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1、反渗透技术在高硬度高含盐量地下水中的应用研究第25卷第1期2006年2月兰州交通大学(自然科学版)JournalofLanzhouJiaotongUniversity(NaturalSciences)V01.25No.1Feb.2006文章编号:10014373(2006)01-005504反渗透技术在高硬度高含盐量地下水中的应用研究武福平(兰州交通大学环境与市政工程学院,甘肃兰州730070)摘要:针对某地高含盐量高硬度地下水的特点,选择BW304040复合膜,采用二级反渗透工艺系统对其进行处理,以期达到内燃机车冷却水标准.试验考察了操作压力对产水量,脱盐率,回收率的影响,并根据溶解一扩散理
2、论模型对实验结果进行了分析.通过运行试验,分析研究了与膜性能密切相关的主要参数的变化,并对膜的结垢倾向进行了分析.谊系统的成功运行对广大西北铁路地区内燃机车冷却水的处理具有一定的借鉴作用.关键词:二级反渗透;BW30-4040膜除盐水中圈分类号:TQO28.8文献标识码:A传统的内燃机车冷却水处理工艺大部分采用离子交换复床工艺,西北某铁路机务段水处理车间承担着局管内内燃机车冷却水的补给任务,2O世纪8O年代曾建有一套复床的纯水生产线,然而近年来该地区地下水水质越来越差,且水质波动幅度大,原有的生产工艺已不能满足生产要求,表现在工作周期短,再生剂耗量大,再生时间长,甚至出水水质不达标,导致内燃机
3、车冷却水机组结垢及腐蚀,严重影响了正常生产,其原水主要水质如表l所示.裹1原水水质Tab.1Primarywaterquality注:含盐量以电导率表.内燃机车冷却水水质标准为:残余硬度O.05mmol/I,氯化物5mg/I.针对高硬度高含盐量的地下水,本项目使用美国Filmtee(DowChem.Co)生产的BW30-4040复合膜,采用二级反渗透技术对其进行处理,试验考察了操作压力对产水量,脱盐率,回收率等的影响,并根据溶解一扩散理论模型对实验结果进行了分析,确定了设备运行操作的参数.通过运行试验,分析研究了与膜性能密切相关的主要参数的变化,并对膜的结垢倾向进行了分析.经过一年多的生产运行
4、表明,各项出水指标均能满足内燃机车冷却水的水质标准,设备运行良好.该技术在西北铁路地区首家采用,它的成功运行对广大西收稿日期;20050829作者简介:武福平(1962一).男.廿肃临夏人,副教授北铁路地区内燃机车冷却水的处理具有一定的借鉴作用.1工艺流程的确定及结垢倾向分析1.1工艺流程的确定根据原水水质,该系统要求对硬度的去除率最高为99.839/6,对氯化物的去除率最高为98.89,由此可见该系统对硬度及氯化物的去除率要求高,而地下水原水硬度及氯化物含量又较高,单纯的采用一级反渗透的工艺不能满足其水质要求,故采用二级反渗透工艺,其工艺流程如图1所示.加酸及阻垢荆原水加压泵多介质过滤器保安
5、过滤器一级高压泵一级反渗透二级高压槊=级反渗透除盐水箱图I二级反渗透工艺流程F培1Two-stagereverseosmosiscraft其中预处理的目的是为满足反渗透进水水质要求,保安过滤器采用孑L径为5m长度760mm的组件;一级反渗透采用三段4;2:1组合,二级反渗透采用三段2:1ll组合,膜元件采用BW30-4040;为提高膜系统的回收率,将二级浓水全部回流至一级反渗透.针对原水高硬度的特点,为防止膜元件表面产生结垢现象,除投加阻垢剂外,还采取加酸(H2$04)措施,以降低水的pH值,防止CaCOs垢的生成.1.2结垢倾向分析在反渗透系统中最容易结垢的物质是碳酸钙,兰州交通大学(自然科
6、学版)第25卷碳酸钙垢可通过加酸调整进水的pH而避免.进水浓缩后是否会形成碳酸钙水垢可用朗格利尔饱和指数判断,即JI一pH一pH.(1)式中:J【J为朗格利尔饱和指数;pH为水的实测pH值;pH.为水在碳酸钙饱和平衡时的pH值.当JI.>0时,结垢;JIJ<0时,腐蚀.pH可根据下列公式计算:pH,一PCa+P,A+(2一.)(2)式中:PCa为水中钙离子含量的负对数;P,A为水的碱度值的负对数;z为碳酸的二级电离常数的负对数;.为碳酸钙溶度积的负对数.当原水含盐量较高时,应当考虑离子强度对碳酸钙饱和平衡时的pH值的影响,此时pH.可采用下式进行计算1:0厅pH.一pCa+pA+(
7、z一,)+l十1(3)式中:J为离子强度,J=专(cz);c为溶液中第i种离子的浓度;Zi为溶液中第i种离子的电荷值,即离子价.水温也会对碳酸钙的饱和平衡产生影响,其中主要对碳酸的二级电离常数K.和碳酸钙的溶度积K.产生影响.随着温度的上升,z下降L1,而.上升2,则pH减小,从而使结垢倾向增加.由于该地区地下水温度较低,且比较稳定,一般水温2O,故以2O水温作为最不利情况加以核算.根据实测运行记录,浓水侧pH为6.51,CaZ+为492.46mg/I,Mg2+为159.60mg/I,Na+为410.05mg/I,SO,卜为315.50mg/I,Cr为l553.3mg/I,HC03一=313.
