鋁系絮凝劑殘留物對反滲透系統性能的影響

計巧珍,顧先濤,張 更,吳 妍,曹菊林,宋紀雙,周仲康

(1. 安徽新力電業科技咨詢有限公司，安徽 合肥 230601；2. 國網安徽省電力有限公司電力科學研究院，安徽 合肥 230601)

0 引 言

反滲透技術是水處理脫鹽工藝中發展較為成熟的技術之一[1]，其利用反滲透膜(選擇性透過膜)在壓力差的作用下使水分子與原水中的不溶性物質和無機鹽分離，原水中的不溶性物質和無機鹽會隨著水分子的透過而在進水/濃水通道中濃縮，隨著濃縮倍數的增加，結垢風險也隨之增加，反滲透膜結垢是一個急需解決的復雜問題[2-13]。為了減緩膜污染且延長膜的使用壽命，往往會在反滲透的進水中添加阻垢劑從而抑制結垢的產生速率。目前，電廠使用較多的阻垢劑有共聚物阻垢分散劑和有機磷酸緩蝕阻垢劑兩種類型。阻垢劑的投加雖然能夠緩解結垢風險，但若阻垢劑類型選擇不當，會造成阻垢劑與絮凝劑發生不兼容反應。不兼容反應是指，投加的阻垢劑與絮凝劑中的鈣/鋁或者鐵離子發生化學沉淀反應，在膜表面沉積，加劇膜污染問題[14-15]。

2021年安徽某電廠新擴建水處理設備的反滲透裝置及其前置保安過濾器發生不明原因污堵，制水運行周期短，對該廠發電機組供水造成壓力，同時頻繁更換保安過濾器濾芯造成一定的經濟損失。技術人員根據實際情況反饋，首先建議該廠更換水源，順利解決了設備運行周期短的問題。為了查明污堵具體原因技術人員對污染物(下文簡稱“垢樣”)、水質等展開了一系列試驗研究，具體情況如下。

新擴建水處理工程的工藝流程如圖1所示。根據現場情況，技術人員首先對超濾運行工況進行調查，擬開展工作：(1)將反滲透保安過濾器污堵濾芯更換，同時對垢樣進行采集、分析；(2)模擬現場加藥環境，利用濁度法對阻垢劑進行藥劑兼容性能試驗，探索阻垢劑與反滲透進水的兼容性；(3)取進水處理廠的水(下文簡稱“原水”)和水處理廠處理后進入電廠反滲透系統的淮水(下文簡稱“進水”)進行水質分析對比，以期查明污堵的原因。經過一系列實驗分析，發現該廠使用的反滲透阻垢劑與進水中的混凝劑出現不兼容現象，由此判定此次保安過濾器污堵主要原因，建議電廠需要更換阻垢劑，并且新阻垢劑使用前需要做藥劑兼容性匹配試驗。

圖1 工藝流程簡圖Fig.1 Process flow diagram

1 分析與討論

1.1 垢樣分析

1.1.1 EDX分析

參照HG/T 3533—2011《工業循環冷卻水污垢和腐蝕產物中灼燒失重測定方法》和GB/T 31364—2015《能量色譜X射線熒光光譜儀主要性能測試方法》對保安過濾器中垢樣原樣進行成分分析，結果數據見表1。垢樣950 ℃灼燒后數據見表2。

表1 原樣成分分析結果

表2 焙燒后的原樣成分分析結果

成分分析結果表明：垢樣元素組成以Al、P為主，2種元素的質量分數之和超過了90%，排除了垢樣是微生物造成的可能性。

1.1.2 垢樣電鏡分析

對垢樣進行掃描電鏡和透射電鏡分析，觀察垢樣直徑、形貌和元素分布，如圖2和圖3所示。

圖2 垢樣顆粒直徑Fig.2 Particle diameter of the scale sample

圖3 垢樣的掃描電鏡和透射電鏡結果Fig.3 SEM and TEM results of the scale sample

從垢樣直徑檢測結果可以發現垢樣主要顆粒直徑集中在5～15 μm，而反滲透前置過濾器過濾精度為5 μm，當含有顆粒的雜質通過前置過濾器時，大部分顆粒會被截留在濾料表面，長時間累積造成堵塞。垢樣的電鏡分析結果表明，該垢樣主要含有元素為O(55.300%～57.100%)，Al(32.500%～33.200%)，P(10.400%～11.400%)，這與EDX能譜成分分析結果相一致，推測垢樣主要以磷酸鋁和氫氧化鋁的形式存在，而其中的磷元素來自含磷阻垢劑，鋁元素則來自進水，氧元素則是因鋁元素水解形成的。

