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  反渗透系统设计
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反渗透技术.反渗透设备.反渗透装置:

   反渗透技术是目前应用较为广泛的一类水处理技术。在对反渗透分离原理讨论的基础上,对反渗透技术的现状和研究进行了总结,并以锅炉供水系统为例进行系统的讨论。并提出反渗透系统安全运行影响因素以及反渗透技术新的发展方向。

  反渗透技术在美国、日本的研究应用较早,我国的研究始于1966年,近年来已得到广泛应用。反渗透技术最初只用于海水淡化,后来逐步扩大到苦咸水淡化、食品加工、医药卫生、饮料净化、超纯水制备等方面,产生了很高的经济效益。
1 反渗透分离原理
用一张半透膜将稀溶液(如纯水)与浓溶液(如盐水)隔开,稀溶液会向浓溶液渗透并保持相应的渗透压,此现象称为渗透。如果在浓溶液处施加大于渗透压的压力,则浓溶液会向稀溶液一侧渗透,此现象称为反渗透。一般反渗透膜微孔尺寸在1OA左右,操作压力为1.0-10.0MPa,切割分子量小于500,能截留盐或小分子量有机物,可使水中离子的含量降低96%-99%。反渗透的去除性能一般有
如下规律:
(1)高价离子去除率大于低价离子A13+>Fe3+>Mg2+>Ca2+>Li+
(2)去除有机物的特性受分子构造与膜亲和性影响
分子量:高分子量>低分子量
亲和性:醛类>酸类>胺类
侧链结构:第三级>异位>第二级>第一级
(3)对分子量>300的电解质、非电解质都可有效的除去,其中分子量在100-300之间的去除率为90%以上。
2 膜污染
近年来,反渗透以其操作简单、可靠性高、不产生二次污染等特点而得到了广泛的应用。然而反渗透经长期运行,在膜上浓水侧会积累胶体、金属氧化物、细菌、有机物、水垢等物质,造成膜污染,引起系统脱盐率下降,出水量降低,压差增大等问题。因此,当反渗透性能下降到一定程度时,就应对膜进行及时有效地清洗,避免造成严重膜污染而难以恢复系统是否需要清洗可根据产水量、脱盐率、压差变化来判断。
3 反渗透技术应用实践
20世纪末,反渗透水处理的市场份额以每年18%的速度增长,它与许多高科技产品一样,技术含量高,科技附加值高,易操作,使用方法易掌握。反渗透用途几乎涵盖了所有工业部门,广泛应用于电力、化工、石油、饮料、制药、电子、冶金等行业。包括水的脱盐,由苦咸水和海水制取饮用水,辅助处理过程的净化,高纯漂洗水的生产,化学制造业所接触的水,食品和饮料的生产,工业污水的净化等。不同行业所处理的水质情况不同。在反渗透的使用中,必须重视反渗透装置的长期安全经济运行,其经济可行性很大程度上取决于其能达到的最高透过速率和膜寿命。在反渗透运行过程中,当系统设计合理的情况下,并排除设备机械损坏(如O形环的损坏)等因素,由于水质千差万别,若运行控制不当,必然会导致膜的污染,严重的会导致整个反渗透装置的报废,会造成巨大的经济损失。应对不同水质的实际情况设计出合理的反渗透系统,掌握正确的反渗透操作方法和运行技术,以保证反渗透设备的安全经济运行。下面以一套用于锅炉补给水的反渗透系统的应用情况讨论。
1、系统概述
本系统的产水用于锅炉补给水。采用软水系统的出水(软水)作为反渗透水处理系统的水源。系统工艺流程如图1所示。

