周軍

(華北電力設(shè)計(jì)院工程有限公司，北京 100120)

0 引言

水資源危機(jī)已經(jīng)成為制約全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展、影響社會(huì)生活的主要因素之一，因此，海水淡化越來(lái)越受到社會(huì)各界的重視，海水淡化產(chǎn)業(yè)在全球范圍內(nèi)得到了迅猛發(fā)展。我國(guó)的海水淡化產(chǎn)業(yè)近幾年也得到了長(zhǎng)足發(fā)展，海水淡化水作為工業(yè)及民用用水已經(jīng)越來(lái)越普遍。但由于工程設(shè)計(jì)及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)相對(duì)較少，致使部分系統(tǒng)在投運(yùn)后出現(xiàn)一些問(wèn)題，最突出的問(wèn)題是使用反滲透海水淡化系統(tǒng)所產(chǎn)淡水的系統(tǒng)管道腐蝕問(wèn)題。通過(guò)分析相關(guān)腐蝕機(jī)理，結(jié)合國(guó)內(nèi)外的試驗(yàn)及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，提出反滲透法海水淡化產(chǎn)品水的水質(zhì)控制指標(biāo)及水質(zhì)調(diào)整措施［1］。

1 工業(yè)水管道的腐蝕原理和腐蝕影響因素

1.1 工業(yè)水管道的腐蝕原理

工業(yè)水管道的材質(zhì)多為碳鋼或鑄鐵金屬管材，在自然環(huán)境下極易發(fā)生腐蝕。其腐蝕原理有多種，其中電化學(xué)腐蝕是最為廣泛的一種。當(dāng)金屬管道接觸水溶液或潮濕的大氣時(shí)，金屬表面會(huì)形成一種微電池。陽(yáng)極上發(fā)生氧化反應(yīng)，使陽(yáng)極發(fā)生溶解，陰極上發(fā)生還原反應(yīng)，一般只起傳遞電子的作用。腐蝕電池形成的主要原理是金屬表面吸附了空氣中的水分，形成一層水膜，因而使空氣中CO2，SO2，NO2等溶解在這層水膜中，形成電解質(zhì)溶液。而浸泡在這層溶液中的金屬含有雜質(zhì)，如碳鋼或鑄鐵金屬管材，即Fe與C的合金，除Fe之外，還含有石墨、滲碳體(Fe3C)以及其他金屬和雜質(zhì)，大多數(shù)沒(méi)有Fe活潑。這樣形成的腐蝕電池的陽(yáng)極為Fe，而陰極為雜質(zhì)，又由于Fe與雜質(zhì)緊密接觸，使得腐蝕不斷進(jìn)行。相關(guān)化學(xué)方程式如下:

當(dāng)水中含有溶解氧時(shí)，溶解在鐵管腐蝕上占雙重地位，一方面，當(dāng)H+在陰極被陸續(xù)還原形成H2后，與水中溶解氧反應(yīng)形成H2O，使陰極極化現(xiàn)象(H2保護(hù)膜)不發(fā)生，導(dǎo)致腐蝕加速;另一方面，O2會(huì)被吸附于陽(yáng)極表面而形成保護(hù)作用。一般在水管使用年限內(nèi)，前者作用較顯著，故水中若缺乏溶解氧、余氯、NO3－等強(qiáng)氧化劑，腐蝕速率將降低。

鐵表面發(fā)生氧化反應(yīng)(Fe→Fe2++2e－)后，F(xiàn)e2+進(jìn)入水環(huán)境中，若水中含有溶解氧等氧化劑，F(xiàn)e2+立即被氧化為 Fe3+，再與水溶液中 OH－或形成沉淀物，即鐵銹。

1.2 金屬管道的腐蝕影響因素

金屬的腐蝕受多種因素影響，針對(duì)各種腐蝕影響因素的防腐蝕措施見(jiàn)表1。反滲透海水淡化產(chǎn)品水系統(tǒng)的防腐蝕措施同樣適用。

2 反滲透法海水淡化產(chǎn)水的特點(diǎn)及水質(zhì)控制指標(biāo)

雖然海水反滲透膜的脫鹽率已經(jīng)很高，但反滲透裝置出水的總?cè)芙夤腆wTDS(Tatal Dissolved Solids)一般達(dá)到200～500 mg/L。表2為某項(xiàng)目反滲透海水淡化裝置進(jìn)出水水質(zhì)。

從表2可以看出，海水淡化產(chǎn)水pH值、堿度、硬度值很低，而TDS和Cl－含量較高。對(duì)照表1可知，這些因素均是促進(jìn)金屬腐蝕的影響因素。因此，防腐蝕措施也應(yīng)從這些方面著手。

表1 影響水的腐蝕性的主要因素

表2 某項(xiàng)目反滲透海水淡化裝置進(jìn)出水水質(zhì)

