全膜分离技术及其在电厂化学水处理中的应用

2019-01-18孙皓曹萍

天津化工 2019年3期

孙皓，曹萍

（1.抚顺矿业中机热电有限责任公司，辽宁抚顺113001；2.远东页岩炼化有限责任公司，辽宁抚顺113000）

电厂生产的电能主要来自于燃料燃烧的热能转化，这种能量的转化主要是靠水来辅助实现的。在电厂的日常运转中，水作为重要的媒介在很多生产环节中起着重要的作用。而且电厂设备的运行效率和生产设备的使用寿命与水的质量息息相关，主要是因为电厂使用的水蒸发后的水蒸气含有污染性的化学物质造成。为了防止含有腐蚀性的水渗入电厂的设备造成损害，需要科学有效的方式进行水处理。全膜分离技术是一种比传统水处理更有效的技术，它具有设备要求低、运行方便、环保、水质净化率高等特点，得到了广大企业的青睐，应用范围广泛。

1 全膜分离技术原理和技术分析

全膜分离技术在电厂化学水处理中已经形成了系统化。比如更为完善的全膜分离技术可以净化、除盐和过滤锅炉补给水。全膜分离技术主要就是将两部分浓度不同的液体使用一种特殊的薄膜隔开，这种薄膜需要具有能够使部分混合物透过的特性，其他剩余的物质不允许透过。然后再施加外力，在这种外力的作用下，使得混合物能够有效分离，从而实现分离、提纯和浓缩等效果。使用的薄膜可以根据膜壁上孔径的大小来进行分类，孔径范围为0.0001～0.005μm的为反渗透膜，孔径范围为0.001～0.005μm的为纳滤膜，孔径范围为0.001～0.1μm的为超滤膜，孔径范围为 0.1～1μm的为微滤膜[1]。需要着重注意到一点是，传统的分离技术是把颗粒大的悬浮物和胶状物分离出来，再使用软化来将水中的有害物和水中含有的杂质去除，并在这个过程中有产生化学污染液的风险，甚至有造成设备损坏的可能。

1.1 超滤膜技术分析

在电厂化学水处理中应用超滤膜技术主要是为了能够科学有效地将水中的离子、颗粒等截住，从而使得待处理的水分离、浓缩和进化。超滤膜技术工作时，主要是靠外力改变膜两边的压力来使水得到净化。在合适的压力进行作用下，液体中蕴含的溶剂和一些颗粒比较小的溶质穿过膜壁上的小孔进行分离，从而将溶液中不同大小的组成物质分离[2]。在电厂化学水处理的应用中主要使用的是中空纤维超滤膜，这种膜的工作过程中，筛孔分离只需要较低的压差作为推动力就可以实现。溶液中的大分子物质、蛋白、胶体和微粒的分离浓缩都可以通过中空纤维超滤膜实现。这道工序的分离结束后一边剩余的具体物质为溶剂、无机盐和低分子物质，另一边则为截留的胶体、蛋白和大分子物质。这种膜的分离机理有3种：1）溶质吸附在微孔内部和膜表面。2）颗粒直径略小于膜孔的溶质可能会停留在微孔内部造成堵塞。3）颗粒直径大于膜孔的则被筛分在膜的表面。其中第三种是中空纤维超滤膜的主要工作机理。

电厂化学水处理中这种中空纤维超滤膜的具体操作方式有错流过滤和终端过滤两种方式。传统的终端过滤因为隔开的液体处于静止状态，因此使用的膜在随着工作时间变长的过程中，已经截留的物质会粘附在膜的表面形成污染层。在没有改变两边压力的情况下，过滤阻力将会随着时间逐渐增多，从而不断地将膜的渗透效率下降。另一种方式错流过滤则是让分开的液体交错对流，从而使得隔离开的物质因为对流而被带走，粘附在膜的表面的物质减少，最终可以比终端过滤更长时间的保持更高的渗透率。因此错流过滤这种更高效更实用的方式应用的更加广泛。

通常使用的中控纤维超滤膜所具有的优点是：1）使用的材料具有的化学稳定性足够优良。超滤膜的kristal300系列的膜材质使用了改性聚醚砜的化学稳定性在各种实际应用的场合都表现良好，此外还具有耐酸碱性能和耐温性能。尤其是水中存在化学药品如氧化剂等情形下性能表现的更加优秀。2）使用的材料生物稳定性也足够优良。中空纤维超滤膜的kristal300采用的材质比较特殊，对于通常的膜表面形成生物垢的情况能够有效的阻止。阻止生物垢形成的这一项关键技术，在超滤膜进行的污水回用项目上的表现更加突出，起到了非常关键的作用。3）使用的材料具有优秀的特性，可耐受水中使用的化学药品及氧化物。只是因为在电厂的水处理过程中使用的超滤膜在日常生产使用和维护保养的过程会经常接触到化学氧化物，比如过氧化氢、氯和氯胺等。实际应用的kristal300系列超滤膜对上述物质有优秀的耐受性能，保证了整个系统的正常工作。4）通量比较高并且亲水性能优异提高了整体的性能。中空纤维超滤膜中的Kristal300系列采用了聚醚砜这种材质，抛弃了传统的聚砜材质，使得亲水性能更佳。即使进入的水体是高悬浮物和高浊度也能达到99%以上的去除率，并且能维持比较高的通量。

