· 反滲透結垢現(xiàn)象分析
摘要：闡述了反滲透的原理,從反滲透膜的角度對反滲透結垢進行了分析,。并提出了預防結垢措施。
關鍵詞：反滲透,，結垢，膜
前言
目前制純水的方法有四種,，蒸餾法,、電滲析法、離子交換法和反滲透法,。而反滲透又是最先進,、效率最高、最節(jié)能的制純水技術,。反滲透是20世紀60年代迅速發(fā)展起來的一種水處理工藝,。目前，它已用在城市用水,、鍋爐補給水,、電廠鍋爐補給水、工業(yè)廢水及海水淡化和各種溶液中溶質分離等方面。
目前火力發(fā)電還是我國發(fā)電的主力軍,，在火力發(fā)電生產中,，以反滲透處理水的技術應用很廣。華能玉環(huán)電廠反滲透的海水淡化,，大唐甘谷發(fā)電廠的反滲透水處理,，國電邯鄲熱廠的反滲透的水處理，山西陽泉有陽光發(fā)電有限責任公司等等,。
1反滲透原理
如果將淡水和鹽水用一種只能透過水而不能透過溶質的半透膜隔開,，則淡水中的水會穿過半透膜至鹽水一側，這種現(xiàn)象叫滲透,。
因此,，在進行滲透過程中，由于鹽水一側液面的升高會產生壓力,，從而抑制淡水中的進一步向鹽水一側滲透,。最后，當濃水側液面距淡水面有一定的高度,，以至它產生的壓力足以抵消其滲透傾向時，濃水側的液面就不再上升,。此時,，通過半透膜進入濃溶液的水和通過半透膜離開濃溶液的水量相等，所以它們處于平衡狀態(tài),。在平衡時,，鹽水和淡水間的液面差H表示這兩種溶液的滲透壓差。如果把淡水換成純水,，則此壓差就表示鹽水的滲透壓,。
根據這一原理，不難推論出,，如果在濃水側外加一個比滲透壓高的壓力,，則可以將鹽水中的純水擠出來，即變成鹽水中的水向純水中滲透,。這樣,，其滲透方向和自然滲透相反，即反滲透原理（見圖1）,。
2半透膜
滲透現(xiàn)象是18世紀發(fā)現(xiàn)的,。最出，人們都是用動物做實驗,。動物膜不是真正的半透膜,，它們有許多缺點，在工業(yè)上不能應用,。所以,，反滲透技術的發(fā)展,，決定于半透膜的制取工藝。
良好的半透膜應具備以下一些特性：1透水率大,，脫鹽高,；2機械強度大；3耐酸,、耐堿,、耐微生物的侵襲；4使用壽命長,；5制取方便,，價格較低。
2.1醋酸纖維素膜
這是最早的1960年制成的實用人造膜?，F(xiàn)在,，其制造方法經多次改進，產品具有透水率大,，脫鹽率高和價格便宜的優(yōu)點,。
2.2聚酰胺膜
在1970年以前制成的主要是脂肪族聚酰胺膜，例如尼龍-66,、尼龍-6等,，這些膜的透水性很差。后來,，制成了芳香族聚酰胺膜,，它的透水性、除鹽率（參看表1）,、機械強度和化學穩(wěn)定性等都較好,。它能在pH值為4~10的范圍內使用（長期使用范圍為pH=5~9）。芳香族聚酰胺膜主要制成中空纖維,。
表1聚酰胺膜的透水性和除鹽性能
2.3復合膜
上列半透膜之所以能起滲透作用,，是由于其表面的活化層。此活化層只需很薄一層,，它太厚無助于滲透作用,，反而會引起透水率降低，并使流量隨運行時間衰減的速度加快,。然而在制取這些膜時,，卻難以將活化層做得比0.0001mm更薄,為此研制成了復合膜。
復合膜是兩層薄皮的復合體（見圖2）先在布料上制成多孔支撐層,，然后在其表面進行活化層的聚合反應,。支撐層材料可采用聚砜，活化層可用聚脲。
復合膜的透水率,、脫鹽率和流量衰減方面的性能都較優(yōu)越,，它的出現(xiàn)大大降低了反滲透的操作壓力，延長了膜的壽命,，提高了反滲透的經濟效益,。
3.1結垢分析
3.1原水的處理
