反渗透膜清洗药剂和设备的研究

林 帅

(海南医学院第二附属医院， 海口 570311)

1 引言

随着现代工业技术的发展，地下水资源污染严重，饮用水安全问题已经日益突出，为此纯净水制备技术已经逐渐形成工业化生产标准并广泛推广到民用应用中，纯净水过滤清洁中的反渗透膜法作为一种新型的制备纯水的方法因其制作效率高、制作过程机械化程度高等特点在纯净水制备中应用广泛[1]。反渗透膜法是利用膜的渗透性过滤掉原水中的杂质，因此渗透膜的污染随过滤次数的增加逐渐加重[2]，现阶段的反渗透膜清洗主要以超声法、生物法为主，化学清洗剂的应用较少，而超声法的清洗效果欠佳，清洗后膜中的污染物仍然较多[3]，生物法又不可避免对反渗透膜造成二次污染[4]。本文用化学清洗的方法研究了酸性和碱性两种清洗试剂，并对清洗时间、温度等不同环境下反渗透膜的清洗效果进行了试验分析，根据两种清洗剂特点研制了适用于化学清洗的高效清洗设备。

2 清洗药剂制作及清洗效果试验分析

2.1 清洗药剂制作

反渗透净水系统中，为了控制净水效果要对设备的出水速率、出水口净水中盐碱含量、设备压力、浓水量进行实时监测，对系统中出现的某个指标的异常要特别关注，以控制纯净水质量和设备运行安全[5，6]。对反渗透膜的清洗主要采用酸碱两种清洗剂，酸性清洗剂去除反渗透膜中的固体氧化物及碱性矿物质，碱性清洗剂去除反渗透膜残留的酸性物质，因此按照目前的反渗透膜清洗思路，本研究制作的清洗药剂分为酸性清洗剂TSL-1(脂肪醇聚氧乙烯酸)和碱性清洗剂TSL-2(氨基多梭酸钠)两种。

TSL-1酸性清洗剂的主要成分是柠檬酸、低浓度盐酸、脂肪醇聚氧乙烯醚、氨基梭酸和12%硫酸溶液按照1∶2∶3∶1∶1的体积比混合并掺入一定量表面活性剂。

TSL-2碱性清洗剂的主要成分为三聚磷酸钠、十二烷基磺酸钠、金属络合剂按照1∶2∶3的体积比混合，并以表面活性剂作为催发剂混合以增强溶液的清洗速度。清洗药剂的物理指标如表1所示。

表1 清洗剂物理指标

2.2 清洗效果分析

为了验证两种清洗剂的清洗效果，拟采用TSL-1和TSL-2两种清洗剂对反渗透膜进行清洗试验分析，试验中反渗透膜清洗流程如图1所示。按照图1所示的清洗流程，对两种清洗剂的清洗效果进行试验分析，试验过程可分为5步[7]。第一步是反渗透膜安装，选用污染严重的反渗透膜按照渗流方向和污染面根据试验水流方向安装。第二步是注水排气，当水箱体积达到总体积的80%时，打开排气阀进行排气。第三步是通量测试，待通水稳定后并保持10分钟，待排水无颜色变化后持续15分钟，观察水流量，并记录此刻的通水压力。第四步是循环建立，将排水和进水通过管路连接，形成循环系统[8]。第五步为化学清洗，按 SL-1清洗试剂、清水、TSL-2清洗试剂、清水的顺序加入化学清洗箱中，各清洗1小时。第六步是通量测试，待化学清洗完成后调整各阀门开关，控制进水压力与试验过程第三步相同，记录在此条件下的通量。

图1 反渗透膜清洗流程

按照图1所示的试验清洗流程和方法分别对清洗剂顺序、清洗时间、清洗温度因素影响下清洗效果进行了试验分析。

图2为不同清洗顺序下产水量变化曲线，试验表明当第一次采用酸性清洗剂进行清洗时，反渗透膜的产水量能明显提升，后续碱性清洗剂和酸性清洗剂的清洗对产水量的提升效果有限，当第一次采用碱性清洗剂进行清洗时，产水量提升不明显，当第二次采用酸性清洗液后，产水量有一定的提升，当又一次采用碱性清洗液清洗后产水量迅速提升，之后反复酸碱清洗后产水量提升有限。产生这种现象的原因是系统中碱性水垢杂质及铁锈，酸性溶液清洗后能有效去除这类碱性杂质，提高反渗透膜的产水量。

