超滤净化及其出水不结硬垢分析

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1、超滤UF的净化效果及其出水不结硬垢分析摘　要：利用超滤对自来水进行了深度处理试验，对其去除效果进行了比较和分析，同时重点探讨了超滤出水不结硬垢的现象及其原因。关键词：超滤；饮用水；硬垢超滤技术自20世纪60年代以来，从一种实验规模的分离手段很快发展成为重要的工业单元操作技术，已应用于食品、医药、水处理以及新兴的生物技术等领域。超滤是在压差推动下进行的筛孔分离过程，一般能够截留500×104u＜分子量＜100×104u的物质。超滤膜多数为非对称膜，由一层极薄(通常仅0.1～1μm)而具一定孔径(大致在0.005～

2、1μm)的表皮和一层较厚(通常为125μm)而具海绵状或指状结构的多孔层组成。前者起筛分作用，后者主要起支撑作用。1超滤机的深度处理效果　　在不同的公寓里安装同一种超滤机进行了试验，其结果见表1。表1　不同公寓使用超滤机的净化效果水质项目A公寓B公寓进水出水进水出水浊度(NTU)0.400.320.600.24CODMn(mg/L)2.162.081.901.68TOC(mg/L)　　0.660.63细菌总数(个/mL)30600　　对同一超滤机的进、出水进行离子和电导率检测，结果见表2。表2　超滤机进、出水的

3、电导率与离子变化项目阳离子(mg/L)阴离子(mg/L)电导率(μS/cm)Ca2+Mg2+Na+K+SO42-NO3-Cl-F-进水13.843.388.493.328.703.9211.742.82149出水13.773.258.473.278.763.9711.772.89154　　同时，还对同一品牌的超滤机在不同城市中(以A市和B市为例)的使用效果进行了比较(见表3)。表3　超滤机对不同城市自来水的净化效果测试项目A市B市原水出水去除率(%)原水出水去除率(%)CODMn(mg/L)0.770.6811

4、.72.141.997.0浊度(NTU)0.400.3512.52.962.882.7细菌总数(个/100mL)120100　　　TOC(mg/L)　　　3.601.59　DOC(mg/L)　　　1.591.59　TOC-DOC(mg/L)　　　2.010100注：TOC是总有机碳，DOC是溶解性有机碳，二者的差值表示胶体的含量。　　综合上述试验结果分析如下：　　①超滤机对原水中的胶体和细菌去除效果较好，对胶体的去除率为100%。　　②超滤机对浊度、CODMn的去除效果不太显著，对离子去除几乎无效果。2　超滤机

5、出水的结垢状况　　试验原水采用北京清华大学校内自来水，采用工艺1和2进行比较(见图1)，经过两个月的连续运行，对平板膜(TS40膜)(一种超低压反渗透膜)表面材料进行了X射线能谱分析(EDX)和扫描电镜(SEM)观察。2.1　EDX分析　　用EDX分析方法对平板膜上结垢元素进行了定量分析，其结果见表4。表4　平板膜结垢的EDX分析结果元素组成工艺1工艺2Al11.860Si27.660Ca5.020Fe46.891.40Cu8.579.727Ni　1.32注表中的数据为膜垢的元素重量百分比(%)。　　结果表明，

6、清华大学内自来水经过超滤机处理后，去除了绝大多数胶体，同时能使膜垢中的Al、Si、Ca、Fe元素含量显著降低，使出水结垢现象大为改善。分析认为，这是因为有胶体存在时，Al、Si、Ca、Fe元素很容易形成胶团；当经过超滤处理后，胶团被去除，这些元素即使存在也是以离子形式透过平板膜，不会在膜表面形成垢体。长期使用后，即使形成结垢，也是产生洁白而松散的碳酸盐(软垢)。2.2　SEM分析　扫描电镜(SEM)能够直接观察样品表面的立体结构，并且具有明显的真实感(见图2、3)。　　　　　由图2、3可以看出，工艺2比工艺1的

7、膜表面明显减少了许多沉积物，表明超滤机可以有效地去除大部分胶体和一些凝聚物。　　另据在居住小区对使用超滤机的效果进行了观察和分析，尽管煮开水所产生壶垢的主要成分是一些碳酸盐，但碳酸盐一般都是一些松散白色粉末，本身并不带其他任何颜色。在实验室里也用去离子水配成氢氧化钙溶液装在烧杯里进行煮沸，结果形成的也是白色的碳酸盐软垢。一般情况下，造成水壶或锅炉结硬垢(hardscale)的关键原因是水中含有能使碳酸盐相互粘结成块，并能和容器紧紧地结合在一起的胶体、细菌和有机物等粘性物质。自来水经超滤机过滤后，尽管不能去掉大部

8、分的离子，但可以有效地去除细菌、胶体和凝聚物以及一部分有机物。因此，超滤出水煮开时，只产生洁白而松散的碳酸盐，而不结硬垢。　　这一发现，改变了我们以往对结垢产生原因的认识，即在日常生产和生活中产生硬垢的原因不再只是水中所含钙、镁离子和碳酸根的浓度(在传统的教科书中，这一方法称为极限碳酸盐法)。水中碳酸盐等溶解盐类在管道表面形成沉积物一般称为软垢(softscale)，另外还有一种是污垢