1.1.3 垢樣失重分析

同時，我們對垢樣進行灼燒失重分析，灼燒過程見表3，灼燒前后垢樣由灰白色粉狀物變為白色粉末物，如圖4所示。

表3 垢樣灼燒失重分析

圖4 垢樣灼燒前后外觀對比Fig.4 Comparison of the scale sample appearancebefore and after burning

550 ℃灼燒失重為27.97%，主要包括有機物、生物黏泥、化合水、硫化物。550～950 ℃灼燒失重為4.96%，主要是CO2，而CO2主要來自于CaCO3，因此經換算，可知干基垢樣中CaCO3所占質量分數為11.27%。

結合表1、2、3分析可知，垢樣中有機物、生物黏泥、化合水和硫化物占比較高達27.97%，碳酸鈣占比11.27%，其他成分為鋁、磷、鈣等。從灼燒減重、熒光光譜檢測結果及垢樣性狀可知，垢樣為典型的鋁鹽垢，垢樣中以氧化物計算的氧化鋁占比達到61.003%，鋁鹽多數以磷酸鋁的形式存在，且有部分以氫氧化鋁形式存在，有機物、生物粘泥、化合水和硫化物占27.97%，其余主要為氧化鈣、氧化鎂等。

1.1.4 垢樣OH-分析

前述因EDX能譜對垢樣的元素檢測范圍為Na—U，C、H、O、N元素未能準確檢出，故采用測定聚合氯化鋁鹽基度的方法對垢樣簡單的進行分析。鹽基度是指聚合氯化鋁中某種形狀的羥基化程度或堿化的程度，又叫堿化度，一般用羥鋁摩爾比B(%)=c(OH-)/c(Al3+)百分率表示，其中c(OH-) 和c(Al3+)分別表示氫氧根和鋁離子的摩爾濃度。通過實驗計算出垢樣中c(OH-)，以便后續進行分析。

參照GB/T 22627—2014《水處理劑 聚氯化鋁》的測試方法利用氫氧化鈉標準滴定溶液對垢樣進行鹽基度滴定檢測分析。

表4 垢樣OH-含量檢測結果

通過計算，可知OH-含量為1.90 mol/100 g，綜合前面所述的垢樣中有機物、生物黏泥等占比為27.97%，碳酸鈣占比11.27%，結合EDX分析數據可以粗略計算出每100 g垢樣中含有鋁元素的物質的量為1.20 mol，磷酸根的物質的量為0.41 mol，碳酸根的物質的量為0.11 mol。計算結果滿足陰陽離子平衡，表明垢樣中主要成分存在形式為AlPO4、Al(OH)3和Al3(CO3)2，與前文分析結果吻合。

1.1.5 垢樣DCS-TGA分析

為了進一步了解和確認垢樣的組成成分，對垢樣分別在氮氣和空氣中進行了熱重分析。對得到的數據進行處理，畫出垢樣的XRD譜圖(如圖5)。將XRD譜圖的特征衍射峰與標準譜圖進行對比，發現熱重的結果進一步驗證了前文所得的結論，其主要成分為鋁鹽，存在形式為AlPO4、Al(OH)3和Al3(CO3)2。

圖5 垢樣X衍射譜圖Fig.5 XRD spectra of the scale sample

1.2 水質分析

為了進一步分析垢樣中主要元素的來源，對該系統進水和藥劑進行測試分析。

參照APHA 3120B 2011和APHA 4110B 2011的測試方法利用儀器ICP(等離子發射光譜儀)對該廠所用原水水樣和反滲透系統進水水樣進行金屬元素和陰離子的含量進行檢測分析，結果見表5。

