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反滲透膜分離技術(shù)作為一門新型的高效分離、濃縮、提純及凈化技術(shù),近30 a來(lái)發(fā)展迅速,目前已廣泛應(yīng)用于純水制備、海水淡化和廢水處理等行業(yè)。反滲透膜是反滲透系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件。目前國(guó)內(nèi)約有幾十萬(wàn)膜元件用戶,且每年以20%~30%的速度增加。在實(shí)際應(yīng)用中,膜元件都會(huì)發(fā)生不同程度的污染,導(dǎo)致系統(tǒng)進(jìn)出口壓差增大,產(chǎn)水量減少,脫鹽率下降,進(jìn)而影響反滲透系統(tǒng)的正常運(yùn)行,因此,必須設(shè)置反滲透清洗系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行有效清洗,限度地恢復(fù)已經(jīng)污染的膜元件的性能,使膜更有效地持久運(yùn)行。如何對(duì)反滲透膜運(yùn)行中產(chǎn)生的污染進(jìn)行分析和有效清洗,受到越來(lái)越廣泛的重視。
1 反滲透膜污染的分析與判斷
為了提高清洗效果,清洗前需要對(duì)膜污染的狀況進(jìn)行分析,確定污染物的種類,根據(jù)反滲透膜污染、結(jié)垢的具體情況,選擇有針對(duì)性的清洗劑進(jìn)行清洗。
1.1 分析途徑
(1)分析設(shè)備性能數(shù)據(jù)。
(2)分析給水中潛在的污染、結(jié)垢成分。
(3)分析SDI儀的膜過(guò)濾器收集的污染物。
(4)分析濾芯過(guò)濾器的污染物。
(5)檢查管道內(nèi)表面和膜元件兩端的狀況。
(6)必要時(shí)剖開膜元件進(jìn)行分析,查找污染、結(jié)垢成分。
1.2 分析方法
膜污染嚴(yán)重時(shí),可通過(guò)染色試驗(yàn)、顯微鏡分析、傅立葉變換紅外線光譜(FTIR)分析、掃描電子顯微鏡(SEM)分析、能源頻射X光線(EDX)分析等查找原因,判斷故障位置。以上幾種分析鑒定方法有的必須犧牲膜元件,有的需要借助專門儀器、設(shè)備,費(fèi)用較高。實(shí)際應(yīng)用中常常采用以下簡(jiǎn)便易行的分析方法。
(1)目 測(cè)
在確定系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)生污染,需要實(shí)施化學(xué)清洗時(shí),先打開壓力容器端板,直接觀察污染物在壓力容器端板與膜元件之間的間隙內(nèi)累積的情況。一般根據(jù)直接觀察即可基本確定污染物的類型,繼而確定相應(yīng)的清洗方案。
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預(yù)處理濾料(砂粒、活性炭)泄漏、膠體污染、有機(jī)物污染和生物污染,前端最嚴(yán)重,可以從前端膜元件入口觀察到顆粒物及粘液狀污染。發(fā)生生物污染時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)腥臭味粘液物質(zhì),灼燒刮取的生物粘泥(粘膜),會(huì)有蛋白質(zhì)的焦臭氣味。
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無(wú)機(jī)鹽結(jié)垢在系統(tǒng)末端嚴(yán)重,在末端膜元件端頭處可以摸到粗糙的粉狀物。用鹽酸(pH 3~4)溶解時(shí)有氣體冒出,說(shuō)明沉淀物極可能是CaCO3。硫酸鹽垢、硅垢在pH很低時(shí)也很難溶解。如果垢在0.1 mol/L HF溶液中是可溶的,則可能是硅垢。
(2)稱 重
污染的膜元件進(jìn)水流道附著了污染物,整體重量會(huì)加大。將取出的膜元件豎立放置,瀝干水分后稱重,與膜元件的參考重量進(jìn)行對(duì)比,多余的重量即為附著污染物的重量。
(3)參考污染特征進(jìn)行判斷
另外,還可參考反滲透膜污染物的污染特征進(jìn)行分析判斷。表1是膜生產(chǎn)廠家給出的反滲透膜污染物的污染特征。
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| 反滲透膜污染物特征 | |
2 反滲透膜的化學(xué)清洗
2.1 清洗條件
下列情況出現(xiàn)時(shí)需要及時(shí)清洗膜元件:
