HYDRACoReTM系列耐氯脱色纳滤膜元件的应用研究

1 前言

耐氯脱色纳滤膜应用于处理色度较高的地下水。此类纳滤膜可优先脱除分子量大于1 000 道尔顿左右的有机物,而对无机盐的透过率相对较高。这种选择透过性最适合低含盐量、高色度和高有机物的水质。与传统聚酰胺RO膜不同,脱色纳滤膜具有耐氯特性,膜表面呈强负电性。

耐氯脱色纳滤膜与其它传统纳滤膜共同进行过现场试验。结果表明,此膜具有高水通量、高脱色率和低硬度脱除率等特点,被选用于产水量为27 800 m3/d的Irvine Ranch水厂。该项目总用膜量为1 300多支,进水色度超过200 CU,产水色度低于5 CU,满足水厂水质要求。此项目是目前最大的设计脱色用途的膜法水厂。

在低压膜开发并能有选择性的脱除无机盐后,膜技术处理不同水源已得到广泛应用。对于产水水质的要求越来越严格,使系统的设计越来越复杂。一般来说, 对RO膜的要求是具有更高的脱盐率。另一方面,一些新的应用要求有选择性地脱除特定溶解物,如硬度、铁、自然有机物(NOM),杀虫剂、三卤甲烷 (THM)、和色度等。在这些项目中,设计要求只想去除特定污染物,且需要保持水中一定的盐分。

传统纳滤膜可以有效地脱除硬度,对二价离子的脱除率达95 %,但对一价离子的脱除率为80 – 90 %。这种膜一般用于硬度为200 – 400 mg/L(以CaCO3计)的水源,要求的产水硬度为70 – 100mg/L(以CaCO3计)。这种纳滤膜对于NOM,THM和铁等的脱除率也很高。但是某些水源硬度和含盐量均不高,只是由于地表水的侵入,或其它因素的影响造成了色度高达100 – 400 CU,如需处理成合格的饮用水必须降低色度至 ≤ 5 CU。

耐氯脱色纳滤膜的开发主要是因为现有的RO和NF膜的脱盐率过高,导致水可能再碳酸化。产水量为27 800 m3/d的 Irvine Ranch水厂需要高脱色、低脱盐的膜。该厂的水源为深井水,含盐量为250 – 500 mg/L,钙13 mg/L,但色度高达250 – 400 CU。此项目采用带强电的磺化聚醚砜膜,此膜在混合离子溶液中,脱盐率较低,特别是对二价阳离子的脱除率很低,但对低分子的有机物脱除率很高。

2 HYDRACoReTM膜的特性

水厂采用的膜为美国海德能公司生产的HYDRACoReTM。膜材质为磺化聚醚砜,比传统的聚酰胺膜更抗污染,清洗恢复性更高,且耐氧化剂耐氯。膜表面带有强负电荷,图1标出了此膜与其它聚酰胺膜相对的表面Zeta电位。在pH = 3 – 11的范围内,HYDRACoReTM膜表面Zeta电位为 – 85 mV。而传统的聚酰胺膜在pH = 3时,电位为+ 10 mV;pH > 6时,电位为 – 20 mV。因为自然有机物中绝大多数为带负电的腐殖酸,可与带强负电的HYDRACoReTM膜产生强烈的排斥作用,从而减少有机物在膜表面的吸附。

 

1 HYDRACoReTM膜表面Zeta电位与其它膜表面Zeta电位的比较

HYDRACoReTM为松散NF膜,因电荷排斥作用,对离子的脱除率不同。不同离子的含量比例会明显影响膜的选择透过性。表10.16为采用平膜做的各种离子的脱除率,测度条件:混合溶液含盐量2 000 mg/L,pH = 6.5,进水压力1.0 MPa,温度25 ℃。

如表1所示,HYDRACoReTM对NaCl的脱除率为50 %,而对Na2SO4的脱除率为90 %,这是因为二价SO42-与膜表面的排斥作用比一价Cl-与膜表面的排斥作用强烈。相反地,二价阳离子与膜表面的电荷相吸作用较一价阳离子强,因此HYDRACoReTM对NaCl的脱除率为50 %时,对CaCl2的脱除率仅为12 %。

另外,随着溶液浓度的提高,脱盐率降低。试验表明,对于TDS = 500的地表水,脱盐率为40 %;而对于TDS = 2 000的地表水,脱盐率降到20%。在工业系统中,回收率一般做到80 %以上,浓水被浓缩了4 – 6倍,因此产水的TDS接近于进水TDS。也就是说,采用HydraCoRe的纳滤系统,产水的含盐量变化不大。

