反滲透膜清洗藥劑和設(shè)備的研究

林 帥

(海南醫(yī)學(xué)院第二附屬醫(yī)院， 海口 570311)

1 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，地下水資源污染嚴(yán)重，飲用水安全問(wèn)題已經(jīng)日益突出，為此純凈水制備技術(shù)已經(jīng)逐漸形成工業(yè)化生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)并廣泛推廣到民用應(yīng)用中，純凈水過(guò)濾清潔中的反滲透膜法作為一種新型的制備純水的方法因其制作效率高、制作過(guò)程機(jī)械化程度高等特點(diǎn)在純凈水制備中應(yīng)用廣泛[1]。反滲透膜法是利用膜的滲透性過(guò)濾掉原水中的雜質(zhì)，因此滲透膜的污染隨過(guò)濾次數(shù)的增加逐漸加重[2]，現(xiàn)階段的反滲透膜清洗主要以超聲法、生物法為主，化學(xué)清洗劑的應(yīng)用較少，而超聲法的清洗效果欠佳，清洗后膜中的污染物仍然較多[3]，生物法又不可避免對(duì)反滲透膜造成二次污染[4]。本文用化學(xué)清洗的方法研究了酸性和堿性兩種清洗試劑，并對(duì)清洗時(shí)間、溫度等不同環(huán)境下反滲透膜的清洗效果進(jìn)行了試驗(yàn)分析，根據(jù)兩種清洗劑特點(diǎn)研制了適用于化學(xué)清洗的高效清洗設(shè)備。

2 清洗藥劑制作及清洗效果試驗(yàn)分析

2.1 清洗藥劑制作

反滲透凈水系統(tǒng)中，為了控制凈水效果要對(duì)設(shè)備的出水速率、出水口凈水中鹽堿含量、設(shè)備壓力、濃水量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)系統(tǒng)中出現(xiàn)的某個(gè)指標(biāo)的異常要特別關(guān)注，以控制純凈水質(zhì)量和設(shè)備運(yùn)行安全[5，6]。對(duì)反滲透膜的清洗主要采用酸堿兩種清洗劑，酸性清洗劑去除反滲透膜中的固體氧化物及堿性礦物質(zhì)，堿性清洗劑去除反滲透膜殘留的酸性物質(zhì)，因此按照目前的反滲透膜清洗思路，本研究制作的清洗藥劑分為酸性清洗劑TSL-1(脂肪醇聚氧乙烯酸)和堿性清洗劑TSL-2(氨基多梭酸鈉)兩種。

TSL-1酸性清洗劑的主要成分是檸檬酸、低濃度鹽酸、脂肪醇聚氧乙烯醚、氨基梭酸和12%硫酸溶液按照1∶2∶3∶1∶1的體積比混合并摻入一定量表面活性劑。

TSL-2堿性清洗劑的主要成分為三聚磷酸鈉、十二烷基磺酸鈉、金屬絡(luò)合劑按照1∶2∶3的體積比混合，并以表面活性劑作為催發(fā)劑混合以增強(qiáng)溶液的清洗速度。清洗藥劑的物理指標(biāo)如表1所示。

表1 清洗劑物理指標(biāo)

2.2 清洗效果分析

為了驗(yàn)證兩種清洗劑的清洗效果，擬采用TSL-1和TSL-2兩種清洗劑對(duì)反滲透膜進(jìn)行清洗試驗(yàn)分析，試驗(yàn)中反滲透膜清洗流程如圖1所示。按照?qǐng)D1所示的清洗流程，對(duì)兩種清洗劑的清洗效果進(jìn)行試驗(yàn)分析，試驗(yàn)過(guò)程可分為5步[7]。第一步是反滲透膜安裝，選用污染嚴(yán)重的反滲透膜按照滲流方向和污染面根據(jù)試驗(yàn)水流方向安裝。第二步是注水排氣，當(dāng)水箱體積達(dá)到總體積的80%時(shí)，打開排氣閥進(jìn)行排氣。第三步是通量測(cè)試，待通水穩(wěn)定后并保持10分鐘，待排水無(wú)顏色變化后持續(xù)15分鐘，觀察水流量，并記錄此刻的通水壓力。第四步是循環(huán)建立，將排水和進(jìn)水通過(guò)管路連接，形成循環(huán)系統(tǒng)[8]。第五步為化學(xué)清洗，按 SL-1清洗試劑、清水、TSL-2清洗試劑、清水的順序加入化學(xué)清洗箱中，各清洗1小時(shí)。第六步是通量測(cè)試，待化學(xué)清洗完成后調(diào)整各閥門開關(guān)，控制進(jìn)水壓力與試驗(yàn)過(guò)程第三步相同，記錄在此條件下的通量。

