高鹽礦井水回用反滲透阻垢劑的阻垢性能試驗(yàn)

洪 宇，王曰鋒,*，暴彥慧，閆 浩，尹新旺，孫海兵，孫永軍

(1.金瓷科技實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司，寧夏銀川 750000；2.南京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，江蘇南京 211816)

我國煤炭以井工開采為主，在所有煤炭產(chǎn)量中約占97%。礦井水是礦區(qū)所采煤層及開拓巷道附近的地下水，有時也含有少量滲入的地表水。煤礦每年產(chǎn)生大量的礦井水，但大部分作為廢水外排，只有少部分作為生產(chǎn)用水被再次利用，利用率比較低，不僅污染周圍環(huán)境，還造成水資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。

礦井水的主要來源是地下涌水，其中溶解了大量的巖石部分，一般情況下Ca2+、Mg2+含量較大。而現(xiàn)用的輸水管道大多為鑄鐵管，當(dāng)?shù)V井水通過輸水管道時，常常會在管道內(nèi)側(cè)結(jié)垢，導(dǎo)致輸水管道有效直徑逐漸變小，降低管道的使用性能，并且會腐蝕管道，縮短管道的使用壽命[1]。阻垢劑是具有分散水中難溶性無機(jī)鹽、阻止或干擾難溶性無機(jī)鹽在金屬表面沉淀、結(jié)垢功能，并維持金屬設(shè)備良好傳熱效果的一類藥劑[2]。阻垢劑的阻垢比較復(fù)雜，一般認(rèn)為成垢物質(zhì)和溶液之間存在著動態(tài)平衡，阻垢劑能夠被吸附到成垢物質(zhì)上，并影響垢的生長和溶解的動態(tài)平衡[3]?，F(xiàn)階段，國內(nèi)很多水處理系統(tǒng)中所使用的阻垢劑多來自國外品牌，但是其產(chǎn)品性能不一定能滿足各種水質(zhì)特點(diǎn)，且價格昂貴[4]。

寧夏某煤礦礦井水處理系統(tǒng)于2014年12月建設(shè)完成并投入使用。建設(shè)預(yù)處理規(guī)模為10 800 m3/d，深度處理產(chǎn)水量為5 220 m3/d。2018年根據(jù)某煤礦生產(chǎn)接續(xù)和原工程存在的問題進(jìn)行擴(kuò)能和技術(shù)改造，其中新增預(yù)處理規(guī)模為10 800 m3/d，新增深度處理產(chǎn)水量為1 500 m3/d。預(yù)處理系統(tǒng)包括調(diào)節(jié)池、高效澄清池、V型濾池；深度處理系統(tǒng)包括超濾、反滲透，超濾膜和反滲透膜均采用DOW進(jìn)口品牌膜。項(xiàng)目自建成投產(chǎn)后，深度處理系統(tǒng)尤其是反滲透裝置受制于眾多因素，反滲透運(yùn)行一直不穩(wěn)定，產(chǎn)水量及脫鹽率衰減嚴(yán)重，尤其是反滲透膜的濃水側(cè)結(jié)垢明顯，氧化鐵污堵物顯著，造成反滲透產(chǎn)水量一直達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)運(yùn)行6年中已經(jīng)更換3次反滲透膜，造成企業(yè)成本倍增，同時也影響煤礦井下生產(chǎn)用水。為了更好地運(yùn)行反滲透系統(tǒng)，項(xiàng)目自建成后就一直使用國外某品牌阻垢劑，但國外品牌阻垢劑難以滿足高鹽礦井水水質(zhì)，所以開發(fā)適合于特定水質(zhì)的反滲透阻垢劑尤為重要。本文以馬來酸-丙烯酸共聚物、丙烯酸-2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸共聚物(AA/AMPS)、樹枝狀高分子化合物(DTPA-PAMAM)為原料，制備出適用于寧東地區(qū)高含鹽礦井水的反滲透阻垢劑(JC-660)。通過靜態(tài)阻垢試驗(yàn)、動態(tài)模擬試驗(yàn)和現(xiàn)場應(yīng)用等方法測試其性能，并與國外某進(jìn)口品牌阻垢劑(以下簡稱F)進(jìn)行性能比較。本研究為開發(fā)和設(shè)計(jì)新型高效的阻垢劑提供了新思路，為國內(nèi)眾多礦井水處理系統(tǒng)提供了多樣化的選擇，且具有降低成本、提高效益的現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料和方法

