唐智新,吳禮云,梁紅英,吳 剛,李 強(qiáng),孫 雪
(首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司,河北唐山 063200)
熱膜耦合海水淡化實(shí)驗(yàn)研究
唐智新,吳禮云,梁紅英,吳 剛,李 強(qiáng),孫 雪
(首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司,河北唐山 063200)
以熱法海水淡化濃鹽水及原海水作為原料水,采用中空纖維反滲透膜進(jìn)行了將近2個(gè)月的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,砂過(guò)濾器過(guò)濾速度及反沖洗、絮凝劑投加量對(duì)砂過(guò)濾器出水SDI值有較大影響。砂過(guò)濾器對(duì)濁度具有較好去除效果,但不能有效去除影響RO膜性能的熱法海水淡化消泡劑(聚丙二醇)等物質(zhì)。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間,RO膜產(chǎn)水電導(dǎo)率為100~250uS/cm,RO膜脫鹽率躍99.55%;濃鹽水實(shí)驗(yàn)階段RO膜進(jìn)水壓力明顯高于混合水實(shí)驗(yàn)階段,分別為5.8~6.1 MPa、5.0~5.3MPa。并對(duì)熱膜耦合海水淡化實(shí)際工程實(shí)施中應(yīng)注意的問(wèn)題提出建議。
熱膜耦合;海水淡化;實(shí)驗(yàn)研究;脫鹽率
隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及人口的增加,淡水資源匱乏日益嚴(yán)重,已成為全球性的環(huán)境問(wèn)題[1-2]。海水淡化作為一種淡水開(kāi)源增量技術(shù),且不受時(shí)空及氣候的影響,可以有效解決淡水資源短缺問(wèn)題,逐漸受到沿海缺水國(guó)家及地區(qū)的高度重視。截止到2016年底,全球已建成海水淡化產(chǎn)能8856萬(wàn)t/d,解決了數(shù)億人的飲用水問(wèn)題[3]。目前海水淡化技術(shù)有數(shù)十種,其中大規(guī)模工業(yè)化的海水淡化技術(shù)主要有熱法中的多級(jí)閃蒸(MSF)、低溫多效蒸餾(LT-MED)及膜法中反滲透(RO)[4]。隨著單一海水淡化技術(shù)的日益成熟,由于其固有特點(diǎn)的限制,其降低能耗及成本的空間逐漸減小,而多種海水淡化的技術(shù)組合和集成已顯現(xiàn)出發(fā)展的生命力,可以大幅度降低能耗及成本,已經(jīng)在工程中開(kāi)始應(yīng)用,且有逐漸增加的趨勢(shì)。根據(jù)熱法和膜法海水淡化的各自特點(diǎn)[5],將兩者耦合起來(lái),充分發(fā)揮兩者的優(yōu)點(diǎn)、彌補(bǔ)兩者缺點(diǎn),進(jìn)一步降低海水淡化能耗及成本,成為海水淡化技術(shù)研究的一個(gè)熱點(diǎn)和重點(diǎn)。
目前,熱膜耦合海水淡化技術(shù)研究主要集中于MSF和RO的耦合,而對(duì)LT-MED和RO的耦合研究相對(duì)較少[6]。本文是利用LT-MED的濃鹽水作為RO的原料水,開(kāi)展熱膜耦合海水淡化技術(shù)研究,以期解決北方渤海地區(qū)冬季水溫過(guò)低對(duì)RO的影響,并尋求降低海水淡化能耗及成本的途徑。
1.1 實(shí)驗(yàn)水樣
實(shí)驗(yàn)水樣為某鋼鐵廠LT-MED裝置排放的濃鹽水及原海水,實(shí)驗(yàn)分為2階段進(jìn)行:第一階段(1~26 d)采用50%原海水+50%濃鹽水的混合水作為原料水;第二階段(27~47 d)采用100%濃鹽水作為原料水。
實(shí)驗(yàn)期間原海水、濃鹽水及混合水水質(zhì)見(jiàn)表1。
表1 原水海、濃鹽水及混合水水質(zhì)表
1.2 工藝流程
熱膜耦合海水淡化工藝流程見(jiàn)圖1。
圖1 熱膜耦合海水淡化工藝流程圖
