双级纳滤中压力条件对苦咸水脱盐淡化的影响_胡艳芬

【摘 要】本研究采用双级纳滤技术对苦咸水进行脱盐淡化，探究一级纳滤和二级纳滤不同的压力条件，对纳滤膜通量、钙离子、硫酸根离 子、氯离子、总硬度的影响。 研究得出，一级纳滤工作压力保持在 1.0-1.1MPa，二级纳滤工作压力保持在 0.6-0.8MPa，可取得理想的淡化效果。
【关键词】苦咸水；脱盐淡化；双级纳滤 Influence of Pressure on Brackish Water Desalination in Dual-Stage Nanofiltration HU Yan-fen1，2 WANG Chang1 LI Lin1
本课题以天津市苦咸水为研究对象， 采用纳滤膜进行脱盐淡化， 使淡化后的水可用作绿化用水，扩大了苦咸水的应用领域。
续系统稳定运行，充分发挥了预处理的作用。 预处理采用一台水泵提 供动力，多介质过滤器、活性碳过滤器、PP 过滤器、超滤依次串联的形 式，既节约了成本，又降低了能耗。
2 压力条件对一级纳滤的影响
图 4 一级纳滤工作压力对硫酸根离子截留率的影响曲线
Fig.4
Influence
of
first-stage
pressure
on
SO
24
removal
rate
图 6 一级纳滤工作压力对总硬度去除率的影响曲线 Fig.6 Influence of first-stage pressure on total hardness removal rate
3 压力条件对二级纳滤的影响
由于二级纳滤是以一级纳滤产水为原水的，含盐量等水质指标大 大优于一级纳滤，水质发生重大改变，因此操作参数与一级纳滤相比 会有重大变化。 图 7、图 8、图 9、图 10、图 11 分别表示工作压力对膜通 量的影响以及对钙离子、硫酸根离子、氯离子、总硬度去除率的影响。
从图中可以看出， 二级工作压力达到 0.8MPa 时， 产水通量达到 6.7l/m2/h，略 高 于 纳 滤 膜 正 常 使 用 参 数 ，因 此 控 制 二 级 纳 滤 膜 的 工 作 压 力 在 0.8MPa 左 右 ；当 二 级 纳 滤 工 作 压 力 达 到 0.6MPa 时 ，钙 离 子 去 除率达到 92%，高于一级纳滤的 88%；硫 酸 根 离 子 更 不 容 易 透 过 纳 滤 膜， 所以相同操作条件下硫酸根离子脱除率稍高于钙离子脱除率；一 级纳滤工作压力达到 1MPa 时氯离子脱除率为 78%，而二级纳滤工作 压力仅为 0.8MPa 时，氯离子脱除率已达到 89%，可使产水氯离子含量 降低到 200mg/L 以下。
pressure
1 技术路线的确定
针对苦咸水的实际水质以及产水用途，经过大量小试研究以及工 艺的不断优化，最终确定了以双级纳滤为主的苦咸水脱盐淡化处理工 艺。 见图 1。
图 2 一级纳滤工作压力对产水通量的影响 Fig.2 Influence of first-stage pressure on flux
图 1 苦咸水双级纳滤脱盐淡化流程图 Fig.1 Flow diagram of dual-stage nanofiltration for
在相同的操作条件下，纳滤膜对无机离子的截留率决定于纳滤膜 致密层的荷电性、离子的电荷、离子半径的大小以及进水侧和产水侧 的浓度差，与操作压力没有直接关系。 一方面，随着工作压力的提高， 净驱动力（进水压力与渗透压之差）不断增大，根据溶解-扩散模型，膜 通量会增大，对产水侧钙离子起到稀释作用，使产水侧钙离子浓度变 小，故钙离子脱除率提高；另一方面，由于稀释作用增强，膜产水侧钙 离子浓度降低，而膜进水侧的钙离子浓度不变，因此膜两侧钙离子浓 度差变大，提高了钙离子透过纳滤膜的速率，使产水中钙离子浓度提 高，而且膜两侧的浓差极化作用增强，导致纳滤膜的钙离子脱除率降 低。 在操作压力比较低时，前一种作用占优势，操作压力过大时，后一 种作用占优势，因此，进水压力提高，纳滤膜的钙离子脱除率先升高， 最终趋于平缓。 2.3 工作压力对硫酸根离子去除率的影响
0 引言
我国是一个淡水资源缺乏的大国，但有丰富的苦咸水资源，传统 的苦咸水淡化技术能耗大、成本高，且产生二次污染，阻碍了苦咸水资 源的大规模开发，因此开发新的苦咸水脱盐淡化非常重要[1-3]。 双级纳 滤是具有国际领先水平的苦咸水淡化技术，具有能耗小、成本低、无污 染等优势，但在国内尚无实际工程上的应用。 因此，开发双级纳滤苦咸 水淡化技术，制取符合标准的生活饮用水和城市杂用水是当前迫切需 要 解 决 的 问 题 ，对 于 解 决 水 资 源 短 缺 具 有 重 要 意 义 [4-6]。
brackish water desalinaቤተ መጻሕፍቲ ባይዱion
本工艺包括预处理系统和双级纳滤系统，以双级纳滤为主，预处 理 为 辅 。 预 处 理 由 多 介 质 过 滤 、活 性 碳 过 滤 、PP 过 滤 、超 滤 等 装 置 组 成，主要作用是对水源进行初步净化，并使水质达到纳滤膜进水标准。 双级纳滤是工艺路线的核心，对苦咸水进行脱盐淡化，使含盐量、总硬 度等指标降低到相应标准之内。