圖1 反滲透膜清洗流程

按照?qǐng)D1所示的試驗(yàn)清洗流程和方法分別對(duì)清洗劑順序、清洗時(shí)間、清洗溫度因素影響下清洗效果進(jìn)行了試驗(yàn)分析。

圖2為不同清洗順序下產(chǎn)水量變化曲線，試驗(yàn)表明當(dāng)?shù)谝淮尾捎盟嵝郧逑磩┻M(jìn)行清洗時(shí)，反滲透膜的產(chǎn)水量能明顯提升，后續(xù)堿性清洗劑和酸性清洗劑的清洗對(duì)產(chǎn)水量的提升效果有限，當(dāng)?shù)谝淮尾捎脡A性清洗劑進(jìn)行清洗時(shí)，產(chǎn)水量提升不明顯，當(dāng)?shù)诙尾捎盟嵝郧逑匆汉螅a(chǎn)水量有一定的提升，當(dāng)又一次采用堿性清洗液清洗后產(chǎn)水量迅速提升，之后反復(fù)酸堿清洗后產(chǎn)水量提升有限。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是系統(tǒng)中堿性水垢雜質(zhì)及鐵銹，酸性溶液清洗后能有效去除這類堿性雜質(zhì)，提高反滲透膜的產(chǎn)水量。

圖2 清洗順序和產(chǎn)水量關(guān)系

圖3為清洗時(shí)間和產(chǎn)水量的關(guān)系曲線，試驗(yàn)過(guò)程中保持酸性清洗劑、堿性清洗劑的循環(huán)不變，且保持每種清洗劑的清洗時(shí)間相同，采用了污染情況不同的1和2號(hào)兩個(gè)反滲透膜進(jìn)行試驗(yàn)，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)清洗時(shí)間在6小時(shí)前，產(chǎn)水量和時(shí)間呈線性關(guān)系，產(chǎn)水量隨時(shí)間的增長(zhǎng)而增加，當(dāng)清洗時(shí)間超過(guò)6小時(shí)后，膜元件的產(chǎn)水量幾乎不再增加，原因是污染物和清洗劑在6小時(shí)前已經(jīng)反應(yīng)完全。

圖3 清洗時(shí)間和產(chǎn)水量關(guān)系

圖4為1號(hào)和2號(hào)反滲透膜清洗時(shí)間和脫鹽率關(guān)系曲線，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在6小時(shí)以前，脫鹽率和清洗時(shí)間呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，清洗6小時(shí)后，2塊膜的脫鹽率趨于穩(wěn)定，對(duì)比圖3的產(chǎn)水量和清洗時(shí)間關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)，反滲透膜的產(chǎn)水量與脫鹽率呈現(xiàn)一致性。

圖4 清洗時(shí)間和脫鹽率關(guān)系

溫度是影響化學(xué)反應(yīng)速率的一個(gè)重要因素[9]，圖5為清洗溫度產(chǎn)水量的關(guān)系，提高溫度曲線為30℃，而恒定溫度曲線的溫度保持在20℃。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在恒定溫度下當(dāng)清洗次數(shù)達(dá)到3次后，之后的清洗對(duì)反滲透膜的產(chǎn)水量幾乎沒(méi)有影響，而提高溫度后，清洗次數(shù)達(dá)到4次后產(chǎn)水量趨于穩(wěn)定，且提高溫度后的產(chǎn)水量高于恒定溫度時(shí)產(chǎn)水量。

