两侧的渗透压, 在同等工作压力作用下, 系统的净驱动压减小, 与净驱动压成正比的水通量将下降。 与此同时, 由于浓差极化现象增大了膜两侧的盐浓度差, 与盐浓度差成正比的盐通量将上升。 因此, 浓差极化现象将使反渗透系统的水通量下降及透盐率上升。
研究表明: 浓差极化现象存在一个建立过程, 膜表面的盐浓度梯度随运行时间逐步建立, 梯度值逐渐增高, 极化层渐厚, 系统性能持续下降。


3. 减小浓差极化的手段
当前, 为了降低浓差极化, 其中一个主要手段是停机时候进行低压冲洗, 确保膜表面的盐浓度与主体浓度一致。有研究表明反渗透系统在不同β值条件下运行 180 分钟后, 通过冲洗其脱盐率及产水量恢复时间也不同( 见下图) 。 该图表明浓差极化系数保持在 1.2 以内时,通过 1-2 分钟的短时冲洗可以得到恢复; 而浓差极化系数大于 1.2 时, 用冲洗手段恢复性能所需时间不断增加。

上图同时说明系统浓差极化系数保持在合理范围内时, 系统运行过程中适时适量的冲洗对于长期稳定地保持能非常重要。


反渗透系统浓差极化因子计算
浓差极化因子( β) 可以简单定义为膜表面盐浓度( Cs) 与本体溶液盐浓度( Cb) 的比值:β= Cs/ Cb

通常产水通量的增加会增加边界层的盐浓度,从而增加 Cs; 而给水流量的增加会增大膜表面流速, 削减边界层的厚度。 因此 β 值与产水流量成正比, 与平均进水流量成反比。 平均进水流量采用进水量和浓缩液流量的算术平均值计算, β 值可以进一步表达为膜元件产水回收率的函数。
另外, 从上述公式我们可以发现: 不管进水含盐量大与小, 只要存在浓缩分离过程, 浓水侧含盐量肯定会大于给水主体侧含盐量, 也就说二级反渗透也会发生浓差极化。
我们假设反渗透进水含盐量为 100ppm, 分别对于一级反渗透和二级反渗透β进行粗略计算:
对于普通的苦咸水一级反渗透系统而言, 如果单支膜的最大回收率限制在 15%内, 那么浓水侧含盐量应该为100×( 1/( 1-0.15)) ppm =118ppm,此时β=118/100=1.18。 大部分一级反渗透系统回收率为 75%, 也就是浓缩了 4倍, 此时给水到达最后一只膜元件时其含盐量已经接近 400ppm;对于二级反渗透系统而言,如果单支膜的最大回收率限制在 30%内, 那么浓水侧含盐量应该为 100×( 1/( 1-
0.3)) ppm=143ppm,此时β=143/100=1.43。大部分二级反渗透系统回收率为 85%,也就是浓缩了 6.67 倍, 此时给水到达最后一只膜元件时其含盐量已经接近 667ppm。反渗透膜厂家对于系统浓差极化因子有上限规定, 其与回收率有关。 比如 DOW 规定单支苦咸水淡化膜元件最大回收率不超过 15%( 不同水质有上下波动) , 二级反渗透系统单支膜元件最大回收率不超过 30%, 其依次对应了一级反渗透的 β<1.18,二级反渗透的 β<1.43。 而海德能公司在反渗透计算书中则明确规定一级 RO 的 β<1.2, 二级RO 的 β<1.4。


5. 二级 RO 有没有必要进行低压冲洗
上面我们分析了浓差极化与回收率的关系, 也看出了其不管进水含盐量大或小, 都存在于反渗透浓缩分离过程中。 既然低压冲洗可以稀释膜表面的浓度, 使边界层浓度与给水主体浓度近视一致, 那么我们建议对二级反渗透系统进行低压冲洗。
那么什么时候停机时可以不对二级 RO 进行低压冲洗呢?
1) 二级反渗透浓水侧无难溶盐结垢倾向时;
2) 系统回收率足够低,确保单支膜元件回收率远小于 30%( 特别是系统最后一支膜元件的回收率) ;
3) 系统基本上每天会运行, 不会超过 1 周停运;
4) 进水含盐量不能太高, 如果含盐量太高, 造成自然渗透时, 那么会形成另外一种破坏: 由于自然渗透导致背压, 以至于膜片剥离( 此种现象在海水淡化中尤其会出现) 。我们可以假设进水温度为 20℃, 假设淡水含盐量略等于零, 考虑膜元件承受的最大渗透压为 0.3bar,那么根据渗透压计算的粗略公式∏=Cfc(T+320)/491000bar( Cfc:进水含盐量, T: 进水温度℃) 可以得出: Cfc(20+320)/491000bar≤0.3bar,那么 Cfc≤433.2mg/L。也就说: 对于高含盐量进水的二级 RO, 即使不考虑浓差极化, 考虑自然渗透导致的背压破坏, 当膜表面含盐量大于 433.2mg/L 时也需要低压冲洗, 尽可能降低浓水侧和淡水侧的浓度差( 即降低渗透压差) 。 但此时的低压冲洗与前面所说降低浓差极化是不同的目的。当然,结合 2) 中的分析, 当二级 RO 系统回收率为 85%时(浓缩倍数为 6.67) , 为了使最后一支膜元件浓水端含盐量不大于 433.2ppm 时( 考虑投加氢氧化钠后的含盐量) , 那么二级 RO 最大进水含量应该为 433.2/6.67=64.95ppm;
理论上, 不管一级反渗透还是二级反渗透, 我们都应该在停机时候进行低压冲洗, 但是结合多年工程经验, 当二级反渗透浓水侧无结垢倾向, 回收率在合理范围之内时, 也可以不进行低压冲洗, 其对膜性能影响甚微。
综上,当二级 RO 进水含盐量小于 64.95ppm( 考虑投加氢氧化钠后的含盐量) , 且无难溶盐结垢倾向时, 而且不会长时间停运可以不进行低压冲洗。



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