水質(zhì)反滲透膜處理技術(shù)模擬試驗研究

目前，反滲透膜應(yīng)用是解決干旱和半干旱地區(qū)水含鹽量過高的最有效、最現(xiàn)實的方法。反滲透膜應(yīng)用的前處理過程包括緩沖沙過濾處理、離子交換處理和非過濾處理。根據(jù)之前的試驗研究，目前應(yīng)用的抗?jié)B透膜技術(shù)處理中，高含鹽量的反滲透膜回水率約為80%。一定程度上，這種回水率必然會造成大量寶貴的水量浪費。提高反滲透膜回水率的主要問題是，當(dāng)含鹽量溶液處理后繼續(xù)脫水到一定水平時，高含量和微溶解的陰離子離子在反滲透膜表面形成沉淀和污垢，防止進(jìn)一步的水反滲透力通過反滲透膜繼續(xù)發(fā)展。降低過濾水的出水量，損害反滲透膜的結(jié)構(gòu)和功能。當(dāng)前提高反滲透膜回水率、提升反滲透膜效率的重要途徑之一就是阻止超飽和鹽分在反滲透膜表面的結(jié)垢.析出時間指的是超飽和的、將形成鹽分結(jié)垢的溶解態(tài)的鹽離子,從其達(dá)到超飽和濃度到實際結(jié)垢析出所經(jīng)過的時間.如果析出時間較長,則即使鹽分離子濃度達(dá)到超飽和濃度,也不會在處理時間內(nèi)析出結(jié)垢11.1實驗介質(zhì)及儀器本研究旨在探索阻垢劑(結(jié)垢抑制劑)對超飽和溶解鹽離子析出時間的影響.選取鈣離子和二價硫酸根離子作為實驗介質(zhì),即析出結(jié)垢體主要為石膏粒子(二水合硫酸根).實驗使用非接觸式物理攪拌混勻裝置,排除實驗?zāi)繕?biāo)外的可能的結(jié)晶體(雜質(zhì)),實驗使用電導(dǎo)儀、分光光度儀及相關(guān)儀器測量溶液導(dǎo)電率、吸光度等與結(jié)晶析出過程緊密相關(guān)的物理化學(xué)指標(biāo).1.21.2.1試驗設(shè)備可見光分光光度儀:722N.電導(dǎo)率儀:奧豪斯ST300C/B.IKA磁力攪拌器:RCTbasicpackage11.2.2試驗材料氯化鈣、硫酸鈣均使用化學(xué)純度(99%),阻垢劑使用Flocon1351.3增加微溶鹽離子ca超飽和溶液制備效果必須盡可能使兩種溶液形成的微溶鹽離子(Ca1.4極限斜率參數(shù)的確定在兩個類型試驗條件下進(jìn)行析出時間測定:(1)空白條件下(不加阻垢劑),進(jìn)行多組試驗,溶液超飽和度分別為:18.60倍、12.02倍、10.44倍、8.91倍、8.18倍.其中18.60倍超飽和度溶液試驗被用于測試計算極限斜率參數(shù);(2)18.60倍超飽和度條件下,對兩種阻垢劑Flocon135?和PT100?分別設(shè)置0mg/L、、0.25mg/L、0.5mg/L以及1mg/L濃度,測定析出時間.1.5結(jié)晶產(chǎn)出時間對吸光度-時間曲線進(jìn)行描述.通過適用的指數(shù)曲線對每次實驗的數(shù)據(jù)進(jìn)行遞歸處理.通過指數(shù)曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式的各項參數(shù),確定每次曲線公式的斜率.設(shè)置“極限斜率”概念來計算結(jié)晶析出時間.多次試驗數(shù)據(jù)均值及標(biāo)準(zhǔn)差作為結(jié)晶析出時間結(jié)果及試驗誤差描述.根據(jù)多次試驗測算結(jié)果,選取數(shù)據(jù)點分布最順暢、最規(guī)律的試驗條件下(18.6倍超飽和度)硫酸鈣溶解鹽離子結(jié)晶沉淀過程,作為研究極限斜率的樣本,由此確定的極限斜率數(shù)值將用于后續(xù)各套實驗數(shù)據(jù)的分析.22.1擬合指數(shù)曲線擬合過程基準(zhǔn)試驗條件(0劑量阻垢劑)鈣離子(Ca2+)、硫酸根離子(SO42-)濃度分別為0.5mol/L、0.75mol/L.考慮離子強(qiáng)度對反應(yīng)系數(shù)的影響,設(shè)定Ca2+、SO42-濃度為CaSO4飽和溶解濃度的18.6倍.空白對比溶液中不加入阻垢劑.分光光度儀收集吸收度與時間對應(yīng)關(guān)系如表1及圖1所示.為貼合回歸曲線,反應(yīng)初始0吸收度數(shù)據(jù)未在此圖中顯示.同時剔除超出吸收度范圍數(shù)據(jù).表2為剔除異常數(shù)據(jù)后的實驗結(jié)果.針對上述表2三組實驗數(shù)據(jù)分別通過標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)公式進(jìn)行指數(shù)公式擬合(為使曲線貼合結(jié)果而人為設(shè)定了接近于0吸光度的曲線初始值).