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實驗室超純水機反滲透膜元件對水質的影響

發表時間:2014-09-24 09:34:01

  在進入討論之前,我們必須了解實驗室超純水系統反滲透膜元件與水質污染的有關機理。由于水中含有難溶鹽、膠體、微生物、有機物、金屬氧化物及其他各種雜質顆粒,因而會造成膜元件的污染。以膠體為例,天然水中的膠體等大多帶有負電荷,這種膠體由帶正電的膠核與帶負電荷的外層所構成,由于膠體的多層結構及水化作用,因而膠體能懸浮于水中,由于膠體帶負電荷的外層與其他膠體帶正電荷的膠核相互吸引,使許多帶有相同電荷的膠體粒子同時存在,但粒子之間并不實際接觸。

  在水處理行業,經常討論反滲透膜元件的給水隔網厚度與膜污染可能性之間的關系問題,尤其是在給水中有機物、膠體及懸浮物濃度較高的情況下,這一問題的討論經常導致意見分岐。一種意見認為,使用較厚給水通道,即給水隔網厚度為0.031英寸(0.78毫米)的膜元件與使用普通的,即給水隔網厚度為0.028英寸(0.71毫米)的膜元件相比,前者的膜清洗頻度較低,從而膜壽命較長。但目前并無實際數據支持這一觀點。

  由于復合膜制造過程中使用的帶負電荷的基團未完全反應,因而復合膜的表面通常帶有一定負電性,這種負電性是在制造過程中有意控制的,其目的是為了更好的去除帶負電荷的物質。當給水送入膜元件后,大部分膠體會隨水流通過給水隔網并排出膜元件,有兩種作用力會影響這些膠體在膜元件內的遷移速度。第一種作用力使膠體顆粒沿與膜表面平行的方向移動;第二種作用力帶著膠體顆粒向膜表面垂直移動以替換由于水的透過而留下的空間,膠體顆粒到達膜表面的速率與產水通量有關,水通量越高(例如系統中膜面積較少時)會使膜表面處的膠體濃度較高,在靠近膜表面處,由于邊界層效應,水流阻力最大,因而水平流速近乎為0,從而造成一些膠體顆粒相互粘連并粘附于膜表面,從而更增加邊界層厚度,造成堵塞效應,這就是膜元件污染發生時,產水量會迅速下降的原因。保持給水中足夠的膜面橫向流速,將集聚在膜表面的膠體等顆粒及時沖涮、剝離掉,維持恒定的邊界層厚度,對維持膜的產水量是有積極影響的。

  了解了膜污染機理之后,給水的橫向流速對于減少污染,維持產水通量的重要性就十分清楚了。較高的橫向流速可增加水流的湍流程度,減少顆粒物質在隔網空隙中的堆積和在膜表面上的沉淀。較高的橫向流速也提高了膜表面處高濃度鹽分的擴散速度,降低濃差極化的危害,減薄邊界層厚度,防止難溶鹽在膜表面處的沉淀、結垢。

  膜面橫向流速的大小是由給水流量、膜元件給水通道的寬度及厚度等因素所決定的。給水通道、即給水隔網越厚,則需要更高的橫向流速才能達到相同的湍流程度和邊界層效果,而更高的橫向流速就要求更高的給水流量,同時,給水隔網越厚則使同樣膜元件里的膜面積越小,這就意味著為達到較合適的膜面橫向流速,使用膜面積小(給水隔網厚)的膜元件需要承擔大的給水流量,造成單位膜面積的產水負荷即水通量增大,勢必會增加膜污染程度。

  上述分析表明,為減少污染、維持水通量及延長清洗周期,應選用適當的給水隔網厚度。在某些具體條件下,選用較薄的給水隔網厚度,可有效的增加橫向流速,改善膜元件的綜合性能。

  位于美國西南部的一個半導體工廠也曾作過這種對比實驗,該廠給水中含有較高濃度的有機物及膠體顆粒。他們同時使用海德能公司的膜面積為400平方英尺,隔網厚度為0.028英寸的膜元件和其它公司生產的膜面積為330平方英尺,隔網厚度為0.031英寸的膜元件。使用結果表明,在相同條件下運行時,這兩種膜元件的污染速度和清洗后水通量的恢復速度基本相同。

  事實上,首先,當給水流量確定后,隔網厚度為0.031英寸膜元件的橫向流速比給水隔網為0.028英寸膜元件要低。在膜面積相同的反滲透系統中,其它工藝參數相同時,給水隔網較厚系統的橫向流速較低,導致膜污染速度較大。其次,對于給水流量及產水流量均相同,所用膜元件數量也相同的反滲透系統而言,使用較小膜面積(給水隔網較厚)的膜元件時,系統的產水通量,即單位膜面積上的產水負荷較大,造成膜污染速度增加。例如,400平方英尺和365平方英尺膜元件的膜面積分別比330平方英尺膜元件大10.6%和 21%,在使用相同膜元件數的系統中,使用330平方英尺膜的系統,由于膜面積少,造成產水通量大和給水壓力高。產水通量大增加污染趨勢,給水壓力高增加給水泵成本和電能消耗。此時可供選擇的另一方法是增加膜元件(及壓力容器)的數量,但這又使得設備成本提高。

  有些膜生產廠家主張推廣使用給水隔網較厚的膜元件(例如公稱厚度為0.031英寸,膜面積為330平方英尺),他們聲稱這種膜污染傾向小,可減少清洗頻率并增加清洗效果。海德能公司雖然也生產這種膜元件,但主要推廣給水隔網厚度為0.028英寸,膜面積為365平方英尺和400平方英尺的膜元件。通過現場應用實驗表明,隔網厚度為0.031英寸,膜面積為330平方英尺的膜元件的耐污染性并無明顯優勢。

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