反滲透技術(shù)因設(shè)計簡單、運行維護(hù)方便等特點，在苦咸水脫礦、海水淡化、超純水以及廢水回用甚至特殊料液濃縮領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。相較于初期的醋酸纖維素薄膜，以聚酰胺為脫鹽層的反滲透復(fù)合膜具有脫鹽率高、產(chǎn)水量大、耐化學(xué)清洗pH范圍寬等諸多優(yōu)勢。
經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，反滲透復(fù)合膜結(jié)構(gòu)一般分為3層，自下而上分別為無紡布(厚度約120μm)、聚砜支撐層(厚度約40μm)以及聚酰胺脫鹽層(厚度約0.2μm)，
其中只有聚酰胺層是真正的功能層，決定了反滲透膜的脫鹽性能，而聚砜和無紡布層具有更大的孔徑，主要起到支撐聚酰胺分離層的作用。然而工程經(jīng)驗顯示，任何時刻只要產(chǎn)水壓力高于進(jìn)水或濃水壓力0.03MPa，復(fù)合膜就有可能發(fā)生復(fù)合層之間的剝離，這就是反滲透膜的背壓損壞現(xiàn)象。這種剝離會使膜表面脫鹽層受到強烈拉伸，進(jìn)而導(dǎo)致膜元件產(chǎn)水水質(zhì)急劇降低，在某些極端情況下甚至不再具備脫鹽能力。
隨著反滲透系統(tǒng)設(shè)計水平的不斷提升，帶背壓運行的系統(tǒng)不斷出現(xiàn)，如多段式系統(tǒng)(系統(tǒng)段數(shù)≥3)或單泵推雙級系統(tǒng)等，前者常常使用一段背壓、三/四段增壓的設(shè)計方式提高系統(tǒng)回收率以及平衡段間通量，后者則以一級系統(tǒng)的背壓直接驅(qū)動反滲透產(chǎn)水進(jìn)入二級系統(tǒng)或經(jīng)能量回收進(jìn)入二級系統(tǒng)。
同時，由于反滲透系統(tǒng)的開關(guān)機(jī)過程會導(dǎo)致系統(tǒng)各部位壓力的劇烈波動，因而反滲透系統(tǒng)開關(guān)機(jī)導(dǎo)致的背壓損壞在反滲透系統(tǒng)故障中出現(xiàn)頻率較高[7]。筆者擬對反滲透元件的背壓損壞現(xiàn)象、發(fā)生原因以及帶背壓系統(tǒng)的開關(guān)機(jī)安全性進(jìn)行探討。
1反滲透系統(tǒng)中背壓損壞現(xiàn)象
眾多反滲透系統(tǒng)的現(xiàn)場故障排除經(jīng)驗顯示，反滲透膜元件的背壓損壞常率先發(fā)生于系統(tǒng)最后一段的最后一支元件上，更確切的說，背壓損壞總是最先發(fā)生于反滲透系統(tǒng)各個膜殼中距離濃水出口最近的元件上。圖2為1個典型的背壓損壞系統(tǒng)的膜殼探針實驗結(jié)果。
4個膜殼分別屬于某電廠平行運行的2套反滲透系統(tǒng)的第2段，該系統(tǒng)為7芯裝，使用陶氏化學(xué)FILMTECTMBW30-FR400/34i反滲透膜元件，其中1#、2#膜殼位于背壓損壞系統(tǒng)，3#、4#位于正常系統(tǒng)。0號位置為進(jìn)水端，7號位置為濃水和產(chǎn)水端，探針從進(jìn)水端插入，由7號位置逐步向0號位置移動，同時檢測產(chǎn)水電導(dǎo)率。
由于嚴(yán)重的系統(tǒng)背壓導(dǎo)致膜元件透鹽率急劇變差，甚至前面膜元件的表觀產(chǎn)水電導(dǎo)率也出現(xiàn)了升高，但即便如此，圖2也清晰說明背壓率先發(fā)生于多段系統(tǒng)中的最后一段，并視背壓的嚴(yán)重情況，從距離濃水口最近的元件(常常為最后一支元件)向前端延伸。
以某電廠純水車間背壓損壞的BW30-400膜元件為例，進(jìn)行單根膜元件測試分析。在進(jìn)水NaCl為2000mg/L、進(jìn)水壓力為1.55MPa、回收率為15%的條件下進(jìn)行測定，結(jié)果如表1所示。
表1:2支背壓損壞的BW30-400元件標(biāo)準(zhǔn)測試數(shù)據(jù)