由于LT-MED裝置排放的濃鹽水水溫較高,為了防止對(duì)反滲透膜造成損害,濃鹽水需先通過(guò)冷卻塔冷卻后再使用。冷卻后的原料水先進(jìn)入原水箱,添加絮凝劑(FeCl3)和殺菌劑(NaClO3)后通過(guò)砂過(guò)濾器進(jìn)行過(guò)濾,過(guò)濾后的水加入阻垢劑后進(jìn)入過(guò)濾水箱。過(guò)濾水箱的出水用稀硫酸調(diào)pH值至6.5后,再通過(guò)過(guò)濾精度為5um的安全濾網(wǎng),然后用高壓泵送至RO膜組件,RO膜的產(chǎn)水進(jìn)入成品水箱。RO膜采用中空纖維反滲透膜,其性能參數(shù)見(jiàn)表2。
表2 中空纖維反滲透膜性能參數(shù)
1.3 實(shí)驗(yàn)方法
實(shí)驗(yàn)期間始終維持RO膜透過(guò)水量(9 L/min)及濃水量(13.5 L/min)不變,其中RO膜透過(guò)水量根據(jù)流量計(jì)自動(dòng)調(diào)節(jié)RO膜進(jìn)口壓力來(lái)實(shí)現(xiàn),RO膜濃水量人工調(diào)節(jié)。砂過(guò)濾器及RO膜全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)反沖洗,其中砂過(guò)濾器16 h沖洗1次,RO膜24 h反沖洗1次。藥品全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投加,絮凝劑(FeCl3)投加量是以保障砂過(guò)濾器出水的濁度達(dá)到最小為目標(biāo),殺菌劑(NaClO3)的投加量是以保障RO膜進(jìn)水中余氯濃度達(dá)到0.3耀0.4 mg/L來(lái)調(diào)整注入,硫酸的投加量是以保障RO膜進(jìn)水的pH值達(dá)到6.5為目標(biāo),阻垢劑的投加濃度為定值1.2 mg/L。
2.1 砂過(guò)濾器過(guò)濾速度及反沖洗對(duì)出水SDI影響
砂過(guò)濾器過(guò)濾速度與出水SDI的關(guān)系如圖2所示。08:22前對(duì)砂過(guò)濾器進(jìn)行了反沖洗,隨著砂過(guò)濾反洗后的延續(xù)時(shí)間的增長(zhǎng),砂過(guò)濾器出水的SDI值呈下降趨勢(shì),由08:22時(shí)的4.8降至14:30時(shí)的4.0。在14:30—15:30之間將過(guò)濾速度由3.7 m/h提高至7.5 m/h,隨后砂過(guò)濾器出水的SDI值開(kāi)始上升,到15:30時(shí)SDI值升至5。在15:30—16:40之間又將過(guò)濾速度降至3.7 m/h,到16:40時(shí)SDI值又降至3.8。由此可知,砂過(guò)濾器出水的SDI值很大程度上取決于過(guò)濾速度,在延續(xù)時(shí)間足夠長(zhǎng),過(guò)濾速度足夠?。?.7 m/h)的情況下,能夠?qū)⑸斑^(guò)濾器出水SDI值控制在4.0以下。
圖2 砂過(guò)濾器過(guò)濾速度與出水SDI的關(guān)系
砂過(guò)濾器反沖洗與出水SDI的關(guān)系如圖3所示。保持砂過(guò)濾器過(guò)濾速度(3.7 m/h)不變,08:50之前對(duì)砂過(guò)濾器進(jìn)行了反沖洗,隨著砂過(guò)濾反洗后的延續(xù)時(shí)間的增長(zhǎng),砂過(guò)濾器出水的SDI值呈下降趨勢(shì),由08:50時(shí)的5.4降至12:55時(shí)的3.8。在12:55—13:35之間又對(duì)砂過(guò)濾器進(jìn)行了反沖洗,隨后砂過(guò)濾器出水的SDI值開(kāi)始上升,到13:35時(shí)升至5.4。此后,隨著延續(xù)時(shí)間的增長(zhǎng),砂過(guò)濾器出水的SDI值又開(kāi)始下降,到17:50時(shí)降至4.1。由此可知,反洗后砂過(guò)濾水的SDI值會(huì)有所上升,隨著延續(xù)時(shí)間的增長(zhǎng),SDI值又會(huì)逐漸下降。
圖3 砂過(guò)濾器反沖洗與出水SDI的關(guān)系
2.2 砂過(guò)濾器預(yù)處理效果
砂過(guò)濾器進(jìn)出水濁度的變化如圖4所示。
圖4 砂過(guò)濾器進(jìn)出水濁度的變化
在實(shí)驗(yàn)期間,砂過(guò)濾器進(jìn)水濁度先上升后下降,最大為 13.4 NTU,最小為 1.3 NTU,平均為5.2NTU。而砂過(guò)濾器出水的濁度始終為0 NTU,說(shuō)明砂過(guò)濾器對(duì)濁度去除效果較好。
