反滲透加藥工作原理

各種原水中均含有一定濃度的懸浮物和溶解性物質。懸浮物主要是無機鹽
、膠體和微生物
、藻類等生物性顆粒。溶解性物質主要是易溶鹽（如氯化物）和難溶鹽（如碳酸鹽
、硫酸鹽和矽酸鹽）金屬氧化物，酸堿等。在反滲透過程中，進水的體積在減少，懸浮顆粒和溶解性物質的濃度在增加。懸浮顆粒會沉積在膜上，堵塞進水流道、增加摩擦阻力（壓力降）。難溶鹽在超過其飽(bǎo)和極限時，會從(cóng)濃水中沉澱出來，在膜面上形成結垢，降低RO膜的通量，增加運行壓力和壓力降，並(bìng)導緻産品水質下降。這種在膜面上形成沉積層(céng)的現象叫做膜污染，膜污染的結果是系統性能的劣化。需要在原水進入反滲透膜系統之前進行預處理，去除可能對反滲透膜造成污染的懸浮物、溶解性有機物和過量難溶鹽組分，降低膜污染傾向。對進水進行預處理的目的是改善進水水質，使RO膜獲得可靠的運行保證。

　　對(duì)原水進行預處(chù)理的效果反映爲TSS、TOC、COD、BOD、LSI及鐵、錳、鋁、矽、鋇(bèi)、锶等污染物水質指标的絕對值降低，在上一章中有對於(yú)這些污染物水質指标的詳細描述。表征膜污染傾向的另外一個重要的水質指标是SDI。通過預處(chù)理，除瞭(le)要将上述指标降到反滲透膜系統進水要求的範圍内，還有重要的一點是盡量降低SDI，理想的SDI（15分鍾）值應小於3。

　　5.1化學預處理

　　爲瞭(le)改善反滲透系統的操作性能，在進水中可以加入添加下列一些藥劑(jì)：酸
、堿、殺菌劑(jì)、阻垢劑(jì)和分散劑(jì)。

　　1 加酸－防止結垢

　　在進(jìn)水中可以加入鹽(yán)酸（HCl）、硫酸（H2SO4）來降低pH。硫酸價格便宜、不會發煙腐蝕周圍的金屬元器件，而且膜對(duì)硫酸根離子的脫除率較氯離子高，所以硫酸比鹽酸更爲常用。沒有其他添加劑的工業級硫酸即适宜於(yú)反滲透使用，商品硫酸有20％和93％兩種濃度規格。93％的硫酸也稱爲66波美度硫酸。在稀釋93％硫酸時(shí)一定要小心，在稀釋(shì)到66％時發(fā)熱(rè)可将溶液的溫度提升到138℃。一定要在攪拌下緩慢地将酸加入水中，以免水溶液局部發熱沸騰。鹽酸主要在可能産(chǎn)生硫酸鈣或硫酸锶結垢時使用。使用硫酸會增加反滲透進水中的硫酸根離子濃度，直接導(dǎo)緻硫酸鈣結垢傾向增加。工業級的鹽酸（無添加劑）購買非常方便，商品鹽酸一般含量爲30－37％。降低pH的首要目的是降低RO濃水中碳酸鈣(gài)結垢的傾向
，即降低朗格裏爾(ěr)指數（LSI）。LSI是低鹽度苦鹹水中碳酸鈣(gài)的飽(bǎo)和度，表示碳酸鈣(gài)結垢或腐蝕的可能性
。在反滲透水化學中，LSI是確(què)定是否會發生碳酸鈣結垢的是個重要指标。當(dāng)LSI爲負(fù)值時，水會腐蝕金屬管道，但不會形成碳酸鈣(gài)結垢。如果LSI爲正值
，水沒有腐蝕性，卻會發(fā)生碳酸鈣(gài)結垢。LSI由碳酸鈣飽和的pH減去水的實際pH。碳酸鈣(gài)的溶解度随溫度的上升而減小（水壺(hú)中的水垢就是這樣形成的），随pH、鈣(gài)離子的濃度即堿(jiǎn)度的增加而減小
。LSI值可以通過(guò)向反滲透進(jìn)水中注入酸液（一般是硫酸或鹽酸）即降低pH的方法來調(diào)低。推薦(jiàn)的反滲透濃水的LSI值爲0.2（表示濃度低於(yú)碳酸鈣飽(bǎo)和濃度0.2個pH單位）。還可以使用聚合物阻垢劑來防止碳酸鈣沉澱，一些阻垢劑供應商聲稱(chēng)其産(chǎn)品可以使反滲透濃水的LSI高達+2.5（比較保守的設計是LSI爲＋1.8）。