2 系统设计及应用实践
自然界的天然水的水质千差万别,不同的水源水质及对水处理后的不同用途,需采用不同的水处理工艺,水处理系统。合理的水处理系统是保证设备安全经济运行的前提和基础,根据以上原则首先对水源(软水)水质进行了分析。根据所分析水质特点的结果,采取了上述的水处理工艺。
2.1 加酸系统
虽然在本系统选用的进口阻垢剂阻垢效果非常好,但原水经过石灰软化后,PH值将达到9-10,反渗透装置浓水侧仍存在结垢倾向,所以本系统配置一套加酸系统调节反渗透进水PH值至7.2左右,以降低浓水的LSI值,保证反渗透装置的长期可靠运行。
2.2 热交换器
热交换器的作用是使原水维持在一定的温度范围之内,以利于保证反渗透系统出力的稳定。反渗透系统的出力受进水水温的变化影响较大,在进水压力稳定的条件下,水温每变化1e,其产水量大致增减2.7%。为了避免因水温较低而造成反渗透系统产水水量的下降的情况出现,就必须加热进水使其维持在20e-25e左右。在冬季水温低时,热交换器的出水水温由热交换器上的温度控制调节单元完成,水温控制在25e左右。
2.3 氧化剂(NaClO次氯酸钠)加药装置
对于反渗透系统而言,需要配置严格的预处理工艺。加氧化剂的作用是提供足够量的氧化性的NaClO,用于原水的灭菌、灭藻、氧化有机物,其目的是保证反渗透系统免遭生物的污染。为了达到以上目的,一般需加入1-3×10-6的有效氯。一般投入市场上出售的NaClO溶液,其有效氯浓度为8%-12%。
2.4 凝聚剂(PAC)加药装置
该装置的作用是为系统投加适量的凝聚剂,将原水中的悬浮物、有机物、胶体等凝聚成大颗粒的矾花,以便其在多介质过滤器中被有效地去除。由于系统进水受有机物污染,本系统投加了氧化剂,以破坏和降解有机物。水中还有其它杂质,如悬浮物和胶体等杂质,这些杂质一般带有一定量的同性电荷,它们相互排斥,难以自动聚成大颗粒。PAC(聚合氯化铝)是长链的高分子聚合物,在水中可形成带电荷的Alx(OH)3x-yy长链多功能基因,它具
有压缩胶体双电层的作用,同时对异性电荷也起到中和的作用,而且每一个基因都可以吸附水中分散的悬浮物、有机物、胶体等小颗粒杂质,使其凝固成大颗粒的矾花,然后通过介质过滤器将其除去。为了增加水中水中杂质颗粒到达凝聚剂Alx(OH)3x-yy基因表面而被吸附的机会,应适当地进行搅动混合,因此本系统PAC的加入点选择在多介质过滤器的进水母管上,且随后装设静态管道混合器。
2.5 多介质过滤器
多介质过滤器是反渗透系统的重要预处理装置,它的作用是滤除原水带来的细小颗粒!悬浮物、胶体、有机物等杂质,以及经一级加药后形成的矾花,从而保证其出水SDI(污染指数)。
2.6 活性碳过滤器
此设备的主要作用是有效去除水中残余的游离氯,本系统根据需要前面设计了加氯系统,经加氯后,水中会有残余氯,而残余氯是强氧化剂,会对反渗透膜造成损害,因此必须除去。活性炭有很好的除氯效果。
2.7 反冲洗动力装置
本设备在系统中的作用是为多介质过滤器提供充足的压缩气体,用于多介质过滤器反冲洗时的气体擦洗。在多介质过滤器运行过程中,其滤料表面会粘附大量的杂质,甚至造成滤料结成泥球。若只用水进行冲洗很难凑效;而采用压缩气体进行鼓泡擦洗,同时借助水的作用,则很容易将滤料表面粘附的杂质或泥球剥落或打散,然后由水流带出,从而提高多介质过滤器反冲洗的效果。
2.8 阻垢剂加药装置
