唐小東，姚 磊，孫建清

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海200011）

0 引 言

反滲透膜因具有良好的物理性質(zhì)和分離效果而廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、海水淡化和環(huán)保等領(lǐng)域中。反滲透技術(shù)在海水淡化處理方面具有優(yōu)異的性能，船舶獲取的飲用水一般都采用反滲透裝置處理。對(duì)一級(jí)反滲透裝置的出水水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，部分測(cè)試項(xiàng)目的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，運(yùn)行參數(shù)：進(jìn)水TDS為35 000 mg／L；海水溫度為15℃；操作壓力為5.0 MPa。

表1 一級(jí)反滲透裝置出水水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果

我國(guó)城市自來(lái)水和礦泉水的TDS檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 我國(guó)城市自來(lái)水和礦泉水的TDS檢測(cè)結(jié)果

從表1中可看出，一級(jí)反滲透出水的硼含量為0.939 mg／L，超過(guò)了《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的限值0.5 mg／L。對(duì)比表1與表2可知，一級(jí)反滲透的出水TDS高于城市和礦泉水的TDS，需對(duì)一級(jí)反滲透的出水進(jìn)行二級(jí)反滲透處理，并開(kāi)展相關(guān)條件下的控制研究。

開(kāi)展該試驗(yàn)的目的主要是研究二級(jí)反滲透裝置的進(jìn)水壓力與濃水回流量同產(chǎn)水流量和TDS之間的關(guān)系，從而為裝置設(shè)計(jì)提供依據(jù)；同時(shí)，通過(guò)進(jìn)一步對(duì)比脫硼效果，驗(yàn)證二級(jí)反滲透處理對(duì)保障船舶生活飲用水安全的必要性。

1 試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)流程

根據(jù)實(shí)船應(yīng)用狀態(tài)進(jìn)行模擬，設(shè)計(jì)的反滲透海水淡化試驗(yàn)裝置主要由高壓泵、增壓泵、用于添加還原劑和阻垢劑的加藥泵、保安過(guò)濾器、膜組件、原水箱、產(chǎn)水箱，以及相應(yīng)的管路和閥門(mén)等附件組成。反滲透裝置試驗(yàn)流程見(jiàn)圖1。

圖1 反滲透裝置試驗(yàn)流程

采用此套試驗(yàn)裝置處理的海水和二級(jí)反滲透裝置的部分參數(shù)如下：

1）海水TDS約為35 000 mg／L；

2）海水溫度為0～40℃；

3）產(chǎn)水量為20 m／d；

4）脫鹽率大于等于98%；

5）回收率為74%～89%；

6）膜類型為芳香聚酰胺類RO膜；

7）有效膜面積為34 m。

2 二級(jí)反滲透裝置試驗(yàn)內(nèi)容

2.1 操作壓力對(duì)二級(jí)產(chǎn)水和TDS的影響

為研究反滲透裝置的進(jìn)水壓力與產(chǎn)水流量和TDS之間的關(guān)系，在試驗(yàn)中保證進(jìn)水流量、進(jìn)水TDS、進(jìn)水溫度和濃水回流量為定值，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。進(jìn)水流量為14 L／min；進(jìn)水TDS為233～235 mg／L；進(jìn)水溫度為24.7～24.9℃；濃水回流量為6 L／min。表觀回收率為產(chǎn)水流量與進(jìn)水流量的比值。

圖2 二級(jí)產(chǎn)水流量和表觀回收率隨操作壓力的變化曲線

從圖2中可看出：當(dāng)操作壓力為0.89～1.05 MPa時(shí)，產(chǎn)水流量能達(dá)到10.2～12.2 L／min，且操作壓力與產(chǎn)水流量之間呈正相關(guān)關(guān)系，產(chǎn)水的表觀回收率在74%～89%，說(shuō)明控制操作壓力可達(dá)到80%的回收率要求。