由表1可知，F(xiàn)5755963和F5755965兩支元件的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)水量偏大，脫鹽率急劇下降，顯示膜片的脫鹽層受到了破壞。針對這2只元件分別進(jìn)行單元件探針實驗，結(jié)果如圖3所示。
圖3背壓損壞2支元件的單只膜探針數(shù)據(jù)
圖3中1號位置為元件進(jìn)水端，17號位置為元件濃水端。對于正常的膜元件，由于膜元件自身的濃縮效應(yīng)，從進(jìn)水端到濃水端的產(chǎn)水電導(dǎo)率應(yīng)有輕微上升。然而對于這2只背壓損壞的元件，則可發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)水電導(dǎo)率自進(jìn)水端到濃水端急劇上升，說明背壓損壞主要集中于元件的濃水一側(cè)，而進(jìn)水端未發(fā)現(xiàn)明顯損壞。
對背壓損壞的膜元件分別做解剖分析，并在染色之后再解剖分析。結(jié)果表明，膜元件解體后，反滲透膜面仍然保持干凈無污垢的狀態(tài)，說明元件并未經(jīng)歷嚴(yán)重的污堵或結(jié)垢。元件濃水端反滲透復(fù)合膜沿膠水線一側(cè)發(fā)生氣泡狀剝離，這是背壓在反滲透膜上最為典型的表現(xiàn)。
這些氣泡雖然在目視條件下保持連續(xù)的膜表面，但其脫鹽層已經(jīng)由于強烈的拉伸而失去脫鹽功能，這在膜元件的染色實驗中得到進(jìn)一步驗證。染料大分子透過反滲透元件進(jìn)入產(chǎn)水，導(dǎo)致產(chǎn)水顯示出淡紅色，并在元件解體之后可見背壓處被染料滲入，說明這里的膜片存在物理性損傷。
值得指出的是，反滲透膜的背壓損壞不同于膜的污堵或結(jié)垢等故障。后者可通過合理的化學(xué)清洗得到一定程度的減輕，膜元件仍有性能恢復(fù)的可能；而背壓損壞是對膜片本身的物理性損害，一旦發(fā)生則無法通過其他手段進(jìn)行挽救，只有更換所有損壞的膜元件才能使系統(tǒng)恢復(fù)。
2反滲透系統(tǒng)背壓損壞的成因分析
2.1系統(tǒng)開機(jī)時的停泵背壓
反滲透系統(tǒng)開機(jī)前未開啟產(chǎn)水閥門，直接啟動高壓泵，這樣操作會導(dǎo)致產(chǎn)水流量計顯示為零，大多數(shù)人遇到這種情況的第一反應(yīng)是直接關(guān)閉高壓泵電源。這種操作是錯誤的，直接關(guān)閉高壓泵電源會導(dǎo)致進(jìn)水壓力迅速歸零，而此時產(chǎn)水管路內(nèi)的荷壓很高，無論爆破膜是否發(fā)生爆破，都會直接導(dǎo)致膜元件的背壓。遇到這種情況的正確做法是先打開產(chǎn)水閥就地排放，卸掉產(chǎn)水管路內(nèi)的壓力再關(guān)閉高壓泵。
2.2系統(tǒng)產(chǎn)水止回閥失效導(dǎo)致背壓
在多套反滲透系統(tǒng)共用1個產(chǎn)水母管向產(chǎn)水箱供水的情況下，個別系統(tǒng)停機(jī)、其他系統(tǒng)正常運行有時也會發(fā)生背壓，這種情況往往是停機(jī)系統(tǒng)的產(chǎn)水止回閥失效造成的(例如停機(jī)后閥芯卡在法蘭墊片上沒有落下)。
因為無法預(yù)知止回閥何時失效，這種情況發(fā)生時一般都比較隱蔽。一個典型例子是，某次探針測試時打開1個壓力容器端蓋的堵頭，雖然該套系統(tǒng)的進(jìn)水閥門已經(jīng)完全關(guān)閉，但從拆開的端蓋堵頭處一直往外噴水，后查明是該套系統(tǒng)的產(chǎn)水止回閥失效，其他系統(tǒng)的產(chǎn)水通過產(chǎn)水母管倒流回該停機(jī)系統(tǒng)的產(chǎn)水管路。此時的產(chǎn)水側(cè)壓力雖然不足以使爆破膜發(fā)生爆裂，但足夠造成膜元件的背壓。
2.3單泵推雙級系統(tǒng)的停機(jī)背壓
