水質(zhì)修正污染指數(shù)測(cè)試技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展

牛麗婷

(天津華新鼎盛科技有限公司，天津 300384)

工業(yè)水處理技術(shù)中，反滲透脫鹽技術(shù)屬于當(dāng)今主流脫鹽技術(shù)，其原理是依靠壓力驅(qū)動(dòng)作用，使水通過(guò)半透膜進(jìn)入膜的低壓側(cè)，而水中的其它組分(鹽)被阻擋在膜的高壓側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)脫鹽的目的。反滲透脫鹽屬于精密型過(guò)濾過(guò)程，對(duì)其給水有著嚴(yán)格的水質(zhì)要求。衡量反滲透給水水質(zhì)優(yōu)劣的水質(zhì)指標(biāo)有水質(zhì)污染指數(shù)(silt density index，SDI)、濁度、總有機(jī)碳(total organic carbon，TOC)、余氯、總鐵等，其中最為關(guān)鍵的指標(biāo)是SDI。由于SDI在應(yīng)用實(shí)踐中出現(xiàn)了諸多問(wèn)題，國(guó)際上已經(jīng)開(kāi)始用更為先進(jìn)的水質(zhì)修正污染指數(shù)(modified fouling index，MFI)來(lái)替代SDI。

1 MFI測(cè)試原理

1.1 技術(shù)原理

對(duì)于反滲透脫鹽設(shè)施，給水水質(zhì)的潛在污染是決定系統(tǒng)能否長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素，使用何種測(cè)量指標(biāo)及測(cè)試方法來(lái)度量反滲透給水水質(zhì)條件一直是業(yè)內(nèi)普遍關(guān)注的焦點(diǎn)之一。MFI是在繼承SDI指數(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)測(cè)試原理改進(jìn)和測(cè)試方法優(yōu)化得來(lái)的。MFI的測(cè)定依然是通過(guò)測(cè)量反滲透給水通過(guò)特定膜過(guò)濾器的流量隨時(shí)間的變化來(lái)進(jìn)行的。

測(cè)試過(guò)程中取得的數(shù)據(jù)，遵循濾餅過(guò)濾模型，可通過(guò)下列公式處理；

(1)

式中：V——累計(jì)濾液體積,L或m3；t——過(guò)濾時(shí)間,s；AM——膜面積，m2；dP——外加壓力，Pa；μ——水的粘度，Pa·s；RM——純膜阻力，m-1；I——污染潛力指數(shù)，m-2。

MFI來(lái)源于t/V與V的曲線(線性區(qū)間)斜率，詳見(jiàn)公式(2)。斜率tanα在數(shù)值上定義為MFI，詳見(jiàn)圖1[1]。

(2)

圖1 t/V與V曲線得到的曲線斜率(tanα)Fig.1 tanα calculated out of the t/V and V curve

為消除給水粘度、外加壓力、膜面積等因素對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生的影響，MFI結(jié)果的嚴(yán)謹(jǐn)表述尚需進(jìn)行修正，詳見(jiàn)公式(3)。

(3)

式中：μ20——20 ℃時(shí)水的粘度，Pa·s；AM0——參照膜面積13.8×10-4,m2；dP0——參照外加壓力2.07×105,Pa。

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

MFI相對(duì)SDI測(cè)試技術(shù)，從測(cè)試原理到測(cè)試結(jié)果表述等都具有非常明顯的技術(shù)進(jìn)步，具體特點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 MFI與SDI測(cè)試技術(shù)對(duì)比Tab.1 Comparison of MFI and SDI test technology

MFI相比SDI測(cè)試技術(shù)，最重要的改進(jìn)是改善了測(cè)試結(jié)果的可靠性和實(shí)用性，根據(jù)J. C. Schippers等的試驗(yàn)結(jié)果：以福爾馬肼溶液為測(cè)試給水進(jìn)行的試驗(yàn)，MFI比SDI具有更明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，被測(cè)給水中的懸浮物/膠體濃度呈線性相關(guān)性，詳見(jiàn)圖2與圖3[2]。

2 MFI測(cè)試方法

2.1 測(cè)試裝置

針對(duì)MFI的測(cè)試技術(shù)與方法，國(guó)際著名的標(biāo)準(zhǔn)化組織美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(American Society for Testing and Materials，ASTM)經(jīng)過(guò)前期大量研究，于2015年正式發(fā)布了MFI測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)《Standard Test Method for Modified Fouling Index (MFI-0.45) of Water》(ASTM D8002-15)。

水質(zhì)修正污染指數(shù)測(cè)定裝置如圖4所示。測(cè)試裝置中所有與被測(cè)水樣接觸的部件材質(zhì)應(yīng)采用不銹鋼或塑料。測(cè)試裝置各部件應(yīng)能承受350 kPa的工作壓力。

圖2 MFI測(cè)試結(jié)果與福爾馬肼溶液濃度相關(guān)性曲線Fig.2 Relation curve between MFI and formazine concentration

圖3 SDI測(cè)試結(jié)果與福爾馬肼溶液濃度相關(guān)性曲線Fig.3 Relation curve between SDI and formazine concentration

