反渗透膜阻垢剂性能评价方法的研究

于涛，欧阳清华，张冰如，李风亭
(同济大学 环境工程学院污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海 200092）

　　摘要：提出一种间歇排出部分产水的循环模式进行反渗透阻垢剂的性能评价的方法。以模拟浓水作为进料水，通过成垢物质的结垢速率来判断阻垢剂的阻垢效果，研究了pH值、进水压力等对阻垢效果的影响，对研制的环保型阻垢剂丁J-1和TJ-2阻碳酸钙性能进行了评价，并与荚国清力公司的同类产品PTP2000作对比，试验表明该评价方法快速简单，TJ-1和TJ-2可达到与PTP2000相近的阻垢性能。
　　关键词：给水处理；反渗透；阻垢剂
　　中图分类号：TU991.27　　 文献标识码：A　　 文章编号：1009—2455(2004)01—0054—03

A Study of Method for Evaluating Performance of Reverse Osmose Membrane Scale Inhiitors
YU Tao，OUYANC Qing-hua，ZHANC Bing-ru，LI Feng-ting
(State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse，School of Environmental Science and Engineering, Tong ji University, Shanghai 200092，China)

　　Abstract：A recycle mode of intermittently discharging part of produced water is proposed for evaluation of the performances of reverse osmose membrane scale inhibitors.Simalated concentrated water was used as feed water.The rates of scaling of scaling matters were used to judge the scale inhibiting effects of scale inhibitors. The effects of pH valties，inlet water pressure，etc.on scale inhibiting results were studied.The calciam carbonate-resistant performances of TJ-1 and TJ-2 were evaluated and compared with that of PTP2000.It was shown by the test that this method of evaluation was fast and simple，and the scale inhibiting performances of TJ-1 and TJ-2 were close to that of PTP2000.
　　Key words： feed water treatment；reverse osmosis；scale inhibitor

　　反渗透(RO)技术在水处理领域中已经得到越来越广泛的应用，添加阻垢剂防止和控制膜结垢在反渗透运行中起着至关重要的作用。市场上不断有新的阻垢剂推出，在投人生产使用前必然要进行性能评价，目前主要依靠现场实验进行评价^[1-3]，但是由于运行时间长、设备规模大、费用高，无法对结垢和污染的机理进行细致研究，并且存在很大的风险，所以急需开发出一种可以在实验室快速评价阻垢剂性能的评价方法。
　　国外开发的浓缩液循环技术对研究CaSO₄结垢取得很好的效果^[4-5]，但是因为膜结垢是一种累积效果，由于没有在固定回收率下经过一段时间的运行，与实际运行情况有一定的差异，得到的结果存在较大的偏差。此外由于CaCO₃，BaSO₄，SrSO₄的溶解度较CaSO₄小得多，研究它们的结垢所需的浓缩倍数相应也小得多。所以我们开发出一种间歇排出部分产水的循环技术以解决浓缩液循环技术中存在的问题。

1 实验部分

1.1 实验水质
　　实验水质为模拟黄河水配制，配制水质如表1所示，实验中为了在现有装置上模拟较高回收率的运行，以表1水质为参照按一定的浓缩倍数用蒸馏水和一些基本离子配制。

表1　 以黄河水作为参照RO进料水典型水质

1.2 实验装置
　　装置如图1所示。采用连续式—分段式(浓水分段)工艺流程，原水从供料罐至保安过滤器，去除大于5μm大颗粒杂质，再进入4个串连的膜元件处理。采用螺旋卷CSM RE4040-BE，膜类型TFC（Thin Film Composite)，膜材料PA(Polyamide)。

1.3 实验方法
　　实验装置由4个膜元件组成，所以该装置的最高回收率不超过50％，然而反渗透生产中回收率一般为75％，如果要用此装置在高回收率的情况下评价阻垢剂的性能，则需要增加膜元件，否则就会造成流速过大，损坏膜结构。为了利用现有的装置在高回收率的情况下评价阻垢剂，本实验在浓缩液回流和排出部分产水的循环模式下，采用提高进料水中成垢物质的浓度，模拟高回收率的运行方式，然后使装置在不超过46％的回收率下运行，而使得总的回收率达到或者超过75％。通过间歇排除部分产水的方式改变装置的回收率，并使装置在一定的回收率下运行一段时间(45min)，考察不同回收率下膜结垢情况以及不同阻垢剂用量。通过比较达到的回收率和固定时间内平均结垢速率来评价阻垢剂性能。

