渭河電廠反滲透阻垢劑阻垢性能研究

李周平

摘要：阻垢劑因具有一定的阻垢性能而被廣泛應用于發(fā)電廠反滲透水處理技術中。本研究通過設計靜態(tài)及動態(tài)試驗，分析評價大唐渭河電廠提供的反滲透阻垢劑的阻垢性能。結果表明，影響阻垢劑效果的影響因素順序為pH>阻垢劑劑量>溫度；三種影響因素隨運行時間的增加，阻垢率均呈降低趨勢；阻垢劑最佳運行條件為15℃、pH=7.94的試驗條件，阻垢劑劑量的最佳劑量為4mg/L；通過掃描電鏡對比分析可知，加入阻垢劑后膜表面結晶程度降低，不易結垢。該結果可為發(fā)電廠反滲透水處理運行中反滲透阻垢劑的篩選提供一定技術參考。

關鍵詞：反滲透阻垢劑；阻垢劑劑量；靜態(tài)試驗；動態(tài)試驗

Abstract：Scale inhibitor has been extensively used in reverse osmosis water treatment technology of power plant because of its scale inhibition performance.This study was aimed to evaluate the scale inhibition performance of reverse osmosis inhibitors provided by Datang Weihe power Plant by analyzing static and dynamic tests.The results demonstrate that the influencing factors of the effect of scale inhibitor are pH> scale inhibitor dose > temperature.Three kinds of influencing factors were reduced with the increase of the running time.The optimum operating condition of scale inhibitor is 15 ℃ and pH=7.94 test condition， and the optimum dosage of scale inhibitor is 4mg/L；After scanning electron microscope， the surface crystallinity of the film is decreased and the fouling is not easy to scale.The results can provide some technical reference for screening antiosmosis scale inhibitor in reverse osmosis water treatment operation of the power plant.

Key words： Scale inhibitor；scale inhibitor dose；static tests；dynamic tests

反滲透除鹽技術目前廣泛應用于電力、化工、水處理等產(chǎn)業(yè)中，與傳統(tǒng)水處理技術相比，反滲透技術除鹽效率高并且更加環(huán)保[13]。但該技術在生產(chǎn)實踐中卻存在膜污染、產(chǎn)水率低、運行成本高等問題[46]；其中膜污染是反滲透除鹽技術中最嚴重的問題，膜污染也限制了反滲透技術的發(fā)展。因此針對膜污染問題，目前一般采取加入反滲透阻垢劑進行膜污染防治，并達到提高產(chǎn)水率的目的[79]。因此反滲透阻垢劑阻垢性能的優(yōu)劣對于反滲透膜材料的除鹽具有重要意義。本研究結合大唐渭河電廠的工程實際，對電廠選用的反滲透阻垢劑分別進行了靜態(tài)、動態(tài)阻垢試驗，對其阻垢性能進行了評價，并在此基礎上提出了最佳的運行方案，為生產(chǎn)實際提供技術參考。

一、材料與方法

反滲透阻垢劑為大唐渭河電廠提供，本批次試劑化學成分如表1所示：

主要檢測指標：

（1）碳酸鈣過飽和值，計算見式（1）：

S=CCa2+CCO2-3Ksp（1）

（2）反滲透阻垢劑的阻垢率，阻垢率的計算見式（2）：

Y=x2-x0[]x1-x0×100%（2）

式中：

Y為阻垢劑的阻垢率%；

X2為加阻垢劑后水樣中Ca2+離子濃度mg/L；

X1為水樣中Ca2+離子濃度mg/L；

X0為不加阻垢劑，靜置后水樣中Ca2+離子濃度mg/L。

研究分靜態(tài)試驗及動態(tài)試驗兩階段，分別通過以上指標進行阻垢劑阻垢性能的考察，靜態(tài)試驗依據(jù)DL/T12612013進行，動態(tài)試驗通過模擬現(xiàn)場操作進行。