顧名思義，雙級反滲透系統(tǒng)只有1個高壓泵，設(shè)置在一級系統(tǒng)進(jìn)水處，一級系統(tǒng)產(chǎn)水管直接作為二級系統(tǒng)進(jìn)水管，管路中間無水箱和二級高壓泵。此種系統(tǒng)的步序設(shè)計需要仔細(xì)斟酌，一級產(chǎn)水管處(即二級進(jìn)水管)荷壓一般在0.4~0.8MPa，若沒有卸壓而直接關(guān)閉高壓泵電源則會直接造成一級系統(tǒng)膜元件的背壓。為保護(hù)膜元件，這種設(shè)計一般需在一級產(chǎn)水管處增加1個三通，額外接1個產(chǎn)水排放閥，停機(jī)時首先打開產(chǎn)水排放閥，再關(guān)閉高壓泵的電源。
2.4產(chǎn)水水箱位置過高導(dǎo)致背壓
產(chǎn)水箱位置太高造成產(chǎn)水管到產(chǎn)水箱的液位差太高，因而反滲透系統(tǒng)需要在運行時維持較高的產(chǎn)水背壓驅(qū)使產(chǎn)水進(jìn)入產(chǎn)水水箱。如果同時發(fā)生產(chǎn)水止回閥失效或裝反的現(xiàn)象，在系統(tǒng)停機(jī)時也容易造成膜元件的背壓。
2.5化學(xué)清洗時的背壓損壞
由于設(shè)計系統(tǒng)時未設(shè)置產(chǎn)水清洗回流管路，在系統(tǒng)化學(xué)清洗時運行人員沒有打開產(chǎn)水閥，造成產(chǎn)水側(cè)荷壓，化學(xué)清洗結(jié)束后直接關(guān)閉清洗泵也會造成背壓。
2.6偽造爆破膜導(dǎo)致背壓
部分水處理設(shè)備的運行部門為節(jié)約資金或防止爆破膜頻繁爆裂影響生產(chǎn)，直接用膠墊或金屬薄片加工成爆破膜也可能導(dǎo)致背壓。例如某電廠水處理車間直接用金屬片替代爆破膜，結(jié)果發(fā)現(xiàn)金屬片已經(jīng)受壓變形，但由于金屬材料無法破裂并及時釋放產(chǎn)水壓力，爆破膜應(yīng)有的保護(hù)作用未能發(fā)揮，該產(chǎn)水背壓最終導(dǎo)致了反滲透系統(tǒng)的背壓損壞。
3帶背壓運行反滲透系統(tǒng)的開關(guān)機(jī)實驗
綜上，隨著反滲透系統(tǒng)設(shè)計水平的不斷提高，帶背壓運行的反滲透系統(tǒng)逐步出現(xiàn)。然而，盡管平穩(wěn)運行時能夠始終維持濃水側(cè)壓力大于產(chǎn)水側(cè)壓力，并確保反滲透膜不會被背壓損壞，但這種系統(tǒng)開關(guān)機(jī)過程中所導(dǎo)致的劇烈壓力變化及其對反滲透膜潛在的背壓損壞卻鮮有研究報道。
筆者在帶背壓運行的反滲透系統(tǒng)研究中采用了單段式7芯裝膜殼系統(tǒng)，膜殼內(nèi)安裝陶氏化學(xué)FILMTECTMBW30-365IG反滲透元件，并用電動閥門對進(jìn)水流路進(jìn)行開閉控制，其開啟/關(guān)閉周期為20s，以模擬反滲透系統(tǒng)的開關(guān)機(jī)過程。
系統(tǒng)的濃水和產(chǎn)水管路均設(shè)置了動作良好的止回閥以保證流向正確。為了能夠細(xì)微觀察開關(guān)機(jī)過程中的壓力和流量變化，筆者對PLC控制程序進(jìn)行了修正，使其數(shù)據(jù)采集頻率提高到每秒鐘采集1次，并由上位機(jī)進(jìn)行實時數(shù)據(jù)記錄。PLC模塊為SiemensS7系列，電磁流量計、渦街流量計、壓力變送器、電導(dǎo)率儀等購自EndressHauser(中國)自動化有限公司。
該系統(tǒng)的開關(guān)機(jī)過程分別在背壓為0.15、0.25、0.37、0.45、0.5MPa時完成測試，具體而言，是在恒定的高壓泵頻率和進(jìn)水壓力下，以帶壓啟動/帶壓停機(jī)方式進(jìn)行系統(tǒng)的開關(guān)機(jī)實驗。為節(jié)省篇幅，這里只給出了背壓為0.5MPa時的壓力和流量變化，如圖4所示。
圖4背壓為0.5MPa時的系統(tǒng)壓力(a)及流量(b)變化情況