1.1 阻垢劑的制備

試驗(yàn)原水取自寧夏某煤礦污水處理廠礦井水，水質(zhì)如表1所示。

表1 寧夏某煤礦污水處理廠礦井水水質(zhì)Tab.1 Mine Water Quality of a Coal Mine WWTP in Ningxia

本研究通過高效復(fù)配[5]的方法成功地研制生產(chǎn)適合于高硬度、高堿度、高礦化度的反滲透阻垢劑JC-660。JC-660主要由DTPA-PAMAM、馬來酸-丙烯酸共聚物、AA/AMPS合成。按一定比例將DTPA-PAMAM、馬來酸-丙烯酸共聚物、AA/AMPS混合，加入一定量的去離子水，于60 ℃的水浴中恒溫加熱2 h；利用NaOH溶液和去離子水調(diào)節(jié)pH值至6.0左右，攪拌均勻；最后在110 ℃條件下干燥數(shù)小時得到淡黃色產(chǎn)物。

1.2 阻垢試驗(yàn)

1.2.1 靜態(tài)阻垢試驗(yàn)

對分別加不同阻垢劑的試驗(yàn)水進(jìn)行加熱，促使CaCO3析出，然后再測定水中保留的Ca2+含量的變化，若水中的Ca2+含量愈高，則生成鈣垢就愈少，阻垢效果愈好?，F(xiàn)場采用兩種試驗(yàn)水做靜態(tài)試驗(yàn)，第一種是配置試驗(yàn)水，Ca2+質(zhì)量濃度為300 mg/L、NaCl質(zhì)量濃度為2 935 mg/L、pH值為7.93；第二種是煤礦污水處理廠反滲透原水。取6個1 000 mL的容量瓶，分別裝入500 mL的試驗(yàn)水，反滲透阻垢劑投加量分別為2、3、4、5、6 mg/L，在恒溫水浴箱40 ℃下持續(xù)加熱48 h，試驗(yàn)完畢均采用乙二胺四乙酸(EDTA)絡(luò)合滴定法滴定濃縮后水中Ca2+濃度。

阻垢性能以η計(jì)，計(jì)算如式(1)。

η=(C4-C3)/(C-C3)

(1)

其中：C4——加入水處理劑試液試驗(yàn)后的Ca2+質(zhì)量濃度，mg/L；

C3——空白試液試驗(yàn)后Ca2+質(zhì)量濃度，mg/L；

C——實(shí)際工況水或配置水中Ca2+質(zhì)量濃度，mg/L。

1.2.2 動態(tài)模擬試驗(yàn)

注：PI為壓力；Ps為壓差開關(guān)；FI為流量圖1 現(xiàn)場動態(tài)循環(huán)裝置流程示意圖Fig.1 Flow Diagram of Field Dynamic Circulation Device

2 結(jié)果和討論

2.1 靜態(tài)阻垢試驗(yàn)結(jié)果

靜態(tài)阻垢試驗(yàn)是一種用來評定阻垢劑優(yōu)劣的常規(guī)試驗(yàn)方法，具備易于操作、試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。在本試驗(yàn)中以自配水為試驗(yàn)水樣，試驗(yàn)溫度控制在40 ℃，試驗(yàn)時間為48 h，滴定完成的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2～表4所示。3種阻垢劑的阻垢率均隨其投加量的增加而上升，表2中JC-660的投加量為2 mg/L時，阻垢率高達(dá)84.38%，并且隨著藥劑質(zhì)量濃度升至4 mg/L，阻垢率也達(dá)到最高(98.44%)。由表3和表4可知，F(xiàn)的11倍濃縮液和8倍濃縮液在2 mg/L時的阻垢率也分別達(dá)到了81.36%和83.33%，并且在質(zhì)量濃度為4 mg/L時達(dá)到最高阻垢率(98.31%和95.00%)。因此，JC-660具有與F相當(dāng)?shù)淖韫感阅埽谳^低濃度時更是稍優(yōu)于F。由此可知，自制的JC-660阻垢劑憑借更為低廉的成本和優(yōu)異的阻垢性能在靜態(tài)阻垢試驗(yàn)中表現(xiàn)更為優(yōu)秀。

2.2 動態(tài)阻垢試驗(yàn)

