反渗透膜的化学清洗
反渗透膜分离技术作为一门新型的高效分离、浓缩、提纯及净化技术,近30 a来发展迅速,目前已广泛应用于纯水制备、海水淡化和废水处理等行业。反渗透膜是反渗透系统中的关键元件。目前国内约有几十万膜元件用户,且每年以20%~30%的速度增加。在实际应用中,膜元件都会发生不同程度的污染,导致系统进出口压差增大,产水量减少,脱盐率下降,进而影响反渗透系统的正常运行,因此,必须设置反渗透清洗系统对其进行有效清洗,最大限度地恢复已经污染的膜元件的性能,使膜更有效地持久运行。如何对反渗透膜运行中产生的污染进行分析和有效清洗,受到越来越广泛的重视。
1 反渗透膜污染的分析与判断
为了提高清洗效果,清洗前需要对膜污染的状况进行分析,确定污染物的种类,根据反渗透膜污染、结垢的具体情况,选择有针对性的清洗剂进行清洗。
1.1 分析途径
(1)分析设备性能数据。
(2)分析给水中潜在的污染、结垢成分。
(3)分析SDI仪的膜过滤器收集的污染物。
(4)分析滤芯过滤器的污染物。
(5)检查管道内表面和膜元件两端的状况。
(6)必要时剖开膜元件进行分析,查找污染、结垢成分。
1.2 分析方法
膜污染严重时,可通过染色试验、显微镜分析、傅立叶变换红外线光谱(FTIR)分析、扫描电子显微镜(SEM)分析、能源频射X光线(EDX)分析等查找原因,判断故障位置。以上几种分析鉴定方法有的必须牺牲膜元件,有的需要借助专门仪器、设备,费用较高。实际应用中常常采用以下简便易行的分析方法。
(1)目 测
在确定系统已经发生污染,需要实施化学清洗时,最好先打开压力容器端板,直接观察污染物在压力容器端板与膜元件之间的间隙内累积的情况。一般根据直接观察即可基本确定污染物的类型,继而确定相应的清洗方案。
①前段污染观察
预处理滤料(砂粒、活性炭)泄漏、胶体污染、有机物污染和生物污染,前端最严重,可以从前端膜元件入口观察到颗粒物及粘液状污染。发生生物污染时会发现腥臭味粘液物质,灼烧刮取的生物粘泥(粘膜),会有蛋白质的焦臭气味。
②末端污染观察
无机盐结垢在系统末端最为严重,在末端膜元件端头处可以摸到粗糙的粉状物。用盐酸(pH 3~4)溶解时有气体冒出,说明沉淀物极可能是CaCO3。硫酸盐垢、硅垢在pH很低时也很难溶解。如果垢在0.1 mol/L HF溶液中是可溶的,则可能是硅垢。
(2)称 重
污染的膜元件进水流道附着了污染物,整体重量会加大。将取出的膜元件竖立放置,沥干水分后称重,与膜元件的参考重量进行对比,多余的重量即为附着污染物的重量。
(3)参考污染特征进行判断
另外,还可参考反渗透膜污染物的污染特征进行分析判断。表1是某膜生产厂家给出的反渗透膜污染物的污染特征。
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2 反渗透膜的化学清洗
2.1 清洗条件
下列情况出现时需要及时清洗膜元件:
①标准化产水量降低10%;
②进水和浓水之间的压差上升了15%;
③标准化透盐率增加10%~15%;
④系统各段压差明显上升。
一般以设备最初运行48 h所得到的运行记录为标准化后的对比数据。
2.2 清洗设备
(1)清洗箱
起混合与循环作用,要求耐腐蚀,材料可选用玻璃钢、聚氯乙烯塑料或钢罐内衬橡胶等。清洗水箱应设有温度计。清洗箱的大小大致是空的压力容器的体积与清洗液循环管路的体积之和,一般应考虑20%的裕度。
(2)清洗泵
应耐腐蚀,如玻璃钢泵。它所提供的压力应能克服保安过滤器的压降、膜组件的压降和管道阻力损失等,一般选用压力为0.3~0.5 MPa。水泵的材质至少必须是316不锈钢或非金属聚酯复合材料。
(3)其 他
清洗系统中应设有必要的阀门、流量计和压力表以控制清洗流量,连接管线既可以是硬管也可以是软管,应耐酸碱腐蚀。
2.3 清洗药剂
膜分离系统的化学清洗方法主要有酸法和碱法两种,具体采用何种清洗方法取决于膜系统的污染物性状。表2列出了不同污染物适宜的清洗液配方。
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2.4 清洗步骤
2.4.1 清洗单段系统
(1)系统冲洗
用反渗透产品水(也可用符合反渗透进水标准的预处理水或过滤水)冲洗反渗透膜组件和系统管道。
(2)配制清洗液
清洗液原则上用反渗透产品水配制。清洗剂应充分溶解并混合均匀,然后调节pH (酸洗一般用氨水调节,碱洗一般用盐酸调节),并反复确认清洗温度是否合适。
(3)低流量输入清洗液
