海水淡化反渗透膜元件对硼元素B的去除
1 前言
利用反渗透技术进行海水淡化正持续上升地被应用,其获得的水正应用于工业、农业和生活饮用水等领域。海水中的总溶解固体含量(TDS)从墨西哥湾的30000 mg / L 到波斯湾的 45000 mg / L。海水中总溶解固含量(TDS)中高成分主要有钠、氯和其它单价和两价的离子,它们都较容易被反渗透膜脱除。但其中约 5 mg / L 的硼,由于其大小和带电程度不容易被其脱除。近年来,由于硼对农业负面影响,我们已逐渐关注其浓度低到 1 mg / L。另外,硼对人类健康的影响虽然未完全确认,但世界卫生组织(WTO)已经推荐硼在饮用水中的最高值为 0.5 mg / L。
美国海德能公司的海水淡化反渗透膜对硼典型脱除率约为 92 — 93 %(测试条件不同,结果也会变化)。在通量为 8 GFD(14 LMH)条件下,典型系统的硼脱除率约为 80 — 86 %。该公司的海水淡化反渗透膜元件,不论从测试性能还是实际工程中的表现,都展现出其无可比拟的优势。海水淡化膜性能比较参见下表:
标准测试条件下不同型号海水淡化膜元件的性能
膜型号标准产水量,GPD 公称脱盐率,% 脱硼率,%
SWC3+ 7000 99.80 92
SWC4+ 6500 99.83 93
SWC5 9000 99.83 92
(标准测试条件:测试 NaCl 溶液的浓度为 32000 mg / L;回收率:10 %;温度:25 ℃;pH = 7.0 ;压力:800 psi;硼浓度:5 mg / L。)
和其他的离子成分一样,硼的脱除率也受各种操作条件的影响,例如:温度、水通量和原水的离子强度。其中,对硼的脱除效果影响最大的就是 pH 值。上表中的数据就是在 pH 值等于 7 的中性条件下得到的。这与很多其他的反渗透膜元件制造商提供 pH = 8、9 或 10 时的脱硼率数据是不同的,这是因为脱硼率随着 pH 值的升高而增大。
硼在水中主要以硼酸,B(OH)3,的形式存在。硼酸是一种极弱的酸,其离子平衡方程式如下:
B(OH)3 + H2O = H+ + B(OH)4 -
硼酸分子不带电荷且水合分子半径较小,这些性质导致反渗透膜元件对硼的脱除率较低。但在高 pH 值时,硼以硼酸根离子,B(OH)4 - ,的形式存在,由于其得到一个电子,使得水合
离子半径增大且带有负电荷,反渗透膜对它的脱除率非常高。这就是为什么在高 pH 值时,反渗透膜元件可以脱除更多的硼(当 pH = 10 时比 pH = 7 时,对硼的脱除率约高出 6 — 8 个百分点)。
除了在测试条件下考察反渗透膜元件对硼的脱除率,海德能公司还在很多现场进行了针对真实海水的脱硼试验,下表列出了不同海域表现出的硼脱除率:
海域给水 pH 值水温,℃回收率,% 水通量,GFD 脱硼率,%
地中海 6.9 24 49 8.1 89
太平洋 7.7 22.2 50 7.8 85
墨西哥湾 6.6 34.3 61 8.8 78
地中海 6.6 21 40 7.2 90
2 大型海水淡化系统脱硼实例
世界第一个大型、对脱硼有限定的商业化反渗透系统位于在地中海塞浦路斯的 Larnica 海水淡化厂,产能为 50000 m3 / d。自 2001 年 3 月成功投运以来,美国海德能公司的 SWC 3 反渗透膜元件所生产的饮用水,其硼含量都低于 1 mg / L 的
合同
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要求。SWC 3 海水淡化反渗透膜元件在 Larnica 海水淡化厂提供了最佳的性能。该系统于 IDE 和海德能公司共同
设计
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,其系统包括分裂式部分二级系统,用以处理约 25 % 的第一级产水,从而保证当水温在升高到30 ℃ 时,仍能确保规定的产水含硼量。
在系统的设计时,当需要考虑产水中硼的浓度必须低于世界卫生组织 0.5 mg / L 的要求时,应该采用具有高脱硼率的海水淡化反渗透膜元件。但是,尽管 SWC 系列海水淡化反渗透膜元件具有较高的脱硼率,但是在一些高温条件时,单单采用一级海水淡化膜元件还不足以稳定的制取合格的淡水。为此,美国海德能公司做了大量的试验研究,开发了不同的工艺设计
方案
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以满足不同的要求。其中分裂式二级反渗透设计就是其中最具代表性、也是在国外大型海水淡化工厂被广泛采用的技术。
3 分裂式部分二级反渗透设计
在二级系统配置中,经常采用第一级的产水部分进入第二级反渗透系统的方法。
依据硼的要求和操作条件,二级可以全部或部分进行。若部分二级的水与一级水混合足以满足硼要求的标准,应用割裂部分系统配置就更能改进工艺的经济性。比较传统二级设计,割裂部分系统配置不仅能减少膜数量为传统的 6 —10 %,而且能节省相同的能耗。一级产水从膜壳两端分别出水,获得的低含盐(也即低硼浓度)部分水用于混合,而高含盐部分经 pH 值调整,进入二级进行脱除。由于高 pH 值,特别注意在浓水中钙和镁离子的浓度,以防结垢。
反渗透系统中同一个压力容器内不同位置的膜元件工作条件不同,产水水质也并不相同。位于压力容器前端的反渗透膜元件产出的水量大、水质好,而位于压力容器末端的膜元件产水量小、
水质差。因此,分别引出不同水质的产品水可以降低第二级反渗透系统工作负荷,从而降低成本。下表对传统二级和分裂式部分二级的规模作了比较:
用水点对含盐量的要求mg / L 传统部分二级需处理水量% 分裂式部分二级需处理水量%
247 30 9
131 51 27
78 72 45
43 81 63
18 87 81
对于第二级的反渗透膜元件来说,同样需要选择具有高脱硼率和低能耗的产品。海德能公司专为海水淡化的第二级系统研发了新型超低压反渗透膜元件——ESPAB,与其他的ESPA系列超低压反渗透膜元件一样,ESPAB 具有极低的工作压力,而且对硼的脱除率更可高达 96 %(pH = 10 时的测试值),选择更高的 pH 值主要是因为在第二级反渗透的设计中,由于进水含盐量,尤其是硬度已经很低,更高的 pH 值并不会引起结垢。为了获得最佳的脱硼效果,经常调高二级进水的 pH 值。
4 结论
在膜法海水淡化中,普通的海水淡化反渗透膜元件的脱硼率差,而市政和农业对淡水的要求不断提高,这就对反渗透膜提出了挑战。美国海德能公司膜能满足对海水和苦咸水高脱硼率的要求。SWC 系列海水淡化膜元件对硼的脱除率是世界最高的,达到 92 — 94 %。
ESPAB 超低压反渗透膜元件应用在第二级反渗透系统时,具有最佳的脱硼效果,同时还保证最低的系统运行压力。在本文中所提到各种设计选择,应用 SWC 系列和 EAPAB 组合为海水淡化提供了一种有效解决脱硼问题的路径。
浙公网安备 33021202002483