1.2 反渗透技术分析

反渗透技术是一种先进并且节能的水处理技术，运用高分子材料薄膜工作，薄膜上的孔径大小约为1nm，对于水中的微生物、无机盐等去除率非常高，达到97%以上。反渗透水处理技术的原理与正渗透基本一致，同样的是都是通过施加外力，使得膜的两侧产生压力差，从而实现分离、提纯的效果。区别在于反渗透改变水体的硬度是通过离子交换的方式。系统工作时，在含盐的一侧进行人为的增加压力，在压力的作用下水分子会通过透析膜，但是水中所含的盐分则留在了原本的那一侧。这项技术通过人为的进行干扰，让渗透效果反向进行，这样做的好处是只需要简单的操作就可以提高渗透效率，并且能耗也比较低，废水处理的净化率高。这项技术比较常运用于大容量的溶液渗透挤压系统中，缺点在于没有充分的使水与物质科学的进行分离。反渗透薄膜使用的材料技术含量比较高，制作时需要进行特殊的处理，才能将材料的透水分子的特点足够的显现出来。膜设备是反渗透中使用到的比较重要的技术设备，能够满足内黏连透膜和隔网在短时间内进行，按照相关的流程进行卷制。反渗透水处理技术与其他的水处理技术的另一个区别就是，大多数水处理过滤技术采用的是竖直过滤方式，而反渗透技术采用的是横流过滤方式，这种过滤方式的优异性上面已经说过，使得反渗透的使用也相当广泛。

1.3 电除盐技术分析

电除盐技术是近些年发展起来的一项全新的水处理技术，电场在水中将一些离子进行去除。同时，电除盐技术也是全膜分离技术中最为复杂的水处理技术。主要原理是利用了电场的特性将水分解从而实现离子的内部交换。在电场的作用下，水中的阴阳离子由于电场力的作用进行快速移动，最后进行中和消去了分离子的效果，达到降低水体导电率的目的。这项技术处理过的水能够更好地满足锅炉补给水中电阻、硬度的需求。这项技术还能够实现离子交换和电渗析技术相结合，缓解了部分离子无法互换的情况，解决了传统电渗析技术中不能进一步深入脱盐的情况，补充了水中酸碱再生问题的途径。电除盐技术在电厂化学水处理中能有效地整合现有的技术联合处理，是一种非常科学高效的水处理技术[3]。

2 全膜分离技术在电厂化学水处理中的应用案例

以抚矿中机热电厂为例，该厂主要是通过燃煤发电并对主城区供暖。本厂为2×300MW亚临界抽凝发电机组，配备2×1025t/h循环流化床锅炉，锅炉补给水系统设计规模为供水量2×60t/h，原水为城市中水及矿井疏干水，采用厂外预处理+全膜处理工艺(UF-RO-EDI)，控制部分为PLC自动控制系统，产水水质要求符合中压锅炉给水规范:电导率＜0.4μS/cm，SiO2＜20μg/L，硬度≈0。

工艺流程:经过石灰混凝澄清过滤处理后的来水→加热器→清水箱→清水泵→自清洗过滤器→超滤装置→活性炭过滤器→超滤产水箱→超滤产水泵→一级反渗透保安过滤器→一级反渗透高压泵→一级反渗透装置→预脱盐水箱→预脱盐水泵→二级反渗透保安过滤器→二级反渗透高压泵→二级反渗透设备→二级反渗透产水箱→电除盐给水泵→电除盐保安过滤器→电除盐装置→除盐水箱→除盐水泵→热力系统。超滤膜材质为:PVDF，本工程采用赛诺超滤膜，超滤装置进水条件为水温:40℃；保证进水中最大颗粒径≤500μm。一级反渗透采用了美国GE公司的AG8040F-400LF反渗透抗污染膜，装置进水条件：水温:20～25℃；SDI:≤2；残余氯:＜0.1 mg/L。反渗透膜元件型式:螺旋卷式，单根膜面积为:400/37(ft2/m2)，膜通量分别为:16m2/h，膜元件规格:8in；二级反渗透采用美国DOW公司LE-440i反渗透抗污染膜。反渗透装置进水条件，水温:20～25℃；SDI:≤2；残余氯:＜0.1mg/L，反渗透膜元件型式:螺旋卷式，单根膜面积分别为：440/41m2(ft2/m2)，膜通量分别为:19m2/h；膜元件规格:8in。EDI系统采用GE公司MK-3X模块，本工程配置两套EDI装置，单套产水量为60m2/h，包括12个MK-3X模块。单只模块运行参数为:产水流量 5m3/h；进水温度 4.4～40℃；进水压力＜0.69MPa；出水压力:浓水和极水出水压力要比产水出水压力低最少0.35MPa；回收率90%；供电电压:≤400V；供电电流:≤5.2A。

该项目锅炉补给水系统已调试完毕，投入运行，各项指标都达到了设计要求，EDI实际产水水质: 硬度:0；二氧化硅:＜15μg/L；电导率 (25C):＜0.4μS/cm，充分满足锅炉给水要求。