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水處理設備加堿在反滲透系統中的應用
 
 反滲透(RO)是一種十分有效的膜分離單元操作,是依靠反滲透膜在壓力下使溶液中的溶劑與溶質進行分離的過程。反滲透技術能使離子交換樹脂的負荷減輕90%以上,樹脂的再生劑用量也可減少90%,除了除鹽,還可除去水中的微粒、有機物質、膠體物質,對減輕離子交換樹脂的污染,延長使用壽命都有著良好的作用。
  
  但是長期以來,對于水中含有的游離CO2的去除,反滲透技術似乎無能為力,因為傳統的反滲透技術中必須控制進水中LSI(即朗格利爾飽和指數)值,以防止反滲透膜結垢。而LSI值控制的一個重要參數是進水PH值,如果PH值為酸性,則不容易結垢,如果PH為堿性,則結垢傾向十分明顯。所以傳統的工藝中在反滲透系統前添加HCl溶液,能很好地防止CaCO3、MgCO3等沉淀物結垢;而很少在反滲透系統前添加NaOH溶液。
  
  2去除CO2的常用方法及反應機理
  
  2.1脫CO2塔
  
  目前使用最廣泛的是二氧化碳脫氣塔,由于水中含有大量的碳酸氫鹽堿度,經過H型離子交換器(即陽離子交換床)處理后,樹脂上所帶的H 被置換到水中而成為碳酸,所以脫CO2塔一般放在陽離子交換床的后面,陰離子交換床的前面。當水的PH值小于4.3時,水中碳酸幾乎完全以二氧化碳的形式存在,如下式的變化:
  
  H HCO3-=H2CO3=CO2 H2O
  
  當H 增加,即PH越低時,上述反應就向右進行,此時,用一個裝置水從上噴淋而下,空氣從下鼓風而上,使空氣流與水滴充分接觸,由于空氣中的二氧化碳量很小,分壓很低,只占大氣壓力的0.03%,根據亨利定律,經過H型離子交換器處理的水,由于二氧化碳分壓高,逸入分壓低的空氣流中而被帶走,從而除去了水中的二氧化碳,也即除去了水中大量的陰離子HCO3-,這樣可以大大減輕陰床的負擔,提高陰床的周期制水量,減少再生劑的消耗。
  
  但是,二氧化碳脫氣塔由于吸入的是生產環境中的空氣,難免會帶入空氣中的雜質,通過與水源接觸從而污染水源,引起陰床周期制水率的下降。
  
  2.2真空脫氣塔
  
  真空脫氣塔也是一種去除CO2的方法,此外還能去除水中的O2等物質,去除效率比脫CO2塔高的多。它的工作原理是用一個裝置將水從上噴淋而下,經過濾料分散后,水中的CO2及O2逸出,而真空泵在塔的中部抽真空,CO2及O2被真空泵吸走,脫氣后的純水流至塔底,經混床供給泵增壓后進入后處理混床。如果真空脫氣塔進水呈弱酸性,水中的碳酸鹽也能被大量去除,因為當水的PH值小于4.3時,水中碳酸幾乎完全以二氧化碳的形式存在,由于未脫氣的反滲透產水一般為弱酸性,所以真空脫氣塔一般放在反滲透的后級。
  
  真空脫氣塔結構比較復雜,大的單元有脫氣塔、真空泵等,為了保證進水分散均勻,濾料層高度需設置得很高,導致脫氣塔高度達十幾米,設備占用空間龐大,另外,由于脫氣塔液位控制很嚴格,液位過高,容易使脫氣效率下降,過低,容易導致水泵吸空,引起生產事故,所以使用的液位計必須十分靈敏。雖然真空脫氣塔不會帶入外界新的雜質,但是由于設備結構復雜,占地空間大,運行費用高,所以在實際生產應用方面受到一定限制。
  
  除了上述常用的兩種脫氣方法外,還有膜脫氣等方法,但是由于投資成本太高,一般只用于出水水質要求很高的超純水系統中。
  
  3RO前加堿除CO2的方法和反應機理
  
  3.1反應機理
  
  反滲透是高效的除鹽工藝,所以只要把水中的二氧化碳轉化成碳酸氫鹽就可利用反滲透去除二氧化碳,由于H HCO3-=H2CO3=CO2 H2O這個化學反應是可逆的,當OH-增加時,該反應就向左進行,當水的OH值大于8.2時,水中的CO2將全部轉化為HCO3-,這樣HCO3-通過反滲透系統全部去除,間接實現了去除CO2的目的。
  
