反渗透技术在电厂化学中的应用分析

摘要：随着膜工业的迅速发展，反渗透技术已日臻完善。就反渗透而言，它是一个十分有用的膜分离单元操作。本文结合黄岛发电有限责任公司反渗透工艺在电厂水处理应用的实际情况，就反渗透的基本原理，着手阐述了反渗透系统的发展、原理、应用，污染分析及清洗等，着重论述了反渗透工艺系统在电厂水处理流程中的应用。

关键词：反渗透 电厂化学 腐蚀 研究分析

中图分类号： C35 文献标识码： A

ABSTRACT: With the rapid development of the membrane industry, the reverse osmosis technology has been improving. On the reverse osmosis is concerned, it is a very useful membrane separation unit operation. The basic principle of this paper, the Huangdao Power Generation Company Limited reverse osmosis process in the actual situation of the application of the water treatment plant, reverse osmosis, proceed to elaborate the development, the principle of reverse osmosis systems, applications, contamination analysis and cleaning, focuses on reverse osmosis system at the water treatment plant process.

KEY WORDS: Reverse osmosisplant chemicalcorrosionresearch and analysis

前言

反渗透技术作为一项新型的膜分离技术最早是在1953年由美国C.E Reid教授在佛罗里达大学首先发现醋酸纤维素类具有良好的半透膜性为标志的。与此同时，美国加利福尼亚大学的Yuster、Loeb、Sourirsjan等对膜材料进行了广泛的筛选工作，采用氯酸镁水溶液为添加剂，经过反复实验和研究，终于在1960年首次制成了世界上具有历史意义的高脱盐率、高通量[10.1Mpa下渗透通量为0.3×10-3cm/s合259L/(d.m2)]膜厚约100um的非对称醋酸纤维反渗透半透膜，大大促进了膜技术的发展。从此，反渗透技术开始作为经济适用的苦咸水和海水淡化技术进入了实用和装置的研制阶段。20世纪70年代初期，杜邦公司的芳香族聚酰胺中空纤维反渗透器问世，使反渗透的性能有了大幅度的提高。20世纪80年代初，全芳香族聚酰胺复合膜问世；80年代末高脱盐全芳香族聚酰胺复合膜工业化；90年代中超低压高脱盐全芳香族聚酰胺复合膜也开始进入了市场，从而为反渗透技术的进一步发展，开辟了广阔的前景。

1 反渗透技术的发展

1.1 目前我国反渗透技术发展状况

我国对反渗透技术的研究始于1965年，1967―1989年在国家科学技术委员会和国家海洋局组织的海水淡化会战中为醋酸纤维素不对称膜的开发打下了良好的基础。20世纪70年代进行了中空纤维和卷式反渗透元件的研究，并于80 年代实现了初步的工业化。20世纪70年代还曾经对复合膜进行了广泛的研究，后一度停了下来；80年代重新开始复合膜的开发。经“七五”“八五”攻关，中试放大成功，我国反渗透技术开始从实验室研究走向工业规模应用。反渗透技术是膜分离技术领域中投资高、难度大的一项技术。其原因主要有：①原材料的质量很难保证均一和稳定。②在制膜、制器工艺和环境条件上也有非常严格和苛刻。因此，尽管我国某些反渗透工艺理论技术已接近国际水平，但膜及组件的技术和性能与国外相比仍有较大的差距，复合膜性能比国外同类产品低且未规模化生产，还有不少路要走。

1.2 我国火力发电厂反渗透技术的发展及应用

1979年我国在火力发电厂水处理领域开始采用反渗透技术，在以含盐量1000mg/L左右苦咸水作为离子交换补给水处理中取得了良好的效果。20世纪80年代又有多家火力发电厂相继采用反渗透做离子交换的预脱盐处理。20世纪90年代，反渗透技术在火力发电厂水处理锅炉补给水处理系统中已得到了广泛应用。2000年以后，随着火力发电厂节水工作的开展，反渗透技术在海水淡化、电厂循环水排污水回收利用以及城市中水作为火力发电厂补充水源处理系统也逐渐得到了应用。

