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反渗透膜的背压损坏分析及相关安全性研究

北极星水处理网  来源:工业水处理    2019/8/21 10:53:48  我要投稿  
所属频道: 水处理  关键词:反渗透系统 反渗透膜 背压

北极星水处理网讯:[摘要] 背压损坏是反渗透膜元件使用中常见的故障之一,一旦发生则会对反渗透膜造成永久性损坏,无法修复。对反渗透膜元件背压损伤的位置以及背压对膜片造成的损伤进行深入分析,同时归纳了导致反渗透系统背压产生的设计和运行因素,提出现场判别背压损伤的方法。依托工业示范装置对带背压运行的反渗透系统开关机过程进行了模拟,并通过实时数据采集对全过程进行监控分析,对其安全性进行论证。

[关键词] 反渗透;复合膜剥离;背压

反渗透技术因设计简单、运行维护方便等特点,在苦咸水脱矿、海水淡化、超纯水以及废水回用甚至特殊料液浓缩领域得到广泛应用。相较于初期的醋酸纤维素薄膜,以聚酰胺为脱盐层的反渗透复合膜具有脱盐率高、产水量大、耐化学清洗pH范围宽等诸多优势〔1〕。经过数十年的发展,反渗透复合膜结构一般分为3层,自下而上分别为无纺布(厚度约120μm)、聚砜支撑层(厚度约40μm)以及聚酰胺脱盐层(厚度约0.2μm),如图1所示〔2〕。

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其中只有聚酰胺层是真正的功能层,决定了反渗透膜的脱盐性能,而聚砜和无纺布层具有更大的孔径,主要起到支撑聚酰胺分离层的作用。然而工程经验显示,任何时刻只要产水压力高于进水或浓水压力0.03MPa,复合膜就有可能发生复合层之间的剥离,这就是反渗透膜的背压损坏现象〔3-4〕。这种剥离会使膜表面脱盐层受到强烈拉伸,进而导致膜元件产水水质急剧降低,在某些极端情况下甚至不再具备脱盐能力。

随着反渗透系统设计水平的不断提升,带背压运行的系统不断出现,如多段式系统(系统段数≥3)或单泵推双级系统等,前者常常使用一段背压、三/四段增压的设计方式提高系统回收率以及平衡段间通量〔5〕,后者则以一级系统的背压直接驱动反渗透产水进入二级系统或经能量回收进入二级系统〔6〕。同时,由于反渗透系统的开关机过程会导致系统各部位压力的剧烈波动,因而反渗透系统开关机导致的背压损坏在反渗透系统故障中出现频率较高〔7〕。笔者拟对反渗透元件的背压损坏现象、发生原因以及带背压系统的开关机安全性进行探讨。

01反渗透系统中背压损坏现象

众多反渗透系统的现场故障排除经验显示,反渗透膜元件的背压损坏常率先发生于系统最后一段的最后一支元件上,更确切的说,背压损坏总是最先发生于反渗透系统各个膜壳中距离浓水出口最近的元件上。图2为1个典型的背压损坏系统的膜壳探针实验结果。

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如图2所示,4个膜壳分别属于某电厂平行运行的2套反渗透系统的第2段,该系统为7芯装,使用FILMTECTMBW30-FR400/34i反渗透膜元件,其中1#、2#膜壳位于背压损坏系统,3#、4#位于正常系统。0号位置为进水端,7号位置为浓水和产水端,探针从进水端插入,由7号位置逐步向0号位置移动,同时检测产水电导率。由于严重的系统背压导致膜元件透盐率急剧变差,甚至前面膜元件的表观产水电导率也出现了升高,但即便如此,图2也清晰说明背压率先发生于多段系统中的最后一段,并视背压的严重情况,从距离浓水口最近的元件(常常为最后一支元件)向前端延伸。

以某电厂纯水车间背压损坏的BW30-400膜元件为例,进行单根膜元件测试分析。在进水NaCl为2000mg/L、进水压力为1.55MPa、回收率为15%的条件下进行测定,结果如表1所示。

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由表1可知,F5755963和F5755965两支元件的标准产水量偏大,脱盐率急剧下降,显示膜片的脱盐层受到了破坏。针对这2只元件分别进行单元件探针实验,结果如图3所示。

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图3中1号位置为元件进水端,17号位置为元件浓水端。对于正常的膜元件,由于膜元件自身的浓缩效应,从进水端到浓水端的产水电导率应有轻微上升。然而对于这2只背压损坏的元件,则可发现其产水电导率自进水端到浓水端急剧上升,说明背压损坏主要集中于元件的浓水一侧,而进水端未发现明显损坏。

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