文|温知优
编辑|温知优
«——【·前言·】——»
近年来，反渗透(RO)膜技术越来越多地用于 内陆含盐水源的脱盐 ，如含盐地下水和农业排水为了最大化水产量，同时降低盐水管理的成本，高产品水回收率对于内陆水脱盐是必要的。
然而，由于与微溶于水的矿物盐相关的高矿物结垢倾向，产品水的回收经常受到限制。
例如石膏(caso4·2H20)、碳酸钙(CaC03)、重品石(BaS04)以及二氧化硅(Si02)热浓度沿RO膜通道轴向增加，并且随着回收率的增加， 可能超过微溶无机盐的溶解度极限 。
使用防垢剂减轻膜结垢需要适当的选择和剂量优化。相对于特定的水源、膜类型、目标水回收率和操作条件，以避免过量使用。例如，当 结垢倾向降低时 。
这既昂贵又可能促进生物结斯；剂量不足。例如，当水源结垢倾向上升时。这会导致灾难性的膜结垢。
此外，需要适当的RO进料过滤(有或没有凝结预处理)或其它方法(例如气浮)来去除胶体物质，以最小化有机物、微生物和胶体物质对RO膜的污染及其对RO操作和维护成本的潜在负面影响。
«——【·介绍·】——»
一般而言， 建立有效的反渗透进水过滤和矿物结垢缓解策略需要特定场地的现场测试。
快速现场确定可行的RO操作条件范围，解决所需进料过滤和AS处理的范围，这显然是理想的，特别是在单程操作模式下，因为这更实用。
当面临从多个地理位置评估不同质量的水源水的任务时，例如在加利福尼亚州的圣华金河谷(SJV)这是本研究的重点。
这个地区是美国最高产的农业区之一， 地下水和农业排水的水质存在显著的地理和时间变化关于盐度和离子组成 ，总溶解固体(TDS)在3000-30000毫克/升范围内。
因此，通过对反渗透进水处理要求和可行的产品水回收水平进行快速系统的现场评估，可以最有效地对SJV各种水源质量的反渗透脱盐可行性进行成本效益评估。
因此， 本研究提出了一种快速现场确定高矿物结垢倾向的微威水的有效反渗透(RO)脱盐条件的新方法。
本方法集中于使用自动小规模膜监视器(MeMo)用于RO脱盐进料过滤要求的快速现场评估、AS处理的优化以及对应于膜结垢网值的RO水回收水平的估计。
因此，进行了现场演示，由此，使用Memo系统以单程操作模式(即，没有浓缩物或渗透物再循环)获得了合适的RO提作条件，并使用微型移动模块(M3)螺旋卷绕RO系统。
后面这些现场测试用于确认备忘录确定的运行条件的适用性，以及备忘录用作M3系统的结垢检测器的位置。
«——【·试剂材料·】——»
在圣华金河谷的帕诺奇水区用农业排水进行脱盐现场试验，水源水直接从 地下集水坑抽取 ，并输送至反渗透系统。
由州认证实验室按照标准方法对AD供水的随机样本进行分析，进行水质数据汇总。
值得注意的是，在14，400毫克/升的总溶解固体含量中，约46%(6600毫克/升)由钙浓度为509毫克/升，从而使这种水在SIg为0.90时相对于石膏接近饱和。
RO中试装置中使用的膜是螺旋缠绕元件，每个直径为6.35米，长101.6厘米，活性膜面积为2.6平方米。
这些膜元件的平均 渗透率 为457X10-3m3/(m2·h-bar)，观察到的 截留率 为97.7%(在18.7bar下。
对于中给出的给水成分，回收率为63%，尽管螺旋卷绕膜系统通常用于安全条件，由之前的MeMo诊断测试，当开始一系列新的测试或进行特定的结垢测试时，进行膜清洗。
M3膜元件的清洗是通过定期用渗透水或去离子水冲洗系统，然后用0.1重量%NaOH水溶液(pH值为w12)清洗来完成的。不在使用时，将螺旋卷绕膜元件储存在1wt%焦亚硫酸钠的防腐溶液中。
MeMo(膜*控器监**)RO电池中使用的平板膜试片的活性膜面积尺寸为3.1x81厘米。在MeMoRO电池中使用之前，每个膜试样首先在去离子水中漂洗(5分钟)，随后浸没在去离子水中储存(在测试之前储存1-2小时)。
在每次诊断测试结束时，通过具有能量分散X射线光谱(SEM-1)的扫描电了显微镜分析膜样品。
