CN102507359B - 反渗透阻垢剂阻垢性能的动态评定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种反渗透阻垢剂阻垢性能的动态评定方法，包括以下步骤：①建立反渗透运行系统，在反渗透浓缩液管路上安装浓水调节阀，通过浓水调节阀调节反渗透系统在一定的回收率下运行；②在系统中加入试验用原水和一定剂量的阻垢剂，记录运行过程中反渗透膜运行压力、溶液温度，渗透液和浓缩液的流量或重量或体积、原水和浓缩液中成垢离子浓度；③依据渗透液和浓缩液的流量或重量或体积来计算浓缩倍率，通过计算浓缩液和原水中成垢离子浓度比值，然后采用极值误差法评定阻垢剂性能。该方法快速、准确、试验条件简单，易操作。
Description
技术领域
本发明属于环境工程中水处理技术领域，具体涉及一种反渗透阻垢剂阻垢性能的动态评定方法，采用给水一次通过法，通过将渗透液和浓缩液全部排放，在浓水管路上加装浓水调节阀调整反渗透系统运行的回收率。试验中记录反渗透系统运行时各项参数，通过运行时参数的变化来评价阻垢剂的性能。本试验方法适合于各种反渗透阻垢剂的性能评定。
背景技术
近年来，反渗透脱盐技术凭借其高效、低耗、无再生废液、渗透液质量稳定、运行操作简单、占地面积小等优点在众多脱盐技术中脱颖而出，被广泛应用于环保、电力、食品、化工、电子、医药、半导体等领域，成为最具发展前途的水处理技术。
在反渗透技术发展过程中，膜表面结垢问题始终是制约其发展的瓶颈之一。膜结垢不但造成产水量降低、产水质量下降，而且因结垢晶体具有尖锐的棱角，极易划伤膜表面，造成膜元件的损伤。膜元件结垢需进行化学清洗，甚至更换膜元件。为了防止膜表面结垢，添加阻垢剂是目前所用的最经济、有效的手段。因此，评定反渗透阻垢剂阻垢性能的意义重大，对解决反渗透技术发展瓶颈提供了强有力的技术支持。
目前，反渗透阻垢剂阻垢性能的评定方法主要有两大类：静态评定法和动态评定法。静态评定法的优点是试验周期短，可以作为动态评定试验之前的筛选和性能初评试验；缺点是无法模拟反渗透运行时复杂的水利条件，不能给出反渗透运行的技术参数。动态评定法的优点是能够很好地模拟反渗透的运行工况，准确评定阻垢剂性能，给出指导现场运行控制的技术参数；缺点是相对于静态评定法耗时费力。但是，动态评定法仍然因其不可比拟的优点成为目前必不可少的一种评定手段。
动态评定法运行模式有给水一次通过法、全循环法、部分循环法和间断循环法。其中，给水一次通过法最接近现场运行状况，但试验用水和药剂等消耗量大；全循环法在固定的回收率下进行试验；部分循环法和间断循环法通过排放渗透液回流浓缩液来提高反渗透系统运行的回收率，但浓缩液的排放会同时改变了原水中阻垢剂的浓度，导致试验结果的偏差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种试验条件简单，测试快速、准确的反渗透阻垢剂阻垢性能的动态评定方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种反渗透阻垢剂阻垢性能的动态评定方法，其包括以下步骤：
①建立反渗透运行系统，在反渗透浓缩液管路上安装浓水调节阀，通过浓水调节阀调整反渗透系统在一定的回收率下运行；
②在系统中加入试验用原水和一定剂量的阻垢剂（添加的阻垢剂剂量一般为1—10mg/L），记录运行过程中反渗透膜的运行压力、溶液温度，渗透液和浓缩液的流量或重量或体积、原水和浓缩液中的成垢离子浓度（如果评定阻垢剂对碳酸钙垢的阻垢效果，测定原水和浓缩液的碱度即可）；
③依据渗透液和浓缩液的流量或重量或体积计算浓缩倍率，通过计算浓缩液和原水的碱度比值，采用极值误差法评定阻垢剂性能。
所述动态反渗透运行系统包括依次串联的原水箱、高压泵、活性炭过滤器（用来吸附水中余氯）、精密过滤器（用来去除水体中的胶体、悬浮固体等）、压力表、温度计和反渗透膜元件；所述反渗透膜元件端口分为两个支路，一个支路设有浓水调节阀，浓缩液经该浓水调节阀排出；渗透液经另一个支路排出。
本发明方法的创新点主要表现在以下两点：
一）采用重量法或体积法或流量法计算系统运行时的浓缩倍率K。