1 HYDRACoReTM对不同离子的脱除率

HYDRACoReTM膜的一个优点是pH耐受范围宽,且耐氯。传统聚酰胺膜在余氯存在下,会发生氧化降解,使脱盐率下降。 一般聚酰胺膜的进水余氯值需 < 0.1 mg/L,当聚酰胺膜接触余氯达2 000 mg/L·h时,透盐率增加一倍。因此,在聚酰胺膜的系统中,余氯不能在进水中加入以控制生物污染,也不能用来清洗有机和生物污染。比聚酰胺膜耐余氯性能 好的醋酸纤维素膜浸泡在100 mg/L的NaClO溶液10天后,透盐率增加一倍,余氯耐受能力为24 000 mg/L·h。而HYDRACoReTM膜浸泡到1 000 mg/L的NaClO溶液50天后,脱盐率仍保持不变。因此,HYDRACoReTM膜适合在进水中加入低浓度余氯来控制生特污染或在采用高浓度氯清洗有机污染。

3 Irvine Ranch水厂的现场试验

Irvine Ranch 水厂采用多种纳滤膜进行了现场试验。该厂深井水的TDS为250 mg/L, Ca2+13 mg/L,但TOC高达10 mg/L,色度达200 CU。水处理目的是降低色度到5 CU,但不明显改变离子成份。试验表明,HYDRACoReTM的系统在回收率为80 %以上时,仍能将色度降低到5 CU以下;而且没有明显改变离子成份,含盐量从500 mg/L 降到350 mg/L,Ca2+从13 mg/L降到8.5 mg/L。传统的聚酰胺纳滤膜也可以将色度降到5 CU以下,但产水电导仅为48 μs/cm,Ca2+是0.2 mg/L。这种水需要再碳酸化以提高稳定性,这增加了费用,化学药品和二次污染的机率。

现场试验采用两段系统,试验了5个月,一直保持稳定,化学清洗后能恢复到初始性能。另外,采用现场试验中的三种不同色度和TDS的浓水,在试验室进 行平膜试验。试验压力0.52 MPa,进水温度25 ℃,见图2。试验结果表明,进水色度为450 CU时,产水色度< 1 CU; 进水色度为850 CU时,产水色度为1.5 CU,对有机色素物质的脱除率达99.8 %。进水浓度增加时,脱盐率降低。进水电导为700 μs/cm,脱盐率为61 %;进水电导为800 μs/cm时,脱盐率为55 %。所有试验的水通量为67.8 LMH(40 GFD)。

 

2 HYDRACoReTM膜元件在Irvine Ranch项目中的试验结果

4 Irvine Ranch水厂工业装置

成功进行现场试验后,Irvine Ranch水厂的工业装置确定采用HYDRACoReTM膜,系统设计参数见表10.17。2002年2月系统建成投产。初始运行压力为0.67 MPa,产水量为386 m3/h,进水色度 > 280 CU,产水色度为3 CU左右。运行六个月的数据一直保持稳定,不需要进行化学清洗,部分数据见表10.18。

2 Irvine Ranch工业装置设计参数

项目 排列 水通量 进水TDS 产水TDS 进水压力 总膜数量
设计值 36:18:7 26.3 LMH 365 mg/L 352 mg/L 0.52 MPa 1 300

3 水厂系统运行参数

日期 2月8日 5月5日 8月14日
SDI15 3.7 3.95 N/A
进水浊度,NTU 0.74 0.65 0.77
进水pH值 8.8 7.0 8.1
进水温度,℃ 32.8 31.9 31.9
进水电导,μs/cm 570 592 637
产水电导,μs/cm 527 535 537
进水色度,CU 342 235 238
产水色度,CU 3 2 2
一段进水压力,MPa 0.70 0.66 0.62
二段进水压力,MPa 0.52 0.49 0.46
一段进水压力,MPa 0.39 0.37 0.34
浓水压力,MPa 0.27 0.04 0.23
进水流量,m3/h 420.9 420.3 415.2
产水流量,m3/h 386.3 386.9 382.0

5 HYDRACoReTM的应用前景

HYDRACoReTM的独特性能使其适合多种用途。例如,现在实际应用的有脱除低TDS地下水中的杀虫剂,脱除率与杀虫剂的成份和分子量大小相关。其它应用包括染料的浓缩;果汁或纸业的色素提纯;糖类、酱油脱色等。其它如常规的脱除分子量大于1 000道尔顿的有机物的应用。

6 结论

HYDRACoReTM膜具有低脱盐率、高有机物脱除率的特点,适用于低TDS水源的饮用水脱色处理。通过现场试验,成功应用于27 800 m3/d的水厂。