2 反渗透技术的原理

2.1 反渗透的基本原理

2.1.1 反渗透的基本原理

能够分离盐分的膜，就是半透膜，严格的说，只能透过溶剂而不能透过溶质的膜为理想的半透膜，将两种不同浓度的溶液分别置于半透膜的两侧，溶剂将自发地穿过半透膜向浓度高的一侧流动，这种现象叫渗透，也就是说如果上述过程中溶剂是纯水，溶质是盐分，当用理想的半透膜将它们分割开时，纯水侧的水会自发的通过半透膜流入盐水侧，如下图一所示，纯水侧的水流入盐水侧，盐水侧的液位上升，当升到一定程度后，水通过膜的净流量等于零，此时刻过程达到平衡，与该液位高度差相对应的压力称为渗透压。

当膜在盐水侧施加一个大于渗透压的压力时，水的流向就会逆转，此时盐水中的水将流入纯水侧，这种现象叫做反渗透。

2.1.2 反渗透工艺基本术语

脱盐率： 指给水中的溶解固形物中的未透过膜的部分百分数。

产水率：指产水流量与给水流量的百分数。

水通量：指单位面积的产水流量。

流量衰减系数：指反渗透装置在运行过程中产水流量衰减现象，一般用运行一年产水流量与初始运行产水量下降值的比值。

膜通量保留系数：指运行一段时间后产水流量与初始流量的比值，一般三年可达0.85。

压力：给水压力升高，使膜两侧压差增大。

温度：温度能增加水和盐类物质的扩散速度。

回收率：产水量与供水量之比。

稀溶液：净化后的水溶液，为反渗透系统的产水。

浓溶液：未透过膜的那部分溶液，为反渗透系统的浓水。

2.2 反渗透的过程

根据反渗透的原理可知渗透和反渗透必须与具有允许溶剂透过的半透膜联系再一起才有意义，才会出现渗透现象和反渗透操作。

针对特定水源条件和产水要求设定的，由预处理、加药装置、增压泵、水箱、膜装置和电气仪表连锁控制的完整膜法水处理工艺过程为系统。

待处理的进水经过高压泵连续升压泵入膜装置内，在膜元件内进水被分为浓度低的或更纯的产水，称为透过液和浓度高的浓水。浓水调节阀控制成为产水和浓水的比例即装置回收率。

3 反渗透膜

反渗透膜是以膜两侧静压差为推动力而实现对液体混合物分离的选择性分离膜，其操作压力一般为1.5-10.5 MPa ，反渗透膜只能通过榕剂(通常是水)而截留离子或小分子物质.

3.1 反渗透膜的主要特性

膜分离的方向性和分离特性。实用性反渗透均为非对称膜，有表层和支撑层，它具有明显的方向性和选择性。所谓方向性就是将膜表面置于高压盐水中进行脱盐，压力升高膜的透水量、脱盐率也增高；而将膜的支撑层置于高压盐水中，压力升高脱盐率几乎为零，透水量却大大增加。由于膜具有这种方向性，所以应用时不能反向用。

3.2 火电厂典型反渗透膜

膜的性能与膜材料的分子结垢密切相关，膜主要由高分子材料制成。几十年来，醋酸纤维素在膜材料中曾占有十分重要的位置，其原因是资源广、无毒、耐氯、价格便宜、制造工艺简单便于工业化生产等优点，此外制得的膜用途广，水渗透率高，截留率也好。尽管具有众多优点，但其抗氧化性差，易水解，易压密，抗微生物侵蚀性较弱等缺点，限制了它在领域中的应用，自聚酰胺复合材料问世以来，复合膜在火电厂水处理领域很快取代了醋酸纤维素分离膜，占据了反渗透应用领域的主导地位。目前火电厂的反渗透膜 大多为聚酰胺复合膜。