①標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)水量降低10%;
?、谶M(jìn)水和濃水之間的壓差上升了15%;
?、蹣?biāo)準(zhǔn)化透鹽率增加10%~15%;
?、芟到y(tǒng)各段壓差明顯上升。
一般以設(shè)備最初運(yùn)行48 h所得到的運(yùn)行記錄為標(biāo)準(zhǔn)化后的對(duì)比數(shù)據(jù)。
2.2 清洗設(shè)備
(1)清洗箱
起混合與循環(huán)作用,要求耐腐蝕,材料可選用玻璃鋼、聚氯乙烯塑料或鋼罐內(nèi)襯橡膠等。清洗水箱應(yīng)設(shè)有溫度計(jì)。清洗箱的大小大致是空的壓力容器的體積與清洗液循環(huán)管路的體積之和,一般應(yīng)考慮20%的裕度。
(2)清洗泵
應(yīng)耐腐蝕,如玻璃鋼泵。它所提供的壓力應(yīng)能克服保安過(guò)濾器的壓降、膜組件的壓降和管道阻力損失等,一般選用壓力為0.3~0.5 MPa。水泵的材質(zhì)至少必須是316不銹鋼或非金屬聚酯復(fù)合材料。
(3)其 他
清洗系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)有必要的閥門、流量計(jì)和壓力表以控制清洗流量,連接管線既可以是硬管也可以是軟管,應(yīng)耐酸堿腐蝕。
2.3 清洗藥劑
膜分離系統(tǒng)的化學(xué)清洗方法主要有酸法和堿法兩種,具體采用何種清洗方法取決于膜系統(tǒng)的污染物性狀。表2列出了不同污染物適宜的清洗液配方。
2.4 清洗步驟
2.4.1 清洗單段系統(tǒng)
(1)系統(tǒng)沖洗
用反滲透產(chǎn)品水(也可用符合反滲透進(jìn)水標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)處理水或過(guò)濾水)沖洗反滲透膜組件和系統(tǒng)管道。
(2)配制清洗液
清洗液原則上用反滲透產(chǎn)品水配制。清洗劑應(yīng)充分溶解并混合均勻,然后調(diào)節(jié)pH (酸洗一般用氨水調(diào)節(jié),堿洗一般用鹽酸調(diào)節(jié)),并反復(fù)確認(rèn)清洗溫度是否合適。
(3)低流量輸入清洗液
清洗液以盡可能低的壓力置換元件內(nèi)的原水,其壓力僅需達(dá)到足以補(bǔ)充進(jìn)水至濃水的壓力損失即可,即壓力必須低到不會(huì)產(chǎn)生明顯的滲透產(chǎn)水。低壓置換操作能夠限度地減低污垢再次沉淀到膜表面。視情況排放部分剛開始循環(huán)回來(lái)的清洗液,以防止清洗液的稀釋。
(4)循 環(huán)
當(dāng)原水被置換完后,讓清洗液循環(huán)回清洗水箱并保證清洗液溫度恒定,循環(huán)時(shí)間一般為60min。對(duì)回流清洗液視情況進(jìn)行處理。如果回流清洗液已明顯變色或變濁則應(yīng)排放掉,重新配置清洗液;若回流清洗液pH變化超過(guò)0.5時(shí),調(diào)整pH,必要時(shí)更換清洗液。
(5)浸 泡
停止清洗泵的運(yùn)行,讓膜元件浸泡在清洗液中。一般浸泡1 h就足夠了;但對(duì)于頑固的污染物,需要延長(zhǎng)浸泡時(shí)間,浸泡10~15 h或浸泡過(guò)夜。
(6)高流量循環(huán)
高流量循環(huán)30~60 min。高流量能沖洗掉被清洗液清洗下來(lái)的污染物。在高流量條件下,可能會(huì)出現(xiàn)過(guò)高壓降的問(wèn)題。單元件的允許壓降為0.1 MPa,多元件壓力容器允許壓降為0.35 MPa,以先超出為限。
(7)沖 洗
用反滲透產(chǎn)品水或合格的預(yù)處理出水沖洗系統(tǒng)內(nèi)的清洗液,沖洗溫度為20℃,沖洗時(shí)間約1 h。
2.4.2 清洗多段系統(tǒng)
對(duì)多段反滲透裝置,原則上應(yīng)分段進(jìn)行清洗,清洗水流方向與運(yùn)行方向相同。一般情況下,清洗液可不排地溝,直接循環(huán);當(dāng)污染比較輕微時(shí),可以多段一起進(jìn)行清洗;當(dāng)元件污染嚴(yán)重時(shí),清洗液在最初幾分鐘可排地溝,然后再循環(huán)。清洗每一段循環(huán)時(shí)間通常為1.5 h,污染嚴(yán)重時(shí)應(yīng)加長(zhǎng)時(shí)間。清洗完畢后,應(yīng)用反滲透出水沖洗反滲透裝置,時(shí)間不少于30 min。當(dāng)膜污染嚴(yán)重時(shí),清洗段的溶液不要用來(lái)清洗第二段,應(yīng)重新配制清洗液。為提高清洗效果,可讓清洗液浸泡膜元件,但時(shí)間不應(yīng)超過(guò)24 h。