由于二級(jí)反滲透裝置存在回流裝置，因此進(jìn)入反滲透膜的流量為進(jìn)水流量與濃水回流量之和，這是反滲透裝置進(jìn)膜的實(shí)際流量，反滲透裝置的實(shí)際回收率會(huì)低于表觀回收率。實(shí)際回收率為產(chǎn)水流量與進(jìn)水流量和濃水回流量之和的比值。二級(jí)產(chǎn)水流量和實(shí)際回收率隨操作壓力的變化曲線見(jiàn)圖3。從圖3中可看出：操作壓力與產(chǎn)水流量之間也呈正相關(guān)關(guān)系，但二級(jí)反滲透的實(shí)際回收率為52%～62%。由于裝置是3支膜串聯(lián)的，因此單支膜的實(shí)際平均回收率為17%～21%，低于陶氏設(shè)計(jì)導(dǎo)則規(guī)定的30%的最大回收率。

圖3 二級(jí)產(chǎn)水流量和實(shí)際回收率隨操作壓力的變化曲線

二級(jí)產(chǎn)水TDS和表觀脫鹽率隨操作壓力的變化曲線見(jiàn)圖4。從圖4中可看出：當(dāng)操作壓力為0.89～1.05 MPa時(shí)，產(chǎn)水TDS在6～10.5 mg／L，低于標(biāo)準(zhǔn)GB 5749—2006的要求，說(shuō)明鈉離子的含量低于50 mg／L，作為飲用水不會(huì)有味道，同時(shí)操作壓力的變化對(duì)產(chǎn)水TDS質(zhì)量濃度基本上沒(méi)影響。產(chǎn)水TDS的表觀脫鹽率在95.5%～97.5%，說(shuō)明二級(jí)反滲透的整體脫鹽率較高。

圖4 二級(jí)產(chǎn)水TDS和表觀脫鹽率隨操作壓力的變化曲線

二級(jí)反滲透裝置存在回流裝置，因此進(jìn)入反滲透膜的混合水TDS是進(jìn)水TDS與濃水回流TDS混合形成的。根據(jù)進(jìn)出水TDS總量守恒，在已知進(jìn)水流量、進(jìn)水TDS、產(chǎn)水流量、產(chǎn)水TDS和濃水回流量等數(shù)據(jù)的情況下，可求出進(jìn)入反滲透膜的實(shí)際TDS，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5?？芍憾?jí)反滲透的實(shí)際進(jìn)水TDS在430～785 mg／L，實(shí)際脫鹽率在98.5%～98.8%，略高于表觀脫鹽率。

圖5 二級(jí)產(chǎn)水TDS和實(shí)際脫鹽率隨操作壓力的變化關(guān)系

由于現(xiàn)實(shí)中更加注重反滲透裝置的表觀數(shù)據(jù)，因此后續(xù)分析不再考慮反滲透裝置的實(shí)際回收率和脫鹽率，只考慮表觀回收率和脫鹽率。

2.2 濃水回流量對(duì)二級(jí)產(chǎn)水和TDS的影響

為研究反滲透裝置的濃水回流量與產(chǎn)水流量和TDS的變化關(guān)系，在試驗(yàn)中保證進(jìn)水流量、進(jìn)水TDS、進(jìn)水溫度和操作壓力為定值，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。進(jìn)水流量為14 L／min；進(jìn)水TDS為239 mg／L；進(jìn)水溫度為25.4℃；操作壓力為1.0 MPa。

圖6 產(chǎn)水流量和TDS隨濃水回流量的變化關(guān)系

從圖6中可看出：在進(jìn)水條件不變的情況下，濃水回流量增加使產(chǎn)水流量略有增加，這是由于濃水回流量增加導(dǎo)致進(jìn)入反滲透膜的進(jìn)水流量增加，在相同的操作壓力下導(dǎo)致產(chǎn)水流量增加，產(chǎn)水流量的取值范圍在11.6～11.9 L／min。濃水回流量增加使產(chǎn)水TDS也略有增加，這是由于濃水回流量增加導(dǎo)致進(jìn)入反滲透膜的混合水中的TDS增加，產(chǎn)水TDS隨之增加，產(chǎn)水TDS的質(zhì)量濃度的取值范圍為8～10 mg／L。總體來(lái)說(shuō)，濃水回流比對(duì)產(chǎn)水流量和產(chǎn)水TDS的影響很小。