在動態(tài)阻垢試驗(yàn)中考察了JC-660在動態(tài)循環(huán)中的阻垢性能，動態(tài)循環(huán)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示。在表5中，把JC-660投加量分別設(shè)置為2、3、4 mg/L這3組。當(dāng)投加量為2 mg/L、濃縮倍數(shù)K=2.5時，LSI開始表現(xiàn)為結(jié)垢；當(dāng)投加量為3 mg/L、K=3.0時，LSI開始表現(xiàn)為結(jié)垢；當(dāng)投加量為4 mg/L，K=3.0時，LSI開始表現(xiàn)為結(jié)垢。由表中數(shù)據(jù)可知，在相同藥劑濃度的水平下，隨著濃縮倍數(shù)的提高，水質(zhì)表現(xiàn)為結(jié)垢，這是因?yàn)樽韫竸┰谄渲袑?shí)現(xiàn)了非常好的阻垢性能，只有通過濃縮水體的手段實(shí)現(xiàn)水中的Ca2+濃度的提高，進(jìn)而導(dǎo)致LSI>0，才會表現(xiàn)為結(jié)垢。動態(tài)阻垢試驗(yàn)結(jié)果與靜態(tài)阻垢試驗(yàn)均證明JC-660阻垢劑擁有非常優(yōu)異的阻垢性能。

表2 JC-660極限碳酸鹽沉積法試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test Results of JC-660 Limit Carbonate Deposition

表3 F(11倍)極限碳酸鹽沉積法試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test Results of F Extreme Carbonate Deposition (11 Times)

表4 F(8倍)極限碳酸鹽沉積法試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)Tab.4 Test Results of F Extreme Carbonate Deposition (8 Times)

表5 反滲透阻垢劑JC-660動態(tài)循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Dynamic Cycle Test Results of Reverse Osmosis Scale Inhibitor JC-660

2.3 現(xiàn)場應(yīng)用

寧夏某煤礦污水處理工藝流程如圖2所示，反滲透系統(tǒng)中反滲透膜采用海德能BW30FR-40，一段為84支膜，二段為42支膜。本系統(tǒng)脫鹽率≥97%，設(shè)計(jì)進(jìn)水量為115 m3/h，設(shè)計(jì)產(chǎn)水量為75 m3/h，工作壓力為1.2 MPa，有效膜面積為37 m2。阻垢劑加藥系統(tǒng)主要參數(shù)：加藥箱1套，體積為0.5 m3，PE材質(zhì)；配2臺藥泵，Q=0～10.1 L/h，P=0.41 MPa，N=0.12 kW。文中對反滲透系統(tǒng)使用阻垢劑JC-660后一年內(nèi)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，反滲透化學(xué)清洗前、后和運(yùn)行時的各項(xiàng)數(shù)據(jù)如表6所示。表中各項(xiàng)數(shù)據(jù)均保持在非常穩(wěn)定的狀態(tài)，反滲透系統(tǒng)運(yùn)行正常，說明反滲透系統(tǒng)濃水側(cè)并未出現(xiàn)明顯的結(jié)垢現(xiàn)象，側(cè)面說明JC-660阻垢劑發(fā)揮了非常重要的作用，實(shí)現(xiàn)較好的阻垢效果。

圖2 寧夏某煤礦污水處理廠工藝流程Fig.2 Process Flow of a Coal Mine WWTP in Ningxia

表6 反滲透化學(xué)清洗前、后和運(yùn)行時的各項(xiàng)數(shù)據(jù)Tab.6 Data before, after and during Reverse Osmosis Chemical Cleaning

3 阻垢劑經(jīng)濟(jì)性對比

將阻垢劑JC-660的價格與市面上常見的幾種進(jìn)口反滲透阻垢劑的價格進(jìn)行對比，結(jié)果如表7所示。

由表7可知，自制阻垢劑JC-660在保證不弱于國外進(jìn)口阻垢劑性能的基礎(chǔ)上，價格方面也較國外進(jìn)口阻垢劑有著較大的優(yōu)勢，可以幫助企業(yè)極大地降低運(yùn)營成本。

表7 JC-660與國外部分進(jìn)口反滲透阻垢劑價格對比Tab.7 Price Comparison of JC-660 and Some Foreign Imported RO Scale Inhibitors

4 結(jié)論

(1)靜態(tài)和動態(tài)試驗(yàn)表明，JC-660的阻垢率最高可達(dá)98.44%，隨著投加濃度的逐漸增加，反滲透阻垢劑阻垢性能逐漸增加。

(2)在現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用中，JC-660阻垢劑發(fā)揮了優(yōu)良的阻垢效果，保證了反滲透系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行。

JC-660反滲透阻垢劑在靜態(tài)試驗(yàn)、動態(tài)循環(huán)試驗(yàn)、現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用均表現(xiàn)出了較好的阻垢性能，較好地解決了反滲透運(yùn)行不穩(wěn)定、濃水側(cè)結(jié)垢明顯、濃水側(cè)氧化鐵污堵物顯著、反滲透產(chǎn)水量一直達(dá)不到設(shè)計(jì)要求等問題。且該阻垢劑在一定程度上縮小了企業(yè)經(jīng)營成本，提高了企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行穩(wěn)定性。