為了避免堵塞反滲透器，原水應經預處理,，以消除水中的懸浮物,，降低水的濁度；此外,，還應進行殺菌,，以防微生物在反滲透內滋長。
3.1.1懸浮物
懸浮物的多少是水質好壞的一個指標,，如果懸浮的物質多,，沒有及時過濾，就會在反滲透的膜上沉積,，阻礙膜的透水率,。從而使膜孔受堵而不能正常工作。所以在水進入膜的表面之前把懸浮物過濾掉,。
3.1.2 濁度
濁度是表現(xiàn)水中懸浮物對光線透過時所發(fā)生的阻礙程度,。也就是說，由于水中有不溶解物質的存在,，使通過水樣的部分光線被吸收或被散射，而不足直線穿透,。因此,，混濁現(xiàn)象足水樣的一種光學性質。如果水的濁度過大,，就說明水的不溶解污染物很多,，如果進入反滲透膜的孔中，同樣會堵住孔（孔徑＜5nm~40nm）從而使反滲透的膜失效,。
3.1.3微生物
微生物的種類很多,，主要分為厭氧型生物和好氧型生物，厭氧型的微生物會把水中的氨或者有機氨氧化為氮氣和高價態(tài)的硝酸或者亞硝酸化合物,，這些化合物的氧化性都比較強,，而膜的組成是芳香族的酰氨在氧化劑的作用下會氧化，膜的孔徑會變形,，聚合物的長鏈斷口,，那么膜就起不到滲透作用就會失效給生產者帶來經濟損失，目前膜都是國外進口的，很少有國內的廠家生產而且價格昂貴,。
還有些微生物的大量繁殖會寄生在反滲透膜表面,，同樣會物理堵住膜的孔。
3.1.4污染指數(shù)
根據水利電力部頒布的SDGJ2----85的規(guī)定,，對反滲透器進水水質要求為表
污染指數(shù)（FI）是一種人為指標,，它用來表示水質受懸浮雜質污染的情況。其測定方法為：在一定的壓力下將水連續(xù)通過一個小型超濾器（孔徑為0.00045mm）,將開始通水時流出500mL水所需的時間（t0）記錄下來,，通水15min后,，再次測定其流出500mL水所需的時間（t0）記錄下來，通水15min后,，再次測定其流出500mL水所需的時間（t15）,。據此，就可按式1計算污染指數(shù)（FI）：
式1
此法實質上是測定超濾器受水中懸浮物的污堵情況,。
3.2清洗
反滲透器在長期運行后,，就要清洗，否則就會結垢使產水率下降,，則可用化學藥劑進行清洗,。用來清洗的藥劑有稀HCl溶液，檸檬酸,、亞硫酸氫鈉和六偏磷酸鈉等絡合劑,，可根據具體情況選取。
一般的稀HCl溶液的電離程度很高,，反應也很快,，如果pH＞2會使得膜的性能下降，這些高聚芳香酰胺遇強酸和強堿其內部結構發(fā)生變形,。從而影響了其生產效率,。
檸檬酸（C6H8O7）是中強酸，其結構有手性,，所以有絡合作用,，可以除垢效果很好。
亞硫酸氫鈉（NaHSO3）和六偏磷酸鈉絡合的性的緩沖溶液也可以除去垢,，但是其中鈉離子可能有殘留,，因為膜的電性是負的，鈉離子會吸附在表面也對膜不利,。
3.3操作壓力
為了使反滲透得以進行,，所加壓力必須使膜兩側的壓力差（△p）大于其滲透壓差（△ ）。進行反滲透的有效壓力為△p和△ 的差值,，反滲透水的通量可表示成式2
式2
式中F-------------反滲透水的通量,，m3/（m2h）
W-------------滲透系數(shù),，m3/（m2hMPa）
△ P---------膜兩側的壓力差，即在鹽水側外加的壓力,，MPa
△ ----------膜兩側的滲透壓差,，MPa
操作壓力的選擇決定原液的濃度，因為它與滲透壓差△ 有關,。此外,，它還決定于膜的的透水性和水的回收率。一般情況是,，提高操作壓力會使產水量增大,，但壓力過大又會因膜受到壓力而使透水量下降。膜壓實后,，通水率減小了膜的效率降低了,，會造成生產經濟損失。
3.4溫度