FeCl3投加量與砂過(guò)濾器出水SDI的關(guān)系如圖5所示?;旌纤畬?shí)驗(yàn)階段(1-26d),F(xiàn)eCl3的投加量為0.37~0.47 g/m3,此階段砂過(guò)濾器出水SDI值大致在4~5之間,平均值為4.49,F(xiàn)eCl3的投加量的變化對(duì)SDI值基本無(wú)影響。濃鹽水實(shí)驗(yàn)階段(27-47d),F(xiàn)eCl3的投加量為0.65 g/m3,此階段砂過(guò)濾器出水SDI值大部分 約4,平均值為3.90。由此可知,SDI值出現(xiàn)的差異可能與氯化鐵投加量有關(guān),在濁度相差不大的情況下,F(xiàn)eCl3投加量超過(guò)一定范圍,投加量越大,砂過(guò)濾器出水SDI值越低。
圖5 FeCl3投加量與砂過(guò)濾器出水SDI的關(guān)系
2.3 RO膜性能隨時(shí)間變化情況
RO膜進(jìn)水電導(dǎo)率及壓力變化趨勢(shì)如圖6所示。在混合水和濃鹽水實(shí)驗(yàn)階段RO膜進(jìn)水壓力都呈上升趨勢(shì),且濃鹽水實(shí)驗(yàn)階段RO膜進(jìn)水壓力明顯高于混合水實(shí)驗(yàn)階段?;旌纤畬?shí)驗(yàn)階段RO膜進(jìn)水壓力由5.0 MPa左右升至5.3 MPa左右,上升速率約0.012 MPa/d;濃鹽水實(shí)驗(yàn)階段RO膜進(jìn)水壓力由5.8 MPa左右升至6.1 MPa左右,上升速率約0.014 MPa/d。濃鹽水實(shí)驗(yàn)階段RO膜進(jìn)水壓力的上升速度較快的原因可能與進(jìn)料水含鹽量有關(guān),含鹽量越高,在膜表面濃差極化現(xiàn)象越嚴(yán)重,導(dǎo)致RO膜進(jìn)水壓力的上升速率較快。
圖6 RO膜進(jìn)水電導(dǎo)率及壓力的變化
RO膜產(chǎn)水電導(dǎo)率及脫鹽率變化趨勢(shì)如圖7所示。在混合水實(shí)驗(yàn)階段,RO膜產(chǎn)水電導(dǎo)率上升較快,由實(shí)驗(yàn)初期的110uS/cm左右升至實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)的210 us/cm左右;在濃鹽水實(shí)驗(yàn)階段,RO膜產(chǎn)水電導(dǎo)率較為平穩(wěn),在一定范圍內(nèi)(210~250 us/cm)波動(dòng)。在混合水實(shí)驗(yàn)階段,RO膜脫鹽率下降也較快,由實(shí)驗(yàn)初期的99.75%降至實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)的99.60%;在濃鹽水實(shí)驗(yàn)階段,RO膜脫鹽率也較為平穩(wěn),在99.55%~99.60%之間變化,且實(shí)驗(yàn)后期有上升的趨勢(shì)。分析原因可能與砂過(guò)濾器出水SDI值有關(guān),混合水實(shí)驗(yàn)期間砂過(guò)濾器出水SDI值大致在4~5之間,不能滿足RO膜的給水要求,導(dǎo)致RO膜的性能下降;而濃鹽水實(shí)驗(yàn)階段,增大了FeCl3投加量,砂過(guò)濾器出水SDI值大部分約4,尤其是實(shí)驗(yàn)后期SDI值全部約4,這與脫鹽率的變化趨勢(shì)相吻合。
圖7 RO膜產(chǎn)水電導(dǎo)率及脫鹽率變化
2.3 RO膜附著物的無(wú)機(jī)成分分析
實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,對(duì)使用過(guò)的RO膜進(jìn)行了拆解調(diào)查,發(fā)現(xiàn)部分RO膜表面存在微量的褐色附著物,為確定無(wú)機(jī)物的大致組成元素,實(shí)施了SEM-EDX檢測(cè)分析。由于無(wú)法單獨(dú)對(duì)膜附著物進(jìn)行分離,以含有附著物的RO膜為試樣進(jìn)行檢測(cè)分析,因此構(gòu)成RO膜的碳 (C)、氧 (O)等元素也包含在測(cè)量值中,從SEM-ED檢測(cè)分析結(jié)果中去除C、O后,求出其余各元素的組成比。SEM-EDX的半定量分析值見(jiàn)表3。
表3 SEM-EDX的半定量分析值