加药装置的作用是在经过预处理后的原水进入反渗透系统之前,加入高效率的专用阻垢剂,以防止反渗透浓水侧产生结垢。反渗透的工作过程是原水在膜的一侧从一端流向另一端,水分子透过膜表面,从原水侧到达另一侧,而无机盐离子就留在原来的一侧。随着原水的流程逐渐增长,水分子不断从原水中取走,留在原水中的含盐量逐步增大,即原水逐步得到浓缩,而最终成为浓水,从装置中排出。浓水受浓缩后各种离子浓度将成倍增加。自然水中Ca2+、Mg2+、Ba2+、Sr2+、HCO3-、SO42-、SiO2等倾向于产生结垢的离子浓度积一般都小于其平衡常数,所以不会有结垢出现,但经浓缩后,各种离子的浓度积都可能大大超过平衡常数,因此会产生严重的结垢现象。判断水结垢的标准:一是对于碳酸盐垢以朗格利尔(LSI)为基准;当LSI<0时不结垢,LSI>0时结垢;二是对于硫酸盐垢,是以饱和指数来确定的,水中阳、阴离子的浓度积与饱和平衡常数的比值即为饱和指数。当饱和指数小于1时不结垢,反之就会出现结垢。
2.9 反渗透本体系统
本系统的主要作用是把经预处理的水进行膜分离脱盐。它包括下列单元设备:
2.9.1 5L保安过滤器
5L保安过滤器的作用是截留原水带来的大于5L的颗粒,以防止其进入反渗透系统。这种颗粒经高压泵加速后可能击穿反渗透膜组件,造成大量漏盐的情况,同时划伤高压泵的叶轮。过滤器中的滤元为可更换卡式滤棒,当过滤器进出口压差大于设定的值(通常为0.07-0.1MPa)时,应当更换。保安过滤器采用耐腐蚀的304不锈钢材质外壳。滤棒是由聚丙烯喷熔制成,其特点:
1)孔形呈锥形结构;
2)过滤能进入深处,形成深层过滤;
3)纳污量大、寿命长;
4)便于快速更换。
2.9.2 高压泵
高压泵的作用是为反渗透本体装置提供足够的进水压力,保证反渗透膜的正常运行。根据反渗透本身的特性,需有一定的推动力去克服渗透压等阻力,才能保证达到设计的产水量。
2.9.3 反渗透本体装置
反渗透装置是本系统中最主要的脱盐装置,反渗透系统利用反渗透膜的特性来除去水中绝大部分可溶性盐分,胶体,有机物及微生物。经过预处理后合格的原水进入置于压力容器内的膜组件,水分子和极少量的小分子量有机物通过膜层,经收集管道集中后,通往产水管再注入反渗透水箱。反之不能通过的就经由另一组收集管道集中后通往浓水排放管,排入浓水收集箱。系统的进水、产水和浓水管道上都装有一系列的控制阀门,监控仪表及程控操作系统,它们将保证设备能长期保质、保量的系统化运行。本装置反渗透膜组件均采用世界上最先进的复合反渗透膜,单根膜脱盐率达99.6%。经过反渗透膜专用计算软件分析,当设计反渗透装置的回收率为85%时,每套反渗透配置36根BW30-365型膜组件,分别安装在6根FRP压力容器内,成3×2×1排列。
2.10 反渗透清洗和冲洗系统
清洗的作用是根据反渗膜运行污染的情况,配制一定浓度的特定的清洗溶液,清除反渗透膜中的污染物质,以恢复膜的原有特性。无论预处理如何彻底,反渗透经过长期使用后,反渗透膜表面仍会受到结垢的污染。所以本系统设置一套反渗透清洗系统,当膜组件受到污染后,可进行化学清洗。它包括一台5L保安过滤器,一台不锈钢清洗泵,一台清洗箱及一批配套仪表、阀门、管道等附件。冲洗的作用是用反渗透产水置换反渗透膜中停机后滞留的浓水,防止浓水侧亚稳态的结垢物质出现结垢,以保护反渗透膜。本系统中冲洗水泵与清洗水泵公用。
2.11 加氨系统
经RO系统处理后的水,虽然已达到出水水质指标,但是锅炉补水的PH值要求为8.5-9.2,所以在产品水泵出口处还需要设置加氨系统,以调节锅炉补给水的PH值至规定的范围内。

