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        高鹽礦井水回用反滲透阻垢劑的阻垢性能試驗

        2022-05-12 08:18:42王曰鋒暴彥慧尹新旺孫海兵孫永軍
        凈水技術(shù) 2022年5期
        關(guān)鍵詞:產(chǎn)水量阻垢反滲透

        洪 宇,王曰鋒,*,暴彥慧,閆 浩,尹新旺,孫海兵,孫永軍

        (1.金瓷科技實業(yè)發(fā)展有限公司,寧夏銀川 750000;2.南京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院,江蘇南京 211816)

        我國煤炭以井工開采為主,在所有煤炭產(chǎn)量中約占97%。礦井水是礦區(qū)所采煤層及開拓巷道附近的地下水,有時也含有少量滲入的地表水。煤礦每年產(chǎn)生大量的礦井水,但大部分作為廢水外排,只有少部分作為生產(chǎn)用水被再次利用,利用率比較低,不僅污染周圍環(huán)境,還造成水資源的嚴(yán)重浪費。

        礦井水的主要來源是地下涌水,其中溶解了大量的巖石部分,一般情況下Ca2+、Mg2+含量較大。而現(xiàn)用的輸水管道大多為鑄鐵管,當(dāng)?shù)V井水通過輸水管道時,常常會在管道內(nèi)側(cè)結(jié)垢,導(dǎo)致輸水管道有效直徑逐漸變小,降低管道的使用性能,并且會腐蝕管道,縮短管道的使用壽命[1]。阻垢劑是具有分散水中難溶性無機鹽、阻止或干擾難溶性無機鹽在金屬表面沉淀、結(jié)垢功能,并維持金屬設(shè)備良好傳熱效果的一類藥劑[2]。阻垢劑的阻垢比較復(fù)雜,一般認為成垢物質(zhì)和溶液之間存在著動態(tài)平衡,阻垢劑能夠被吸附到成垢物質(zhì)上,并影響垢的生長和溶解的動態(tài)平衡[3]。現(xiàn)階段,國內(nèi)很多水處理系統(tǒng)中所使用的阻垢劑多來自國外品牌,但是其產(chǎn)品性能不一定能滿足各種水質(zhì)特點,且價格昂貴[4]。

        寧夏某煤礦礦井水處理系統(tǒng)于2014年12月建設(shè)完成并投入使用。建設(shè)預(yù)處理規(guī)模為10 800 m3/d,深度處理產(chǎn)水量為5 220 m3/d。2018年根據(jù)某煤礦生產(chǎn)接續(xù)和原工程存在的問題進行擴能和技術(shù)改造,其中新增預(yù)處理規(guī)模為10 800 m3/d,新增深度處理產(chǎn)水量為1 500 m3/d。預(yù)處理系統(tǒng)包括調(diào)節(jié)池、高效澄清池、V型濾池;深度處理系統(tǒng)包括超濾、反滲透,超濾膜和反滲透膜均采用DOW進口品牌膜。項目自建成投產(chǎn)后,深度處理系統(tǒng)尤其是反滲透裝置受制于眾多因素,反滲透運行一直不穩(wěn)定,產(chǎn)水量及脫鹽率衰減嚴(yán)重,尤其是反滲透膜的濃水側(cè)結(jié)垢明顯,氧化鐵污堵物顯著,造成反滲透產(chǎn)水量一直達不到設(shè)計要求。系統(tǒng)運行6年中已經(jīng)更換3次反滲透膜,造成企業(yè)成本倍增,同時也影響煤礦井下生產(chǎn)用水。為了更好地運行反滲透系統(tǒng),項目自建成后就一直使用國外某品牌阻垢劑,但國外品牌阻垢劑難以滿足高鹽礦井水水質(zhì),所以開發(fā)適合于特定水質(zhì)的反滲透阻垢劑尤為重要。本文以馬來酸-丙烯酸共聚物、丙烯酸-2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸共聚物(AA/AMPS)、樹枝狀高分子化合物(DTPA-PAMAM)為原料,制備出適用于寧東地區(qū)高含鹽礦井水的反滲透阻垢劑(JC-660)。通過靜態(tài)阻垢試驗、動態(tài)模擬試驗和現(xiàn)場應(yīng)用等方法測試其性能,并與國外某進口品牌阻垢劑(以下簡稱F)進行性能比較。本研究為開發(fā)和設(shè)計新型高效的阻垢劑提供了新思路,為國內(nèi)眾多礦井水處理系統(tǒng)提供了多樣化的選擇,且具有降低成本、提高效益的現(xiàn)實意義。