由圖4(a)可知，系統(tǒng)關(guān)機(jī)時產(chǎn)水壓力的下降速度要快于濃水壓力的下降速度，從而維持膜元件的濃水側(cè)壓力始終大于產(chǎn)水側(cè)壓力，也保證了膜元件的安全運行。同理亦可發(fā)現(xiàn)，盡管系統(tǒng)開機(jī)時的壓力變化比關(guān)機(jī)時的壓力變化更為迅速，但濃水壓力的上升速度依然快于產(chǎn)水壓力的上升速度，說明系統(tǒng)仍然安全。
在工程實踐上，一般都會采用爆破膜來防止背壓對反滲透系統(tǒng)造成危害。然而工程施工中極少有人對爆破膜的爆破壓力進(jìn)行理論計算。常見的爆破壓力為0.1~0.35MPa，而產(chǎn)水側(cè)壓力超過濃水側(cè)壓力0.03MPa即可能造成反滲透膜元件的背壓。
同時，由于影響產(chǎn)水和濃水側(cè)壓力的因素較多，如管路走向、管路上止回閥的種類和數(shù)量以及反滲透機(jī)組子母管排布方式等，均會影響到管路壓力的總損失，因而對于高背壓運行的反滲透系統(tǒng)，筆者仍建議在工程設(shè)計之初進(jìn)行充分論證或中試實驗，盡可能做到管路設(shè)計簡潔、低壓損。
圖4(b)給出了系統(tǒng)開關(guān)機(jī)過程的流量變化。與壓力不同，產(chǎn)水流量的下降速度比濃水流量的下降速度更慢，在關(guān)機(jī)后期會出現(xiàn)產(chǎn)水流量大于濃水流量的現(xiàn)象。這是由于流量計的類型不同，在濃水側(cè)可以采用電磁流量計進(jìn)行流量檢測，而產(chǎn)水側(cè)由于反滲透產(chǎn)水電導(dǎo)率非常低，只能采用渦街流量計。前者測量的是感應(yīng)電動勢，其濾波算法主要目的是去除背景的噪聲信號，而后者測量的是漩渦發(fā)生頻率。由于漩渦發(fā)生頻率是一個與時間相關(guān)的物理量，因此在常規(guī)的時間常數(shù)設(shè)定下，其渦街流量計的變化速度要比電磁流量計更平穩(wěn)。
另外，多次帶背壓開停機(jī)實驗前后的反滲透元件性能如表2所示。
表2背壓實驗前后反滲透系統(tǒng)性能對比
由于反滲透系統(tǒng)工況如進(jìn)水壓力、進(jìn)水電導(dǎo)率、進(jìn)水溫度等在不斷變化，因此表2以標(biāo)準(zhǔn)化之后的產(chǎn)水量和脫鹽率進(jìn)行比較。可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過多次開停機(jī)之后，系統(tǒng)性能并未出現(xiàn)明顯變化，說明反滲透膜片的透水能力和脫鹽能力均未受到背壓實驗的影響。
4結(jié)論
由于反滲透復(fù)合膜特殊的膜片構(gòu)造，產(chǎn)水側(cè)壓力高于濃水側(cè)壓力一定程度即可造成反滲透膜的背壓損壞。反滲透膜元件的背壓損傷是反滲透系統(tǒng)的常見故障，一經(jīng)發(fā)生則無任何修復(fù)可能，只能對元件進(jìn)行更換。對反滲透膜元件背壓損傷的位置及背壓對膜片的破壞進(jìn)行深入分析，指出膜元件的背壓一般率先發(fā)生于系統(tǒng)內(nèi)最接近濃水出口的元件，并在膜面上以靠近膠水線的氣泡形態(tài)出現(xiàn)。
背壓主要歸因于反滲透系統(tǒng)不合理的設(shè)計和運行因素，如停機(jī)步序不合理、系統(tǒng)部件失效等。依托PLC改造后的系統(tǒng)對不同背壓下工作的反滲透系統(tǒng)帶壓開停機(jī)過程進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示，在背壓為0.15~0.5MPa的區(qū)間內(nèi)，各次開停機(jī)過程均有良好的可重復(fù)性，整個過程中濃水壓力始終高于產(chǎn)水壓力，由此判斷背壓損壞不會發(fā)生。在實際工程設(shè)計中，需要相關(guān)設(shè)計人員對高背壓反滲透系統(tǒng)的特殊性給予足夠重視，確保系統(tǒng)安全、可靠地帶背壓運行。