«——【·矿物尺度监测和诊断系统·】——»
膜污染和结垢的监测是通过一个外部膜监测器(MeMo)，简而言之，MeMo系统由高压透明板框反渗透池(进料通道尺寸为3.1厘米宽、8.1厘米长和2.6毫米高)组成，适用于半咸水和海水淡化的操作压力。
该备忘录允许实时膜表面成像，以及 监控渗透通量、进料流速、跨膜压力以及进料和渗透物流的电导率和温度。
进料、滞留物和渗透物流速 ，以及这些物流的温度、H值和电导率都用别处描述的计算机化数据采集系统进行数字记录。
当在独立模式下运行时，MeMo的进料通过M3反渗透先导间的两台容积式泵中的一台泵的部分流提供备忘录是一个侧面-当用作反渗透设备的过程监控时，来自尾部反渗透元件滞留物的流。
在该过程监控模式下，备忘录操作由集成的M3控制系统控制。在这两种情况下，备忘录的输入都是在M3系统过滤后提供的并且备忘录以单遍模式操作。
在独立模式下，MeMo进料流速和压力通过高乐聚的计算机控制变频驱动器(VFD)、RO单元前的旁通阀和MeMo留物管线上的驱动阀(位于MeMo单元后)进行调节。
在这两种操作模式中，压力和流速都是通过系统专用的基于模型的控制器来调节的以便在MeMoRO电池中建立期望的浓差极化(CP)水平。
先前流体动力学和质量传递CFD建模工作的结果，对于该特定的MeMoRO单元，能够在本研究的操作条件范围内(错流速度和进料压力范围分别为4e8cm/s和1.0e28MPa)。
精确表征膜通道中的CP分布，从而确定整个MeMo通道中的溶液过饱和水平。
MeMoRO单元中的照明布置设置在近略场条件下，以增加表面品体成像的对比度。表面成像是用高分辨率CCD(电荷耦合器件)照相机连接到单镜上，聚焦在MeMoRO池中膜试样的所需区域。
在本研究中，监测区域为1.0cmx13m的区城，中心距离细跑通道入口约6cm。整个膜表面也通过高分辨率数码相机成像。
以特定的时间间隔(通常为5或10分钟)记录膜表面图像，并通过专用软件进行在线分析检测和量化被颗粒或其他物质覆盖的监测区域的百分比，以及矿物晶体的数量密度。
给定以下信息:(a)成像位置处溶液过饱和(在膜表面)的局部水平，以及(b)渗透通量和盐排斥，有可能建立在较大规模RO脱盐系统。
这种方法的前提是，在观察区，MeMo膜通道中的SI可以被设置(通过控制MeMo操作)以便匹配或高于或低于装置的受监控螺旋缠绕O元件中预期的SIg水平。
最后，注意到一旦显著结垢或污染，MeMo中的膜用去离子水或先前储存的渗透水，或使用标准清洁协议以便将*控器监**恢复到其原始状态。
«——【·输绕式中式反渗透系统·】——»
小型移动模块(N3)螺旋缠绕中试反渗透系统用于最佳/可行反渗透操作条件的快速现场评估。
由以下模块化单元操作组成:预处理、泵送和反渗透脱盐;每个都连接到中央控制系统。
在本研究中，M3装有六个螺旋缠绕的阿氏FilmTecXLE-2540元件，每个元件都装在一个单独的玻璃纤维压力容器中(额定压力高达68巴)。
在上述配置中，对于油田给水源(TDS为14，440mg/L)，M3能够以63%的回收率生产高达0.47m3/h(w3000GPD)的渗透液。M3过滤模块(过滤方案A)包含一系列5毫米和0.45毫米的滤筒。
现场研究中进料过滤的改进也通过添加辅助介质过滤系统进行了评估，该系统包括标准硅砂水过滤器以及0.2毫米滤简。
一旦水源水被预过滤，就通过由变额驱动器控制的两个容积式高压亲被供给到RO工厂，M3RO系统的滞留物流上的电致动针阀，与泵VFD一起， 能够使用基于模型的控制器控制RO单元中的滞留物流率和压力。
«——【·测试的回收极限估计·】——»
在小型板框式RO系统中可以实现相对较高的CP水平，即使这些是在低回收率(≤le2%)下操作的。已知膜表面的盐浓度，在PFRORO单元的出口区域(当以单程模式运行并被供给RO给水时，对于指定的可接受的浓差极化水平。