清洗液以尽可能低的压力置换元件内的原水,其压力仅需达到足以补充进水至浓水的压力损失即可,即压力必须低到不会产生明显的渗透产水。低压置换操作能够最大限度地减低污垢再次沉淀到膜表面。视情况排放部分刚开始循环回来的清洗液,以防止清洗液的稀释。
(4)循 环
当原水被置换完后,让清洗液循环回清洗水箱并保证清洗液温度恒定,循环时间一般为60min。对回流清洗液视情况进行处理。如果回流清洗液已明显变色或变浊则应排放掉,重新配置清洗液;若回流清洗液pH变化超过0.5时,最好调整pH,必要时更换清洗液。
(5)浸 泡
停止清洗泵的运行,让膜元件完全浸泡在清洗液中。一般浸泡1 h就足够了;但对于顽固的污染物,需要延长浸泡时间,浸泡10~15 h或浸泡过夜。
(6)高流量循环
高流量循环30~60 min。高流量能冲洗掉被清洗液清洗下来的污染物。在高流量条件下,可能会出现过高压降的问题。单元件的最大允许压降为0.1 MPa,多元件压力容器最大允许压降为0.35 MPa,以先超出为限。
(7)冲 洗
用反渗透产品水或合格的预处理出水冲洗系统内的清洗液,最低冲洗温度为20℃,冲洗时间约1 h。
2.4.2 清洗多段系统
对多段反渗透装置,原则上应分段进行清洗,清洗水流方向与运行方向相同。一般情况下,清洗液可不排地沟,直接循环;当污染比较轻微时,可以多段一起进行清洗;当元件污染严重时,清洗液在最初几分钟可排地沟,然后再循环。清洗每一段循环时间通常为1.5 h,污染严重时应加长时间。清洗完毕后,应用反渗透出水冲洗反渗透装置,时间不少于30 min。当膜污染严重时,清洗第一段的溶液不要用来清洗第二段,应重新配制清洗液。为提高清洗效果,可让清洗液浸泡膜元件,但时间不应超过24 h。
2.5 清洗要点
(1)高流速
清洗流速应比正常运行时的流速高,一般为正常运行浓水流速的1.2倍。
(2)低压力
清洗压力应尽可能低,建议控制在0.3 MPa以下。如果在0.3 MPa以下很难达到流量要求时,应尽可能地控制进水压力,以不出产水为标准。一般进水压力不能大于0.4 MPa。
2.6 清洗时的注意事项
(1)谨慎选择清洗药剂
应谨慎选择清洗所用药剂,而且清洗时应严格遵守药品的使用说明和工艺条件,并要仔细观察清洗时清洗液的温度和pH变化。在对大型系统清洗之前,建议从待清洗的系统内取出1支膜元件,进行单个膜元件清洗效果试验,确认清洗效果后再实施整套系统的清洗。
(2)清洗液的洁净度
清洗液的洁净度直接影响清洗效果。清洗液含较多的杂质及颗粒物,会对膜系统造成二次污染,还会对膜表面造成一定的机械性损伤。用于反向清洗的清洗液中小分子杂质应尽可能少。较为理想的清洗溶剂为膜系统的产水,当然也可以使用合格的预处理出水来配制清洗液。
(3)清洗液流动方向
一般要求清洗液流动方向与系统正常运行时的水流方向相同,以防止元件产生“望远镜”现象,因为压力容器内的止推环仅安装在压力容器的浓水端。反向清洗仅针对进料端被严重污堵的组件,并且不能在膜的透过液一侧反向施压,以免使膜本身出现机械性损伤。此处反向清洗是指在膜组件的浓排端泵入清洗液,在膜外侧进行组件内循环,使清洗液流经膜表面,以适当的流速在膜表面形成一定的冲刷力,将系统内和膜表面的污染物清除排出。笔者参与的膜清洗(反渗透膜组件组成方式为一级三段式,排列方式为10∶5∶3)通常是将第一段的第一支膜反向后置于第一段的末端(注意浓水密封圈也相应地移至另一端),再按正常清洗程序进行清洗。
(4)清洗液的温度
清洗液的温度对清洗效果的影响极大。在合理的温度范围中,尽可能地提高清洗液温度可更有效地恢复膜的原有性能。这是因为:较高的清洗温度可以使清洗液的溶解度和洗涤能力有所提高;另外,高于正常工作温度的清洗液有助于膜微孔的扩张,促进微孔内污物的排出。
(5)清洗顺序
膜分离系统的化学清洗,大多数情况下采用酸法、碱法交替进行的方法,但一定要注意酸法、碱法不能连接进行。合理的清洗顺序为:酸洗→水洗至呈中性→碱洗→水洗至呈中性或碱洗→水洗至呈中性→酸洗→水洗至呈中性。
3 结束语
反渗透膜的化学清洗是反渗透装置运行维护中的一个重要环节,其成功与否直接影响着反渗透膜的使用性能及使用寿命。正常的化学清洗周期是每3~12个月1次。如果1个月内清洗1次以上,需对反渗透预处理系统作进一步调整和改善,如追加投资或重新进行反渗透设计。没有一个好的预处理系统,膜系统的稳定运行将难以实现。不能把希望都寄托于膜清洗,化学清洗并不是万能的,其对膜的损害是比较大的。
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