HYDRACoReTM系列耐氯脫色納濾膜元件的應(yīng)用研究

1 前言

耐氯脫色納濾膜應(yīng)用于處理色度較高的地下水。此類納濾膜可優(yōu)先脫除分子量大于1 000 道爾頓左右的有機物，而對無機鹽的透過率相對較高。這種選擇透過性最適合低含鹽量、高色度和高有機物的水質(zhì)。與傳統(tǒng)聚酰胺RO膜不同，脫色納濾膜具有耐氯特性，膜表面呈強負(fù)電性。

耐氯脫色納濾膜與其它傳統(tǒng)納濾膜共同進行過現(xiàn)場試驗。結(jié)果表明，此膜具有高水通量、高脫色率和低硬度脫除率等特點，被選用于產(chǎn)水量為27 800 m³/d的Irvine Ranch水廠。該項目總用膜量為1 300多支，進水色度超過200 CU，產(chǎn)水色度低于5 CU，滿足水廠水質(zhì)要求。此項目是目前最大的設(shè)計脫色用途的膜法水廠。

在低壓膜開發(fā)并能有選擇性的脫除無機鹽后，膜技術(shù)處理不同水源已得到廣泛應(yīng)用。對于產(chǎn)水水質(zhì)的要求越來越嚴(yán)格，使系統(tǒng)的設(shè)計越來越復(fù)雜。一般來說， 對RO膜的要求是具有更高的脫鹽率。另一方面，一些新的應(yīng)用要求有選擇性地脫除特定溶解物，如硬度、鐵、自然有機物（NOM），殺蟲劑、三鹵甲烷 （THM）、和色度等。在這些項目中，設(shè)計要求只想去除特定污染物，且需要保持水中一定的鹽分。

傳統(tǒng)納濾膜可以有效地脫除硬度，對二價離子的脫除率達95 %，但對一價離子的脫除率為80 – 90 %。這種膜一般用于硬度為200 – 400 mg/L（以CaCO₃計）的水源，要求的產(chǎn)水硬度為70 – 100mg/L（以CaCO₃計）。這種納濾膜對于NOM，THM和鐵等的脫除率也很高。但是某些水源硬度和含鹽量均不高，只是由于地表水的侵入，或其它因素的影響造成了色度高達100 – 400 CU，如需處理成合格的飲用水必須降低色度至 ≤ 5 CU。

耐氯脫色納濾膜的開發(fā)主要是因為現(xiàn)有的RO和NF膜的脫鹽率過高，導(dǎo)致水可能再碳酸化。產(chǎn)水量為27 800 m³/d的 Irvine Ranch水廠需要高脫色、低脫鹽的膜。該廠的水源為深井水，含鹽量為250 – 500 mg/L，鈣13 mg/L，但色度高達250 – 400 CU。此項目采用帶強電的磺化聚醚砜膜，此膜在混合離子溶液中，脫鹽率較低，特別是對二價陽離子的脫除率很低，但對低分子的有機物脫除率很高。

2 HYDRACoRe^TM膜的特性

水廠采用的膜為美國海德能公司生產(chǎn)的HYDRACoRe^TM。膜材質(zhì)為磺化聚醚砜，比傳統(tǒng)的聚酰胺膜更抗污染，清洗恢復(fù)性更高，且耐氧化劑耐氯。膜表面帶有強負(fù)電荷，圖1標(biāo)出了此膜與其它聚酰胺膜相對的表面Zeta電位。在pH = 3 – 11的范圍內(nèi)，HYDRACoRe^TM膜表面Zeta電位為 – 85 mV。而傳統(tǒng)的聚酰胺膜在pH = 3時，電位為+ 10 mV；pH > 6時，電位為 – 20 mV。因為自然有機物中絕大多數(shù)為帶負(fù)電的腐殖酸，可與帶強負(fù)電的HYDRACoRe^TM膜產(chǎn)生強烈的排斥作用，從而減少有機物在膜表面的吸附。

HYDRACoRe^TM為松散NF膜，因電荷排斥作用，對離子的脫除率不同。不同離子的含量比例會明顯影響膜的選擇透過性。表10.16為采用平膜做的各種離子的脫除率，測度條件：混合溶液含鹽量2 000 mg/L，pH = 6.5，進水壓力1.0 MPa，溫度25 ℃。

如表1所示，HYDRACoRe^TM對NaCl的脫除率為50 %，而對Na₂SO₄的脫除率為90 %，這是因為二價SO₄^2-與膜表面的排斥作用比一價Cl^-與膜表面的排斥作用強烈。相反地，二價陽離子與膜表面的電荷相吸作用較一價陽離子強，因此HYDRACoRe^TM對NaCl的脫除率為50 %時，對CaCl₂的脫除率僅為12 %。

