轉載--反滲透各階段加藥工作原理

反滲透加藥工作原理

各種原水中均含有一定濃度的懸浮物和溶解性物質。懸浮物主要是無機鹽、 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、硫酸鹽和矽酸鹽）金屬氧化物，酸堿等。在反滲透過程中，進水的體積在減少，懸浮顆粒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） 。難溶鹽在超過其飽和極限時， 會從濃水中沉澱出來， 在膜面上形成結垢， 降低 RO 膜的通量，增加運作壓力和壓力降， 并導緻産品水質下降。 這種在膜面上形成沉積層的現象叫做膜污染，膜污染的結果是系統性能的劣化。 需要在原水進入反滲透膜系統之前進行預處理， 去除可能對反滲透膜造成污染的懸浮物、 溶解性有機物和過量難溶鹽組分， 降低膜污染傾向。 對進水進行預處理的目的是改善進水水質，使 RO 膜獲得可靠的運作保證。

對原水進行預處理的效果反映為 TSS、TOC、COD、BOD 、LSI 及鐵、錳、鋁、矽、 鋇、锶等污染物水質名額的絕對值降低， 在上一章中有對于這些污染物水質名額的較長的描述。 表征膜污染傾向的另外一個重要的水質名額是 SDI。通過預處理， 除了要将上述名額降到反滲透膜系統進水要求的範圍内，還有重要的一點是盡量降低 SDI，理想的 SDI（ 15 分鐘）值應小于 3。

化學預處理

為了改善反滲透系統的操作性能，在進水中可以加入添加下列一些藥劑：酸、 堿、殺菌劑、阻垢劑和分散劑。

1 加酸－防止結垢

在進水中可以加入鹽酸（ HCl ）、硫酸（ H2SO4）來降低 pH。

硫酸價格便宜、不會發煙腐蝕周圍的金屬元器件， 而且膜對硫酸根離子的脫除率較氯離子高， 是以硫酸比鹽酸更為常用。

沒有其他添加劑的工業級硫酸即适宜于反滲透使用，商品硫酸有 20％和 93％兩種濃度規格。

93％的硫酸也稱為 66 波美度硫酸。 在稀釋 93％硫酸時一定要小心， 在稀釋到 66％時發熱可将溶液的溫度提升到 138℃。一定要在攪拌下緩慢地将酸加入水中，以免水溶液局部發熱沸騰。 鹽酸主要在可能産生硫酸鈣或硫酸锶結垢時使用。 使用硫酸會增加反滲透進水中的硫酸根離子濃度， 直接導緻硫酸鈣結垢傾向增加。工業級的鹽酸 （無添加劑）購買非常友善，商品鹽酸一般含量為 30－37％。

降低 pH 的首要目的是降低 RO 濃水中碳酸鈣結垢的傾向，即降低朗格裡爾指數（ LSI）。

LSI 是低鹽度苦鹹水中碳酸鈣的飽和度，表示碳酸鈣結垢或腐蝕的可能性。在反滲透水化學中， LSI 是确定是否會發生碳酸鈣結垢的是個重要名額。當 LSI 為負值時，水會腐蝕金屬管道，但不會形成碳酸鈣結垢。如果 LSI 為正值， 水沒有腐蝕性， 卻會發生碳酸鈣結垢。 LSI 由碳酸鈣飽和的 pH 減去水的實際 pH。碳酸鈣的溶解度随溫度的上升而減小 （水壺中的水垢就是這樣形成的） ，随 pH、鈣離子的濃度即堿度的增加而減小。 LSI 值可以通過向反滲透進水中注入酸液（一般是硫酸或鹽酸）即降低 pH 的方法來調低。推薦的反滲透濃水的 LSI 值為 0.2（表示濃度低于碳酸鈣飽和濃度 0.2 個 pH 機關）。還可以使用聚合物阻垢劑來防止碳酸鈣沉澱， 一些阻垢劑供應商聲稱其産品可以使反滲透濃水的 LSI 高達 +2.5（比較保守的設計是 LSI 為＋ 1.8）。

