渗透法在海水淡化方面应用
时间：2020-08-29 08:46:26 来源：达达文档网 本文已影响 人 
渗透法在海水淡化方面的应用
1、反渗透法
1960年美国加利福尼亚大学的Loeb和Sourirajan研制出第一张可实用的反渗透膜，标志着现代膜科学技术的诞生。其工作原理如图1所示。半透膜的两个槽内，分别为淡水和盐水，在自然状态下，淡水由于渗透压力逐渐通过半透膜向盐水移动，盐水变稀，这就是渗透现象。当渗透进行到盐水一侧的液面达到某一高度而产生一个压头，从而抑制淡水进一步向盐水渗透，渗透的自然趋势被压头所抵消达到平衡，这种平衡压力叫渗透压。与渗透现象相反，在盐水侧加以压力P，且该压力大于渗透压时，盐水中的水分子克服渗透压而透过半透膜进入水，盐水浓缩，淡水增加。这就是反渗透现象。为使反渗透装置正常运行，盐水侧的压力必须高于渗透压H，一般情况P在4-7 MPa范围内。
将反渗透排放的高压浓海水输送到脉冲涡轮机或回程离心泵中，由此获的能量提供给海水高压泵的电动机使用，可以使反渗透淡化海水的单位电耗从9千瓦时/立方米降到4千瓦时/立方米。
图1：反渗透法原理
2、海水淡化装置简介
威海电厂海水淡化系统采用如下流程：原海水、加NaOCl 系统、加PAC、系统、多介质过滤器、活性碳过滤器、加NaHSO3、阻垢剂系统、5μ保安过滤器、高压泵、—级反渗透装置、—级淡水池、高压泵、二级反渗透装置、二级淡化水池、淡化水泵、化学车间水处理混床、锅炉补水，见图2。
威海电厂一级反渗透为2列布置的RO，每列反渗透支架上都装有1套出力各为52m3/h的RO膜元件，每套都配置保安过滤器一台，高压泵及能量回收装置各两台，每列R/O装置设有两台出力65 m3/h、110kw的丹麦格兰富BMET46—9/8型不锈钢增压及能量回收一体泵；每列配置102根SWHRF—380膜组件，安装在17个FRP的压力容器内，每个压力容器内6只膜，设计R/O系统回收率在40%以上，运行压力6.3 MPa，一级产水含盐量低于350mg/l(25℃)，并满足生活用水标准。因一级反渗透产水PH偏低，所以在一级产水进入生活水箱时应加NaHCO3调PH值，加NaClO消毒杀菌。
图2：2500吨/时反渗透海水淡化装置
二级反渗透为1列布置的RO，每列反渗透支架上都装有2套出力各为40/h的RO膜元件，每套都配置丹麦格兰富CRN64—7—1型立式高压泵一台，高压泵出力56 /h。反渗透膜组件每套配置42根BW30—400膜组件，安装在7个FRP的压力容器内，每个压力容器内6只膜，设计R/O系统回收率在75%以上，运行压力1.6MPa，二级产水含盐量低于6mg/l(25℃)。
3、反渗透预处理
海水淡化的原则是先经过反渗透预处理，去除原水中悬浮物和胶体杂质，经预处理后，使其出水达到反渗透处理的要求（出水污染指数SDI对卷式醋酸纤维素膜、复合膜小于4），然后再经过反渗透处理，达到海水淡化的目的。
3.1、水的混凝、沉淀处理
水中的悬浮物和胶体物质的粒径不同，它们的沉降速度相差很大。大颗粒悬浮物在重力作用下容易沉降，而微小粒径的悬浮物以及胶体杂质能在水中长期保持分散悬浮状态，为了除去水中这些微小粒径的悬浮物以及胶体杂质，需要进行混凝处理，使这些微小杂质聚结成较大的颗粒，迅速沉降下来，从而使水得到澄清。
在目前的水处理工艺中，常用的混凝剂有：硫酸铝、聚合氯化铝（PAC）、硫酸亚铁、氯化铁、聚合铁（PFS）等。常用的助凝剂有：用于调节pH值的石灰（CaO）或纯碱（Na2CO3）等。助凝剂是为了提高混凝效果而投加的辅助药剂。PAC和PAM投加的目的是水中胶体和悬浮物凝聚，然后通过多介质过滤器滤掉。
3.2、水的过滤
