孫蕾

(中國華電工程(集團)有限公司 水處理分公司，北京 100610)

0 引言

鹽水和淡水之間存在滲透壓，通常情況下淡水會自發(fā)地透過半透膜進入鹽水側(cè)(稱之為滲透)。反滲透則是在鹽水側(cè)施加操作壓力以克服自然滲透壓，當操作壓力高于自然滲透壓時，鹽水中的水分子反向透過半透膜，成為淡水側(cè)的凈化產(chǎn)水。反滲透膜只允許溶劑分子(即水分子)透過而不允許溶質(zhì)分子透過，所以可以通過反滲透將海水淡化。

通過軟件模擬和現(xiàn)場中試試驗研究操作壓力和脫鹽率隨溫度變化的特性，從而進一步探索大型反滲透海水淡化系統(tǒng)的最佳運行參數(shù)和最佳工況點。

1 試驗內(nèi)容及試驗設(shè)備

1.1 試驗內(nèi)容

試驗原水為渤海灣海水，試驗?zāi)康氖堑玫皆撓到y(tǒng)3種工況下溫度變化(0～30 ℃)對操作壓力和脫鹽率的影響。

(1)工況1：進水流量7.00 m3/h，產(chǎn)水流量2.8 m3/h，系統(tǒng)回收率40%。

(2)工況2：進水流量6.67 m3/h，產(chǎn)水流量2.8 m3/h，系統(tǒng)回收率42%。

(3)工況3：進水流量6.22 m3/h，產(chǎn)水流量2.8 m3/h，系統(tǒng)回收率45%。

反滲透海水淡化典型工藝流程如圖1所示，試驗工藝流程如圖2所示(圖中：SWRO為反滲透海水淡化系統(tǒng))。

圖2 中試試驗裝置海水淡化系統(tǒng)工藝流程

1.2 試驗分析方法及設(shè)備

水質(zhì)分析方法依據(jù)GB 17378.4—1998《海洋監(jiān)測規(guī)范第4部分：海水分析》。溫度采用水銀溫度計測定，pH值采用電極法測定，濁度采用Hach 2100P濁度儀測定，電導(dǎo)率采用上海雷磁DDBJ-350電導(dǎo)率儀測定，污染指數(shù)(SDI)采用移動式SDI測定儀測定。

采用日本東麗公司TORAY膜計算軟件對系統(tǒng)曲線進行模擬，系統(tǒng)水質(zhì)參數(shù)設(shè)置如圖3所示(圖中：TDS為溶解性固體總量)，反滲透系統(tǒng)設(shè)置如圖4所示。

圖3 中試海水淡化系統(tǒng)水質(zhì)參數(shù)設(shè)置

圖4 中試海水淡化反滲透系統(tǒng)設(shè)置

2 進水溫度對反滲透膜的影響

根據(jù)Lonsdale等人提出的溶解-擴散模型,反滲透過程中溶劑的傳遞方程[1]為

Jw=A(Δp-Δps) ，

式中:Jw為透過水通量，L/(m2·h)；A為純水滲透系數(shù)；Δp為膜兩側(cè)壓力差，MPa；Δps為膜兩側(cè)滲透壓差，MPa。

滲透系數(shù)A與膜材料、膜結(jié)構(gòu)、界面的物理化學(xué)性質(zhì)及進水溫度等因素有關(guān),且在其他影響因素一定的條件下，A值與進水溫度正相關(guān)。A值的改變主要體現(xiàn)在兩個層面：一是膜體性能；二是水體物理化學(xué)性質(zhì)。

反滲透膜產(chǎn)水電導(dǎo)率對進水水溫的變化十分敏感，隨著水溫的增加，水通量也線性增加，進水水溫每升高1 ℃，產(chǎn)水通量就增加2.5%～3.0%。進水水溫的升高同樣會導(dǎo)致透鹽率的增加和脫鹽率的下降，這主要是因為鹽分透過膜的擴散速度會因溫度的升高而加快[2]。