靜態(tài)試驗方法：

靜態(tài)試驗裝置如圖1所示。裝置中包含恒溫攪拌磁力裝置，可調節(jié)轉速、溫度；同事通過電導率儀、pH測定儀等儀器可實時進行水樣的水質監(jiān)測，監(jiān)測pH或電導率等多項指標。

考察為獲得靜態(tài)條件下電廠水質中的阻垢劑性能及影響因素，靜態(tài)試驗首先做阻垢劑劑量、溫度及pH值的正交試驗，在正交試驗的基礎上做細化試驗。不同因素、水平的正交表見表2：

動態(tài)試驗方法：

動態(tài)試驗模擬裝置如圖2所示。裝置由三部分構成，分別為超濾及泵等前處理部分、反滲透膜元件部分、恒溫水槽及水箱部分。其中反滲透膜組件型號為AC50，生產(chǎn)商為美國culligan公司。

動態(tài)試驗以全循環(huán)模式運行， 即使裝置在一定的回收率下，濃排水和產(chǎn)水全部回流至原水箱。在不同劑量、溫度及pH的條件下，通過測量原水箱、濃排水中結晶離子Ca2+離子濃度變化，考察在該回收率下阻垢劑的阻垢效果。

二、結果與討論

（一）靜態(tài)試驗

靜態(tài)試驗結果以碳酸鈣的過飽和度值S作為判斷依據(jù)，通過試驗，計算其S值，S值越大，阻垢劑抑制碳酸鈣的性能越好。根據(jù)表2進行設計試驗，結果見表3所示。

由表3可知，不同試驗條件下，對碳酸鈣的過飽和度值影響較大，通過試驗結果分析可知，pH條件對R值的影響最大，R值為110；溫度對R值的影響最小，為38.54；而R值直接反映了對碳酸鈣的過飽和度值的影響程度，因此在試驗條件下，影響阻垢效果的順序是pH>阻垢劑劑量>溫度。

根據(jù)正交試驗的結果，結合渭河電廠水質及運行條件，選取溫度15℃、pH為7.94的試驗條件，做阻垢劑劑量對阻垢效果的影響試驗，試驗結果見表4。

由表4可知，結合渭河電廠水質及運行條件，15℃、pH=794的試驗條件，阻垢劑劑量的最佳劑量為4mg/L。

（二）動態(tài)試驗

1.阻垢劑的劑量對阻垢性能的影響

模擬現(xiàn)場實際運行工況，在75%回收率，15℃、pH7.5的試驗條件向配制的模擬溶液中分別加入劑量為2mg/L、3mg/L、4mg/L、5mg/L、6mg/L和7mg/L的阻垢劑，測試運行過程中原水箱、濃排水中結晶離子Ca2+離子量，計算阻垢劑的阻垢率。運行時間為72h，同時做空白對比試驗。圖3為不同阻垢劑劑量下阻垢率隨動態(tài)反應時間的變化曲線。

由圖3可知，阻垢劑劑量對阻垢效果影響較大，隨著阻垢劑劑量的增加，阻垢效果開始明顯增加，當投加量為4mg /L時，阻垢率增至93%，隨后阻垢率增長緩慢。這可能是隨著阻垢劑劑量的增加，提高了阻垢劑與Ca2+絡合增溶作用，對CaCO3晶體的溶解度也隨之增大，從而提升了阻垢率，但當投加量超過其閾值濃度時，溶解沉淀平衡會向沉淀側移動，阻垢率略有下降但仍維持較高水平。

2.pH值對阻垢劑性能的影響

pH值會影響 CaCO3的生成速率和在水中的溶解度，從而會直接影響到阻垢劑的阻垢效果。

由飽和指數(shù)LSI=pHrpHs知：

pH降低導致LSI指數(shù)的下降，結垢趨勢降低。

本試驗在75%回收率，15℃、4mg/L劑量的試驗條件下，用鹽酸氯化鉀、氨氯化銨緩沖溶液調節(jié)pH值，分別測試pH值為6.0、7.0、7.5、8.0、8.5、9.0時阻垢劑的阻垢率，運行時間為 72 h，同時做空白對比試驗。圖4為不同pH值條件下阻垢率隨動態(tài)反應時間的變化曲線。

