渭河电厂反渗透阻垢剂阻垢性能研究

李周平

摘要：阻垢剂因具有一定的阻垢性能而被广泛应用于发电厂反渗透水处理技术中。本研究通过设计静态及动态试验，分析评价大唐渭河电厂提供的反渗透阻垢剂的阻垢性能。结果表明，影响阻垢剂效果的影响因素顺序为pH>阻垢剂剂量>温度；三种影响因素随运行时间的增加，阻垢率均呈降低趋势；阻垢剂最佳运行条件为15℃、pH=7.94的试验条件，阻垢剂剂量的最佳剂量为4mg/L；通过扫描电镜对比分析可知，加入阻垢剂后膜表面结晶程度降低，不易结垢。该结果可为发电厂反渗透水处理运行中反渗透阻垢剂的筛选提供一定技术参考。

关键词：反渗透阻垢剂；阻垢剂剂量；静态试验；动态试验

Abstract：Scale inhibitor has been extensively used in reverse osmosis water treatment technology of power plant because of its scale inhibition performance.This study was aimed to evaluate the scale inhibition performance of reverse osmosis inhibitors provided by Datang Weihe power Plant by analyzing static and dynamic tests.The results demonstrate that the influencing factors of the effect of scale inhibitor are pH> scale inhibitor dose > temperature.Three kinds of influencing factors were reduced with the increase of the running time.The optimum operating condition of scale inhibitor is 15 ℃ and pH=7.94 test condition， and the optimum dosage of scale inhibitor is 4mg/L；After scanning electron microscope， the surface crystallinity of the film is decreased and the fouling is not easy to scale.The results can provide some technical reference for screening antiosmosis scale inhibitor in reverse osmosis water treatment operation of the power plant.

Key words： Scale inhibitor；scale inhibitor dose；static tests；dynamic tests

反渗透除盐技术目前广泛应用于电力、化工、水处理等产业中，与传统水处理技术相比，反渗透技术除盐效率高并且更加环保[13]。但该技术在生产实践中却存在膜污染、产水率低、运行成本高等问题[46]；其中膜污染是反渗透除盐技术中最严重的问题，膜污染也限制了反渗透技术的发展。因此针对膜污染问题，目前一般采取加入反渗透阻垢剂进行膜污染防治，并达到提高产水率的目的[79]。因此反渗透阻垢剂阻垢性能的优劣对于反渗透膜材料的除盐具有重要意义。本研究结合大唐渭河电厂的工程实际，对电厂选用的反渗透阻垢剂分别进行了静态、动态阻垢试验，对其阻垢性能进行了评价，并在此基础上提出了最佳的运行方案，为生产实际提供技术参考。

一、材料与方法

反渗透阻垢剂为大唐渭河电厂提供，本批次试剂化学成分如表1所示：

主要检测指标：

（1）碳酸钙过饱和值，计算见式（1）：

S=CCa2+CCO2-3Ksp（1）

（2）反渗透阻垢剂的阻垢率，阻垢率的计算见式（2）：

Y=x2-x0[]x1-x0×100%（2）

式中：

Y为阻垢剂的阻垢率%；

X2为加阻垢剂后水样中Ca2+离子浓度mg/L；

X1为水样中Ca2+离子浓度mg/L；

X0为不加阻垢剂，静置后水样中Ca2+离子浓度mg/L。

研究分静态试验及动态试验两阶段，分别通过以上指标进行阻垢剂阻垢性能的考察，静态试验依据DL/T12612013进行，动态试验通过模拟现场操作进行。

静态试验方法：

静态试验装置如图1所示。装置中包含恒温搅拌磁力装置，可调节转速、温度；同事通过电导率仪、pH测定仪等仪器可实时进行水样的水质监测，监测pH或电导率等多项指标。

考察为获得静态条件下电厂水质中的阻垢剂性能及影响因素，静态试验首先做阻垢剂剂量、温度及pH值的正交试验，在正交试验的基础上做细化试验。不同因素、水平的正交表见表2：

动态试验方法：

动态试验模拟装置如图2所示。装置由三部分构成，分别为超滤及泵等前处理部分、反滲透膜元件部分、恒温水槽及水箱部分。其中反渗透膜组件型号为AC50，生产商为美国culligan公司。

动态试验以全循环模式运行， 即使装置在一定的回收率下，浓排水和产水全部回流至原水箱。在不同剂量、温度及pH的条件下，通过测量原水箱、浓排水中结晶离子Ca2+离子浓度变化，考察在该回收率下阻垢剂的阻垢效果。

二、结果与讨论

（一）静态试验

静态试验结果以碳酸钙的过饱和度值S作为判断依据，通过试验，计算其S值，S值越大，阻垢剂抑制碳酸钙的性能越好。根据表2进行设计试验，结果见表3所示。

由表3可知，不同试验条件下，对碳酸钙的过饱和度值影响较大，通过试验结果分析可知，pH条件对R值的影响最大，R值为110；温度对R值的影响最小，为38.54；而R值直接反映了对碳酸钙的过饱和度值的影响程度，因此在试验条件下，影响阻垢效果的顺序是pH>阻垢剂剂量>温度。