2 加堿－提高脫除率

在一級反滲透中加堿使用較少。在反滲透進水中注入堿液用來提高 pH。一般使用的堿劑隻有氫氧化鈉（ NaOH ），購買友善，而且易溶于水。一般不含其他添加劑的工業級氫氧化鈉便可滿足需要。商品氫氧化鈉有 100％的片堿，也有 20％和 50％的液堿。在加堿調高pH 時一定要注意， pH 升高會增加 LSI、降低碳酸鈣及鐵和錳的溶解度。最常見的加堿應用是二級 RO 系統。在二級反滲透系統中，一級 RO 産水供給二級 RO 作為原水。二級反滲透對一級反滲透産水進行“抛光”處理，二級 RO 産水的水質可達到 4 兆歐。

在二級 RO 進水中加堿有 4 個原因：

a．在 pH8.2 以上，二氧化碳全部轉化為碳酸根離子，碳酸根離子可以被反滲透脫除。而二氧化碳本身是一種氣體， 會随透過液自由進入 RO 産水， 對于下遊的離子交換床抛光處理造成不當的負荷。

b．某些 TOC 成分在高 pH 下更容易脫除。

c．二氧化矽的溶解度和脫除率在高 pH 下更高（特别是高于 9 時）。

d．硼的脫除率在高 pH 下也較高（特别是高于 9 時）。

加堿應用有一個特例，通常被叫做 HERO（高效反滲透系統）過程，将進水 pH 調到 9或 10。一級反滲透用來處理苦鹹水， 苦鹹水在高 pH 下會有污染問題 （比如硬度、 堿度、鐵、錳等）。預處理通常采用弱酸性陽離子樹脂系統和脫氣裝置來除去這些污染物。

3 脫氯藥劑－消除餘氯

RO 及 NF 進水中的遊離氯要降到 0.05ppm 以下，才能達到聚酰胺複合膜的要求。除氯的預處理方法有兩種，粒狀活性炭吸附和使用還原性藥劑如亞硫酸鈉。在小系統（ 50－100gpm）中一般采用活性碳過濾器，投資成本比較合理。推薦使用酸洗處理過的優質活性炭，去除硬度、金屬離子，細粉含量要非常低，否則會造成對膜的污染。新安裝的碳濾料一定要充分淋洗，直到碳粉被完全除去為止，一般要幾個小時甚至幾天。我們不能依靠 5μm的保安過濾器來保護反滲透膜不受碳粉的污染。 碳過濾器的好處是可以除去會造成膜污染的有機物， 對于所有進水的處理比添加藥劑更為可靠。 但其缺點是碳會成為微生物的飼料， 在碳過濾器中孳生細菌，其結果是造成反滲透膜的生物污染。

亞硫酸氫鈉（ SBS）是較大型 RO 裝置選用的典型還原劑。将固體偏亞硫酸氫鈉溶解在水中配制成溶液， 商品偏亞硫酸氫鈉的純度為 97.5－ 99％，幹燥儲存期 6 個月。 SBS 溶液在空氣中不穩定，會與氧氣發生反應，是以推薦 2％的溶液的使用期為 3－7 天， 10％以下的溶液使用期為 7－14 天。從理論上講， 1.47ppm 的 SBS（或 0.70ppm 偏亞硫酸氫鈉）能夠還原 1.0ppm 的氯。設計時考慮到工業苦鹹水系統的安全系數， 設定 SBS 的添加量為每 1.0ppm氯 1.8－3.0ppm。SBS 的注入口要在膜元件的上遊，設定距離要保證在進入膜元件有 29 秒的反應時間。推薦使用适當的線上攪拌裝置（靜态攪拌器） 。

SBS 脫氯反應：

?Na2S2O5 （偏亞硫酸鈉） + H2O ＝2 NaHSO3 （亞硫酸氫鈉）

?NaHSO3 + HOCl ＝NaHSO4 （硫酸氫鈉） + HCl （鹽酸）

?NaHSO3 + Cl2 + H2O ＝NaHSO4 + 2 HCl

采用 SBS 脫氯的好處是在大系統中比碳過濾器的投資較少，反應副産物及殘餘 SBS 易于被 RO 脫除。

SBS 脫氯的缺點是需要人工混合小體積的藥劑， 在脫氯系統沒有設計足夠的監測控制儀器時增加了氯對膜的威脅，而且在少數情況下進水中存在硫還原菌（ SBR），亞硫酸會成為細菌營養幫助細菌的繁殖。 SBR 通常在淺層井水厭氧環境下有發現，硫化氫（ H2S）作為 SBR的代謝産物會同時存在。