圖5 清洗溫度和產(chǎn)水量關(guān)系

圖6為溫度和脫鹽率的關(guān)系曲線，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，溫度提高到30℃后的脫鹽率明顯高于恒定溫度時(shí)脫鹽率，這是因?yàn)榉礉B透膜的化學(xué)清洗過(guò)程是一個(gè)吸熱過(guò)程，提高溫度后反應(yīng)的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)改變，反應(yīng)速率和原料反應(yīng)率均提高。

圖6 溫度和脫鹽率關(guān)系

3 清洗設(shè)備研究

反滲透膜化學(xué)清洗藥劑研制完成后要想快速批量對(duì)反滲透膜進(jìn)行清洗，必須要有相關(guān)清洗設(shè)備的配合作為化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所[10-12]。常規(guī)清洗設(shè)備由于其結(jié)構(gòu)原因，清洗效率低，為此專門研發(fā)了適用于化學(xué)清洗劑清洗的反滲透膜清洗設(shè)備，設(shè)備示意如圖7所示。設(shè)備運(yùn)行分為單獨(dú)清洗作業(yè)和串聯(lián)作業(yè)兩種作業(yè)模式。單獨(dú)作業(yè)模式下關(guān)閉閥門組包括F1、F3、F7、F8、F9、F10、F11，開啟閥門組包括F2、F4、F5、F6，通過(guò)清洗泵的壓力作用將酸液箱和堿液箱的清洗液輸送到過(guò)濾器中，在過(guò)濾器中反滲透膜上的污染物和清洗溶液充分反應(yīng)，系統(tǒng)中的水流是閉合的循環(huán)系統(tǒng)。串聯(lián)作業(yè)模式下關(guān)閉閥門組包括F1、F7、F8、F9、F10、F11，開啟閥門組包括F2、F3、F4、F5、F6，清洗過(guò)程中清洗泵和高壓泵同時(shí)工作，針對(duì)系統(tǒng)中可能存在的污染物濃度可能過(guò)高的情況，可打開排水系統(tǒng)排出污染水，形成可操控的閉合系統(tǒng)，清洗設(shè)備主要元件參數(shù)如表2所示。

圖7 設(shè)備示意

表2 主要元件參數(shù)

根據(jù)7所示的設(shè)計(jì)流程和表2所示的元件參數(shù)對(duì)清洗設(shè)備進(jìn)行了研制組裝，設(shè)備如圖8所示。

圖8 清洗設(shè)備實(shí)物

為了檢驗(yàn)清洗設(shè)備的工作效率，按照清洗設(shè)備的操作流程對(duì)反滲透膜進(jìn)行了清洗試驗(yàn)，試驗(yàn)前膜表面污染物情況如圖9所示，從圖中可發(fā)現(xiàn)，反滲透膜表面污染物較多，雜質(zhì)粒徑大小不一且分布不均勻。

圖9 清洗前

清洗后反滲透膜如圖10所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)設(shè)備清洗后，膜表面肉眼可見(jiàn)污染物基本被清除，清洗效果較為明顯。

圖10 清洗后

清洗試驗(yàn)過(guò)程中設(shè)備各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)如表3所示。從表3可以發(fā)現(xiàn)，清潔前后反滲透膜的重量和產(chǎn)水量發(fā)生了明顯變化，這是因?yàn)槿コs質(zhì)后膜的重量減小，產(chǎn)水量隨著孔隙的增大而提高。

表3 設(shè)備主要運(yùn)行指標(biāo)

4 結(jié)論

反滲透膜是過(guò)濾污染原水，獲取清潔用水的常用工具材料。本研究以反滲透膜污染后的清洗問(wèn)題為研究對(duì)象，研制了TSL-1和TSL-2兩種化學(xué)清洗劑，使用該清洗劑對(duì)反滲透膜進(jìn)行了清洗試驗(yàn)，得到了不同清洗劑使用順序、清洗時(shí)間、清洗溫度與清洗效果的關(guān)系曲線；根據(jù)清洗劑特點(diǎn)，研制了適用的清洗設(shè)備并對(duì)設(shè)備的聯(lián)接方式和工作流程進(jìn)行了詳細(xì)闡述并給出了主要元件參數(shù)。清洗試驗(yàn)表明，在研制的清洗設(shè)備中，使用TSL-1和TSL-2兩種化學(xué)清洗劑進(jìn)行清洗作業(yè)，清洗效果良好。