反滲透膜結垢是指溶解性差的物質(zhì)CaCO3、CaSO4、BaSO4、Ca3(PO4)2等在膜表面產(chǎn)生沉淀,當這些物質(zhì)在反滲透系統中濃縮時(shí),就會(huì )變得過(guò)飽和。比如在pH=7.5、水溫為25℃時(shí),水中鈣硬度(以CaCO3計)為200 mg/L、總堿度(以CaCO3計)為150 mg/L時(shí),CaCO3就會(huì )接近過(guò)飽和;再比如在pH=7.5、水溫為25℃時(shí),水中鋇離子僅為0.01 mg/L、硫酸根離子為4.5 mg/L時(shí),BaSO4就會(huì )出現過(guò)飽和而析出。
反滲透阻垢劑的阻垢機理主要是對上述溶解性差的物質(zhì)產(chǎn)生絡(luò )合增溶、凝聚分散、晶格畸變和閾值效應。絡(luò )合增溶指的是阻垢劑能與水中 鈣離子、鎂離子、鋇離子等成垢陽(yáng)離子作用形成可溶性絡(luò )合物,抑制了CaCO3、CaSO4、BaSO4、Ca3(PO4)2等生成;凝聚分散是指阻垢劑在水中解離出的陰離子附著(zhù)在CaCO3晶體上,而工業(yè)污水中的污垢一般都帶負電荷,同種電荷互相排斥,產(chǎn)生的靜電排斥作用,使CaCO3晶體無(wú)法聚集生長(cháng)成較大顆粒,均勻分散于溶液中,從而達到抑制CaCO3垢形成的目的;晶格畸變是指在CaCO3微晶聚集長(cháng)大過(guò)程中,阻垢劑摻雜在晶格點(diǎn)陣中或晶體界面上,使晶體發(fā)生畸變,直接抑制或扭曲晶體生長(cháng),如CaCO3是帶正電的鈣離子與帶負電的碳酸氫根離子共同按照特定的方向發(fā)展,在二者發(fā)展壯大的過(guò)程中, 阻垢劑會(huì )摻雜在它們構建的晶格點(diǎn)陣中,使晶體內部應力增大,當其增大到一定程度時(shí)會(huì )讓晶體最終破裂,從而達到抑制晶體形成的目的。閾值效應是指用阻垢劑破壞CaCO3、CaSO4、BaSO4、Ca3(PO4)2等微晶的聚集和排序過(guò)程,從而防止產(chǎn)生沉淀。
二、阻垢方法選擇
評價(jià)反滲透是否存在結垢風(fēng)險的主要指標是朗格利爾指數(LSI),當LSI<0時(shí),水體無(wú)結垢傾向(但具有一定的腐蝕性);當LSI≥0時(shí),水體呈結垢傾向。調節pH法阻垢是通過(guò)降低水的pH使LSI從大于0向小于0轉變;投加阻垢劑阻垢是即使LSI≥0,但水中的難溶性物質(zhì)微晶仍無(wú)法生長(cháng)聚集而沉積,主要機理即為上述四種。目前,國內阻垢劑產(chǎn)品可以保證在LSI=3時(shí),難溶性物質(zhì)仍不沉積結垢;國際一線(xiàn)品牌的阻垢劑產(chǎn)品可以保證在LSI=5時(shí),難溶性物質(zhì)仍不沉積結垢,但在采購阻垢劑時(shí)應注意國內部分商家進(jìn)口國際一線(xiàn)品牌阻垢劑原液,而后大量?jì)端♂專(zhuān)瑢е虏少彿诫m然使用著(zhù)LSI=5的阻垢產(chǎn)品,但實(shí)際阻垢效能卻大相徑庭。
1.調節pH法
為了獲得合格的產(chǎn)水,我們通常把反滲透進(jìn)水pH控制在6~9之間,一些管理精細化的企業(yè)控制在范圍更窄,如7.0~8.5之間。過(guò)低或過(guò)高的進(jìn)水pH都會(huì )使反滲透產(chǎn)水pH達不到回用水的要求。所以,采用調節pH的方法阻垢前提是要保證反滲透產(chǎn)水pH達標。并且,需要注意的是調節pH法控制反滲透結垢主要是針對CaCO3結垢,對于其它結垢類(lèi)物質(zhì)無(wú)效。
2.投加阻垢劑法
