于濤，歐陽清華，張冰如，李風(fēng)亭
(同濟(jì)大學(xué) 環(huán)境工程學(xué)院污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海 200092）

　　摘要：提出一種間歇排出部分產(chǎn)水的循環(huán)模式進(jìn)行反滲透阻垢劑的性能評價的方法。以模擬濃水作為進(jìn)料水，通過成垢物質(zhì)的結(jié)垢速率來判斷阻垢劑的阻垢效果，研究了pH值、進(jìn)水壓力等對阻垢效果的影響，對研制的環(huán)保型阻垢劑丁J-1和TJ-2阻碳酸鈣性能進(jìn)行了評價，并與莢國清力公司的同類產(chǎn)品PTP2000作對比，試驗表明該評價方法快速簡單，TJ-1和TJ-2可達(dá)到與PTP2000相近的阻垢性能。
　　關(guān)鍵詞：給水處理；反滲透；阻垢劑
　　中圖分類號：TU991.27　　 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A　　 文章編號：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

　　反滲透(RO)技術(shù)在水處理領(lǐng)域中已經(jīng)得到越來越廣泛的應(yīng)用，添加阻垢劑防止和控制膜結(jié)垢在反滲透運行中起著至關(guān)重要的作用。市場上不斷有新的阻垢劑推出，在投人生產(chǎn)使用前必然要進(jìn)行性能評價，目前主要依靠現(xiàn)場實驗進(jìn)行評價^[1-3]，但是由于運行時間長、設(shè)備規(guī)模大、費用高，無法對結(jié)垢和污染的機理進(jìn)行細(xì)致研究，并且存在很大的風(fēng)險，所以急需開發(fā)出一種可以在實驗室快速評價阻垢劑性能的評價方法。
　　國外開發(fā)的濃縮液循環(huán)技術(shù)對研究CaSO₄結(jié)垢取得很好的效果^[4-5]，但是因為膜結(jié)垢是一種累積效果，由于沒有在固定回收率下經(jīng)過一段時間的運行，與實際運行情況有一定的差異，得到的結(jié)果存在較大的偏差。此外由于CaCO₃，BaSO₄，SrSO₄的溶解度較CaSO₄小得多，研究它們的結(jié)垢所需的濃縮倍數(shù)相應(yīng)也小得多。所以我們開發(fā)出一種間歇排出部分產(chǎn)水的循環(huán)技術(shù)以解決濃縮液循環(huán)技術(shù)中存在的問題。

1 實驗部分

1.1 實驗水質(zhì)
　　實驗水質(zhì)為模擬黃河水配制，配制水質(zhì)如表1所示，實驗中為了在現(xiàn)有裝置上模擬較高回收率的運行，以表1水質(zhì)為參照按一定的濃縮倍數(shù)用蒸餾水和一些基本離子配制。

表1　 以黃河水作為參照RO進(jìn)料水典型水質(zhì)

1.2 實驗裝置
　　裝置如圖1所示。采用連續(xù)式—分段式(濃水分段)工藝流程，原水從供料罐至保安過濾器，去除大于5μm大顆粒雜質(zhì)，再進(jìn)入4個串連的膜元件處理。采用螺旋卷CSM RE4040-BE，膜類型TFC（Thin Film Composite)，膜材料PA(Polyamide)。