4 反渗透技术在电厂水处理的应用

电力系统的机组参数不同，要求补给锅炉的水质就不一样，同时，存在的地区不一样，水源水质不同处理方式就不同，所以反渗透工艺在电厂水处理的应用方式就不同。如何安全经济的运用反渗透工艺，是关键的问题。

4.1 小型热电厂

小型热电厂均采用次高压机组，锅炉压力为4.5MPa，过热蒸气减温一般采用表面式或自冷凝汽减温，次高压锅炉炉水允许含盐量为100 mg/L，允许二氧化硅含量为20 mg/L。

对于含盐量较高，硬度较高的源水，应该采用反渗透加钠离子软化系统。根据不同的水质经过适当的预处理后并经过高压泵升压后，即可直接送入反渗透系统，经反渗透处理后残余的硬度在经过离子交换方法对其进行深度软化，以满足锅炉补给水的要求，使用于源水含盐量在2000―3000 mg/L。

对于含盐量较高，硬度较低的源水，可采用钠离子软化加反渗透的系统，源水软化，先经过钠离子交换器后基本上除了水中的硬度，可省去加药阻垢及加酸系统，使系统更加简化。

对于含盐量较低的源水，可采用直接上反渗透的系统。经过预处理的源水，进入反渗透系统后，可直接作为锅炉补给水。

上述系统与传统方法比较，具有：无再生废液排放，对环保有利；反渗透系统所需厂房面积较小；运行费用较低；部分杂质（如胶体、有机物、细菌等）能被除去。

4.2 高压锅炉补给水

对于高压锅炉，炉水允许含盐量为100 mg/L，二氧化硅含量允许为2 mg/L。

对于源水含盐量不很高的处理系统可采用反渗透加混床的处理系统，源水经过适当的预处理后，进入反渗透除盐，由于反渗透不能除掉二氧化碳，所以需要送到除碳器除碳，然后再经过混床处理。此时出水电导率可保证不大于0.2uS/cm，二氧化碳不大于20µg/L完全符合高压机组锅炉补给水的要求。源水水质含盐量越低，混床运行时间越长。

一般情况下下，源水含盐量在300―1000 mg/L使用反渗透加混床系统是可行的，但当源水含盐量大于1000mg/L，使用反渗透加混床系统可能由于混床再生频繁，而效果不好，可采用二级反渗透系统不仅不用进行预处理，并且回收率较高，处理非常大，增加一级除盐系统，由于一级除盐系统的含盐量特别小，所以运行周期较大，并且投资不会增加明显。

4.3 亚临界锅炉补给水处理系统

亚临界锅炉一般用于大型凝汽式火力发电厂，其补给水处理系统与高压锅炉基本相同，只是补水量低。

一般可采用反渗透加混床系统，源水含盐量较高时采用反渗透加一级除盐加混床系统。

5 反渗透膜的结垢与清洗

5.1 膜的表面污染

设计不合理或者运行方式不正确，都会导致反渗透膜的表面污染，使膜的透水性能迅速降低，其主要原因如下：

1、处理系统设计不合理，经预处理处理的水不满足反渗透进水指标的要求。

2、与处理系统采用的要求不合理。

3、渗透进水指标监控不合理或者重要指标监控调整不力。

4、系统采用的部分设备或部件选择有误，产生新的污染源。

5、浓差极化和一些大分子的有机物、悬浮物、胶体，杂质等粘贴堵塞。

6、金属氧化物污染。

7杀菌不力造成膜表面细菌或微生物繁衍以及微生物的尸体，代谢产物对膜的污染。

8、系统没有清洗干净，或检修带进去的机械杂志。

要减少膜污染对系统的影响，必须加给水的预处理，如杀菌、消毒、过滤，加入还原剂等，另外应对膜进行定期的清洗。

5.2 主要污染物

5.2.1 颗粒物质

水中的颗粒物质是指：水中的悬浮物以及水流动的颗粒状物质，其危害是堵塞或覆盖反渗透膜，采用正常的水处理方法，另外加装保安过滤器，一般在水泵前设置5µm保安过滤器，过滤器的滤芯应该定期检查更换，一般运行周期为3个月，水质较差应缩短周期，水质较好可适当延长周期。