由图 4 可以看出，随着一级纳滤工作压力的提高，同钙离子脱除率 类似，纳滤膜对硫酸根离子的脱除率不断升高。 当工作压力比较低时， 硫酸根离子脱除率呈直线式增长，但是脱除率很低；工作压力继续提高 时，硫酸根离子脱除率继续增长，最终趋于平缓。 一级纳滤工作压力达 到 1.0MPa 时，硫酸根离子脱除率稳定在 95%左右。 硫酸根离子与钙离 子均为二价离子，但硫酸根带负电荷，钙离子带正电荷，纳滤膜表面负 电荷有阻止负价离子透过膜的作用。 因此硫酸根离子更不容易透过纳 滤膜，使得相同操作条件下硫酸根离子脱除率稍高于钙离子脱除率。 2.4 工作压力对氯离子去除率的影响
由图 5 可以看出，随着一级纳滤工作压力的提高，同硫酸根离子 脱除率类似，纳滤膜对氯离子的脱除率不断升高。 当工作压力比较时， 氯离子脱除率呈直线式增长，但是脱除率很低；工作压力继续提高时， 氯离子脱除率继续增长， 最终趋于平缓。 一级纳滤工作压力达到 1.0MPa 时，氯离子脱除率稳定在 78%左右。
预 处 理 的 工 作 机 理 是 截 留 和 吸 附 作 用 ， 因 此 对 可 溶 解 的 COD、 TDS（含盐量）没有截留率，见表 1。
表 1 预处理进出水水质
项目
原水
预处理出水
浊 度 /NTU
5-11
＜0.5
SDI
4-6
＜2
COD/mg/l
18-50
18-50
TDS/mg/l
10500-14000
图 8 二级纳滤工作压力对钙离子去除率的影响曲线 Fig.8 Influence of second-stage pressure on Ca2+ removal rate
影响无机离子去除率的因素中，离子半径最重要，与是二价阴离 子的硫酸根离子相比， 一价阴离子的氯离子离子半径小于硫酸根，因 此氯离子脱除率远小于硫酸根。 钙离子、硫酸根离子、氯离子三种离子 相比，纳滤膜对二价离子脱除率大于一价离子，对阴离子脱除率大于 阳离子，图 2、图 3、图 4 中离子脱除率硫酸根离子＞钙离子＞氯离子很 好地反应了这一规律。 2.5 工作压力对总硬度去除率的影响
图 7 二级纳滤工作压力对纳滤膜通量的影响曲线 Fig.7 Influence of second-stage pressure on flux
图 5 一级纳滤工作压力对氯离子截留率的影响曲线 Fig.5 Influence of first-stage pressure on Cl- removal rate
由图 6 可以看出，随着一级纳滤工作压力的提高，纳滤膜对总硬 度（以碳酸钙计）的脱除率不断升高，变化趋势同钙离子脱除率类似，一 级纳滤工作压力达到 1.0-1.2MPa 时，总硬度脱除率稳定在 96%左右。
图 9 二级纳滤工作压力对硫酸根离子去除率的影响曲线
Fig.9
Influence
of
second-stage
10500-14000
当操作压力比较低时，不能克服原水本身的渗透压，纳滤膜通量 增长缓慢而且通量很低；一旦克服了渗透压，膜通量会随着进水压力 的变大而迅速提高，几乎呈直线式增长；另一方面，由于目前纳滤膜都 是非对称膜，表面致密层和底部支撑层抗压能力不一致，因此当进水 压力过大时，水流对纳滤膜的压密作用越大，纳滤膜浓水侧的浓差极 化现象越明显，使水的透过系数 Lp 减小，最终导致纳滤通量增大趋势 变缓[7]。 另外，随着进水压力的提高，高压泵的能耗也会相应增大。 因此 从纳滤膜通量的增长曲线以及节能方面考虑，一级纳滤膜的工作压力 控制在 0.9-1.1MPa 范围内比较合适。 2.2 工作压力对钙离子去除率的影响
(1.College Marine of Science and Engineering, Tianjin Science and Technology, Tianjin, 300457, China ； 2.Alashan Left Banner Environmental Protection Bureau, Alashan Left Banner Inner Mongolia, 750300, China) 【Abstract】Dual -stage nanofiltration for brackish water desalination was adopted in this study, and the influence of different pressures on nanofiltration membrane flux, calcium, sulfate, chloride ion, total hardness were researched. Experimental results showed that nanofiltration membrane for desalination can achieved ideal effect when the first-stage pressure was kept between 1.0-1.1MPa and the second-stage was 0.6-0.8MPa. 【Key words】Brackish water；Desalination；Dual-stage nanofiltration