3 研究結(jié)果與分析

3.1 操作壓力隨溫度變化規(guī)律

圖5為3種不同工況下系統(tǒng)操作壓力與進水溫度的關(guān)系曲線。圖中的軟件數(shù)據(jù)是指通過東麗公司TORAY膜計算軟件模擬實際情況所得到的數(shù)據(jù)，試驗數(shù)據(jù)則是現(xiàn)場記錄的數(shù)據(jù)篩選、計算后得到的數(shù)據(jù)(下同)。

圖5a為工況1下溫度和操作壓力關(guān)系曲線，測得水溫1.4～20.3 ℃區(qū)間的操作壓力為4.05～5.09MPa。試驗數(shù)據(jù)曲線與軟件模擬數(shù)據(jù)曲線基本平行，與模擬計算結(jié)果相比，試驗得到的操作壓力平均低0.3 MPa左右。

圖5b為工況2下溫度和操作壓力關(guān)系曲線，測得水溫2.2～19.6 ℃區(qū)間的操作壓力為4.18～5.12 MPa。試驗數(shù)據(jù)曲線與軟件模擬數(shù)據(jù)曲線基本平行，與模擬計算結(jié)果相比，試驗得到的操作壓力平均低0.2 MPa左右。

圖5c為工況3下溫度和操作壓力關(guān)系曲線，測得水溫1.9～19.9 ℃區(qū)間的操作壓力為4.46～5.42 MPa。兩條數(shù)據(jù)曲線很接近，與模擬計算結(jié)果相比，試驗得到的操作壓力平均低0.03 MPa左右。

圖5 不同工況下系統(tǒng)操作壓力與進水溫度關(guān)系曲線

由圖5可以看出：3種不同回收率條件下，操作壓力隨溫度升高而逐漸降低，回收率40%時，試驗數(shù)據(jù)比軟件模擬數(shù)據(jù)曲線平均低0.3 MPa左右；回收率42%時，試驗數(shù)據(jù)比軟件模擬數(shù)據(jù)曲線平均低0.2 MPa左右；回收率45%時，試驗數(shù)據(jù)比軟件模擬數(shù)據(jù)曲線平均低0.03 MPa左右，試驗數(shù)據(jù)曲線隨著回收率增大而越來越靠近軟件模擬數(shù)據(jù)曲線。

3.2 脫鹽率隨溫度變化規(guī)律

圖6所示為3種工況下系統(tǒng)脫鹽率與進水溫度的關(guān)系曲線，其中，軟件模擬的脫鹽率變化曲線由進、出水電導(dǎo)率計算得到。

圖6 不同工況下溫度和脫鹽率關(guān)系曲線

圖6a為工況1下溫度和脫鹽率關(guān)系曲線，測得水溫1.4～21.3℃區(qū)間的脫鹽率為98.922 6%～99.696 6%。溫度較低時，試驗脫鹽率與模擬計算值重合，溫度越高，二者差值越大，當溫度為20.0 ℃時，試驗數(shù)據(jù)比軟件模擬計算值低0.527 2%。

圖6b為工況2下溫度和脫鹽率關(guān)系曲線，測得水溫2.1～19.6 ℃區(qū)間的脫鹽率為98.968 5%～99.680 6%。溫度較低時，試驗脫鹽率與模擬計算值重合，溫度越高，二者差值越大，當溫度為19.6 ℃時，試驗數(shù)據(jù)比軟件模擬計算值低0.526 4%。

圖6c為工況3下溫度和脫鹽率關(guān)系曲線，測得水溫1.9～20.0 ℃區(qū)間的脫鹽率為98.890 0%～99.690 0%。溫度較低時，試驗脫鹽率與模擬計算值重合，溫度越高，二者差值越大，當溫度為20.0 ℃時，試驗數(shù)據(jù)比軟件模擬計算值低0.484 68%。

由圖6可以看出：3種不同工況下，脫鹽率隨溫度升高而逐漸降低，回收率為40%、溫度為20.0 ℃時，試驗數(shù)據(jù)比軟件模擬計算值低0.527 2%；回收率為42%、溫度為19.6 ℃時，試驗數(shù)據(jù)比軟件模擬計算值低0.526 4%；回收率為45%、溫度為20.0 ℃時，試驗數(shù)據(jù)比軟件模擬計算值低0.484 68%；試驗數(shù)據(jù)曲線比軟件模擬曲線陡，脫鹽率下降較快；試驗數(shù)據(jù)曲線與軟件模擬曲線的差值隨回收率的增大而變小。