8、11mg/I,经计算及查阅相关图表.得(水温2o):PCal_9,P,A=2.29,2一,一2.1O,J=0.08.则由式(3)得:pH=:=1.9+2.29+2.1o+一6.74l+/O.08由式(1)得:JI一pH一pH.一6.5l一6.74一一0.23因为I<0,故可判断不会发生碳酸钙结垢.尽管计算结果说明不会发生结垢,但由于存在膜的极化现象,膜表面浓度高于主体溶液浓度,实际上膜表面的结垢很难完全避免,但延缓膜的结垢是可能的.硫酸钙垢可以通过投加阻垢剂(六偏磷酸钠)而防止,因为六偏磷酸钠可使硫酸钙的溶度积提高,实际运行情况表明投加六偏磷酸钠是有效的.2操作压力对膜性能的影响在反渗透
9、过程中,传质迁移的推动力有两种,即压力差和浓度差.对于溶剂水,主要是在压力差作用下扩散透过膜,对于溶质盐的扩散则主要是浓度差的作用.根据溶解一扩散理论模型,水和盐在膜中的迁移遵循下列方程:J一L(尸一)(4)J.一K.C(5)式中:J,J分别为水和盐的膜通量;L口为水的透过系数;K.为盐的透过系数;P为膜两侧的压力差;为膜两侧的渗透压差;AC为膜两侧浓度差.在设备实际运转过程中,进水水温相对稳定,对膜性能产生重要影响的主要是操作压力.本文以BW304040复合膜为膜元件,在系统装置已定的条件下,实验分析了操作压力对膜性能的影响,并由此确定了设备操作的运行参数.试验所采用的BW3O一4040复合
10、膜的基本性能见表2.表2BW30-4040复合膜的基本性能Tab.2BasicperfonmanceofBW30-4040membrane操作压力/有效膜面积/产水量/回收率/脱盐率/MPam2L.h1.557.6379.171599.5注:数据是以浓度为2000mg/L的NaC1通过试验得到的.试验研究了一级反渗透系统的操作压力对膜的产水量,回收率及脱盐率的影响分别见图24.图2操作压力对胰产水量的影响F2Effect0f0p砌IlgpressureOnm卧Ilepermeateflow由图2可知,随着操作压力的增加,反渗透膜的产水量呈线性增大.由反渗透膜基本迁移方程(4)可知,膜通量的增加
11、与操作压力的增加呈线性关系,然而过高的操作压力会加速膜的压密化,致使产水量过快衰减,对延长膜的使用寿命是不利的.由膜的基本性能可知,一般操作压力以不超过1.55MPa第1期武福平:反渗透技术在高硬度高含盐量地下水中的应用研究为宜.操作压力,MPaO图3操作压力对胰回收率的影响Fig.3EffectofoperatingpressureOilmembranerecovery图3表明了操作压力对回收率的影响.在进水量不变的条件下,随着操作压力的增加,系统回收率也随之增加,相应浓水排放量减少,可以降低制水成本.但由表2可知,系统回收率的增加应以单只膜元件的回收率不超过l5为宜.因为过高的回收率会使浓
12、水一侧流量过小,而浓度过高,这样一方面会使浓差极化加剧,膜表面容易结垢,另一方面过低的流速不利于水垢的排出,故回收率的选择应以防止膜面结垢为前提.根据上述分析并经设计计算,当操作压力为1.1MPa时,则单只膜元件的回收率l5,由图3可知,相应的一级回收率则控制在46,从而有效的防止膜表面结垢.98.卜._1=.图4操作压力对胰脱盐率的影响4EffectofeeaengImeSstweOilm唧tlngrate从图4可看出,在试验压力范围内,膜的脱盐率很高,达到98以上,并且在一定操作压力范围内,随着操作压力的增加脱盐率缓慢增加,由反渗透膜基本迁移方程(5)可知,盐通量与操作压力无直接关系.随着
13、操作压力的增加,产水量增加,由于水透过膜的速率比传递盐分的速率快,所以脱盐率增加;另一方面,产水量增大后,膜两侧的浓度差增大,根据式(5),盐的透过率有增加的趋势,两方面共同作用的结果表现为脱盐率增加较缓.3反渗透系统运行效果分析为验证设备的运行效果及其稳定性,在设备调试完成投入正常运行后,连续3个月取样,分析研究了反映膜性能的主要参数即操作压力,产水量,硬度及氯化物的变化情况.3.1操作压力反渗透装置的操作压力的变化见图5.1.21.0曩0.8譬0.6蟹l0.40.20图5反渗透系统操作压力Fig.5OperatingpressureofreVesmestssys由上面的分析可知,操作压力的
