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反渗透系统中浓差极化的影响

2010-04-12 08:51:22


 

反渗透系统中浓差极化的影响 -哈尔滨反渗透水处理设备,哈尔滨电子行纯水设备,哈尔滨医疗水处理设备,哈尔滨除铁锰水处理设备,       

 

 

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反渗透系统中浓差极化的影响


        
      
        
1、浓差极化现象与浓差极化系数        
        
        
        
由于浓差极化现象增大了膜两侧的渗透压,在同等工作压力作用下,系统的纯驱动压减小,与纯驱动压成正比的水通量将下降。与此同时,由于浓差极化现象增大了膜两侧的盐浓度差, 与盐浓度差成正比的盐通量将上升。因此,浓差极化现象将使反渗透系统的水通量下降及透盐率上升。
        
在纯水制备工艺的反渗透膜过程中,由于膜的选择透过性,溶剂(水)从膜体的高压侧向低压侧渗透,而大部分溶质(盐)被膜体阻拦。在高压侧从膜表面到溶液(给/浓水)主体间形成递减的盐浓度梯度的现象称作浓差极化,而高压侧膜表面盐浓度与给/浓水主体盐浓度之比称为浓差极化系数(即β值)。 影响浓差极化系数的因素主要有系统工艺(如压力、流速、温度)、膜体材料(如高脱盐率膜产生高浓差极化系数)、给水水质(如盐浓度、无机盐构成、溶液pH值、离子强度)等。        
2、浓差极化与系统设计        
        
反渗透水处理设备纯水制备技术在国内的广泛应用已经过多年历程。在长期的反渗透系统的设计与运行过程中,对于游离氯、难溶盐与污染指数等系统设计与系统运行的限制因素得到了充分的关注,而作为重要限制因素之一的浓差极化问题往往未能得到应有的重视。根据我们前期的研究工作,可以得出以下结论:        
        
1. 在难溶盐含量较高的给水条件下,系统回收率与膜系统排列方式主要决定于系统给水中的难溶盐饱和浓度指标。        
2. 在难溶盐含量较低的给水条件下,系统回收率与膜系统排列方式主要决定于系统的浓差极化指标。        
3. 影响系统设计结构的浓水难溶盐最大饱和浓度,并非发生在系统末端的浓水中,而是发生在系统末端的膜表面。换言之,系统中最大的难溶盐饱和浓度约为末端浓水中的饱和浓度与该处浓差极化系数的乘积。        
        
正是由于此问题未得到应有的重视,不少系统的实际运行效果与设计期望值之间差距较大。        
        
在研究浓差极化现象对反渗透系统的作用时,浓差极化作为一种与系统运行共生的现象,它影响哪些系统性能?它如何影响系统性能?应将浓差极化系数控制在怎样的程度?这些问题就成为反渗透系统的工艺研究、系统设计及运行中的重要课题。        
        
3、浓差极化系数与系统性能的关系        
        
图1示出了一个6支ESPA4-4040膜串联反渗透系统的运行参数曲线。该系统给水为引黄入津后的天津市政供水,电导为600μs末端的浓差极化系数呈1.3的较高数值,而造成系统结垢的各难溶盐低于相应的饱和析出浓度。上述情况下,随着运行时间的延续,系统的性能指标产生了不同程度的变化,图1中产水量曲线是基本保持β值与工作压力恒定条件下,系统产水量与运行时间的关系曲线;透盐率曲线是基本保持β值与工作压力恒定条件下,系统透盐率与运行时间的关系曲线。        
        
产水量与透盐率的时间特性

产水量与透盐率的时间特性        
        
         图1 产水量与透盐率的时间特性        


        
图1表明,浓差极化现象存在一个建立过程,膜表面的盐浓度梯度随运行时间逐步建立,梯度值逐高,极化层渐厚,系统性能持续下降。该形成过程前期的发展速度较快,后期的发展速度虽有所减缓,但仍呈增长趋势。        
        
图2和图3分别示出了透盐率随浓差极化和运行时间的变化特性,图2曲线表明,在上述相同给水条件及相同运行时间条件下,浓差极化系数的不同将导致系统透盐率增高速度的不同。图3中当β值低于或等于1.2时,随系统运行时间的延续,系统透盐率基本不变,即系统性能较为稳定。而当β值高于1.2时,随系统运行时间的延续,系统透盐率较快增长,且增长速度与β值呈正比例关系;该工况下系统性能的稳定性遭到破坏,系统性能指标不断下降。        
        
透盐率的浓差极化特性  

透盐率的浓差极化特性      
        
           图2 透盐率的浓差极化特性        
        
透盐率的运行时间特性  

透盐率的运行时间特性      
        
           图3 透盐率的运行时间特性        
        
图4示出系统在不同β值条件下运行180min后,通过冲洗恢复透盐率、产水量等膜性能所需的不同时间。该曲线表明浓差极化系数保持在1.2以内时,系统性能指标的恶化具有临时性质,通过1~2min的短时冲洗可以得到恢复;而浓差极化系数大于1.2时,系统性能指标不仅恶化速度加快,且性能指标的恶化趋于半永久性,用冲洗手段恢复性能所需时间不断增加,甚至非化学清洗其性能不能恢复。        
        
性能恢复所需冲洗时间     

性能恢复所需冲洗时间   
        
            图4 性能恢复所需冲洗时间        
        
图4曲线同时表明,系统浓差极化系数保持在合理范围内时,系统运行过程中适时适量的冲洗对于长期稳定地保持系统性能具有重要的意义。        
        
4、结论        
        
通过上述分析可知:        
        
1. 浓差极化系数与系统性能的恶化程度呈非线性关系,β=1.2为重要拐点。该系数在1.2以下时恶化趋势缓慢,在1.2以上时恶化趋势加快。        
2. 浓差极化系数与冲洗法恢复系统性能所需时间呈非线性关系,β=1.2为重要拐点,该系数在以下时易于用冲洗恢复系统性能,在1.2以上时用冲洗效果渐差甚至无法恢复系统性能。        
        
正是由于浓差极化系数与系统性能恶化程度及冲洗恢复时间之间呈非线性关系,可以定性的认定:浓差极化系数超过1.2后,系统投资降低与回收率提高的收益远小于冲洗、清洗、性能下降及频繁换膜等项运行费用的增加。由此可进一步得出结论:        
        
       
1. 浓差极化系数保持在1.2以内时,性能指标的缓慢恶化可以并应该通过冲洗过程及时加以恢复。        
        
浓差极化是一个较为复杂的问题,笔者仅从特定给水与特定系统条件下浓差极化系数的实测数据出发,并从系统设计优化的角度对浓差极化问题进行了一定分析。对于无机盐浓差极化与难溶盐结垢间的关系、浓差极化形成过程与冲洗恢复过程间的关系、不同给水条件对浓差极化的影响等诸多问题尚未涉及,这里仅是对前期工作的简单总结,今后将继续此方向的工作,并希望以此引起对该问题的讨论。        
        
.2 反渗透系统的设计计算或运行控制时,均应使系统末端的浓差极化系数值保持在1.2以内,以防止脱盐率、产水量等诸多性能指标的严重恶化及对膜寿命的影响。   

      
        
       

 

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