純水科技
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反滲透系統中濃差極化的影響
分割線[摘要] 以實測數據為依據論證了反滲透膜系統中濃差極化的影響測定了保證系統穩定運行時濃差極化系數的臨界值。由此為反滲透膜系統的穩定運行與優化設計提供了一個重要依據。
[關鍵詞] 反滲透,濃差極化
1、濃差極化現象與濃差極化系數
在純水制備工藝的反滲透膜過程中，由于膜的選擇透過性，溶劑（水）從膜體的高壓側向低壓側滲透，而大部分溶質（鹽）被膜體阻攔。在高壓側從膜表面到溶液（給/濃水）主體間形成遞減的鹽濃度梯度的現象稱作濃差極化，而高壓側膜表面鹽濃度與給/濃水主體鹽濃度之比稱為濃差極化系數（即β值）。 影響濃差極化系數的因素主要有系統工藝（如壓力、流速、溫度）、膜體材料（如高脫鹽率膜產生高濃差極化系數）、給水水質（如鹽濃度、無機鹽構成、溶液pH值、離子強度）等。
由于濃差極化現象增大了膜兩側的滲透壓，在同等工作壓力作用下，系統的純驅動壓減小，與純驅動壓成正比的水通量將下降。與此同時，由于濃差極化現象增大了膜兩側的鹽濃度差， 與鹽濃度差成正比的鹽通量將上升。因此，濃差極化現象將使反滲透系統的水通量下降及透鹽率上升。
2、濃差極化與系統設計
反滲透純水制備技術在國內的廣泛應用已經過多年歷程。在長期的反滲透系統的設計與運行過程中，對于游離氯、難溶鹽與污染指數等系統設計與系統運行的限制因素得到了充分的關注，而作為重要限制因素之一的濃差極化問題往往未能得到應有的重視。根據我們前期的研究工作，可以得出以下結論：
- 在難溶鹽含量較高的給水條件下，系統回收率與膜系統排列方式主要決定于系統給水中的難溶鹽飽和濃度指標。
- 在難溶鹽含量較低的給水條件下，系統回收率與膜系統排列方式主要決定于系統的濃差極化指標。
- 影響系統設計結構的濃水難溶鹽最大飽和濃度，并非發生在系統末端的濃水中，而是發生在系統末端的膜表面。換言之，系統中最大的難溶鹽飽和濃度約為末端濃水中的飽和濃度與該處濃差極化系數的乘積。
正是由于此問題未得到應有的重視，不少系統的實際運行效果與設計期望值之間差距較大。
在研究濃差極化現象對反滲透系統的作用時，濃差極化作為一種與系統運行共生的現象，它影響哪些系統性能？它如何影響系統性能？應將濃差極化系數控制在怎樣的程度？這些問題就成為反滲透系統的工藝研究、系統設計及運行中的重要課題。
3、濃差極化系數與系統性能的關系
圖1示出了一個6支ESPA4-4040膜串聯反滲透系統的運行參數曲線。該系統給水為引黃入津后的天津市政供水，電導為600μs末端的濃差極化系數呈1.3的較高數值，而造成系統結垢的各難溶鹽低于相應的飽和析出濃度。上述情況下，隨著運行時間的延續，系統的性能指標產生了不同程度的變化，圖1中產水量曲線是基本保持β值與工作壓力恒定條件下，系統產水量與運行時間的關系曲線；透鹽率曲線是基本保持β值與工作壓力恒定條件下，系統透鹽率與運行時間的關系曲線。
圖1 產水量與透鹽率的時間特性
圖1表明，濃差極化現象存在一個建立過程，膜表面的鹽濃度梯度隨運行時間逐步建立，梯度值逐高，極化層漸厚，系統性能持續下降。該形成過程前期的發展速度較快，后期的發展速度雖有所減緩，但仍呈增長趨勢。
圖2和圖3分別示出了透鹽率隨濃差極化和運行時間的變化特性，圖2曲線表明，在上述相同給水條件及相同運行時間條件下，濃差極化系數的不同將導致系統透鹽率增高速度的不同。圖3中當β值低于或等于1.2時，隨系統運行時間的延續，系統透鹽率基本不變，即系統性能較為穩定。而當β值高于1.2時，隨系統運行時間的延續，系統透鹽率較快增長，且增長速度與β值呈正比例關系；該工況下系統性能的穩定性遭到破壞，系統性能指標不斷下降。
圖2 透鹽率的濃差極化特性
圖3 透鹽率的運行時間特性
圖4示出系統在不同β值條件下運行180min后，通過沖洗恢復透鹽率、產水量等膜性能所需的不同時間。該曲線表明濃差極化系數保持在1.2以內時，系統性能指標的惡化具有臨時性質，通過1~2min的短時沖洗可以得到恢復；而濃差極化系數大于1.2時，系統性能指標不僅惡化速度加快，且性能指標的惡化趨于半永久性，用沖洗手段恢復性能所需時間不斷增加，甚至非化學清洗其性能不能恢復。
圖4 性能恢復所需沖洗時間
圖4曲線同時表明，系統濃差極化系數保持在合理范圍內時，系統運行過程中適時適量的沖洗對于長期穩定地保持系統性能具有重要的意義。
4、結論
通過上述分析可知：
- 濃差極化系數與系統性能的惡化程度呈非線性關系，β=1.2為重要拐點。該系數在1.2以下時惡化趨勢緩慢，在1.2以上時惡化趨勢加快。
- 濃差極化系數與沖洗法恢復系統性能所需時間呈非線性關系，β=1.2為重要拐點，該系數在以下時易于用沖洗恢復系統性能，在1.2以上時用沖洗效果漸差甚至無法恢復系統性能。
正是由于濃差極化系數與系統性能惡化程度及沖洗恢復時間之間呈非線性關系，可以定性的認定：濃差極化系數超過1.2后，系統投資降低與回收率提高的收益遠小于沖洗、清洗、性能下降及頻繁換膜等項運行費用的增加。由此可進一步得出結論：
- 反滲透系統的設計計算或運行控制時，均應使系統末端的濃差極化系數值保持在1.2以內，以防止脫鹽率、產水量等諸多性能指標的嚴重惡化及對膜壽命的影響。
- 濃差極化系數保持在1.2以內時，性能指標的緩慢惡化可以并應該通過沖洗過程及時加以恢復。
濃差極化是一個較為復雜的問題，筆者僅從特定給水與特定系統條件下濃差極化系數的實測數據出發，并從系統設計優化的角度對濃差極化問題進行了一定分析。對于無機鹽濃差極化與難溶鹽結垢間的關系、濃差極化形成過程與沖洗恢復過程間的關系、不同給水條件對濃差極化的影響等諸多問題尚未涉及，這里僅是對前期工作的簡單總結，今后將繼續此方向的工作，并希望以此引起對該問題的討論。
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