2.3 反滲透裝置脫硼研究

人們每天會(huì)從食物和飲用水中攝入1～3 mg硼，雖然硼是植物生長(zhǎng)必需的微量元素，但人過(guò)量攝取會(huì)引起惡心、頭痛、腹瀉和肝臟損害，甚至?xí)劳?。因此，去除水源中的硼是極其必要的。標(biāo)準(zhǔn)GB 5749—2006規(guī)定硼含量的上限為0.5 mg／L。

由于硼在水中常以硼酸分子的形式存在，直徑小，且不帶電荷，因此其很容易透過(guò)反滲透膜達(dá)到產(chǎn)水側(cè)，溫度對(duì)硼的脫除率的影響很大。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定不同溫度下一級(jí)反滲透裝置和二級(jí)反滲透裝置的脫硼效果，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 反滲透產(chǎn)水中硼含量隨進(jìn)水溫度的變化

從表3中可看出：隨著溫度的升高，反滲透裝置的產(chǎn)水中硼含量逐漸上升。當(dāng)海水溫度小于15℃時(shí)，一級(jí)反滲透裝置的產(chǎn)水中硼含量低于0.5 mg／L；當(dāng)海水溫度大于15℃時(shí)，一級(jí)反滲透裝置的產(chǎn)水中硼含量為0.6～0.9 mg／L，超過(guò)了《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的限值0.5 mg／L；當(dāng)海水溫度在10.3～26.1℃時(shí)，二級(jí)反滲透裝置的產(chǎn)水中硼含量在0.2～0.4 mg／L，滿足飲用水的要求。因此，在船舶海水淡化方面，必須對(duì)一級(jí)反滲透裝置的產(chǎn)水進(jìn)行二級(jí)反滲透處理，只有如此才能使飲用水安全得到保障。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)二級(jí)反滲透裝置進(jìn)行多次試驗(yàn)研究，主要得到以下結(jié)論：

1）反滲透裝置的操作壓力與產(chǎn)水流量呈正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)操作壓力為0.89～1.05 MPa時(shí)，產(chǎn)水流量能達(dá)到10.2～12.2 L／min，產(chǎn)水TDS在6～10.5 mg／L，鈉離子的質(zhì)量濃度低于50 mg／L，相比一級(jí)反滲透裝置的出水中TDS的質(zhì)量濃度400 mg／L和鈉離子的質(zhì)量濃度120 mg／L，二級(jí)反滲透裝置的出水水質(zhì)更好。

2）二級(jí)反滲透裝置的濃水回流對(duì)產(chǎn)水流量和TDS的影響較小，濃水回流量在3～7 L／min，產(chǎn)水流量在11～13.5 L／min，產(chǎn)水TDS保持在8～9.5 mg／L，滿足產(chǎn)水水量和飲用水TDS的要求。

3）在除硼效果方面，一級(jí)反滲透裝置不能達(dá)到要求，經(jīng)過(guò)二級(jí)反滲透處理的產(chǎn)水硼含量能滿足限值0.5 mg／L的要求。溫度對(duì)硼的去除率的影響很大。當(dāng)海水溫度大于15℃時(shí)，一級(jí)反滲透裝置的產(chǎn)水中硼含量大于0.5 mg／L，不滿足要求；當(dāng)溫度在10.3～26.1℃范圍內(nèi)時(shí)，二級(jí)反滲透裝置的產(chǎn)水中硼含量在0.2～0.4 mg／L，符合飲用水標(biāo)準(zhǔn)的要求。