3.3 進水鹽分對系統(tǒng)操作壓力和脫鹽率的影響

以工況2為例，分析進水鹽分變化對系統(tǒng)操作壓力和脫鹽率的影響，試驗結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 海水鹽分變化對操作壓力的影響

圖8 海水鹽分變化對脫鹽率的影響

圖7為工況2下溫度和操作壓力的關(guān)系曲線，其中試驗數(shù)據(jù)1為2012年上半年夏季海水中鹽的質(zhì)量濃度約為32 000 mg/L期間測得的數(shù)據(jù)，對應(yīng)的軟件模擬曲線為圖中軟件數(shù)據(jù)1；試驗數(shù)據(jù)2為2012年下半年冬季海水中鹽的質(zhì)量濃度約為29 000 mg/L期間測得的數(shù)據(jù)，對應(yīng)的軟件模擬曲線為圖中軟件數(shù)據(jù)2(下同)，2條數(shù)據(jù)曲線走向一致。由圖7可以看出：試驗數(shù)據(jù)1位于試驗數(shù)據(jù)2之上，說明夏季海水中鹽的質(zhì)量濃度為32 000 mg/L時設(shè)備的操作壓力明顯要比冬季海水中鹽的質(zhì)量濃度為29 000 mg/L時高。溫度為2 ℃時，試驗數(shù)據(jù)1，2較接近，溫度為18 ℃時，試驗數(shù)據(jù)1要比試驗數(shù)據(jù)2高0.5 MPa，說明隨著溫度的升高，二者差值逐漸加大。同時說明，海水中鹽的質(zhì)量濃度越高，系統(tǒng)操作壓力越高。

圖8為工況2下溫度和脫鹽率的關(guān)系曲線，試驗數(shù)據(jù)1，2曲線走向一致。由圖8可以看出：試驗數(shù)據(jù)1位于試驗數(shù)據(jù)2之上，說明夏季系統(tǒng)脫鹽率明顯要比冬季高。溫度為2 ℃時，試驗數(shù)據(jù)1要比試驗數(shù)據(jù)2高0.119 5%，溫度為18 ℃時，試驗數(shù)據(jù)1要比試驗數(shù)據(jù)2高0.193 6%，說明隨著溫度升高，二者差值逐漸加大。同時說明，海水中鹽的質(zhì)量濃度越高，系統(tǒng)脫鹽率也越高。

4 結(jié)論

(1)3種不同回收率條件下，恒定通量時，操作壓力隨溫度升高而逐漸降低，試驗數(shù)據(jù)曲線比軟件模擬數(shù)據(jù)曲線下降慢，曲線較平緩，且試驗數(shù)據(jù)曲線隨回收率的增大而越來越靠近軟件模擬數(shù)據(jù)曲線。

(2)3種不同回收率條件下，恒定通量時，脫鹽率隨溫度升高逐漸降低，試驗數(shù)據(jù)曲線比軟件模擬數(shù)據(jù)曲線下降快，說明試驗回收率比軟件模擬回收率更低，曲線更陡。試驗數(shù)據(jù)曲線與軟件模擬曲線差值隨回收率的增大而變小。

(3)海水中鹽的質(zhì)量濃度變化對系統(tǒng)操作壓力和脫鹽率影響：相同工況下，海水中鹽的質(zhì)量濃度越高，系統(tǒng)操作壓力越高，隨著溫度的升高，系統(tǒng)操作壓力差值逐漸加大；海水中鹽的質(zhì)量濃度高，系統(tǒng)脫鹽率也高，隨著溫度的升高，脫鹽率差值逐漸加大。

以上試驗研究了反滲透海水淡化操作運行各影響因素之間的關(guān)系，試驗結(jié)果可為大型海水淡化項目運行提供參考，從而進一步探索反滲透海水淡化系統(tǒng)的最佳運行參數(shù)和最佳工況點。

參考文獻：

[1]朱長樂. 膜科學(xué)技術(shù)[M]. 2版.北京:高等教育出版社,2004.

[2]靖大為,賈麗媛.反滲透系統(tǒng)膜通量均衡工藝[J].水處理技術(shù),2005(1):23-44.