1.3 實驗方法
　　實驗裝置由4個膜元件組成，所以該裝置的最高回收率不超過50％，然而反滲透生產(chǎn)中回收率一般為75％，如果要用此裝置在高回收率的情況下評價阻垢劑的性能，則需要增加膜元件，否則就會造成流速過大，損壞膜結(jié)構(gòu)。為了利用現(xiàn)有的裝置在高回收率的情況下評價阻垢劑，本實驗在濃縮液回流和排出部分產(chǎn)水的循環(huán)模式下，采用提高進(jìn)料水中成垢物質(zhì)的濃度，模擬高回收率的運行方式，然后使裝置在不超過46％的回收率下運行，而使得總的回收率達(dá)到或者超過75％。通過間歇排除部分產(chǎn)水的方式改變裝置的回收率，并使裝置在一定的回收率下運行一段時間(45min)，考察不同回收率下膜結(jié)垢情況以及不同阻垢劑用量。通過比較達(dá)到的回收率和固定時間內(nèi)平均結(jié)垢速率來評價阻垢劑性能。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 模擬濃水實驗中總回收率及結(jié)垢速率的計算
2.1.1 總回收率的計算
　　 設(shè)設(shè)備的回收率為Y，即為裝置中滲透液量和進(jìn)料液流量的比值；濃縮倍數(shù)為CF，即為濃縮液和供料罐中Ca²⁺的質(zhì)量濃度的比值，所以，y=1-1/CF，CF=Cs/C_f　 式中：Cs——濃縮液中Ca²⁺的質(zhì)量濃度，mg／L；C_f——供料罐中Ca²⁺的質(zhì)量濃度，mg／L。
　　 設(shè)設(shè)備供料罐中Ca²⁺的質(zhì)量濃度為表1所示的黃河原水中Ca²⁺的質(zhì)量濃度C_f。的K倍；K=C_f/C_fo
設(shè)相對于黃河原水裝置模擬的總回收率為Y_總，濃縮倍數(shù)為CF_總，所以，CF_總=Cs/C_fo；Y_總=1-1/CF_總
　　 綜上所述設(shè)備模擬的總回收率Y_總為：Y_總=1-（1-Y）/K　　 (1)
2.1.2 結(jié)垢速率的計算
　　 設(shè)第i個運行時段結(jié)束時膜上累積的成垢物質(zhì)總量為M_i，則：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⁺的質(zhì)量濃度和供料液的體積；
　　 C_i,V_i,K_i——分別為第i個時間段結(jié)束時供料罐中Ca²⁺的質(zhì)量濃度，料液的體積和對初始供料罐中的料液的濃縮倍數(shù)。
　　 因此只要測得不同時段供料罐中Ca²⁺的質(zhì)量濃度，并且知道供料罐中溶液的濃縮倍數(shù)就可以計算一定時間內(nèi)的成垢量。
　　 所以，第i個固定時間段內(nèi)Ca²⁺的平均結(jié)垢速率V_i可按下式計算：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為一個固定時段長。
　　 此時可以通過V_i的大小來評價阻垢劑的阻垢效果。
2.2 阻垢劑性能評價
2.2.1 不同阻垢劑阻垢性能比較
　　以裝置在一個運行時段內(nèi)平均結(jié)垢速率來評價阻垢劑的性能，分別對阻垢劑TJ-1，TJ-2和PTP 2000進(jìn)行了阻垢實驗。TJ-1與TJ—2的主要成分分別是聚天冬氨酸、聚環(huán)氧琥珀酸，均為本實驗室合成，PTP2000為KingLee公司常用產(chǎn)品。
　　如表2所示，高壓泵壓力為0.85 MPa，阻垢劑量為1 mg／L，pH值為7.5時，3種阻垢劑在回收率小于80％時，結(jié)垢速率均為0，當(dāng)回收率繼續(xù)提高，使用3種阻垢劑均出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象。當(dāng)高壓泵壓力仍為0.85 MPa，pH值為8.2，投加量增加為2mg／L時，當(dāng)回收率提高到一定程度后，使用3種阻垢劑均出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象。兩次實驗的結(jié)果有一定的重現(xiàn)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在價格上有絕對優(yōu)勢，并且是綠色環(huán)保型阻垢劑，在實際生產(chǎn)中回收率一般為75％，此時3種阻垢劑的效果并無明顯差別，因此可以代替PTP 2000在生產(chǎn)中使用。

表2　 各種阻垢劑在不同條件下結(jié)垢速率對比

2.2.2 pH值對阻垢劑性能的影響
　　pH值降低導(dǎo)致LSI指數(shù)的急劇下降，結(jié)垢趨勢降低。從表2可以看出無論是對TJ-1，TJ-2和PTP 2000在較低投加量都能維持在較高的回收率下不結(jié)垢。實驗中pH值從8.2降到7.5需要加鹽酸約為32mg／L，但是阻垢劑的投加量大大減少，實際運行中應(yīng)綜合考慮加酸量、阻垢劑量和運行費用以及后處理費用等，確定最佳的pH值。
2.2.3 操作條件對阻垢劑性能的影響
　　回收率不變的情況下，進(jìn)水壓力，產(chǎn)水流速，也會影響裝置的結(jié)垢情況，以TJ-2為例，如表3所示，分別在高壓泵壓力為0.85 MPa和0.95MPa時進(jìn)行實驗，當(dāng)高壓泵壓力變大時，結(jié)垢速率略有減少，而且TJ-1和PTP 2000的實驗中均出現(xiàn)這種情況。這主要是由于高壓泵壓力增大，進(jìn)水流速增大，濃縮液的流速也增大，從而減緩了濃縮液中的結(jié)垢速率。

表3　 高壓泵壓力不同時TJ-2的阻垢性能比較

3 結(jié)論

　　實驗中，從結(jié)垢速率看，結(jié)垢開始時其速率均達(dá)到了2 g／h以上，說明可以用結(jié)垢速率來判斷結(jié)垢的開始。實驗在所設(shè)定的不同條件下進(jìn)行，如不同的pH值、不同的阻垢劑投加量、不同的操作壓力，評價結(jié)果具有一致性，且本循環(huán)模式下得出的實驗結(jié)果和實驗室的靜態(tài)實驗的結(jié)果具有一致性，說明本評價方法是可行的。實驗評價結(jié)果表明TJ-2效果優(yōu)于TJ-1，接近PTP2000。

參考文獻(xiàn)：
[1] M Al-Shammiri, M Safar, M Al-Dawas. Evaluation of two different antiscalants in real operation at doha research plant [J]. Desalination, 2000,128(1):1-16.
[2] F H Butt, F Rahman, U B aduruthamal. Characterization of foulants by autopsy of RO desalination membranes [J]. Desalination, 1997,114(1):51-64.
[3] F H Butt, F Rahman, U B aduruthamal. Evaluation of SHMP and advanced scale inhibitors for control of CaSO₄,SrSO₄ and CaSO₃ scales in RO desalination [J]. Desalination, 1997,109(3):323-332.
[4] D Hasson, R Semiat, D Bramson, et al. Laboratory technique for pediction the scaling propensity [J]. Desalination,1998,118(3): 285-296.
[5] A G Pervov. Scale formation prognosis and cleaning procedure schedules in reverse osmosis system operation [J]. Desalination, 1991,83(1):77-118.

作者簡介：于濤（1978-），男，江蘇淮陰人，同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生，四平路1239號，同濟(jì)大學(xué)0171#信箱，電話（021）65980567，hytoo@msn.com。