图2 清洗顺序和产水量关系

图3为清洗时间和产水量的关系曲线，试验过程中保持酸性清洗剂、碱性清洗剂的循环不变，且保持每种清洗剂的清洗时间相同，采用了污染情况不同的1和2号两个反渗透膜进行试验，从图中可以发现，当清洗时间在6小时前，产水量和时间呈线性关系，产水量随时间的增长而增加，当清洗时间超过6小时后，膜元件的产水量几乎不再增加，原因是污染物和清洗剂在6小时前已经反应完全。

图3 清洗时间和产水量关系

图4为1号和2号反渗透膜清洗时间和脱盐率关系曲线，从图中可以发现，在6小时以前，脱盐率和清洗时间呈现线性增长趋势，清洗6小时后，2块膜的脱盐率趋于稳定，对比图3的产水量和清洗时间关系，可以发现，反渗透膜的产水量与脱盐率呈现一致性。

图4 清洗时间和脱盐率关系

温度是影响化学反应速率的一个重要因素[9]，图5为清洗温度产水量的关系，提高温度曲线为30℃，而恒定温度曲线的温度保持在20℃。从图中可以发现，在恒定温度下当清洗次数达到3次后，之后的清洗对反渗透膜的产水量几乎没有影响，而提高温度后，清洗次数达到4次后产水量趋于稳定，且提高温度后的产水量高于恒定温度时产水量。

图5 清洗温度和产水量关系

图6为温度和脱盐率的关系曲线，从图中可以发现，温度提高到30℃后的脱盐率明显高于恒定温度时脱盐率，这是因为反渗透膜的化学清洗过程是一个吸热过程，提高温度后反应的动态平衡状态改变，反应速率和原料反应率均提高。

图6 温度和脱盐率关系

3 清洗设备研究

反渗透膜化学清洗药剂研制完成后要想快速批量对反渗透膜进行清洗，必须要有相关清洗设备的配合作为化学反应的场所[10-12]。常规清洗设备由于其结构原因，清洗效率低，为此专门研发了适用于化学清洗剂清洗的反渗透膜清洗设备，设备示意如图7所示。设备运行分为单独清洗作业和串联作业两种作业模式。单独作业模式下关闭阀门组包括F1、F3、F7、F8、F9、F10、F11，开启阀门组包括F2、F4、F5、F6，通过清洗泵的压力作用将酸液箱和碱液箱的清洗液输送到过滤器中，在过滤器中反渗透膜上的污染物和清洗溶液充分反应，系统中的水流是闭合的循环系统。串联作业模式下关闭阀门组包括F1、F7、F8、F9、F10、F11，开启阀门组包括F2、F3、F4、F5、F6，清洗过程中清洗泵和高压泵同时工作，针对系统中可能存在的污染物浓度可能过高的情况，可打开排水系统排出污染水，形成可操控的闭合系统，清洗设备主要元件参数如表2所示。

图7 设备示意

表2 主要元件参数

根据7所示的设计流程和表2所示的元件参数对清洗设备进行了研制组装，设备如图8所示。

图8 清洗设备实物

为了检验清洗设备的工作效率，按照清洗设备的操作流程对反渗透膜进行了清洗试验，试验前膜表面污染物情况如图9所示，从图中可发现，反渗透膜表面污染物较多，杂质粒径大小不一且分布不均匀。

图9 清洗前

清洗后反渗透膜如图10所示，从图中可以发现，经过设备清洗后，膜表面肉眼可见污染物基本被清除，清洗效果较为明显。

图10 清洗后

清洗试验过程中设备各项运行指标如表3所示。从表3可以发现，清洁前后反渗透膜的重量和产水量发生了明显变化，这是因为去除杂质后膜的重量减小，产水量随着孔隙的增大而提高。

表3 设备主要运行指标

4 结论

反渗透膜是过滤污染原水，获取清洁用水的常用工具材料。本研究以反渗透膜污染后的清洗问题为研究对象，研制了TSL-1和TSL-2两种化学清洗剂，使用该清洗剂对反渗透膜进行了清洗试验，得到了不同清洗剂使用顺序、清洗时间、清洗温度与清洗效果的关系曲线；根据清洗剂特点，研制了适用的清洗设备并对设备的联接方式和工作流程进行了详细阐述并给出了主要元件参数。清洗试验表明，在研制的清洗设备中，使用TSL-1和TSL-2两种化学清洗剂进行清洗作业，清洗效果良好。