在反渗透运行过程中，由于氯离子是非成垢离子，在众多学者的试验研究中，通常以氯离子作为浓缩倍率的计算依据，见公式（1）。Cl-通常采用硝酸银滴定的方法进行，不但耗时，消耗药剂，当水中存在余氯时，对滴定终点的判断往往存在干扰。此外，滴定带来的误差也会给试验结果的判断造成一定的影响。
式中：K—浓缩倍率；
Clg -、Cln -—分别为原水和浓缩液中氯离子浓度，mg/L。
本发明方法建立了一种以重量法来计算浓缩倍率K的方法，其原理如下：由图2中的反渗透运行方式和原理，根据流量守恒和物质守恒关系可得公式（2）和（3）。
式中：Qg、Qc、Qn—分别为原水、渗透液和浓缩液的流量，L/h；
Clc -—渗透液中氯离子浓度，mg/L。
其中，渗透液中的氯离子浓度为μg/L数量级，浓缩液和原水中氯离子浓度为mg/L数量级，一般可相差103—105，与浓缩液和原水相比，渗透液中的氯离子浓度可以忽略不计，即：Clc≈0。则公式（3）变为：
公式（1）可以变为：
式中：Gc、Gn—分别为渗透液和浓缩液的重量，g；
Vc、Vn—分别为渗透液和浓缩液的体积，L。
通过公式（5）看出，可以将以测定浓缩液和原水氯离子浓度计算浓缩倍率转化为测量浓缩液和渗透液的重量，通过重量法测定浓缩倍率，不但减小了滴定误差，且方法更快速简单易行。同理，也可以以测定浓缩液和渗透液的体积或流量来计算浓缩倍率。
二）“极值误差”法评定阻垢剂性能。
“极值误差”法是以反渗透的运行原理和误差原理为基本理论依据，建立的一种以试验极值误差作为评定基准的判据。在不同的回收率运行条件下，加入不同阻垢剂，通过成垢离子（如：对于碳酸钙垢而言，成垢离子为碱度和钙离子；对于硫酸钙垢而言，成垢离子为钙离子和硫酸钙离子；等等）和浓缩倍率相对于极值误差的偏离程度，来评定阻垢剂性能。在反渗透膜表面的无机垢中，碳酸钙是最常见的一种垢。以阻垢剂对碳酸钙垢抑制效果为例，由于膜表面碳酸钙垢的生成，浓缩水碱度降低，根据ΔK相对于极值误差偏离程度的大小来评定阻垢剂性能。ΔK的计算见公式（6）。
式中：x、y—分别为浓缩液、原水的碱度，mmol/L；
以重量法测定浓缩倍率为例，在试验过程中，碱度的测量误差是试验误差的主要来源，重量测定产生的误差和滴定法测量误差相比，可以忽略不计。极值误差可以近似为碱度的测量误差。
利用系统误差合成理论，对式（6）进行微分，得到：
式中：σ—试验误差；Δx、Δy—分别为浓缩液、原水碱度的测定误差，mmol/L。
根据试验水质情况、运行参数和测定标准中规定的重复性限，由公式（7）可以计算得出极值误差σmax。利用公式（8）来比较阻垢剂性能。
在相同的系统运行条件下，加入不同的阻垢剂，n值越小，说明阻垢效果越好。
本发明方法提供了一种适用于评价阻垢剂对反渗透膜表面无机盐垢抑制效果的评定方法，可以对现场运行的阻垢剂浓度和运行控制指标提出参考值。
本发明旨在对目前采用的动态评定方法的缺点进行改进，提供一种反渗透专用阻垢剂性能的动态评定方法。本发明方法中，采用给水一次通过法，克服传统的全循环法不能给出系统的极限回收率；部分循环法和间断循环法改变原水中阻垢剂浓度等缺点。以评价阻垢剂对碳酸钙垢的阻垢效果为例，试验过程中，监测渗透液和浓缩液重量或体积或流量、电导率、碱度等试验参数，通过计算极值误差，对各种反渗透专用阻垢剂进行性能评定，指导反渗透系统现场运行技术参数的选择和确定。
本发明通过以下几个方面实现阻垢剂阻垢性能的评定。
1）为克服给水一次通过法所用试剂、水量较大的缺点，试验改动了小型家用制水装置，通过在浓缩液管路上加装浓水调节阀来调节反渗透运行回收率，保证了试验中水质和阻垢剂浓度的稳定性。
2）以重量或体积或流量计算反渗透系统运行的浓缩倍率，相比用氯离子计算浓缩倍率，节省了试验时间，提高了工作效率，降低了浓缩倍率的测定误差，更有利于对阻垢性能的评价。
3）结合反渗透运行原理和极值误差原理，通过测定原水和浓缩水碱度，可以在较短时间内评定阻垢剂性能。
本发明方法可以在较短时间内对反渗透专用阻垢剂对无机盐垢的抑制性能进行评定，指导现场运行技术参数的选择和确定，该方法适用于阻垢剂无机盐垢的性能评价。
附图说明
图1 为建立的动态反渗透运行系统；
图2 为反渗透运行模型；