由圖4可知，當 pH 值為6 時阻垢率最高；在 pH 值在 6～8 時，阻垢率下降緩慢；當pH>8 后，阻垢率下降開始加快；pH>8.5 后阻垢率下降得更明顯；當 pH=9 時，阻垢率均僅54%。主要原因可能是由于pH值增加，碳酸鈣的生成速度提高，而阻垢劑在高pH值的條件下不穩(wěn)定，影響了阻垢劑的使用效果，使得阻垢效率下降。由此可知pH值可以有效地控制結垢的發(fā)生。

3.溫度對阻垢劑性能的影響

本試驗在75%回收率，4mg/L劑量和pH7.5的試驗條件下，分別測試15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃時阻垢劑的阻垢率，運行時間為 72 h，同時做空白對比試驗。圖5為不同溫度條件下阻垢率隨動態(tài)反應時間的變化曲線。

由圖5可知，阻垢率隨著溫度的升高而下降。當溫度在15℃～25℃范圍內時，阻垢率下降較緩慢；原因一方面可能是由于溫度升高，阻垢劑吸附于CaCO3晶核表面的能力下降，CaCO3生成速度增加所致。另一方面，溫度較高時，阻垢劑容易水解，影響了藥劑的使用效果，從而導致阻垢效率下降。

4.反滲透膜材料的SEM

為了研究反滲透裝置膜表面的結垢情況，每一周期動態(tài)試驗的同時均進行了空白對比試驗。

動態(tài)試驗結束后，對加阻垢劑和未加阻垢劑的反滲透膜表面進行分析。

動態(tài)試驗監(jiān)測可知，阻垢劑的加入使得膜材料本身幾乎不能在短時間結垢。

圖6為未加阻垢劑和加入阻垢劑動態(tài)試驗后反滲透膜表面的對比試驗，通過圖6可見，動態(tài)試驗后未加阻垢劑及加入阻垢劑的兩組試驗，反滲透膜表面的結垢程度并不明顯，只存在個別區(qū)域，膜表面并無大面積垢產(chǎn)物，其中a圖中下方的黑色污漬為膜殼與膜材料接觸摩擦后產(chǎn)生的物質。由于結垢物質存在于膜材料的兩端及RO膜的邊緣區(qū)域，因此需要收集膜材料表面的垢樣成分。

圖7為碳酸鈣空白晶體的SEM照片，從中可看出碳酸鈣晶體的形狀多為規(guī)則的立方體，晶體結構緊密，表面光滑，且體積比較大，晶型尺寸在1020μm之間，空白垢樣主要以方解石為主。圖8為加阻垢劑后的碳酸鈣晶體SEM照片，從中明顯可以看出加了阻垢劑的碳酸鈣垢由原來規(guī)則的立體形狀變?yōu)楹翢o規(guī)則的片狀，結構松散，形成碎片，有些方解石形狀上沒有變化但是晶體變小，說明阻垢劑I在阻碳酸鈣垢時，藥劑沒有完全吸附在CaCO3；晶?；钚栽鲩L點上，有些晶型沒有發(fā)生變化，但是可以看出大多數(shù)晶型被扭曲，說明具有良好的阻垢性能。

三、結論

通過對大唐渭河電廠應用的反滲透阻垢劑進行靜態(tài)試驗及動態(tài)試驗，分析了阻垢劑的阻垢性能。靜態(tài)試驗結果表明，影響阻垢效果的影響因素順序是pH>阻垢劑劑量>溫度；結合渭河電廠水質及運行條件，15℃、pH=7.94的試驗條件，阻垢劑劑量的最佳劑量為4mg/L。動態(tài)試驗進一步分析了三種影響因素對阻垢性能的影響，并通過掃描電鏡對比分析加入阻垢劑后膜表面垢產(chǎn)物的表面形態(tài)，證明了加入阻垢劑后運行中反滲透材料具有良好的阻垢性能。

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