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加碱中反渗透系统中的应用

1   前言
反渗透(RO)是一种十分有效的膜分离单元操作,是依靠反渗透膜在压力下使溶液中的溶剂与溶质进行分离的过程。反渗透技术能使离子交换树脂的负荷减轻90%以上,树脂的再生剂用量也可减少90%,除了除盐,还可除去水中的微粒、有机物质、胶体物质,对减轻离子交换树脂的污染,延长使用寿命都有着良好的作用。
但是长期以来,对于水中含有的游离CO2的去除,反渗透技术似乎无能为力,因为传统的反渗透技术中必须控制进水中LSI(即朗格利尔饱和指数)值,以防止反渗透膜结垢。而LSI值控制的一个重要参数是进水PH值,如果PH值为酸性,则不容易结垢,如果PH为碱性,则结垢倾向十分明显。所以传统的工艺中在反渗透系统前添加HCl溶液,能很好地防止CaCO3、MgCO3等沉淀物结垢;而很少在反渗透系统前添加NaOH溶液。
2   去除CO2的常用方法及反应机理
2.1  脱CO2塔
目前使用最广泛的是二氧化碳脱气塔,由于水中含有大量的碳酸氢盐碱度,经过H型离子交换器(即阳离子交换床)处理后,树脂上所带的H+被置换到水中而成为碳酸,所以脱CO2塔一般放在阳离子交换床的后面,阴离子交换床的前面。当水的PH值小于4.3时,水中碳酸几乎完全以二氧化碳的形式存在,如下式的变化:
H+ + HCO3-  =  H2CO3  =   CO2+   H2O
当H+增加,即PH越低时,上述反应就向右进行,此时,用一个装置水从上喷淋而下,空气从下鼓风而上,使空气流与水滴充分接触,由于空气中的二氧化碳量很小,分压很低,只占大气压力的0.03%,根据亨利定律,经过H型离子交换器处理的水,由于二氧化碳分压高,逸入分压低的空气流中而被带走,从而除去了水中的二氧化碳,也即除去了水中大量的阴离子HCO3-,这样可以大大减轻阴床的负担,提高阴床的周期制水量,减少再生剂的消耗。
但是,二氧化碳脱气塔由于吸入的是生产环境中的空气,难免会带入空气中的杂质,通过与水源接触从而污染水源,引起阴床周期制水率的下降。
2.2  真空脱气塔
真空脱气塔也是一种去除CO2的方法,此外还能去除水中的O2等物质,去除效率比脱CO2塔高的多。它的工作原理是用一个装置将水从上喷淋而下,经过滤料分散后,水中的CO2及O2逸出,而真空泵在塔的中部抽真空,CO2及O2被真空泵吸走,脱气后的纯水流至塔底,经混床供给泵增压后进入后处理混床。如果真空脱气塔进水呈弱酸性,水中的碳酸盐也能被大量去除,因为当水的PH值小于4.3时,水中碳酸几乎完全以二氧化碳的形式存在,由于未脱气的反渗透产水一般为弱酸性,所以真空脱气塔一般放在反渗透的后级。
真空脱气塔结构比较复杂,大的单元有脱气塔、真空泵等,为了保证进水分散均匀,滤料层高度需设置得很高,导致脱气塔高度达十几米,设备占用空间庞大,另外,由于脱气塔液位控制很严格,液位过高,容易使脱气效率下降,过低,容易导致水泵吸空,引起生产事故,所以使用的液位计必须十分灵敏。虽然真空脱气塔不会带入外界新的杂质,但是由于设备结构复杂,占地空间大,运行费用高,所以在实际生产应用方面受到一定限制。
    除了上述常用的两种脱气方法外,还有膜脱气等方法,但是由于投资成本太高,一般只用于出水水质要求很高的超纯水系统中。
3   RO前加碱除 CO2的方法和反应机理
3.1 反应机理
反渗透是高效的除盐工艺,所以只要把水中的二氧化碳转化成碳酸氢盐就可利用反渗透去除二氧化碳,由于H + HCO3-  =  H2CO3  =   CO2+   H2O这个化学反应是可逆的,当OH-增加时,该反应就向左进行,当水的OH值大于8.2时,水中的CO2将全部转化为HCO3-,这样HCO3-通过反渗透系统全部去除,间接实现了去除CO2的目的。