如前所述,投加阻垢劑可以使反滲透膜適應更高的LSI,但是反滲透阻垢劑價(jià)格較高,國內產(chǎn)品在0.008~0.012 元/g之間、國際一線(xiàn)品牌原液產(chǎn)品在0.055~0.075 元/g之間,這使得使用成本較高。
另外,反滲透阻垢劑種類(lèi)層出不窮,甚至一些生產(chǎn)商不斷炒作并不成熟的新概念,使得使用方在選擇阻垢劑時(shí)出現困惑??偨Y市售較為成熟的阻垢劑產(chǎn)品,主要分為含磷阻垢劑、聚合物阻垢劑、環(huán)保阻垢劑三種。
含磷阻垢劑包括無(wú)機磷阻垢劑和有機膦阻垢劑,其中無(wú)機磷阻垢劑的主要成分是三聚磷酸鈉或六偏磷酸鈉,這些含有無(wú)機磷的物質(zhì)主要分子結構特征是具有長(cháng)鏈狀的陰離子,這種結構存在著(zhù)性質(zhì)不穩定的缺點(diǎn),容易水解成磷酸根,尤其是水溫較高時(shí),水解速度更快,水解后的產(chǎn)物正磷酸鹽很容易和水體中的鈣離子反應生成比CaCO3溶度積更小的Ca3(PO4)2水垢,所以無(wú)機磷阻垢劑不適用于溫度高或鈣離子含量高的水中;有機膦阻垢劑主要成分是羥基乙叉二膦酸、氨基三亞甲基膦酸、膦酸基丁烷等一種或幾種,這些含有機膦的物質(zhì)主要分子結構特征是都含有C-O-P鍵,當處于溫度較高和堿性較強的環(huán)境中時(shí),容易水解成為正磷酸酯和相應的醇,此時(shí)它的阻垢功能也會(huì )很大程度的減弱,因此,有機膦類(lèi)阻垢劑不適用于溫度高或pH偏堿性的水中。
聚合物阻垢劑主要分為陰離子聚合物阻垢劑和陽(yáng)離子聚合物阻垢劑。前者主要用于抑制金屬離子結垢,后者主要用于抑制硅垢。聚合物阻垢劑的主要成分是丙烯酸和馬來(lái)酸,研制時(shí)是將多種功能性的官能團引入到分子中,因此這一類(lèi)的阻垢劑具有多種配方。應用時(shí)除了需要考慮水質(zhì)的條件,還需要分析水垢的種類(lèi)。例如帶羧酸基團的聚合物阻垢劑主要是針對鈣結垢、磺酸基的聚合物阻垢劑主要針對金屬氧化物、酸胺類(lèi)的聚合物阻垢劑主要針對硅結垢。所以,聚合物類(lèi)阻垢劑并不是廣譜類(lèi)的阻垢藥劑,其主要是用于彌補廣譜類(lèi)阻垢劑的不足;同時(shí),由于其主要成分是聚合物,容易被氯等氧化性殺菌劑氧化而失效,所以,在投加這類(lèi)阻垢劑前,應先投加還原劑中和掉水中的余氯。
環(huán)保阻垢劑的有效成分主要包括聚天冬氨酸、聚環(huán)氧琥珀酸及其衍生物。這類(lèi)阻垢劑主要是針對鈣結垢,如CaCO3、CaSO4、CaF2,其優(yōu)點(diǎn)是可以適應較高的鈣離子濃度,當鈣離子濃度達到500 mg/L時(shí)仍有80%以上阻斷鈣垢的效果;但其投加量大,對水的pH改變較大,且其在40℃以下時(shí),阻垢效率較低,而反滲透膜進(jìn)水最高允許溫度為35~40℃,所以這種阻垢劑并不適合在反滲透上使用,而更多用于循環(huán)冷卻水系統。
三、加藥量計算
前文已經(jīng)敘述水是否處于結垢傾向取決于LSI的值,因此,無(wú)論是采用加酸調節pH,還是采用投加阻垢劑的方法來(lái)防止反滲透膜結垢,其本質(zhì)是把握水的LSI,LSI的計算方式如下式所示。


這與前文所述在該條件下,CaCO3已接近飽和相吻合。并且我們可以發(fā)現,加藥量的衡量可表達為以下三個(gè)公式。
綜上所述,我們在防止反滲透膜結垢時(shí),首先,我們應該按照本文給出公式計算反滲透濃水的LSI,以判斷反滲透是否存在結垢的傾向;其次,要分析出水中主要結垢物質(zhì)是什么,這可以通過(guò)檢測Ca2+、Mg2+、HCO3-、Ba2+、SiO2等指標來(lái)分析判斷,這樣我們可以有針對性的選擇是加酸調節pH、還是投加阻垢劑,如果投加足夠加,要投加何種阻垢劑。
【文章轉載自: 水處理科技學(xué)報】