另外，隨著溶液濃度的提高，脫鹽率降低。試驗表明，對于TDS = 500的地表水，脫鹽率為40 %；而對于TDS = 2 000的地表水，脫鹽率降到20%。在工業(yè)系統(tǒng)中，回收率一般做到80 %以上，濃水被濃縮了4 – 6倍，因此產(chǎn)水的TDS接近于進水TDS。也就是說，采用HydraCoRe的納濾系統(tǒng)，產(chǎn)水的含鹽量變化不大。

 

HYDRACoRe^TM膜的一個優(yōu)點是pH耐受范圍寬，且耐氯。傳統(tǒng)聚酰胺膜在余氯存在下，會發(fā)生氧化降解，使脫鹽率下降。 一般聚酰胺膜的進水余氯值需 < 0.1 mg/L，當(dāng)聚酰胺膜接觸余氯達2 000 mg/L·h時，透鹽率增加一倍。因此，在聚酰胺膜的系統(tǒng)中，余氯不能在進水中加入以控制生物污染，也不能用來清洗有機和生物污染。比聚酰胺膜耐余氯性能 好的醋酸纖維素膜浸泡在100 mg/L的NaClO溶液10天后，透鹽率增加一倍，余氯耐受能力為24 000 mg/L·h。而HYDRACoRe^TM膜浸泡到1 000 mg/L的NaClO溶液50天后，脫鹽率仍保持不變。因此，HYDRACoRe^TM膜適合在進水中加入低濃度余氯來控制生特污染或在采用高濃度氯清洗有機污染。

3 Irvine Ranch水廠的現(xiàn)場試驗

Irvine Ranch 水廠采用多種納濾膜進行了現(xiàn)場試驗。該廠深井水的TDS為250 mg/L， Ca²⁺13 mg/L，但TOC高達10 mg/L，色度達200 CU。水處理目的是降低色度到5 CU，但不明顯改變離子成份。試驗表明，HYDRACoRe^TM的系統(tǒng)在回收率為80 %以上時，仍能將色度降低到5 CU以下；而且沒有明顯改變離子成份，含鹽量從500 mg/L 降到350 mg/L，Ca²⁺從13 mg/L降到8.5 mg/L。傳統(tǒng)的聚酰胺納濾膜也可以將色度降到5 CU以下，但產(chǎn)水電導(dǎo)僅為48 μs/cm，Ca²⁺是0.2 mg/L。這種水需要再碳酸化以提高穩(wěn)定性，這增加了費用，化學(xué)藥品和二次污染的機率。

現(xiàn)場試驗采用兩段系統(tǒng)，試驗了5個月，一直保持穩(wěn)定，化學(xué)清洗后能恢復(fù)到初始性能。另外，采用現(xiàn)場試驗中的三種不同色度和TDS的濃水，在試驗室進 行平膜試驗。試驗壓力0.52 MPa，進水溫度25 ℃，見圖2。試驗結(jié)果表明，進水色度為450 CU時，產(chǎn)水色度< 1 CU； 進水色度為850 CU時，產(chǎn)水色度為1.5 CU，對有機色素物質(zhì)的脫除率達99.8 %。進水濃度增加時，脫鹽率降低。進水電導(dǎo)為700 μs/cm，脫鹽率為61 %；進水電導(dǎo)為800 μs/cm時，脫鹽率為55 %。所有試驗的水通量為67.8 LMH（40 GFD）。
 

4 Irvine Ranch水廠工業(yè)裝置

成功進行現(xiàn)場試驗后，Irvine Ranch水廠的工業(yè)裝置確定采用HYDRACoRe^TM膜，系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)見表10.17。2002年2月系統(tǒng)建成投產(chǎn)。初始運行壓力為0.67 MPa，產(chǎn)水量為386 m³/h，進水色度 > 280 CU，產(chǎn)水色度為3 CU左右。運行六個月的數(shù)據(jù)一直保持穩(wěn)定，不需要進行化學(xué)清洗，部分?jǐn)?shù)據(jù)見表10.18。

表2 Irvine Ranch工業(yè)裝置設(shè)計參數(shù)

 

表3 水廠系統(tǒng)運行參數(shù)

 

5 HYDRACoRe^TM的應(yīng)用前景

HYDRACoRe^TM的獨特性能使其適合多種用途。例如，現(xiàn)在實際應(yīng)用的有脫除低TDS地下水中的殺蟲劑，脫除率與殺蟲劑的成份和分子量大小相關(guān)。其它應(yīng)用包括染料的濃縮；果汁或紙業(yè)的色素提純；糖類、醬油脫色等。其它如常規(guī)的脫除分子量大于1 000道爾頓的有機物的應(yīng)用。

6 結(jié)論

HYDRACoRe^TM膜具有低脫鹽率、高有機物脫除率的特點，適用于低TDS水源的飲用水脫色處理。通過現(xiàn)場試驗，成功應(yīng)用于27 800 m³/d的水廠。