        1 材料和方法

        1.1 阻垢劑的制備

        試驗原水取自寧夏某煤礦污水處理廠礦井水,水質(zhì)如表1所示。

        表1 寧夏某煤礦污水處理廠礦井水水質(zhì)Tab.1 Mine Water Quality of a Coal Mine WWTP in Ningxia

        本研究通過高效復(fù)配[5]的方法成功地研制生產(chǎn)適合于高硬度、高堿度、高礦化度的反滲透阻垢劑JC-660。JC-660主要由DTPA-PAMAM、馬來酸-丙烯酸共聚物、AA/AMPS合成。按一定比例將DTPA-PAMAM、馬來酸-丙烯酸共聚物、AA/AMPS混合,加入一定量的去離子水,于60 ℃的水浴中恒溫加熱2 h;利用NaOH溶液和去離子水調(diào)節(jié)pH值至6.0左右,攪拌均勻;最后在110 ℃條件下干燥數(shù)小時得到淡黃色產(chǎn)物。

        1.2 阻垢試驗

        1.2.1 靜態(tài)阻垢試驗

        對分別加不同阻垢劑的試驗水進行加熱,促使CaCO3析出,然后再測定水中保留的Ca2+含量的變化,若水中的Ca2+含量愈高,則生成鈣垢就愈少,阻垢效果愈好?,F(xiàn)場采用兩種試驗水做靜態(tài)試驗,第一種是配置試驗水,Ca2+質(zhì)量濃度為300 mg/L、NaCl質(zhì)量濃度為2 935 mg/L、pH值為7.93;第二種是煤礦污水處理廠反滲透原水。取6個1 000 mL的容量瓶,分別裝入500 mL的試驗水,反滲透阻垢劑投加量分別為2、3、4、5、6 mg/L,在恒溫水浴箱40 ℃下持續(xù)加熱48 h,試驗完畢均采用乙二胺四乙酸(EDTA)絡(luò)合滴定法滴定濃縮后水中Ca2+濃度。

        阻垢性能以η計,計算如式(1)。

        η=(C4-C3)/(C-C3)

        (1)

        其中:C4——加入水處理劑試液試驗后的Ca2+質(zhì)量濃度,mg/L;

        C3——空白試液試驗后Ca2+質(zhì)量濃度,mg/L;

        C——實際工況水或配置水中Ca2+質(zhì)量濃度,mg/L。

        1.2.2 動態(tài)模擬試驗

        注:PI為壓力;Ps為壓差開關(guān);FI為流量圖1 現(xiàn)場動態(tài)循環(huán)裝置流程示意圖Fig.1 Flow Diagram of Field Dynamic Circulation Device

        2 結(jié)果和討論

        2.1 靜態(tài)阻垢試驗結(jié)果

        靜態(tài)阻垢試驗是一種用來評定阻垢劑優(yōu)劣的常規(guī)試驗方法,具備易于操作、試驗結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)點。在本試驗中以自配水為試驗水樣,試驗溫度控制在40 ℃,試驗時間為48 h,滴定完成的試驗數(shù)據(jù)如表2~表4所示。3種阻垢劑的阻垢率均隨其投加量的增加而上升,表2中JC-660的投加量為2 mg/L時,阻垢率高達84.38%,并且隨著藥劑質(zhì)量濃度升至4 mg/L,阻垢率也達到最高(98.44%)。由表3和表4可知,F(xiàn)的11倍濃縮液和8倍濃縮液在2 mg/L時的阻垢率也分別達到了81.36%和83.33%,并且在質(zhì)量濃度為4 mg/L時達到最高阻垢率(98.31%和95.00%)。因此,JC-660具有與F相當(dāng)?shù)淖韫感阅埽谳^低濃度時更是稍優(yōu)于F。由此可知,自制的JC-660阻垢劑憑借更為低廉的成本和優(yōu)異的阻垢性能在靜態(tài)阻垢試驗中表現(xiàn)更為優(yōu)秀。

        2.2 動態(tài)阻垢試驗

        在動態(tài)阻垢試驗中考察了JC-660在動態(tài)循環(huán)中的阻垢性能,動態(tài)循環(huán)試驗數(shù)據(jù)如表5所示。在表5中,把JC-660投加量分別設(shè)置為2、3、4 mg/L這3組。當(dāng)投加量為2 mg/L、濃縮倍數(shù)K=2.5時,LSI開始表現(xiàn)為結(jié)垢;當(dāng)投加量為3 mg/L、K=3.0時,LSI開始表現(xiàn)為結(jié)垢;當(dāng)投加量為4 mg/L,K=3.0時,LSI開始表現(xiàn)為結(jié)垢。由表中數(shù)據(jù)可知,在相同藥劑濃度的水平下,隨著濃縮倍數(shù)的提高,水質(zhì)表現(xiàn)為結(jié)垢,這是因為阻垢劑在其中實現(xiàn)了非常好的阻垢性能,只有通過濃縮水體的手段實現(xiàn)水中的Ca2+濃度的提高,進而導(dǎo)致LSI>0,才會表現(xiàn)為結(jié)垢。動態(tài)阻垢試驗結(jié)果與靜態(tài)阻垢試驗均證明JC-660阻垢劑擁有非常優(yōu)異的阻垢性能。