　　2 加堿－提高脫除率

　　在一級(jí)反滲透中加堿(jiǎn)使用較少。在反滲透進水中注入堿(jiǎn)液用來提高pH。一般使用的堿(jiǎn)劑(jì)隻有氫氧化鈉（NaOH），購(gòu)買方便，而且易溶於(yú)水。一般不含其他添加劑的工業級氫氧化鈉便可滿足需要。商品氫氧化鈉有100％的片堿，也有20％和50％的液堿。在加堿調高pH時一定要注意，pH升高會增加LSI、降低碳酸鈣(gài)及鐵和錳的溶解度。最常見的加堿應用是二級(jí)RO系統。在二級(jí)反滲(shèn)透系統中，一級(jí)RO産水供給二級RO作爲原水。二級反滲透對一級反滲透産(chǎn)水進行“抛光”處(chù)理，二級RO産水的水質可達到4兆歐。在二級RO進水中加堿有4個原因：

　　a．在pH8.2以上，二氧化碳全部轉化爲碳酸根離子，碳酸根離子可以被反滲透脫除。而二氧化碳本身是一種氣體，會(huì)随透過(guò)液自由進入RO産(chǎn)水
，對於(yú)下遊的離子交換床抛光處理造成不當的負荷。

　　b．某些TOC成分在高pH下更容易脫除。

　　c．二氧化矽(guī)的溶解度和脫(tuō)除率在高pH下更高（特别是高於9時）。

　　d．硼的脫除率在高pH下也較高（特别是高於9時）。

　　加堿(jiǎn)應用有一個(gè)特例，通常被叫做HERO（高效反滲透系統）過(guò)程，将進(jìn)水pH調到9或10。一級(jí)反滲透用來處(chù)理苦鹹水，苦鹹水在高pH下會有污染問題（比如硬度、堿度、鐵、錳等）。預處(chù)理通常採(cǎi)用弱酸性陽離子樹脂系統和脫氣裝置來除去這些污染物。

　　3 脫氯藥劑－消除餘氯

　　RO及NF進水中的遊離氯要降到0.05ppm以下，才能達(dá)到聚酰胺複合膜的要求。除氯的預處(chù)理方法有兩種，粒狀活性炭吸附和使用還原性藥劑如亞硫酸鈉。在小系統（50－100gpm）中一般採(cǎi)用活性碳過濾器，投資成本比較合理。推薦使用酸洗處(chù)理過的優質活性炭，去除硬度、金屬離子，細粉含量要非常低，否則會造成對膜的污染。新安裝的碳濾料一定要充分淋洗，直到碳粉被完全除去爲止，一般要幾個小時甚至幾天
。我們不能依靠5μm的保安過濾器來保護反滲透膜不受碳粉的污染。碳過濾器的好處(chù)是可以除去會造成膜污染的有機物，對於(yú)所有進水的處(chù)理比添加藥劑更爲可靠。但其缺點是碳會成爲微生物的飼料，在碳過濾器中孳生細菌，其結果是造成反滲透膜的生物污染。

　　亞硫酸氫鈉（SBS）是較大型RO裝置選用的典型還(hái)原劑。将固體偏亞硫酸氫鈉溶解在水中配制成溶液，商品偏亞硫酸氫鈉的純(chún)度爲97.5－99％，幹燥儲存期6個月。SBS溶液在空氣中不穩定，會(huì)與氧氣發(fā)生反應，所以推薦2％的溶液的使用期爲3－7天， 10％以下的溶液使用期爲7－14天。從理論上講，1.47ppm的SBS（或0.70ppm偏亞硫酸氫鈉）能夠還原1.0ppm的氯。設計(jì)時考慮(lǜ)到工業苦鹹水系統的安全系數，設定SBS的添加量爲每1.0ppm氯1.8－3.0ppm。SBS的注入口要在膜元件的上遊，設置距離(lí)要保證在進(jìn)入膜元件有29秒的反應時間(jiān)。推薦使用适當(dāng)的在線攪拌裝置（靜态攪拌器）。

　　SBS脫氯反應：

　　•Na₂S₂O₅ （偏亞硫酸鈉）+ H₂O ＝2 NaHSO₃ （亞硫酸氫鈉）

　　•NaHSO₃ + HOCl ＝NaHSO₄ （硫酸氫鈉） + HCl （鹽酸）

　　•NaHSO₃ + Cl₂ + H₂O ＝NaHSO₄ + 2 HCl

　　採用SBS脫氯的好處是在大系統中比碳過濾器的投資較少，反應副産(chǎn)物及殘(cán)餘SBS易於被RO脫除。

SBS脫氯的缺點是需要人工混合小體積的藥劑，在脫氯系統沒有設計足夠的監測(cè)控制儀器時增加瞭(le)氯對膜的威脅，而且在少數情況下進水中存在硫還原菌（SBR），亞硫酸會(huì)成爲細菌營養幫(bāng)助細菌的繁殖。SBR通常在淺層(céng)井水厭氧環境下有發(fā)現，硫化氫（H2S）作爲SBR的代謝産物會同時存在。