  但是,在加堿的同時,反滲透膜的結垢趨勢將十分明顯,因為LSI值遠遠高于允許的范圍。實踐證明:當反滲透系統前加堿而不采取其他的措施時,RO濃水結晶析出十分迅速,一般1~2個小時就可以在濃水側發現白色的結晶。
  
  其反應式為:Ca2 2OH- CO2=CaCO3 H2O
  
  Mg2 2OH- CO2=MgCO3 H2O
  
  所以,有必要在RO前添加阻垢劑避免結垢。
  
  隨著科學技術的發展,目前反滲透阻垢劑品種繁多,阻垢效率越來越高,如杭州英普水處理技術公司的產品MDC220,能做到濃水側LSI值達3.0的水平。我們車間使用了這種阻垢劑,即在RO前加堿的同時添加阻垢劑,實際運行下來反滲透可以確保三個月以上清洗一次,加堿結垢這個問題得到了很好的解決。
  
  3.2在實際運用中的遇到的問題及整治
  
  3.2.1原水水質
  
  原水水質不同對反滲透清洗周期的影響較大。我們公司原水采用的是工業自來水,由于該自來水是經過處理后的富營養化的太湖水,所以水中的有機物含量較高,且受季節變化影響也比較大,電導率也比較高(600μs/cm以上),使用下來發現,RO系統運行一段時間后,進口操作壓力就明顯上升,而段間的壓差不變,經過適當的清洗可恢復至正常狀態,但經過一段時間后又重復出現。通過對RO系統加堿和阻垢劑的分析研究,我們懷疑與原水水質中有機物含量變化有關,后來通過更換另一種阻垢劑后,問題得到了解決。
  
  如果原水使用的是硬度較高的深井水,由于在RO系統前添加堿液,雖然添加了阻垢劑緩解了系統結垢的時間,但是RO膜結垢的趨勢仍然比采用自來水作為原水來得要迅速。實踐證明:一般1個月左右就需要對二段膜進行化學藥洗。
  
  3.2.2控制方式
  
  由于在反滲透系統前添加了NaOH溶液,使LSI值遠遠高于允許的范圍,很容易導致二段反滲透膜結垢。如果阻垢劑未能及時地添加,比如加藥泵故障或斷電;或者添加量不夠,比如加藥泵沖程選得太小,也容易發生生產事故。這就對控制方式提出了更為嚴格的要求。建議一旦阻垢劑加藥泵發生故障時應及時關閉堿液加藥泵,以防止RO濃水迅速結晶析出,因為短時間內水中的CO2不會對整個純水系統產生大的影響,長時間也只是影響混床的定收量,所以當加藥泵發生故障時可以停泵修理,不會影響生產運行;在控制方式上我們可以使阻垢劑泵和堿泵連動,一旦其中一臺停止,另一臺也隨即停止運行,或者當加藥泵故障時發出報警信號,使故障能在最短的時間里得到解決,此外,加強生產現場的巡檢也是必不可少的,比如看到反滲透二段淡水產量下降明顯,應立即檢查阻垢劑的加藥情況,并及時對反滲透進行藥洗。定期的巡檢對于減少設備故障的發生,避免生產事故是十分有益的。
  
  3.2.3RO運行方式
  
  最好的防止RO二段結垢的方式是采用二級RO運行方式,并在二級反滲透系統前添加NaOH溶液,因為二級反滲透進水是一級反滲透的產水,含鹽量極低,即使添加了堿液,對二級反滲透的脫鹽能力的影響也是微乎其微,所以二級反滲透一般不會結垢,無需添加阻垢劑。但是這種運行方式的缺點是一次性投資較高,但對于整個純水系統來說是最為理想的運行方式,既能提高后處理混床的定收量(二級RO產水電導率≤1μs/cm),又能提高整個純水系統的運行效率(故障率低)。
  
  4結論
  
  反滲透系統前添加了NaOH溶液去除水中CO2的方法,和傳統的脫氣塔、脫氣膜比較起來,一次性投資費用和運行費用低,無需增加額外的大型設備,并且充分利用了RO系統的脫鹽能力,此外,由于添加了堿液,對于去除水中的有機物也十分有利。但是在控制方式上必須嚴格要求,這一點對于反滲透不是采用二級方式,而是一級方式時尤其重要。

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