在这种方法中，首先计算MeMo膜通道的表面盐浓度使用专门为当前反渗透室几何形状开发的数值程序的操作条件。
在目前的分析水平下，浓度极化模量CP(定义为CPCM/CB，其中CB和CM分别是本体和膜表面的盐浓度)对所有离子都是相同的。
给定上述信息：在然后使用多电解质热力学模拟软件，随后，对于上述膜表面的溶质浓度,通过引入CP容许因子来估计螺旋卷绕RO设备尾部元件中C与混合杯渗余物浓度CR的可接受操作比。
实际上，螺旋卷式反渗透装置操作使得元素的CP通常不大于1.2，此外，选择保守值a=1.1，以确保未超出CP的实际限制。然后，对于给定的MeNo操作，可以估计CR，其中CM是根据沿着MeMo膜表面的CP的知识确定的。
方解石结垢的影响较小在回收率为%时达到饱和，在pH为分别为7.9(或更高)和6.5。
«——【·现场评估·】——»
RO操作条件的合适范围的现场评估首先通过备忘录以确定必要的进料过， 测试AS性能并优化其剂量，并建立最大可行回收率。
在本协议中，MeMo最初在CP水平下以独立模式运行，相当于RO设备在矿物结垢造成的回收极限下运行。考虑到CP容差a=1.1，该水平被设置为矿物结垢阅值。
过滤后的饲料以检查其浊度是否低于最大值反渗透进水推荐指南。然后在一段时间内对MeMo膜表面进行光学监控。
如果过滤后的进水浊度高于推荐水平，或者如果在MeMo膜表面观察到大量颗粒物质或矿物晶体沉积， 这表明需要升级进料过滤/改进以进一步降低进料中的颗粒浓度，从而降低其浊度。
原因是当RO进料通道中的溶液过饱和时，沉积在膜表面上的细题粒物质可以增强无机盐品体的成核作用。因此， 浊度本身可能不足以作为进料过滤质量的指标，这也是直接监测膜电解槽中膜表面的优点。
一旦反渗透进水过滤被认为是充分的，就可以开始评估AS的使用需求(通过计量泵输送:部分2.4)以及作为选择和剂量优化.在该实验方案中，首先设定MeMo操作。
使得对于所关注的结垢物,膜表面的饱和指数被提高到对应于所需回收水平的水平。如果没有检测到矿物结垢，这意味着对于设定的回收水平而言，使用砷是不必要的。
然而，如果检测到结垢，或者如果希望确定定量给料时可达到的最大回收水平，可以进行结垢抑制效果的现场比较作为候选人。
该评估应在合理的剂最下进行，通过MeNo系统直接观察膜表而。砷剂量通常根据其在预期回收率下的防垢效果确定，同时考虑给水化学和制造商建议的最大水平，以及砷的使用对整个工艺经济性的影。
«——【·结论·】——»
快速现场评估反渗透进水过滤要求、选择有效的防垢剂类型和剂量，以及估算给定水源水的合适无垢反渗透回收率 ，可采用一种基于直接观察矿物结垢和流量下降测量值，利用在单程脱盐模式下现场操作的自动膜*控器监**。
悬浮颗粒即使对于浊度的给水在高矿物质的半成水源给水中结垢倾向可以作为促进表面晶体成核的种子，通过MeMo系统可以看到这一点。
因此，对于这种水源，在RO脱盐之前，需要有效去除悬浮颖粒。
合适的最大反渗透水回收率，包括对于给定的给水质量，通过MeMlo系统，可以在现场系统直接地识别特定防垢剂在特定有效剂量下实现的矿物结垢抑制。
无标度运行条件，通过独立的MeMo快速诊断测试显示适用于螺旋型反渗透系统，通过通量下降测量和外部膜矿物尺度监测进行了验证。
本现场诊断的成功部署评估反渗透进水预处理和建立合适的反渗透操作条件的方法，以及在线监测膜污染的积极益处，值得在长期示范规模反渗透现场研究中对当前提出的方法进行评估
«——【·参考文献·】——»
1.艾哈迈德《阿曼和阿联酋反渗透海水淡化厂的粘水处理》，海水淡化，2001年。
2.阿拉瓦迪《预处理装置设计是反渗透海水淡化装置成功的关键》，1997年。
3.希珀斯《硫酸锁在反渗透系统中的结垢可能性》，膜科学杂志，2002年。
4.博登《膜面堵塞导致反渗透膜通量下降的原因分析》，海水淡化，1987年。
5.哈森《反渗透膜的硫酸钙污垢:通量下降机理》，化学工程科学，1987年。