膜是有機物也符合熱脹冷縮,，溫度高了,，就會膨脹。但是有機膜的水解速度和溫度有關,，溫度越高越容易水解,。所以膜的透水量是隨水溫的增高而增大的，但也加快膜的水解速度,，且使有機膜變軟,，易于壓實。所以,，對于有機膜來說,，通常將溫度控制在約20~30℃范圍為好。
3.5濃差極化
在反滲透過程中,，由于水不斷通過膜,，因此靠近膜表面的鹽水和進口鹽水之間有濃度差，膜表面溶液的濃度較大,，這就是濃差極化,。隨著水大量的通過膜表面的濃度大大升高成過飽和溶液,，有些鹽份如CaSO4,、MgSO4等等溶解度不大的鹽份會慢慢析出晶體。開始這些鹽份只是很少的單晶體,，還沒有晶體核,，所以不能長大。只能在膜的表面沉積或者在溶液形成溶解平衡,，當隨著膜的表面溶液的濃度不斷增高,，水流達到一定平衡度,，出現(xiàn)了晶核，晶核開始成長,，逐漸的形成面或螺旋狀態(tài),。如果外界溫度合適，溶蝕物質不多,，晶體就會逐漸長大,。在膜的表面形成堅固的水垢，會把膜堵住這樣大大降低了產水效率,。
4預防結垢
4.1原水的預處理
去除水中的懸浮物,，微生物，膠體,，硫酸鈣,，藻類，細菌,，氧化劑,，余氯等，油或脂類物質,，有機物和鐵－有機物的絡合物,，鐵、銅,、鋁腐蝕產物等金屬氧化物,，進水水質對RO元件和IX樹脂的壽命及性能將產生巨大的影響。
4.2濁度和污染指數(shù)
在進入反滲透之前要測污染指數(shù),。
4.3阻垢劑的使用
阻垢劑的分類及其原理
在水處理中常用的阻垢劑有聚磷酸鹽,，有機磷酸、膦羧酸,、有機膦酸脂,、聚羧酸等。
4.3.1聚磷酸鹽
常用聚磷酸有三聚磷酸鈉和六偏磷酸鈉,，在水中生成長鏈陰離子容易吸附在微小的碳酸鈣晶粒上,，同是這種陰離子易于和碳酸根置換，從而防止了碳酸鈣的析出,。
4.3.2有機膦酸
學名的有HEDP,、EDTMP對抑制碳酸鈣、水合氧化鐵或硫酸鈣的析出或沉淀有很好的效果,。
4.3.3有機膦酸酯
有機膦酸酯抑制硫酸鈣垢的效果較好,，但抑制碳酸鈣垢的效果較差。其毒性低,，易水解,。
4.3.4聚羧酸
聚羧酸類化合物對碳酸鈣水垢有良好的阻垢作用,，用量也極少。常用的有聚丙烯酸和水解馬來酸酐等,。
阻垢劑有一定還原性,。可以除去水中多余的氧化劑,，會使的一些CaSO4,，MgSO4等等一些鹽類的Ksp增大數(shù)倍，使得溶解平衡向溶解方向移動,。還可以溶蝕晶體,，使得晶體難以成長也就抑制了晶體在膜的表面的結垢。從而有效的保護了反滲透的膜也就保護了反滲透裝置,。
4.4,、運行的停機
在短時間內不運行反滲透，如果水溫在20--30℃范圍,，4個小時清洗一次,，如果水溫在20℃以下，8個小時清洗一次,，如果在停運的狀態(tài)下,，阻垢劑以不斷加入為宜。以防止在停機期間濃水或殘余的鹽份有時間成長和結晶,。
4.5,、操作壓力
在調試好后的反滲透裝置，其高壓泵的頻率是固定的,，如果沒有專業(yè)調試機構的認可,，不能隨意更改頻率和進水壓力。以防止膜被壓實,。
4.6,、溫度
水的溫度對反滲透也有影響的，一般的生水的溫度在20--30℃為宜 ,。
5結束語
本文是在大唐甘谷發(fā)電廠喬萬謀廠長的悉心指導下完成的,。在此，謹向喬萬謀廠長致以崇高的敬意和由衷的感謝,！
1 水的凈化新概念.張亞杰,顧澤南,王維一等.北京:中國建筑工業(yè)出版社.1982
2 姚繼賢等.LLY高效過濾器的研制.水處理設備技術.1990
3 華東建筑設計院主編.給水排水設計手冊.第4冊工業(yè)給水處理.北京:中國建筑工業(yè)出版社,1986
4 宋珊卿等編.動力設備水處理手冊.北京:水利電力出版社,1988