3 反渗透维护运行中应注意的几个问题
3.1 严格控制反渗透进水污染指数
污染指数(淤泥密度指数SDI)是反渗透进水重要的控制指标,它综合反映水中悬浮物、胶体、部分生物等所有粒径大于0.45um的物质含量的一个参
数。一般要求反渗透进水SDI低于4,最大值不超过5。为此,在实际生产中,严格控制反渗透前的预处理过程,精确控制过滤器前聚合铝的加入量,按照过滤器的擦洗要求对过滤器进行擦洗等。在平时的设备运行中,保证了SDI在3以下运行。
3.2 规范系统的操作管理
正确的系统操作和维护管理是保证RO系统长期高性能稳定运行的关键,它包括系统的首次投运和日常开停机操作,膜元件污堵、结垢、堵塞、氧化降解以及水力冲击破坏等的预防。为此,在系统投运前,对员工进行严格的培训,使每位员工都能按操作规程熟练规范的进行操作。在设备运行过程中,认真监测反渗透系统的各个运行参数,并做好记录,发现问题立即进行分析解决。当设备停运行时,做好反渗透的低压冲洗等反渗透的保养工作。

4 影响反渗透系统安全运行的因素
4.1 人的因素
设计者应依据水质特点选出膜元件,设备系统的设计应当正确,设备的安全应符合设计要求,经过预处理的水质应能满足反渗透装置的要求。反渗透装置调试人员应能满足保证条件和保证值,应设定保证安全的警戒值,应建立有效的技术服务支持和预警机制。移交用户后,操作和管理人员应按规定的条件运行和监测,在运行参量偏离规定值时应按照规定的程序处置,操作和管理人员应严格遵守安全规程。以上任何一点做不到,都可能导致系统发生安全运行问题。
4.2 物(设备) 因素
反渗透装置是承受较高工作压力的设备,如果泵体、管道、阀门和装置本身的任何部件耐压不够,任何金属部件受到腐蚀损坏,任何非金属材料发生老化变质,都有可能引起断裂、跑冒渗漏,以致系统不能安全可靠运行,另外检测仪表失灵,加药系统不可靠,电气设备性能衰减或绝缘破损,控制系统发生故障等同样导致系统不能安全可靠运行。
4.3 系统环境的因素
反渗透系统的工作环境也存在影响系统安全运行的因素,原水可能引起的污染和水质的二次污染,电磁辐射可能引起对控制系统的干扰,噪声可能对人身心损坏引起疲劳、分神、精力不集中和违规(习惯性地和不熟悉设备) 操作,化学药剂可能引起的意外伤害,以及可能的触电和电弧等等。

5
RO技术因具有特殊的优越性而得到日益广泛的应用。为了保证反渗透膜组件良好的设计性能和长时间的安全经济运行,特别是为了保证膜的使用寿命,必须对原水进行合适的预处理,以确保反渗透组件给水质量合格;为了保证反渗透膜安全运行,高压泵一般选用不锈钢的高扬程多级离心泵,泵的进口与出口必须分别设置低水压与高水压保护;选择膜材料时应考虑透水量、脱盐率、pH值适用范围、耐氯性、机械强度、耐热温度等因素;而清洗剂的选择,是装置持续稳定运行必不可少的工艺,应根据垢的种类和膜的材料来选择清洗剂。在日常工作中,只要做好管理,严格操作,及时发现运行参数的变化并及时调整设备运行工况,就可避免系统出现严重的问题,从而保证反渗透系统长期、安全、稳定运行。

由于RO技术优良的分离性能,它的应用领域将越来越广泛。今后反渗透的主要发展方向:1、开发抗氧化性、抗酸碱性以及高透水性的新型膜材料。2、开发具有低能耗、抗污染、耐高温、高压和特种分离等性能的反渗透膜组件。3、反渗透膜组件与与超滤、微滤、纳滤、EDI等膜组件的组合应用。4、新型气体膜分离材料的研制。

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