從工程的經(jīng)濟(jì)性方面考慮，除非水量很小，一般不采取進(jìn)一步除鹽處理措施來(lái)解決Cl－含量較高的問(wèn)題。工業(yè)水系統(tǒng)的嚴(yán)密性較差，因此難以通過(guò)除氧來(lái)實(shí)現(xiàn)防腐蝕。比較經(jīng)濟(jì)可行的方法是提高水的pH值、堿度和硬度。但達(dá)到什么樣的水質(zhì)指標(biāo)才能實(shí)現(xiàn)防腐蝕的目的?為解決這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外同行開(kāi)展了大量的試驗(yàn)研究工作，并提出了相應(yīng)的水質(zhì)控制指標(biāo)。如文獻(xiàn)［2］提出如下指標(biāo):總硬度不小于40 mg/L(以CaCO3計(jì))，堿度不小于40 mg/L(以CaCO3計(jì))，最終pH值8～9。國(guó)內(nèi)某些項(xiàng)目的試驗(yàn)數(shù)據(jù)也基本與此吻合，反滲透法海水淡化產(chǎn)品水在總硬度40～60 mg/L(以 CaCO3計(jì))，堿度40～60 mg/L(以 CaCO3計(jì))，pH 值 8.0～9.0，同時(shí)加入緩蝕劑，靜態(tài)年腐蝕深度為0.030～0.065 mm，屬無(wú)腐蝕至輕微腐蝕水平。根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，并借鑒國(guó)外技術(shù)資料，GB/T 50619—2010《火力發(fā)電廠海水淡化工程設(shè)計(jì)規(guī)范》確定了反滲透海水淡化產(chǎn)品水作為工業(yè)水時(shí)建議執(zhí)行的水質(zhì)控制指標(biāo):

(1)總硬度不宜小于40 mg/L(以CaCO3計(jì));

(2)堿度不宜小于40 mg/L(以CaCO3計(jì));

(3)pH 值(25℃)宜為8.0～9.0。

3 水質(zhì)調(diào)整措施［3-8］

為達(dá)到上述水質(zhì)控制指標(biāo)，反滲透法海水淡化產(chǎn)品水作為工業(yè)用水時(shí)，可采取摻混天然淡水、加碳酸鹽提高硬度、加堿、CaCO3礦石過(guò)濾等礦化處理措施。

3.1 摻混天然淡水

摻混海水也是一種礦化處理措施。但由于海水含鹽量過(guò)高，且成分復(fù)雜，會(huì)導(dǎo)致管網(wǎng)腐蝕性增加和口感不好等問(wèn)題，不適用于海水淡化廠。有條件的項(xiàng)目可以采用摻混天然淡水的方法來(lái)提高水的pH值、堿度和硬度。

3.2 添加碳酸鹽提高硬度

添加碳酸鹽提高硬度一般采用投加二氧化碳后加CaCO3或Ca(OH)2，再調(diào)整pH值的方式。

(1)石灰－CO2法。在淡水中加入CO2以達(dá)到增加堿度與穩(wěn)定pH值的功效，石灰則在最后程序以石灰漿液的形式加入，以增加Ca2+離子濃度，并提高pH值。

石灰－CO2法主要的優(yōu)點(diǎn)是可為系統(tǒng)提供合適的總硬度、總堿度與pH值。主要缺點(diǎn)是設(shè)備費(fèi)用昂貴，尤其是泥漿石灰的供給設(shè)備;次要缺點(diǎn)是會(huì)造成處理水濁度的上升。每升淡水常用的CO2與石灰的加藥量分別為30 mg與30～40 mg。

(2)CaCO3礦石過(guò)濾法。CaCO3礦石過(guò)濾法主要是使用CaCO3或CaCO3/MgO(云母石)為濾料的濾床來(lái)取代傳統(tǒng)濾床，并且將CO2溶解于水中，前者使碳酸鹽溶解于水中以增加總硬度、總堿度與pH值，后者則可以增加總堿度、pH值。

CaCO3礦石過(guò)濾法最主要的優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)備費(fèi)用及操作費(fèi)用的節(jié)省。缺點(diǎn)是處理水的pH值較低，需要在最后處理程序以添加Ca(OH)2的方式調(diào)整pH值，每升淡水常用的加藥量為15 mg的CO2與30～40 mg的CaCO3。

目前，CaCO3礦石過(guò)濾方法在國(guó)外有較多的應(yīng)用案例。據(jù)資料介紹，CaCO3礦石可選用石灰石、大理石、方解石等材料，純度一般要求達(dá)到99%。

3.3 堿-緩蝕劑法

反滲透裝置產(chǎn)水通過(guò)脫氣塔降低水中CO2濃度，添加NaOH以中和剩余的CO2，形成，最后加入緩蝕劑。該工藝簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)，但緩蝕劑品種和劑量需通過(guò)試驗(yàn)確定。

4 結(jié)束語(yǔ)

GB/T 50619—2010《火力發(fā)電廠海水淡化工程設(shè)計(jì)規(guī)范》僅對(duì)反滲透法海水淡化產(chǎn)品水水質(zhì)調(diào)整措施提出了原則性規(guī)定，具體工程應(yīng)綜合比較后確定。

［1］GB/T 50619—2010，火力發(fā)電廠海水淡化工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］United States Department of the Interior Bureau of Reclamation Technical Service Center.Desalting Handbook for Planners［R］//3th ed.Desalination and Water Purification Research and Development Program Report，2003.

［3］張福錄，李雪民.反滲透法海水淡化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.一重技術(shù)，2005(5):12 －14，6.

［4］肖建群.沿海電廠海水淡化處理工藝方案的探討［J］.重慶電力高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào)，2009(12):12－14，26.

［5］徐丁.反滲透海水淡化系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行與調(diào)度研究［D］.杭州:杭州電子科技大學(xué)，2012.

［6］盧彥越.反滲透海水淡化系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究［J］.青島:中國(guó)海洋大學(xué)，2004.

［7］樊雄，張維潤(rùn).火力發(fā)電廠反滲透法海水淡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究［J］.水處理技術(shù)，2010(6):90－94.

［8］劉艷輝，馮厚軍，葛云紅.海水淡化產(chǎn)品水的水質(zhì)特性及用途分析［J］.中國(guó)給水排水，2009(14):88－92.