2 实验结果与讨论

2.1 模拟浓水实验中总回收率及结垢速率的计算
2.1.1 总回收率的计算
　　 设设备的回收率为Y，即为装置中渗透液量和进料液流量的比值；浓缩倍数为CF，即为浓缩液和供料罐中Ca²⁺的质量浓度的比值，所以，y=1-1/CF，CF=Cs/C_f　 式中：Cs——浓缩液中Ca²⁺的质量浓度，mg／L；C_f——供料罐中Ca²⁺的质量浓度，mg／L。
　　 设设备供料罐中Ca²⁺的质量浓度为表1所示的黄河原水中Ca²⁺的质量浓度C_f。的K倍；K=C_f/C_fo
设相对于黄河原水装置模拟的总回收率为Y_总，浓缩倍数为CF_总，所以，CF_总=Cs/C_fo；Y_总=1-1/CF_总
　　 综上所述设备模拟的总回收率Y_总为：Y_总=1-（1-Y）/K　　 (1)
2.1.2 结垢速率的计算
　　 设第i个运行时段结束时膜上累积的成垢物质总量为M_i，则：M_i=C_oV_o-C_iV_i=C_oV_o-C_i(V_o/K_i)=V_o(C_o-C_i/K_i)　 (2) 式中：
　　 Co，Vo——初始供料罐中Ca²⁺的质量浓度和供料液的体积；
　　 C_i,V_i,K_i——分别为第i个时间段结束时供料罐中Ca²⁺的质量浓度，料液的体积和对初始供料罐中的料液的浓缩倍数。
　　 因此只要测得不同时段供料罐中Ca²⁺的质量浓度，并且知道供料罐中溶液的浓缩倍数就可以计算一定时间内的成垢量。
　　 所以，第i个固定时间段内Ca²⁺的平均结垢速率V_i可按下式计算：Vi=△M/△t=(Mi-M_i-1)/△t=Vo(C_i-1/K_i-1-Ci/Ki)/△t(i=l，2，……，M₀=0，K₀=1) (3)
　　 其中△t为一个固定时段长。
　　 此时可以通过V_i的大小来评价阻垢剂的阻垢效果。
2.2 阻垢剂性能评价
2.2.1 不同阻垢剂阻垢性能比较
　　以装置在一个运行时段内平均结垢速率来评价阻垢剂的性能，分别对阻垢剂TJ-1，TJ-2和PTP 2000进行了阻垢实验。TJ-1与TJ—2的主要成分分别是聚天冬氨酸、聚环氧琥珀酸，均为本实验室合成，PTP2000为KingLee公司常用产品。
　　如表2所示，高压泵压力为0.85 MPa，阻垢剂量为1 mg／L，pH值为7.5时，3种阻垢剂在回收率小于80％时，结垢速率均为0，当回收率继续提高，使用3种阻垢剂均出现结垢现象。当高压泵压力仍为0.85 MPa，pH值为8.2，投加量增加为2mg／L时，当回收率提高到一定程度后，使用3种阻垢剂均出现结垢现象。两次实验的结果有一定的重现性，表明PTP 2000的效果稍好，TJ-2效果接近PTP 2000，TJ-1稍差。但是TJ-1和TJ-2在价格上有绝对优势，并且是绿色环保型阻垢剂，在实际生产中回收率一般为75％，此时3种阻垢剂的效果并无明显差别，因此可以代替PTP 2000在生产中使用。

表2　 各种阻垢剂在不同条件下结垢速率对比

2.2.2 pH值对阻垢剂性能的影响
　　pH值降低导致LSI指数的急剧下降，结垢趋势降低。从表2可以看出无论是对TJ-1，TJ-2和PTP 2000在较低投加量都能维持在较高的回收率下不结垢。实验中pH值从8.2降到7.5需要加盐酸约为32mg／L，但是阻垢剂的投加量大大减少，实际运行中应综合考虑加酸量、阻垢剂量和运行费用以及后处理费用等，确定最佳的pH值。
2.2.3 操作条件对阻垢剂性能的影响
　　回收率不变的情况下，进水压力，产水流速，也会影响装置的结垢情况，以TJ-2为例，如表3所示，分别在高压泵压力为0.85 MPa和0.95MPa时进行实验，当高压泵压力变大时，结垢速率略有减少，而且TJ-1和PTP 2000的实验中均出现这种情况。这主要是由于高压泵压力增大，进水流速增大，浓缩液的流速也增大，从而减缓了浓缩液中的结垢速率。

表3　 高压泵压力不同时TJ-2的阻垢性能比较

3 结论

　　实验中，从结垢速率看，结垢开始时其速率均达到了2 g／h以上，说明可以用结垢速率来判断结垢的开始。实验在所设定的不同条件下进行，如不同的pH值、不同的阻垢剂投加量、不同的操作压力，评价结果具有一致性，且本循环模式下得出的实验结果和实验室的静态实验的结果具有一致性，说明本评价方法是可行的。实验评价结果表明TJ-2效果优于TJ-1，接近PTP2000。

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作者简介：于涛（1978-），男，江苏淮阴人，同济大学环境科学与工程学院硕士研究生，四平路1239号，同济大学0171#信箱，电话（021）65980567，[email protected]。