        表2 JC-660極限碳酸鹽沉積法試驗結(jié)果Tab.2 Test Results of JC-660 Limit Carbonate Deposition

        表3 F(11倍)極限碳酸鹽沉積法試驗結(jié)果Tab.3 Test Results of F Extreme Carbonate Deposition (11 Times)

        表4 F(8倍)極限碳酸鹽沉積法試驗結(jié)果數(shù)據(jù)Tab.4 Test Results of F Extreme Carbonate Deposition (8 Times)

        表5 反滲透阻垢劑JC-660動態(tài)循環(huán)試驗結(jié)果Tab.5 Dynamic Cycle Test Results of Reverse Osmosis Scale Inhibitor JC-660

        2.3 現(xiàn)場應(yīng)用

        寧夏某煤礦污水處理工藝流程如圖2所示,反滲透系統(tǒng)中反滲透膜采用海德能BW30FR-40,一段為84支膜,二段為42支膜。本系統(tǒng)脫鹽率≥97%,設(shè)計進水量為115 m3/h,設(shè)計產(chǎn)水量為75 m3/h,工作壓力為1.2 MPa,有效膜面積為37 m2。阻垢劑加藥系統(tǒng)主要參數(shù):加藥箱1套,體積為0.5 m3,PE材質(zhì);配2臺藥泵,Q=0~10.1 L/h,P=0.41 MPa,N=0.12 kW。文中對反滲透系統(tǒng)使用阻垢劑JC-660后一年內(nèi)的各項數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,反滲透化學(xué)清洗前、后和運行時的各項數(shù)據(jù)如表6所示。表中各項數(shù)據(jù)均保持在非常穩(wěn)定的狀態(tài),反滲透系統(tǒng)運行正常,說明反滲透系統(tǒng)濃水側(cè)并未出現(xiàn)明顯的結(jié)垢現(xiàn)象,側(cè)面說明JC-660阻垢劑發(fā)揮了非常重要的作用,實現(xiàn)較好的阻垢效果。

        圖2 寧夏某煤礦污水處理廠工藝流程Fig.2 Process Flow of a Coal Mine WWTP in Ningxia

        表6 反滲透化學(xué)清洗前、后和運行時的各項數(shù)據(jù)Tab.6 Data before, after and during Reverse Osmosis Chemical Cleaning

        3 阻垢劑經(jīng)濟性對比

        將阻垢劑JC-660的價格與市面上常見的幾種進口反滲透阻垢劑的價格進行對比,結(jié)果如表7所示。

        由表7可知,自制阻垢劑JC-660在保證不弱于國外進口阻垢劑性能的基礎(chǔ)上,價格方面也較國外進口阻垢劑有著較大的優(yōu)勢,可以幫助企業(yè)極大地降低運營成本。

        表7 JC-660與國外部分進口反滲透阻垢劑價格對比Tab.7 Price Comparison of JC-660 and Some Foreign Imported RO Scale Inhibitors

        4 結(jié)論

        (1)靜態(tài)和動態(tài)試驗表明,JC-660的阻垢率最高可達98.44%,隨著投加濃度的逐漸增加,反滲透阻垢劑阻垢性能逐漸增加。

        (2)在現(xiàn)場實際應(yīng)用中,JC-660阻垢劑發(fā)揮了優(yōu)良的阻垢效果,保證了反滲透系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行。

        JC-660反滲透阻垢劑在靜態(tài)試驗、動態(tài)循環(huán)試驗、現(xiàn)場實際應(yīng)用均表現(xiàn)出了較好的阻垢性能,較好地解決了反滲透運行不穩(wěn)定、濃水側(cè)結(jié)垢明顯、濃水側(cè)氧化鐵污堵物顯著、反滲透產(chǎn)水量一直達不到設(shè)計要求等問題。且該阻垢劑在一定程度上縮小了企業(yè)經(jīng)營成本,提高了企業(yè)生產(chǎn)運行穩(wěn)定性。

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