圖4 MFI測(cè)試裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of MFI test equipment

2.2 測(cè)試材料

MFI測(cè)試過(guò)程需要用到以下材料：

(1)濾膜：①材質(zhì)，白色親水性硝酸纖維素和醋酸纖維素混合膜；②平均孔徑0.45 μm；③平均直徑47 mm；④厚度115 μm～180 μm。

(2)器具：①壓力表，精度1.6級(jí)，量程0 kPa～600 kPa；②秒表，精度0.01 s；③量筒，容量為 500 mL，精度0.5 mL；④電子天平，量程0 kg～5 kg，精度0.1 g；⑤溫度計(jì)，精度 ±0.2 ℃。

2.3 測(cè)試步驟

(1)檢查外壓。接通水樣，調(diào)整穩(wěn)壓閥的出口壓力至 207 kPa。間斷打開(kāi)和關(guān)閉取樣閥3次，確保壓力表始終指示在207 kPa±10 kPa范圍內(nèi)。

(2)沖洗裝置。安裝過(guò)濾器前，用水樣分別沖洗測(cè)試管路和過(guò)濾器，除去系統(tǒng)中的污染物。

(3)測(cè)量溫度。測(cè)量并記錄給水溫度。

(4)安裝濾膜。打開(kāi)過(guò)濾器上端蓋，用鈍頭鑷子將濾膜正面向上放置在過(guò)濾器內(nèi)的支撐板上，在濾膜上面放置密封圈后將過(guò)濾器上端蓋放回。

(5)系統(tǒng)排氣。調(diào)節(jié)取樣閥排出系統(tǒng)內(nèi)的空氣，關(guān)閉取樣閥后擰緊過(guò)濾器端蓋。

(6)測(cè)量產(chǎn)水。觀察壓力表指示值，在207 kPa時(shí)打開(kāi)取樣閥。用量筒或天平接取濾膜產(chǎn)水，每隔30 s～60 s讀取產(chǎn)水累計(jì)質(zhì)量并記錄數(shù)值。測(cè)量過(guò)程中，壓力表應(yīng)始終保持 207 kPa±10 kPa范圍內(nèi)。

(7)拆檢濾膜。完成測(cè)試后，將濾膜從過(guò)濾器中取出，檢查濾膜周邊壓痕是否完整，若濾膜有損壞或偏流應(yīng)重新測(cè)定，膜片宜保留以備分析。

3 測(cè)試敏感性分析

根據(jù)韓國(guó)慶南大學(xué)、國(guó)內(nèi)天津大學(xué)等機(jī)構(gòu)所做的顆粒物濃度及特性對(duì)MFI測(cè)試結(jié)果的敏感性分析研究結(jié)果[3-4]。

(1)當(dāng)以二氧化硅作為給水中無(wú)機(jī)顆粒模擬物時(shí)，MFI對(duì)粒徑和密度的變化敏感，較小和較輕的顆粒測(cè)得的數(shù)值較高，MFI對(duì)顆粒濃度的變化比SDI更敏感。

(2)給水中離子強(qiáng)度會(huì)增加污染趨勢(shì)，以人工海水測(cè)得的結(jié)果比去離子水測(cè)得的MFI值高，MFI比SDI對(duì)離子強(qiáng)度更敏感。

(3)當(dāng)以腐殖酸作為有機(jī)顆粒模擬物時(shí)，對(duì)于二氧化硅和腐殖酸的混合溶液，它們的相對(duì)比例決定了MFI值，低腐殖酸濃度下與單純二氧化硅測(cè)得的結(jié)果相似，高腐殖酸濃度下單純的腐殖酸結(jié)果相似。

(4)對(duì)于含有腐殖酸和鐵膠體的溶液，當(dāng)溶液中pH值增加時(shí)，MFI呈上升趨勢(shì)，并且當(dāng)溶液中pH值小于7時(shí)，隨著pH值的增大，MFI增加趨勢(shì)較為緩慢；當(dāng)溶液中pH值大于7時(shí)，隨著pH值的增加，MFI值會(huì)急劇上升。

4 MFI測(cè)試技術(shù)應(yīng)用展望

對(duì)于反滲透給水水質(zhì)污染的度量，由于SDI存在諸多弊端，正逐漸被MFI測(cè)試技術(shù)取代，目前，MFI已在美歐等發(fā)達(dá)國(guó)家獲得大范圍推廣應(yīng)用，是國(guó)際上最先進(jìn)適用的水質(zhì)污染測(cè)試技術(shù)。

當(dāng)然，MFI也存在一定的局限性，在MFI測(cè)試技術(shù)中，全流過(guò)濾帶來(lái)的剪切力缺失和比實(shí)際系統(tǒng)抬高的滲透率，以及微小污染物(<0.45 μm)的不確定截留都是限制MFI應(yīng)用的主要因素。因此，研究基于高精度分離膜(超濾或納濾)的替代污染指數(shù)是水質(zhì)污染指數(shù)測(cè)試技術(shù)繼續(xù)發(fā)展的方向。