5.2.2 有机物

有机物对膜的污染是复杂的，有些影响不大，并能为反渗透膜去掉，一般用污染指数来判断（对卷式膜不超过4），并规定TOC小于3 mg/L。

一般采用过滤，活性炭吸附，甚至超滤来除掉有机物。而污染指数是表征胶体，有机物等含量，必须达到要求。

5.2.3 细菌

细菌会以醋酸纤维膜为食品，造成醋酸纤维膜的侵蚀，复合膜虽然不会被侵蚀，但是细菌的微生物会聚集，造成膜的污堵，孔道不畅。采用加氯或次氯酸钠来杀菌，对于醋酸纤维膜运行时要求有一定的余氯含量，是用强氧化性杀菌剂效果较好。

5.2.4 余氯

醋酸纤维膜要求反渗透给水中余氯含量最大为1 mg/L，以防止细菌滋生，余氯含量高会破坏膜，氧化膜的骨架，导致膜的性能下降，一般醋酸纤维膜控制反渗透给水中余氯含量为0.1―0.5 mg/L，而复合膜要求余氯含量为零，随意对于有余氯的反渗透给水要采用活性炭过滤或折价亚硫酸钠。对于水源为自来水的没有办法，其中含有余氯，否则，设计中传统的加氯方法应该清楚，不仅加氯危害性大，控制不易，增加设备投资，不便于维护。

5.2.5 其他物质

钙盐、铁锰、胶体物质，二氧化硅等物质过多都会产生危害，都需要除掉，归纳起来，只能根据各自的水质情况，采用不同的办法。基本上可采用的方法为：降低回收率，采取离子交换软化，加酸和六偏磷酸钠，加阻垢剂。

5.3 反渗透膜的清洗

反渗透膜应定期进行清洗，一般应该每半年一次，主要看运行效果如何，一般情况下，清洗应根据压力变化情况，另外出力，出水质量情况来进行清洗方案的制定，膜被什么污染就采取清除该污染的试剂进行清洗，清洗系统应该在反渗透设备安装时就已经具备，清洗的基本过程如下：

1、进行污染分析，确定主要污染物；

2、制定清洗方案，根据污染性质采取不同的清洗工艺。

6 结语

在电厂水处理工艺中应用反渗透系统是大有可为的，在经济上，对于新建项目，源水含盐量达到150 mg/L，改造项目源水含盐量达到300 mg/L都是经济可行，同时反渗透工艺比一级除盐设备具有：

1、运行操作简便，已实现自动化；

2、连续出水，出水水质好；

3、节省大量酸碱，节省运费，维护费用；

4、对有机物、细菌、离子交换树脂的透过量减少，避免汽轮机低压缸体腐蚀；

5、占地面积小，布置紧凑；

6、适应水质范围宽，水质突然变化对出水质量、出水数量无明显影响；

7、耗能低，运行监督方便；出水水质稳定。

要搞好反渗透的设计运行，必须了解膜生产厂家对膜的说明，必须搞好反渗透的预处理和运行维护及监督。

参考文献：

[1]李正奉.600MW等级超临界火力发电机组技术丛书・第五分册・电厂化学设备及系统. 武汉大学.2006

[2]电力系统水处理培训教材.中国电力出版社.2009

[3]化学运行规程.黄岛发电厂.2010

[4]分析化学.高等教育出版社.2007

[5]电力工业技术监督标准汇编*化学监督.中国电力出版社.1992.

[6]李培元.火力发电化学水处理及水质控制.中国电力出版社.1999.