2.5 清洗要點(diǎn)
(1)高流速
清洗流速應(yīng)比正常運(yùn)行時(shí)的流速高,一般為正常運(yùn)行濃水流速的1.2倍。
(2)低壓力
清洗壓力應(yīng)盡可能低,建議控制在0.3 MPa以下。如果在0.3 MPa以下很難達(dá)到流量要求時(shí),應(yīng)盡可能地控制進(jìn)水壓力,以不出產(chǎn)水為標(biāo)準(zhǔn)。一般進(jìn)水壓力不能大于0.4 MPa。
2.6 清洗時(shí)的注意事項(xiàng)
(1)謹(jǐn)慎選擇清洗藥劑
應(yīng)謹(jǐn)慎選擇清洗所用藥劑,而且清洗時(shí)應(yīng)嚴(yán)格遵守藥品的使用說(shuō)明和工藝條件,并要仔細(xì)觀察清洗時(shí)清洗液的溫度和pH變化。在對(duì)大型系統(tǒng)清洗之前,建議從待清洗的系統(tǒng)內(nèi)取出1支膜元件,進(jìn)行單個(gè)膜元件清洗效果試驗(yàn),確認(rèn)清洗效果后再實(shí)施整套系統(tǒng)的清洗。
(2)清洗液的潔凈度
清洗液的潔凈度直接影響清洗效果。清洗液含較多的雜質(zhì)及顆粒物,會(huì)對(duì)膜系統(tǒng)造成二次污染,還會(huì)對(duì)膜表面造成一定的機(jī)械性損傷。用于反向清洗的清洗液中小分子雜質(zhì)應(yīng)盡可能少。較為理想的清洗溶劑為膜系統(tǒng)的產(chǎn)水,當(dāng)然也可以使用合格的預(yù)處理出水來(lái)配制清洗液。
(3)清洗液流動(dòng)方向
一般要求清洗液流動(dòng)方向與系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的水流方向相同,以防止元件產(chǎn)生“望遠(yuǎn)鏡"現(xiàn)象,因?yàn)閴毫θ萜鲀?nèi)的止推環(huán)僅安裝在壓力容器的濃水端。反向清洗僅針對(duì)進(jìn)料端被嚴(yán)重污堵的組件,并且不能在膜的透過(guò)液一側(cè)反向施壓,以免使膜本身出現(xiàn)機(jī)械性損傷。此處反向清洗是指在膜組件的濃排端泵入清洗液,在膜外側(cè)進(jìn)行組件內(nèi)循環(huán),使清洗液流經(jīng)膜表面,以適當(dāng)?shù)牧魉僭谀け砻嫘纬梢欢ǖ臎_刷力,將系統(tǒng)內(nèi)和膜表面的污染物清除排出。筆者參與的膜清洗(反滲透膜組件組成方式為一級(jí)三段式,排列方式為10∶5∶3)通常是將段的支膜反向后置于段的末端(注意濃水密封圈也相應(yīng)地移至另一端),再按正常清洗程序進(jìn)行清洗。
(4)清洗液的溫度
清洗液的溫度對(duì)清洗效果的影響極大。在合理的溫度范圍中,盡可能地提高清洗液溫度可更有效地恢復(fù)膜的原有性能。這是因?yàn)?較高的清洗溫度可以使清洗液的溶解度和洗滌能力有所提高;另外,高于正常工作溫度的清洗液有助于膜微孔的擴(kuò)張,促進(jìn)微孔內(nèi)污物的排出。
(5)清洗順序
膜分離系統(tǒng)的化學(xué)清洗,大多數(shù)情況下采用酸法、堿法交替進(jìn)行的方法,但一定要注意酸法、堿法不能連接進(jìn)行。合理的清洗順序?yàn)?酸洗→水洗至呈中性→堿洗→水洗至呈中性或堿洗→水洗至呈中性→酸洗→水洗至呈中性。
3 結(jié)束語(yǔ)
反滲透膜的化學(xué)清洗是反滲透裝置運(yùn)行維護(hù)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié),其成功與否直接影響著反滲透膜的使用性能及使用壽命。正常的化學(xué)清洗周期是每3~12個(gè)月1次。如果1個(gè)月內(nèi)清洗1次以上,需對(duì)反滲透預(yù)處理系統(tǒng)作進(jìn)一步調(diào)整和改善,如追加投資或重新進(jìn)行反滲透設(shè)計(jì)。沒(méi)有一個(gè)好的預(yù)處理系統(tǒng),膜系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行將難以實(shí)現(xiàn)。不能把希望都寄托于膜清洗,化學(xué)清洗并不是的,其對(duì)膜的損害是比較大的。
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