14、大小对膜的产水量及脱盐率有一定影响.提高操作压力有利于增加膜的产水量及脱盐率,但为防止由于操作压力高导致膜的压密化,使膜的透水系数随时间而变化,从而引起产水量的衰减,本项目采用了较低的操作压力.但由图5可看到要保持膜的一定产水量,随着膜的压密化,其操作压力缓慢增加.3.2膜产水量反渗透膜的产水量变化见图6.87654L3g21进水量一级反渗遗产水量二级反渗遗产水量兰州交通大学(自然科学版)第25卷3.3硬度的去除反渗透装置对硬度的去除见图7.一一一时间,d级反透出硬度级反透出硬度图7反渗透系统对硬度的去除Fig.7HardnessremovingofleVelrowaosissystem一级反
15、渗透对硬度的去除率平均为98.95,二级反渗透对硬度的去除率平均为98.82.系统出水残留硬度<o.03mmol/L.3.4氯化物的去除反渗透装置对氯化物的去除见图8.时间,d级反渗H1水氯物级反渗H1水氯物图8反渗透系统对氯化物的去除n昏8ChlorideremovingofrveFseosmosissystem一级反渗透对氯化物的去除率平均为93.85,二级反渗透对氯化物的去除率平均为87.24.系统出水氯化物含量为<24mg/I.由于反渗透膜对水中不同离子的分离作用不同,越是高价离子,膜对它的去除率越高,而离子价态越低,膜对它的去除率相应降低嘲,故复合膜对硬度的去除率大于对氯
16、化物的去除率.4结论反渗透系统与常规的离子交换工艺相比较具有操作简单,管理方便,无需酸碱再生系统,故在制取纯水的过程中,没有废酸,废碱的排放问题,减轻了对环境的污染+膜的分离过程遵循溶解一扩散理论模型.操作压力是反渗透系统的重要参数,对膜的许多性能产生影响,为防止膜表面结垢并延长膜的使用寿命,对高硬度高含盐量水而言,应采用较低的操作压力和恰当的回收率.对于广大的西北铁路地区,由于缺少水资源,地下水普遍存在含盐量高及硬度高的问题,该项目的实施为内燃机车冷却循环水的处理提供了一条有益的经验.参考文献:1E2Is45汤鸿霄.用水废水化学基础M.北京:中国建筑工业出版社,1979.中国市政工程西南设计
17、院.给水排水设计手册;第1册M.北京:中国建筑工业出版社,1986.华东建筑设计研究院有限公司.给水排水设计手册:第4册M.北京:中国建筑工业出版社,2002.许保玖.给水处理理论M.北京:中国建筑工业出版社,2000.冯敏.工业水处理M.北京:海洋出版社.1992.ApplicationStudyofReverseOsmosisTechnologyinTreatingHighHardnessandHi【ghSaltContentGroundwaterWuFuping(SchoolofEnvironmentalScienceandMunicipalEngineering,LanzhouJiao
18、tongUniversity,Lanzhou730070,China)Abstract:Inviewofcharacteristicofhighsaltcontentandhighhardnessofgroundwater,BW304040cornpositemembranewasadopted.Groundwaterwastreatedthroughtwo-stagereverseosmosiscraftinordertoachievethediesellocomotivecoolingwaterstandard.InfluencesofoperatingpressuretOpermeate
19、flowandrecoveryanddesaltingratehavebeeninspectedbytheexperiment,whoseresulthasbeenanalysedbydissolutionandproliferationtheoreticalmode1.Thevarityofmainparametersrelatingtointimatelymembraneperformancehasbeenanalysedbyoperationtest.Andthemembranescalingleaninghasbeenalsoanalysed.ThissystemsuccessfuloperationofferscertainreferencefunctionfortreatmentofthevastnorthwestrailwayregionaldieseIlocomotivecoolingwater.Keywords:twostagereverseosmosis;BW30-4040membrane;deionizedwater一渗水二渗水.趸醚【.1.萤霉艟