腐殖酸污染对反渗透膜器内流体流动分布的影响

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1、腐殖酸污染对反渗透膜器内流体流动分布的影响*杨庆峰苏浩员文权王廷涛（上海交通大学环境学院，上海200240）摘要：大多反渗透脱盐工厂都基于卷式膜器进行设计，而膜器内流体流动分布缺陷对膜器性能会造成有很大的负面影响。停留时间分布（RTD）测试在在线检测膜器流体分布缺陷及控制方面有很大的发展前景。本研究应用RTD技术研究了腐殖酸污染对反渗透膜器内流体分布的影响。结果表明，污染物可造成膜器内流体流动的分散系数和分散数增大，导致更大的分散流，即使流体分布不均匀，造成膜器内流体流动性能恶化。关键词:反渗透；

2、脱盐；停留时间分布；分散流卷式RO膜器由于各项性能指标均较好，膜堆积密度大、脱盐率高、寿命长，成为被选用最多的膜器。然而，卷式RO膜器内不均匀的流体流动、死体积的存在、膜破损、膜污染等状况的发生，造成了膜系统运行性能大大下降，由此降低了系统效率，增大了运行成本。近年来，RTD方法[1]开始在卷式RO膜器中获得认可[2,3]。RTD可以检测膜器内的流体流动状况，得到死体积和不同流型对膜运行性能影响等方面的信息，而且还可以用于检测污垢和膜破损状况[4,5]。本文利用RTD技术，对反渗透膜上的常见污染物

3、——腐殖酸对膜器内流体流动的影响进行了研究。1实验1.1RTD实验系统RTD实验流程如图1所示。实验系统由膜单元、储水槽、离心泵、空气钢瓶、示踪剂注入容器、电导率仪和数据采集系统组成。反渗透膜器采用美国海德能公司4英寸ESPA1-4021反渗透膜器进行。1.2RTD实验方法及实验条件在RO膜系统前，安装不锈钢管，作为脉冲实验的注射管，后接高压空气钢瓶和NaCl示踪剂注入阀门，通过高压空气加压向RO系统中注入高浓度的氯化钠示踪剂溶液。氯化钠示踪剂的脉冲是通过快速开启和关闭注射管的阀门来实现的，过程控

4、制在1秒钟内完成。在RO膜的浓水侧记录电导率的变化情况，通过分析得到的曲线，来判断RO膜系统重要的流体流动参数。实验操作压力0.6-1.0Mpa，流体流量300-1500L/h。水温控制在28－30°C。每次注入100ml25g/L的NaCl示踪剂，采集卷式RO膜浓水侧停留时间分布信号的变化情况，为了确保得到更为准确的试验结果，每组试验重复5次，计算其平均值作为一组试验的最终结果。*基金项目：国家自然科学基金项目（No.20306015,No.20676077）通讯联系人，电话021-547489

5、42，yangqf@sh163.net膜污染实验是将配好的腐殖酸溶液倒入原水桶中，配成污染溶液。平稳运行卷式RO膜系统，全循环模式，打开冷却水，运行120h，最终膜系统中纯水流量下降12%，即腐植酸污染的程度为12%。对反渗透膜污染后进行RTD测定,将污染物清洗掉后，再次进行RTD测定。利用RTD测定的平均停留时间、流体流量、管路体积等数据可得到膜器内流体分散数D/uL、分散系数D、膜器有效体积V随流量Q的变化。电导率仪数据采集卡计算机换热器原水罐泵RO膜注射管高压空气钢瓶NaCl示踪剂图1实验室

6、卷式RO膜系统流程图2结果与讨论图2-5给出了反渗透膜器污染后和清洗后的RTD实验结果。在图2中同一Q下，未清洗的膜污染对应的平均停留时间比清洗后对应的平均停留时间要小，说明膜污染挤占了流体流道内的有效体积。分散数D/uL为轴向扩散作用与主体流动的比值，该参数表达了流体轴向扩展与主体流动间的相对大小，可表征卷式膜器内流体通道内的混合效应。对于理性活塞流，D/uL→0。对于高度混合流，D/uL→∞。分散系数D代表轴向扩展作用，D值大表明着示踪剂在膜器内扩展速度快，D值小意味着示踪剂在膜器内扩展速度慢

7、，D=0意味着无扩展即活塞流。在图3中同一Q下，未清洗的膜污染对应的分散数D/uL比清洗后对应的分散数D/uL要大，说明随着膜表面污染物的存在，流体流道内流型发展变得恶化，使膜器的布水更加不均匀，影响整个膜组件的性能。在图4中，未清洗的膜污染对应的分散系数D比清洗后对应的分散系数D要大，说明随着膜表面污染物的存在，增加了流体的轴向扩散，使示踪剂NaCl溶液在流体流道内的扩展更加迅速。从分散系数D拟合直线的斜率来看，未清洗的膜污染对应的斜率比清洗后污染对应的斜率大，这也能说明污染膜在流体流型方面的恶

8、化。从图5中，可以更明显的看出，在腐植酸污染后，所占据膜器内流体流道有效体积的情况，同时说明了污染情况的严重性。在图4中随着主体流速的增大，分散系数D也随之增大，几乎呈线性增加，流道内流体流动的轴向扩展作用随着Q增加而增强。在图3中分散数D/uL也随着Q的增大而减小，说明流道内流体流动的轴向扩展作用的绝对值虽然增大，但主体流动成分的增值更大，结果是轴向扩散的相对作用减小了，可以得出：随着Q的增大，流道内流体流型发展有所改善，流体在卷式RO膜器内流动分布更加均匀。30腐植酸污染未清洗