脫氯過程的監測可采用遊離氯監測儀， 用以監測殘餘亞硫酸根的濃度， 還可以采用 ORP監測儀。 推薦的方法是監測殘餘亞硫酸根的濃度， 以保證有足夠的亞硫酸根來還原氯。 大多數商業化氯監測儀的撿出濃度為 0.1ppm，這個值是 CPA 膜的餘氯上限。直接利用 ORP 監測儀監控亞硫酸根濃度的方法不夠可靠， 這種測定水中氧化還原電位的儀器的基線變化難以預測。

CPA 膜的耐氯能力大概在 1000－2000ppm 小時（透鹽率增加一倍） ，1000ppm 小時等于在 0.038ppm 餘氯下運作 3 年。需要注意的是， 在一些情況下發現耐氯能力會因溫度升高 （ 90華氏度以上） 、pH（7 以上）升高和過渡金屬存在（比如鐵、錳、鋅、銅、鋁等）而大大下降。CPA 膜的耐氯胺能力約為 50,000－200,000ppm 小時（發生透鹽率明顯增加） ，這個值相當于在 RO 進水中含有 1.9－7.6ppm 的氯胺，膜可以運作 3 年。同樣，在溫度升高、 pH 降低和過渡金屬存在時，膜的耐氯胺能力會變化。

在加州的一個三級廢水處理裝置上發現，在氯胺濃度 6－8ppm 進水條件下，膜的脫鹽率在 2－ 3年内從 98％降到了 96％。設計者要注意在氯胺化之後進行脫氯還是必要的。 氯胺是混合氯和氨的産物， 遊離氯對膜的降解作用要比氯胺強得多， 如果氨量欠缺時會有遊離氯存在。是以，使用過量的氨是非常關鍵的，系統監測要確定這一點。

4 阻垢劑和分散劑

許多阻垢劑生産廠商可提供各種用于反滲透和納濾系統性能改善的阻垢劑和分散劑。阻垢劑是一系列用于阻止結晶礦物鹽的沉澱和結垢形成的化學藥劑。大多數阻垢劑是一些專用有機合成聚合物（比如聚丙烯酸、羧酸、聚馬來酸、有機金屬磷酸鹽、聚膦酸鹽、膦酸鹽、陰離子聚合物等） ，這些聚合物的分子量在 2000－10000 道爾頓不等。反滲透系統阻垢劑技術由冷卻循環水和鍋爐用水化學演變而來。對為數衆多各式各樣的阻垢劑， 在不同的應用場合和所采用的有機化合物所取得的效果和效率差别很大。

采用聚丙烯酸類阻垢劑時要特别小心， 在鐵含量較高時可能會引起膜污染， 這種污染會增加膜的操作壓力，有效清除這類污染要進行酸洗。

如果在預進行中使用了陽離子混凝劑或助濾劑，在使用陰離子性阻垢劑時要特别注意。會産生一種粘稠的粘性污染物，污染會造成操作壓力增加，而且這種污染物清洗非常困難。

六偏磷酸鈉（ SHMP ）是早期在反滲透中使用的一種普通阻垢劑，但随着專用阻垢劑的出現，用量已經大大減少了。SHMP 的使用有一些限制。每 2－3 天要配制一次溶液，因為暴露在空氣中會水解， 發生水解後不僅會降低阻垢效果， 而且還會造成磷酸鈣結垢的可能性。使用 SHMP 可減少碳酸鈣結垢， LSI 可達到＋ 1.0。

阻垢劑阻礙了 RO 進水和濃水中鹽結晶的生長， 因而可以容許難溶鹽在濃水中超過飽和溶解度。阻垢劑的使用可代替加酸， 也可以配合加酸使用。有許多因素會影響礦物質結垢的形成。溫度降低會減小結垢礦物質的溶解度（碳酸鈣除外，與大多數物質相反，它的溶解度随溫度升高而降低） ，TDS 的升高會增加難溶鹽的溶解度（這是因為高離子強度幹擾了晶種的形成）。