反渗透膜复合污染的化学清洗原则
  • 作者 : 巴沃夫环保
  • 发表时间 : 2021/01/23
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膜分离技术,广泛应用于水处理、食品、医药等领域。然而,要成功地应用膜技术,必须了解膜的表面形态、孔径分布与所用料液的膜污染特征。
        在反渗透脱盐系统中,膜的污染已成为反渗透系统长期稳定运行的最大障碍。随着给水水源水质的日益恶化与脱盐预处理系统设计或运行的问题,反渗透膜污染基本表现为复杂的严重的多种污染物组成的复合污染。因此,需要有效实用的膜污染评价方法和化学清洗技术来实现反渗透系统的长期稳定运行。

   1 反渗透膜复合污染的评价方法实用体系
  目前,成功用于膜的特性分析的技术包括光学显微镜、扫描电子显微镜、能量色散X射线、红外光谱和接触角测定。而Zeta电位仪、原子力显微镜、光电子能谱仪、超声在线检测则是近几年来的研究热点。
  综合国内外文献,结合以往的研究实践,提出了图1的表征膜、膜污染和膜清洗特性的评价方法体系[1,2]。
图1 膜-污染-清洗特性的评价方法体系

  从图1可知:
  1) 膜的特性包括:膜的荷电性、极性、形貌、粗糙度、膜孔大小、膜材料元素组成、价态和官能团结构。这些指标是评价膜性能、膜污染和膜清洗特性的基础,有效的表征方法有:Zeta电位仪、接触角测定、扫描电镜、原子力显微镜、傅立叶转换-红外光谱分析和光电子能谱仪。
  2) 膜污染物通常包括无机污染、有机污染和微生物污染,其鉴定的最好方法是通过解剖已污染的膜组件,并详细分析其污染物,但这种方法必须牺牲膜组件,费用较高。因此,膜污染物的分析鉴定通常采用其它方法来实现,如对污染的膜片进行扫描电镜、能量色散X射线(或光电子能谱仪)和傅里叶转换红外光谱仪等仪器分析方法。采用原子力显微镜和超声波探伤仪在线监测是目前国内外膜研究的热点,其中前者已有应用于膜孔径、粗糙度、表面形貌和生物颗粒吸附的研究报道;后者目前只处于实验室平板膜的膜污染研究(所以在图1中用虚线连接),但超声波在线监测将是最有发展前途的工程化的实用技术。
  3) 膜清洗包括物理清洗和化学清洗,而通常应用较多的是化学清洗。化学清洗是污染物与清洗剂之间的一种多相反应。常用化学清洗剂包括:酸、碱、螯合剂、表面活性剂、酶、消毒剂和专用清洗剂。从研究角度而言,可以采用仪器分析方法来定性或定量地表征膜清洗的效果。
纵观这些分析技术,作者认为:场发射扫描电镜是分析膜表面及污染物形态的较佳技术,它与能量色散X射线联合分析能够很好地评价膜的污染特征,但是相对于后两种技术,扫描电镜对样品有较大的损伤与失真性。原子力显微镜是分析膜表面形貌与孔径分布的最佳技术,它具有显像真实、可在自然条件下操作、样品破坏少的优点,而傅里叶转换红外光谱技术(特别是ATR-FTIR)能够检测和鉴定EDX总体上难以识别的有机化合物,以及膜材料或基材化学变化的迹象,因此更宜作为膜污染或膜损伤的首选分析技术。这些技术通过有效地结合,将能够解决分析膜表面特性与膜污染的问题。
利用膜-污染-清洗特性的评价方法体系,结合现场试验研究表明,以微污染水源水为原水的反渗透膜污染是以颗粒物质、胶体、有机物和微生物为主体的复合污染,不同类型污染之间的相互作用与相互促进会使膜污染变得复杂,其中胶体和有机物是加速、促进膜污染的重要因素。

2 复合污染的化学清洗原则
        结合沧州炼油厂热电厂水处理车间的反渗透膜在线清洗研究实践,作者提出了反渗透膜复合污染化学清洗时的内在主要污染物优先清洗(Preferential Cleaning Principle of Essential Foulants ,PCPEF)原则[1]。PCPEF原则主要包括两点:
1) 对于反渗透的化学清洗,其内在主要污染物的优先次序为:胶体硅﹥可吸附有机物﹥颗粒物质(铁和铝的胶体物)﹥微生物﹥金属氧化物。
2) ) 化学清洗是膜污染的一个逆过程。只要优先去除内在的主要的膜污染物,则次要的或螯合的膜污染物就会被同时去除或者被后续化学清洗工艺很容易地去除,从而减少化学清洗的总时间。
根据反渗透系统水质分析报表、运行操作记录和当前反渗透装置的运行状况,首先初步判定膜污染物的种类,然后通过肉眼观察污染膜组件和图1的评价方法体系进一步鉴定,以确定具体的复合污染物种类和程度,最后根据PCPEF原则“对症下药”,确定适宜的化学清洗配方进行在线化学清洗,同时可对预处理系统提出评价与改进方案。

3 在线清洗实例
        沧州炼油厂热电厂水处理车间的1#反渗透设计生产能力为60m3/h,采用一级两段7︰4排列,攻66支BW30-400膜元件。该系统于1997年1月投运,1998年2月更换膜一次,至1999年5月未清洗,水质报告见表1。其工艺流程如下(钠床软化器自1999年1月未再生):
PAC  NaClO  NaHSO3  FLOCON260
深井水→多介质过滤器→钠床软化器→5mm保安过滤器→RO→锅炉用水
        根据膜-污染-清洗特性的评价方法体系进行膜污染特性分析,结果表明该反渗透系统的膜污染是由颗粒物质、Si-Al-Fe胶体、憎水性有机物和细菌组成的复合污染。按照PCPEF原则,采用以柠檬酸、EDTA钠盐、磷酸三钠、三聚磷酸钠和特殊助剂等组成的复配组合药剂于1999年5月进行在线清洗,清洗效果获得100%的恢复,结果见表2。

4 结论
        利用膜-污染-清洗特性的评价方法体系,对膜污染进行系统分析鉴定。然后根据分析结果和系统运行记录,按照PCPEF原则,选用适宜的清洗药剂与程序即可获得最佳的化学清洗效果。

 

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