　　脫氯過程的監測可採(cǎi)用遊離氯監測儀，用以監測殘(cán)餘亞硫酸根的濃度，還可以採(cǎi)用ORP監測(cè)儀。推薦的方法是監測(cè)殘(cán)餘亞硫酸根的濃度，以保證有足夠的亞硫酸根來還原氯。大多數商業化氯監測(cè)儀的撿出濃度爲0.1ppm，這個值是CPA膜的餘氯上限。直接利用ORP監測(cè)儀監控亞硫酸根濃度的方法不夠可靠，這種測(cè)定水中氧化還原電位的儀器的基線變(biàn)化難以預測(cè)。

　　CPA膜的耐氯能力大概在1000－2000ppm小時（透鹽率增加一倍），1000ppm小時等於在0.038ppm餘氯下運行3年。需要注意的是，在一些情況下發(fā)現耐氯能力會(huì)因溫度升高（90華氏度以上）、pH（7以上）升高和過(guò)渡金屬存在（比如鐵、錳、鋅、銅、鋁(lǚ)等）而大大下降。CPA膜的耐氯胺能力約爲50,000－200,000ppm小時（發生透鹽率明顯增加），這個值相當(dāng)於(yú)在RO進水中含有1.9－7.6ppm的氯胺，膜可以運行3年。同樣(yàng)，在溫(wēn)度升高、pH降低和過(guò)渡金屬存在時，膜的耐氯胺能力會變(biàn)化。

　　在加州的一個三級廢水處(chù)理裝置上發(fā)現，在氯胺濃度6－8ppm進水條件下，膜的脫鹽率在2－3年内從98％降到瞭96％。設計者要注意在氯胺化之後進行脫氯還是必要的。氯胺是混合氯和氨的産物，遊離氯對膜的降解作用要比氯胺強得多，如果氨量欠缺時會有遊離氯存在。因此，使用過量的氨是非常關鍵的，系統監測(cè)要確(què)保這一點。

　　4 阻垢劑和分散劑

　　許多阻垢劑生産(chǎn)廠商可提供各種用於(yú)反滲透和納濾系統性能改善的阻垢劑和分散劑。阻垢劑是一系列用於(yú)阻止結晶礦物鹽的沉澱和結垢形成的化學藥劑
。大多數阻垢劑是一些專用有機合成聚合物（比如聚丙烯酸、羧酸、聚馬來酸、有機金屬磷酸鹽、聚膦酸鹽、膦酸鹽、陰離子聚合物等），這些聚合物的分子量在2000－10000道爾頓不等。反滲透系統阻垢劑技術由冷卻循環水和鍋爐用水化學演變(biàn)而來。對爲數衆多各式各樣的阻垢劑，在不同的應用場合和所採(cǎi)用的有機化合物所取得的效果和效率差别很大。

　　採(cǎi)用聚丙烯酸類阻垢劑時要特别小心，在鐵含量較高時可能會(huì)引起膜污染，這種污染會(huì)增加膜的操作壓力，有效清除這類污染要進行酸洗。

　　如果在預處理中使用瞭(le)陽離子混凝劑或助濾劑，在使用陰離子性阻垢劑時要特别注意。會産(chǎn)生一種粘稠的粘性污染物，污染會造成操作壓力增加，而且這種污染物清洗非常困難。

　　六偏磷酸鈉（SHMP）是早期在反滲透中使用的一種普通阻垢劑，但随著(zhe)專用阻垢劑的出現，用量已經大大減少瞭(le)。SHMP的使用有一些限制。每2－3天要配制一次溶液，因爲暴露在空氣中會水解，發(fā)生水解後不僅會降低阻垢效果，而且還會造成磷酸鈣(gài)結垢的可能性。使用SHMP可減少碳酸鈣結垢，LSI可達到＋1.0。

阻垢劑阻礙瞭RO進水和濃水中鹽結晶的生長(zhǎng)，因而可以容許難溶鹽在濃水中超過飽(bǎo)和溶解度。阻垢劑的使用可代替加酸，也可以配合加酸使用。有許多因素會影響礦物質結垢的形成。溫度降低會減小結垢礦物質的溶解度（碳酸鈣除外，與大多數物質相反，它的溶解度随溫度升高而降低），TDS的升高會增加難溶鹽的溶解度（這是因爲高離子強度幹(gàn)擾瞭(le)晶種的形成）。

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