但是,在加碱的同时,反渗透膜的结垢趋势将十分明显,因为LSI值远远高于允许的范围。实践证明:当反渗透系统前加碱而不采取其他的措施时,RO浓水结晶析出十分迅速,一般1~2个小时就可以在浓水侧发现白色的结晶。
其反应式为:Ca2+  + 2OH-  + CO2 = CaCO3  +  H2O
Mg2+  + 2OH-  + CO2 = MgCO3  +  H2O
所以,有必要在RO前添加阻垢剂避免结垢。
随着科学技术的发展,目前反渗透阻垢剂品种繁多,阻垢效率越来越高,如杭州英普水处理技术公司的产品MDC220,能做到浓水侧LSI值达3.0的水平。我们车间使用了这种阻垢剂,即在RO前加碱的同时添加阻垢剂,实际运行下来反渗透可以确保三个月以上清洗一次,加碱结垢这个问题得到了很好的解决。
        3.2  在实际运用中的遇到的问题及整治

3.2.1 原水水质
原水水质不同对反渗透清洗周期的影响较大。我们公司原水采用的是工业自来水,由于该自来水是经过处理后的富营养化的太湖水,所以水中的有机物含量较高,且受季节变化影响也比较大,电导率也比较高(600μs/cm以上),使用下来发现,RO系统运行一段时间后,进口操作压力就明显上升,而段间的压差不变,经过适当的清洗可恢复至正常状态,但经过一段时间后又重复出现。通过对RO系统加碱和阻垢剂的分析研究,我们怀疑与原水水质中有机物含量变化有关,后来通过更换另一种阻垢剂后,问题得到了解决。
如果原水使用的是硬度较高的深井水,由于在RO系统前添加碱液,虽然添加了阻垢剂缓解了系统结垢的时间,但是RO膜结垢的趋势仍然比采用自来水作为原水来得要迅速。实践证明:一般1个月左右就需要对二段膜进行化学药洗。
3.2.2 控制方式
   由于在反渗透系统前添加了NaOH溶液,使LSI值远远高于允许的范围,很容易导致二段反渗透膜结垢。如果阻垢剂未能及时地添加,比如加药泵故障或断电;或者添加量不够,比如加药泵冲程选得太小,也容易发生生产事故。这就对控制方式提出了更为严格的要求。建议一旦阻垢剂加药泵发生故障时应及时关闭碱液加药泵,以防止RO浓水迅速结晶析出,因为短时间内水中的CO2不会对整个纯水系统产生大的影响,长时间也只是影响混床的定收量,所以当加药泵发生故障时可以停泵修理,不会影响生产运行;在控制方式上我们可以使阻垢剂泵和碱泵连动,一旦其中一台停止,另一台也随即停止运行,或者当加药泵故障时发出报警信号,使故障能在最短的时间里得到解决,此外,加强生产现场的巡检也是必不可少的,比如看到反渗透二段淡水产量下降明显,应立即检查阻垢剂的加药情况,并及时对反渗透进行药洗。定期的巡检对于减少设备故障的发生,避免生产事故是十分有益的。
3.2.3 RO运行方式
   最好的防止RO二段结垢的方式是采用二级RO运行方式,并在二级反渗透系统前添加NaOH溶液,因为二级反渗透进水是一级反渗透的产水,含盐量极低,即使添加了碱液,对二级反渗透的脱盐能力的影响也是微乎其微,所以二级反渗透一般不会结垢,无需添加阻垢剂。但是这种运行方式的缺点是一次性投资较高,但对于整个纯水系统来说是最为理想的运行方式,既能提高后处理混床的定收量(二级RO产水电导率≤1μs/cm),又能提高整个纯水系统的运行效率(故障率低)。
4   结论
反渗透系统前添加了NaOH溶液去除水中CO2的方法,和传统的脱气塔、脱气膜比较起来,一次性投资费用和运行费用低,无需增加额外的大型设备,并且充分利用了RO系统的脱盐能力,此外,由于添加了碱液,对于去除水中的有机物也十分有利。但是在控制方式上必须严格要求,这一点对于反渗透不是采用二级方式,而是一级方式时尤其重要。
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