过滤的目的就是进一步除去水中的悬浮物。要求经过多次过滤后的出水水质如下：澄清器出水浊度小于1FTU，最好小于0.5FTU; 过滤器的出水浊度小于0.5FTU，CODMn小于1.5mg/h，含铁量小于0.05mg/h(以Fe表示)。为了保证反渗透进水的SDI小于4，系统设置五用一备多介质过滤器。多介质出水后经三用一备活性碳过滤器，用以吸附水中有机物及余氯。
海水分别进入5台多介质过滤器 ，多介质过滤器的作用是除去凝聚物和悬浮物。多介质过滤器出水到活性炭过滤器。
多介质过滤器的出水进入三台活性炭过滤器，它的作用是除去部分余氯胶有机物。
由于反渗透器对进水中悬浮杂质含量有严格的要求，所以威海电厂每套反渗透装置（RO）还配置了一台出力为130m3/h的5μ微孔过滤器（或称保安过滤器），以防止悬浮颗粒杂质进入高压泵及反渗透膜组件。5μ微孔过滤器透过大于5μm颗粒的几率小于0.05%。
3.3、水的消毒杀菌
为了防止反渗透膜的微生物污染，对反渗透进水要进行氯化处理，当反渗透膜元件材料为醋酸纤维素时，水中还要求有0.2-1 mg/L的残余含氯量,以防膜元件的再污染。
当向水中投加NaC1O时，其氧化能力取决于水中HC1O与C1O-所占的比例。当HC1O与C1O-作为氧化剂时，它们均有较强的氧化能力，但HC1O的氧化能力比C1O-要强的多，C1O-杀菌作用一般只有HC1O的1%-2%。
威海电厂在进入多介质过滤器之前加一定量的NaCIO进行消毒（采用2台1kg/h海水电解槽，一用一备），PAM帮助絮凝，为保证反渗透进水余氯小于0.1ppm，所以在活性炭过滤器出水母管上加适量的NaHSO3进行还原，以满足反渗透的要求。
3.4、水的酸化
在反渗透除盐过程中，由于反渗透膜对于水中CO2的透过率几乎为100%，而对Ca2+的透过率几乎为零，因此给水被浓缩时，将会导致浓水侧的pH值升高和Ca2+浓度增加。而pH值的升高，会引起水中HCO-3转化为CO2-3，这样，极容易造成碳酸钙CaCO3在反渗透膜上析出，损坏膜元件，造成反渗透膜透水率和脱盐率的下降。反渗透系统中，通常防止CaCO3在膜上沉淀的方法是加酸（盐酸）调节水的pH值，加酸量的大小就是要使浓水中朗格里尔指数LSI小于或等于零，使CaCO3无法在膜上沉淀出来。一般情况下，在反渗透系统中加盐酸调节pH值为多。
3.5、水中加阻垢剂
防止硫酸盐结垢的方法，通常是在给水中加入阻垢剂（如六偏磷酸钠）。但是由于六偏磷酸钠分解后又能成为细菌的营养物，获取此营养物的细菌会在膜元件内部迅速繁殖造成难以清洗的生物结垢。所以在大型海水淡化设备中最好采用复合阻垢剂。威海电厂采用英国进口Permatreat PC100复合阻垢剂。该产品具有如下特点：不造成二次污染；降低运行成本；可以对胶体有分散作用，避免胶体污染；寿命长，操作方便。
4、反渗透膜元件的选择
在60年代初，美国的Loeb和Sourirajan研究的造CA膜技术，使CA膜产水量提高了10倍，脱盐率高达95%，这样，开始了CA膜在商业上的使用。随后，由于反渗透技术应用于水的脱盐等领域后显示出了许多优势，因此被广泛地研究，并研制出了许多种类的膜材料。80年代开发出TFC复合膜，该膜通常可在PH2～11之间运行，抗生物侵蚀能力强，且能抗膜的压密。该膜的最大优点：一是可在较低压力下运行，节约能源；二是不易水解，透盐量能维持稳定，不象CA膜，其透盐量随时间增长而增加。
威海电厂采用美国陶式TFC复合膜，美国DOW公司生产的TFC复合膜由三层组成，底层是聚酯织物，约120μm厚，中层为微孔的聚砜材料，约40μm厚，表面孔径约为15nm，上层即为超薄的脱盐层，为特制的聚酰胺材料，约0.2μm厚。
5、反渗透装置的清洗