根據表5可知，從該廠原水和系統進水的金屬元素和陰離子含量檢測結果基本相同，特別地，兩者水質檢測結果中顯示金屬元素鋁的含量具有明顯的差異變化。原水中鋁含量的檢測結果顯示為<0.05 mg/L，而進水中檢測的鋁含量為0.34 mg/L，導致結果中鋁含量差異變化的原因是原水在進行預處理的過程中使用了鋁系絮凝劑。結合垢樣分析結果，推測進水中大量的鋁離子與后續

表5 水樣元素分析檢測結果

所使用的藥劑發生了化學反應從而產生垢樣，污染反滲透系統。

1.3 藥劑(阻垢劑)兼容性對比試驗

通過模擬現場加藥和進水環境，利用濁度法對藥劑進行兼容性對比試驗[16]。

試驗用水制樣：取2 L進水，加入適量聚合氯化鋁，觀察出現絮狀沉淀，靜置30 min，用2 mol/L氫氧化鈉調節pH至7.10。靜置30 min后，用中速濾紙過濾，備用。

取試驗用水200 mL，用不同阻垢劑(A：現場所用藥劑；B和C：待使用的新藥劑)溶液作為滴定劑，在室溫條件下測定試驗用水濁度與滴定體積(劑量)的變化曲線，結果如圖6(a)所示，當阻垢劑加入27 mL時,溶液濁度達到4.84 NTU。用除鹽水作為對照實驗。將阻垢劑A與試驗用水進行混合均勻，發現溶液濁度明顯增加，如圖6(b)所示。

圖6 3種阻垢劑實驗結果Fig.6 Experimental results of three scale inhibitors

由圖6(a)中阻垢劑加入量與濁度關系曲線的變化趨勢可以看出，現場所用阻垢劑A與除鹽水混合時，溶液濁度基本沒有變化，但當其與試驗用水混合時，溶液有白色不溶物出現和濁度明顯變化的現象，充分說明溶液中發生了化學反應。值得注意的是，隨著加藥量的增加，溶液濁度呈現明顯正增長趨勢。新藥劑B和C在與試驗用水混合后，隨著加藥量的增加，濁度逐漸趨于穩定，且與除鹽水的對比實驗，濁度差別很小。相較于阻垢劑B和C，阻垢劑A與試驗用水的兼容性差，相容性更差。因此垢樣的形成機理分析可能是：阻垢劑A中的磷酸根與系統進水中的鋁離子發生化學反應并生成不溶產物磷酸鋁沉淀，導致在運行過程中，藥劑與水無法兼容從而堵塞保安過濾器，對反滲透系統造成很大的威脅，長期運行會加速反滲透膜的污堵，應盡快采取措施，維護系統的正常運行。

2 結 論

經過分析可知，垢樣主要為鋁鹽垢，多數以磷酸鋁、氫氧化鋁和碳酸鋁形式存在，其次垢樣中有機物和水分等占27.97%，還有少量的鈣鹽、鎂鹽等。反滲透系統受到嚴重污染時，通過離線清洗基本可以恢復膜性能，而被污堵的保安過濾器需要頻繁更換濾芯才能保證處理效果，這樣嚴重影響機組運行并造成經濟損失。因此找出污堵原因，避免再次發生類似事件顯得至關重要。通過藥劑兼容試驗，發現這起保安過濾器污堵事故的根本原因是水廠在處理過程中使用了聚合氯化鋁絮凝劑處理原水，從而導致進水中含有大量的殘余鋁離子，而這些鋁離子能與電廠在反滲透系統中使用的含磷阻垢劑發生化學反應并生成不溶物磷酸鋁。在實際運行過程中，阻垢劑與進水之間存在不匹配問題，藥劑不兼容現象，會對設備產生惡劣的影響。因此，電廠在后續日常運行過程中，應根據實際進水水質和所需藥劑的試驗結果選擇合適藥劑投入并控制系統，以保證反滲透系統的安全穩定運行，降低對制水系統運行存在的威脅和隱患。