根据正交试验的结果，结合渭河电厂水质及运行条件，选取温度15℃、pH为7.94的试验条件，做阻垢剂剂量对阻垢效果的影响试验，试验结果见表4。

由表4可知，结合渭河电厂水质及运行条件，15℃、pH=794的试验条件，阻垢剂剂量的最佳剂量为4mg/L。

（二）动态试验

1.阻垢剂的剂量对阻垢性能的影响

模拟现场实际运行工况，在75%回收率，15℃、pH7.5的试验条件向配制的模拟溶液中分别加入剂量为2mg/L、3mg/L、4mg/L、5mg/L、6mg/L和7mg/L的阻垢剂，测试运行过程中原水箱、浓排水中结晶离子Ca2+离子量，计算阻垢剂的阻垢率。运行时间为72h，同时做空白对比试验。图3为不同阻垢剂剂量下阻垢率随动态反应时间的变化曲线。

由图3可知，阻垢剂剂量对阻垢效果影响较大，随着阻垢剂剂量的增加，阻垢效果开始明显增加，当投加量为4mg /L时，阻垢率增至93%，随后阻垢率增长缓慢。这可能是随着阻垢剂剂量的增加，提高了阻垢剂与Ca2+络合增溶作用，对CaCO3晶体的溶解度也随之增大，从而提升了阻垢率，但当投加量超过其阈值浓度时，溶解沉淀平衡会向沉淀侧移动，阻垢率略有下降但仍维持较高水平。

2.pH值对阻垢剂性能的影响

pH值会影响 CaCO3的生成速率和在水中的溶解度，从而会直接影响到阻垢剂的阻垢效果。

由饱和指数LSI=pHrpHs知：

pH降低导致LSI指数的下降，结垢趋势降低。

本试验在75%回收率，15℃、4mg/L剂量的试验条件下，用盐酸氯化钾、氨氯化铵缓冲溶液调节pH值，分别测试pH值为6.0、7.0、7.5、8.0、8.5、9.0时阻垢剂的阻垢率，运行时间为 72 h，同时做空白对比试验。图4为不同pH值条件下阻垢率随动态反应时间的变化曲线。

由图4可知，当 pH 值为6 时阻垢率最高；在 pH 值在 6～8 时，阻垢率下降缓慢；当pH>8 后，阻垢率下降开始加快；pH>8.5 后阻垢率下降得更明显；当 pH=9 时，阻垢率均仅54%。主要原因可能是由于pH值增加，碳酸钙的生成速度提高，而阻垢剂在高pH值的条件下不稳定，影响了阻垢剂的使用效果，使得阻垢效率下降。由此可知pH值可以有效地控制结垢的发生。

3.温度对阻垢剂性能的影响

本试验在75%回收率，4mg/L剂量和pH7.5的试验条件下，分别测试15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃时阻垢剂的阻垢率，运行时间为 72 h，同时做空白对比试验。图5为不同温度条件下阻垢率随动态反应时间的变化曲线。

由图5可知，阻垢率随着温度的升高而下降。当温度在15℃～25℃范围内时，阻垢率下降较缓慢；原因一方面可能是由于温度升高，阻垢剂吸附于CaCO3晶核表面的能力下降，CaCO3生成速度增加所致。另一方面，温度较高时，阻垢剂容易水解，影响了药剂的使用效果，从而导致阻垢效率下降。

4.反渗透膜材料的SEM

为了研究反渗透装置膜表面的结垢情况，每一周期动态试验的同时均进行了空白对比试验。

动态试验结束后，对加阻垢剂和未加阻垢剂的反渗透膜表面进行分析。

动态试验监测可知，阻垢剂的加入使得膜材料本身几乎不能在短时间结垢。

图6为未加阻垢剂和加入阻垢剂动态试验后反渗透膜表面的对比试验，通过图6可见，动态试验后未加阻垢剂及加入阻垢剂的两组试验，反渗透膜表面的结垢程度并不明显，只存在个别区域，膜表面并无大面积垢产物，其中a图中下方的黑色污渍为膜壳与膜材料接触摩擦后产生的物质。由于结垢物质存在于膜材料的两端及RO膜的边缘区域，因此需要收集膜材料表面的垢样成分。

图7为碳酸钙空白晶体的SEM照片，从中可看出碳酸钙晶体的形状多为规则的立方体，晶体结构紧密，表面光滑，且体积比较大，晶型尺寸在1020μm之间，空白垢样主要以方解石为主。图8为加阻垢剂后的碳酸钙晶体SEM照片，从中明显可以看出加了阻垢剂的碳酸钙垢由原来规则的立体形状变为毫无规则的片状，结构松散，形成碎片，有些方解石形状上没有变化但是晶体变小，说明阻垢剂I在阻碳酸钙垢时，药剂没有完全吸附在CaCO3；晶粒活性增长点上，有些晶型没有发生变化，但是可以看出大多数晶型被扭曲，说明具有良好的阻垢性能。

三、结论

通过对大唐渭河电厂应用的反渗透阻垢剂进行静态试验及动态试验，分析了阻垢剂的阻垢性能。静态试验结果表明，影响阻垢效果的影响因素顺序是pH>阻垢剂剂量>温度；结合渭河电厂水质及运行条件，15℃、pH=7.94的试验条件，阻垢剂剂量的最佳剂量为4mg/L。动态试验进一步分析了三种影响因素对阻垢性能的影响，并通过扫描电镜对比分析加入阻垢剂后膜表面垢产物的表面形态，证明了加入阻垢剂后运行中反渗透材料具有良好的阻垢性能。

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