在正常运行情况下，反渗透膜可能被无机物垢、胶体、微生物、金属氧化物等污染，这些物质沉积在膜表面上，将会引起反渗透装置出力下降或脱盐率下降，因此，为了恢复良好的透水和除盐性能，需要对膜进行化学清洗。
凡具备下列条件之一，需要对膜元件进行清洗：正常的出水流量下降10%；产品水含盐量明显增加；RO装置每锻压差比运行初期增加15%或35kPa；已证实有污染或结垢发生；即使压差尚未增加15%，但已运行3—4个月；需要长时间停用，在停止运行之前进行清洗。
因为温度较低时将影响清洗效果，所以要求清洗温度不低于15℃。选用的清洗泵应能克服保安过滤器的压降、膜组件的压降、管道阻力损失等，一般选用压力可为0.3-0.5MPa。
6、影响反渗透运行的因素
影响反渗透运行的因素很多，主要的有以下几点。
6.1、温度
醋酸纤维素膜、聚酰胺膜和复合膜对温度都有使用限制。膜元件（组件）标明的透水量一般是在25οC的情况下，在其它温度下可以根据厂商资料做适当的校正。适当提高进水温度，可以降低水的粘度，提高膜的透水量。尤其是在冰冷的北方，对给水进行加热是必要的。在温度高于20℃时运行，温度升高1℃，透水量约增加3%。
6.2、运行压力
运行压力由渗透压力、净推动力和管路等的压降组成。渗透压力与原水中的含盐量和水温成正比，与膜性能无关。净推动力是为了使膜元件（组件）产生足够的产品水而需要的压力。由于透水量与运行压力成正比，因此提高运行压力将增大透水量。
6.3、膜上结垢
膜上结垢是由给水中一些难溶盐的沉淀引起的。给水中的盐在RO工艺中得到浓缩，回收率为50%时浓缩2倍，回收率为75%时浓缩4倍。这引起一些盐的离子浓度乘积超过其溶度积而沉淀。浓差极化和膜组件排列的不均匀分布在一些地方会产生更大的浓度。浓水流量必须维持在难溶盐不析出的状态下，并保持合适的水回收率。常见的垢有CaCO3、CaSO4。加聚丙烯酸阻垢剂，可以防止CaCO3、CaSO4垢的形成。
6.4、二氧化碳
二级反渗透产水通过一台Φ1400的除CO2器，用于控制淡水箱的CO2含量在5ppm之内。除CO2器的作用是除去水中的CO2，减少对用水设备的腐蚀；减少后级处理的混床负荷，提高水处理系统的经济性和出水水质。
7、完善与结论
7.1、制水成本
根据实际计算威海电厂反渗透海水淡化运行成本为：一级反渗透制水成本6.4元/吨，二级反渗透制水成本7.2元/吨。由于二级反渗透出水(导电率约4.2μs/cm)并不能满足锅炉补充水(导电率小于0.2μs/cm)要求，所以必须再进入化学混床处理，才能进入锅炉，此时补充水成本为12.0元/吨左右。而用自来水处理成锅炉补充水，其软化成本为12.5—14.0元/吨。所以，海水淡化不但不会增加发电成本，而且完全解决了威海电厂淡水紧缺问题。
7.2、产水量
根据海水温度增加、产水量增加的规律，我们将海水取口移到凝汽器海水排放口，这样由于排放口海水温度比原海水温度平均高10℃左右，高于原设计值（15℃），所以出水量（105 /h、43 /h）已超过了设计值（52/h、40/h）。同时由于凝汽器海水排放口的海水已经过NaC1O杀菌灭藻，所以我们又去掉了原设计中的2台1kg/h电解海水制氯装置。即简化了设备，减少了投资，又增加了产水量。
7.3、淡化水质
2001年2月，国内容量最大的反渗透海水淡化装置在华能威海电厂投入运行。运行结果证明，一、二级反渗透出水均复合要求，见表1。二级反渗透出水稍加处理即可作为锅炉软化水使用。
表1：运行测试结果(海水温度21℃)
? 指标
过程 PH 导电率 钠 Cl- 含盐量 硬度 μs/cm mg/l mg/l mg/l mmol/l 自来水 7.8 220 15 35 48 2.0 一级反渗透出水 6.21 185 40 92 110 2.0 二级反渗透出水 6.20 4.2 0.6 2 2.5 0.2
.
.