图3为三种阻垢剂HPMA、ATMP和MDC220的阻垢性能对比图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步说明，但本发明的保护范围不限于此。实施例1—3以对碳酸钙的阻垢性能，以用重量法计算浓缩倍率，用极值误差法的评定方法为例对本发明方法进行详细说明。
实施例1
一种反渗透阻垢剂阻垢性能的动态评定方法，包括以下步骤：
①建立反渗透运行系统，所述动态反渗透运行系统（如图1所示）包括依次串联的原水箱1、高压泵2、活性炭过滤器3、精密过滤器4、压力表5、温度计6和反渗透膜元件7；所述反渗透膜元件端口分为两个支路，一个支路设有浓水调节阀8，浓缩液经该浓水调节阀排出；渗透液经另一个支路排出。所用膜元件为陶氏TFC-2012-100型膜元件（使用压力0.45MPa，产水量16L/h，脱盐率稳定在96％）。所用天平精度为0.001g。
②在原水箱1（容量100L）中加入试验用水和1ppm的阻垢剂HPMA，启动高压泵使反渗透系统进入运行状态。调节浓水调节阀，使系统在某一回收率下运行。记录运行过程中原水的水质指标（见表1）、反渗透膜运行压力、溶液温度，渗透液和浓缩液的重量、原水和浓缩液的碱度等参数，试验数据见表2。
③依据渗透液和浓缩液的重量来计算浓缩倍率，然后采用极值误差法评定阻垢剂性能。
计算试验条件下的极值误差，具体计算过程如下：
碱度测定误差依据标准GB/T 15451-2006《工业循环冷却水总碱及酚酞碱度的测定》中规定的室内允许差，当碱度小于20 mmol/L，重复性限为0.02mmol/L。在本试验水质条件下，计算σmax时，可以取Δx= 0.02，Δy= -0.02，公式（7）可以转化为公式（10）。
以加入1ppmHPMA，回收率在50.2％为例，计算如下。
实施例2
用阻垢剂ATMP替换HPMA，其它试验条件参照实施例1，系统运行过程中记录的试验数据见表3。
实施例3
用阻垢剂MDC220替换HPMA，其它试验条件参照实施例1，系统运行过程中记录的试验数据见表4。
三种阻垢剂HPMA、ATMP和MDC220回收率和n的曲线图见图3。由图3可以明显区分出三种阻垢剂成垢离子偏离浓缩倍率的趋势，HPMA偏离程度最大，MDC220偏离程度最小。由此可以判断出阻垢剂的阻垢性能排序为：MDC220＞ATMP＞HPMA，该结果与静态评定试验结论一致。静态试验方法详见专利CN201010274469.6和CN201020620538.X。
Claims (2)
1.一种反渗透阻垢剂阻垢性能的动态评定方法，其特征在于，包括以下步骤：
①建立反渗透运行系统，在反渗透浓缩液管路上安装浓水调节阀，通过浓水调节阀调节反渗透系统在一定的回收率下运行；
②在系统中加入试验用原水和一定剂量的阻垢剂，记录运行过程中反渗透膜运行压力、溶液温度，渗透液和浓缩液的流量或重量或体积、原水和浓缩液中成垢离子浓度；
③依据渗透液和浓缩液的流量或重量或体积计算浓缩倍率，通过计算浓缩液和原水中成垢离子浓度比值，采用极值误差法评定阻垢剂性能；
其中，浓缩倍率计算公式见式1）：
式1）中：K—浓缩倍率；Qg、Qc、Qn—分别为原水、渗透液和浓缩液的流量，L/h；
Gc、Gn—分别为渗透液和浓缩液的重量，g；
Vc、Vn—分别为渗透液和浓缩液的体积，L；
极值误差法是以反渗透的运行原理和误差原理为基本理论依据，建立的一种以试验极值误差作为评定基准的判据，极值误差法计算见公式2）至4）：
式2）中，σ—试验误差；x、y—分别为浓缩液、原水的碱度，mmol/L；Δx、Δy—分别为浓缩液、原水碱度的测定误差，mmol/L；根据试验水质情况、运行参数和测定标准中规定的重复性限，由公式2）计算出极值误差σmax；
再由公式3）和4）计算n值，n值越小，说明阻垢效果越好；
式3）中，x、y—分别为浓缩液、原水的碱度，mmol/L。
2.如权利要求1所述反渗透阻垢剂阻垢性能的动态评定方法，其特征在于，所述动态反渗透运行系统包括依次串联的原水箱、高压泵、活性炭过滤器、精密过滤器、压力表、温度计和反渗透膜元件；所述反渗透膜元件端口分为两个支路，一个支路设有浓水调节阀，浓缩液经该浓水调节阀排出；渗透液经另一个支路排出。
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