由表3中可知,RO膜附著物中含量較多的元素是鐵(Fe),約占 42.95%,其次為硅(Si)、鋁(Al),分別占30.23%、13.25%,其余元素含量都在5%以下。分析硅和鋁可能來(lái)自土壤(礦物質(zhì)),鐵則可能來(lái)自絮凝劑(FeCl3),尤其濃鹽水實(shí)驗(yàn)階段,F(xiàn)eCl3投加量較大。
2.4 RO膜附著物的有機(jī)成分分析
為了查明熱法海水淡化中投加的阻垢劑(聚羧酸鈉)和消泡劑(聚丙二醇)是否對(duì)RO膜性能造成影響,采用FT-IR顯微穿透法對(duì)RO膜附著物進(jìn)行了分析,附著物的紅外吸收光譜如圖8所示。從附著物中檢測(cè)到硅酸鹽、羧酸鹽和肽,硅酸鹽應(yīng)該來(lái)自土壤(礦物質(zhì)),肽應(yīng)該來(lái)自生物,羧酸鹽則應(yīng)該來(lái)自熱法海水淡化添加的阻垢劑,但該檢測(cè)方法不能判斷是否存在消泡劑。為了進(jìn)一步查明RO膜附著物中是否存在消泡劑,使用甲醇對(duì)干燥的RO膜附著物進(jìn)行萃取,并對(duì)萃取物進(jìn)行了NMR分析,檢測(cè)到聚丙二醇的甲基、次甲基以及亞甲基譜峰,說(shuō)明消泡劑附著在RO膜上。由于在紅外光譜過(guò)程中未檢測(cè)到聚丙二醇的譜峰,由此可見(jiàn)在RO膜上附著極其微量的消泡劑。
圖8 RO膜附著物的紅外光譜
3.1 結(jié)論
(1)砂過(guò)濾器過(guò)濾速度越大,砂過(guò)濾器出水SDI值越大,反之亦然。砂過(guò)濾器反沖洗初期會(huì)造成砂過(guò)濾器出水SDI值增大。砂過(guò)濾器反沖洗后,在延續(xù)時(shí)間足夠長(zhǎng),過(guò)濾速度足夠?。?.7 m/h)的情況下,砂過(guò)濾器出水SDI值能夠控制在4以下。
(2)混合水實(shí)驗(yàn)階段,F(xiàn)eCl3的投加量為0.37~0.47 g/m3,過(guò)濾器出水SDI值大部分在4~5之間;濃鹽水實(shí)驗(yàn)階段,F(xiàn)eCl3的投加量為0.65 g/m3,砂過(guò)濾器出水SDI值大部分約4。在濁度相差不大的情況下,F(xiàn)eCl3投加量超過(guò)一定范圍,投加量越大,砂過(guò)濾器出水SDI值越低。
(3)在整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間,砂過(guò)濾器進(jìn)水濁度在1.3~13.4 NTU之間變化,而砂過(guò)濾器出水的濁度始終為0 NTU,說(shuō)明砂過(guò)濾器對(duì)濁度具有較好去除效果。
(4)濃鹽水實(shí)驗(yàn)階段RO膜進(jìn)水壓力明顯高于混合水實(shí)驗(yàn)階段,與混合水實(shí)驗(yàn)階段相比,濃鹽水實(shí)驗(yàn)階段RO膜進(jìn)水壓力上升速率較快,兩者分別為0.012 MPa/d、0.014 MPa/d,原因可能是濃鹽水含鹽量較高造成膜表面濃差極化現(xiàn)象較嚴(yán)重導(dǎo)致的。
(5)在混合水實(shí)驗(yàn)階段,RO膜產(chǎn)水電導(dǎo)率由110 us/cm左右升至210 us/cm左右;在濃鹽水實(shí)驗(yàn)階段,RO膜產(chǎn)水電導(dǎo)率在210~250 us/cm范圍內(nèi)波動(dòng)。在混合水實(shí)驗(yàn)階段,RO膜脫鹽率由99.75%降至99.60%;在濃鹽水實(shí)驗(yàn)階段,RO膜脫鹽率在99.55%-99.60%之間變化,且實(shí)驗(yàn)后期有上升的趨勢(shì)。分析原因可能與砂過(guò)濾器出水SDI值有關(guān),混合水實(shí)驗(yàn)階段SDI值大部分躍4,超出RO膜進(jìn)水要求,導(dǎo)致RO膜性能下降;濃鹽水實(shí)驗(yàn)階段SDI值大部分約4,符合RO膜進(jìn)水要求。
(6)采用SEM-EDX法對(duì)RO膜附著物進(jìn)行無(wú)機(jī)物分析,RO膜附著物中含量較多的元素是鐵(Fe),約占 42.95%,其次為硅(Si)、鋁(Al),分別占30.23%、13.25%,其余元素含量都在5%以下,硅和鋁可能來(lái)自土壤(礦物質(zhì)),鐵則可能來(lái)自絮凝劑(FeCl3)