圖2為擬合曲線及參數(shù).三組擬合指數(shù)曲線公式分別如下:分別對公式取一階導(dǎo)數(shù)如下:根據(jù)試驗累計結(jié)果選取大概率數(shù)據(jù)開始顯著偏離基準(zhǔn)線(吸光度=0)點位.第1條曲線x根據(jù)試驗累計結(jié)果,第2條曲線數(shù)據(jù)大概率開始顯著偏離基準(zhǔn)線(吸光度=0)點位為x根據(jù)試驗累計結(jié)果,第3條曲線數(shù)據(jù)大概率開始顯著偏離基準(zhǔn)線(吸光度=0)點位為x取平均值測算極限斜率數(shù)值為1.398×10將極限斜率值分別代入3條曲線一階導(dǎo)數(shù)公式(即最初指數(shù)曲線公式求導(dǎo)dy/dx),并分別計算各條曲線達(dá)到極限斜率時所對應(yīng)的時間值(x)得到對應(yīng)該條斜率曲線的結(jié)晶體析出時間.基于此方法推出多種實驗條件下不同長度析出時間及標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)值.上述3組數(shù)據(jù)結(jié)果如下.x此條件下結(jié)晶體析出時間=(4.7分鐘+4.7分鐘+6.8分鐘)÷3=5.4分鐘,標(biāo)準(zhǔn)差為δ=1.0分鐘.2.2阻垢劑用量對微溶鹽粒子結(jié)晶產(chǎn)出過程的抑制作用上述數(shù)據(jù)分析方法應(yīng)用于本研究全部試驗數(shù)據(jù).測算析出時間的多組實驗數(shù)據(jù)將析出時間作為因變量,對應(yīng)自變量為超飽和倍數(shù)、阻垢劑濃度.實驗選取5組不同超飽和倍數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)性試驗和結(jié)果測算,得出如表3與表4所示的10.44超飽和倍數(shù)條件下初步結(jié)果數(shù)據(jù)及剔除異常數(shù)據(jù)后結(jié)果數(shù)據(jù),以及圖3所示剔除異常數(shù)據(jù)后吸光度與時間關(guān)系.根據(jù)先前測定的極限斜率數(shù)據(jù)1.398×10表6為不同超飽和溶解度倍數(shù)與結(jié)晶析出時間匯總結(jié)果.計算偏差值以+-線表示,每一單位誤差對應(yīng)每一單位標(biāo)準(zhǔn)方差.圖4對應(yīng)表6結(jié)果.結(jié)果顯示,超飽和溶解度鹽離子析出時間隨超飽和度倍數(shù)增加而縮短.結(jié)果同時顯示,在相對較高的超飽和度范圍(10倍及以上)內(nèi),沉淀結(jié)晶析出時間受超飽和程度的影響(Δ時間/Δ超飽和度,即圖4中散點數(shù)據(jù)組成曲線的斜率)相對較小.因此,在反滲透膜處理高鹽度溶液時,在不考慮其他工藝參數(shù)及環(huán)境條件下,建議可盡量提升反滲透力度、推高超飽和度,可在有效提升水回收率的同時不會因沉淀結(jié)晶析出時間減少而觸發(fā)反滲透膜表面結(jié)垢.表7匯總了阻垢劑Flocon135圖5匯總試驗結(jié)果,每一單位誤差對應(yīng)每一單位標(biāo)準(zhǔn)方差.由此可看出,超飽和溶解硫酸鹽離子析出時間,隨著阻垢劑劑量增加而延長.兩者之間正向關(guān)系則進(jìn)一步證明阻垢劑對微溶鹽粒子結(jié)晶析出過程的抑制和延緩作用.表8顯示阻垢劑PT-100劑量與結(jié)垢抑制效果之間的實驗統(tǒng)計結(jié)果.此試驗也選擇超飽和度18.6倍數(shù)作為不變環(huán)境因子.結(jié)合正負(fù)誤差線,將數(shù)據(jù)作圖如圖6所示.由此也可看出,與Flocon135?效果類似,超飽和溶解硫酸鹽離子析出時間,隨著阻垢劑劑量增加而延長.兩者之間正向關(guān)系則進(jìn)一步證明阻垢劑對微溶鹽粒子結(jié)晶析出過程的抑制和延緩作用.3結(jié)晶產(chǎn)出時間阻垢劑性能隨著超飽和溶解鹽超飽和倍數(shù)增加,超飽和溶解鹽離子析出時間縮短;鹽溶液離子超飽和度接近20倍數(shù)情況下,結(jié)晶析出時間接近0.在7.0倍數(shù)超飽和度水平,微溶鹽析出時間大約為10小時;此長度析出時間的硫酸鈣溶解鹽不會對反滲透膜處理系統(tǒng)運行及維護(hù)帶來問題,因為此長度析出時間大部分情況下比系統(tǒng)處理水力停留時間更短.試驗結(jié)果顯示阻垢劑效果達(dá)到預(yù)期,阻垢劑劑量增加引起了結(jié)晶析出時間的延長.試驗結(jié)果證實了,在1mg/L濃度范圍以內(nèi),阻垢劑使用量與析出