(7)采用FT-IR顯微穿透法對(duì)RO膜附著物進(jìn)行了有機(jī)物分析,檢測(cè)到硅酸鹽、羧酸鹽和肽,其中硅酸鹽應(yīng)該來(lái)自土壤(礦物質(zhì)),肽應(yīng)該來(lái)自生物,羧酸鹽則應(yīng)該來(lái)自熱法海水淡化添加的阻垢劑。采用NMR法對(duì)RO膜附著物進(jìn)行了分析,檢測(cè)到極其微量的熱法海水淡化消泡劑成分聚丙二醇。
3.2 建議
(1)由于濃鹽水溫度較高,需冷卻后才能滿足RO膜的進(jìn)水要求,利用換熱設(shè)備冷卻濃鹽水,建設(shè)及運(yùn)行費(fèi)用較高,且濃鹽水含鹽量較高,RO膜進(jìn)水壓力較大,電能消耗較多,因此建議實(shí)際工程中采用原海水與濃鹽水的混合水作為RO膜法海水淡化原料水,并根據(jù)原海水與濃鹽水的溫度調(diào)整兩者的進(jìn)水比例,保持RO膜原料水水溫最佳。
(2)由于在RO膜附著物中檢測(cè)到了熱法海水淡化消泡劑成分聚丙二醇,說(shuō)明砂過(guò)濾器不能有效將之去除,會(huì)造成RO膜膜孔堵塞,導(dǎo)致RO膜性能下降,因此建議在實(shí)際工程中采用超濾膜替代砂過(guò)濾器對(duì)原料水進(jìn)行預(yù)處理。
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Experimental Study on Thermal-Membrane Coup ling Seawater Desalination
Tang Zhixin,Wu Liyun,Liang Hongying,Wu Gang,Li Qiang,Sun Xue,XueLamei
(Shougang Jingtang United Iron and Steel Co.,Ltd.,Tangshan,Hebei 063200,China)
A pilot-scale experiment of hollow fiber reverse osmosis membrane had been carried out for nearly 2 months,using MED brine and raw seawater as raw water.The re-sults showed that the filtration line speed,backwashing of the sand filter and the dosage of flocculant had great effect on the effluent SDI value of the sand filter.Sand filter had a good removal effect on turbidity,but could not effectively remove the defoaming agents(poly propylene glycol)and other substances affecting the performance of RO film.RO permeate conductivity in the experiment was between 100-250uS/cm and desalination rate was more than 99.55%;the inlet pressure of RO membrane was 5.8-6.1 MPa at the brine experimental stage,apparently higher than 5-5.3MPa at the mixed water experimental stage.Suggestions were provided on attention points in application of thermal-membrane coupling seawater de-salination.
thermal-membrane coupling;seawater desalination;experimental study;de-salination rate
TQ085
B
1006-6764(2018)01-0052-05
國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題(2015BAB10B01)
2017-10-13
唐智新(1979-),男,碩士,高級(jí)工程師,現(xiàn)主要從事水處理及海水淡化技術(shù)工作。