超滤-纳滤集成膜法海水软化工艺的实验研究

摘要

超滤(Ultrafiltration，UF)技术作为反渗透海水淡化的预处理工艺，能够有效去除原海水中大分子有机物、胶体和细菌等，为反渗透提供连续、稳定、高质的进水。然而由于超滤膜性质(膜孔范围在0.001～0.02μm)，不能去除海水中二价成垢离子(Ca2+、Mg2+和SO42-)和小分子有机物(分子量为几百到几千)，因此仍无法解决反渗透膜结垢和受小分子有机物污染等问题。纳滤膜(Nanofiltration，NF)孔径在1nm左右，膜表面具有特殊荷电性，可有效去除二价离子和分子量200～2000范围内的物质，因此将纳滤技术应用于海水淡化中，能够有效软化海水以及去除小分子有机物，降低反渗透膜结垢和受小分子有机物污染的程度。超滤-纳滤耦合工艺(以超滤作为纳滤的预处理方式)作为海水软化工艺的研究具有十分重要的应用价值。
　　 本实验采用超滤.纳滤(UF-NF)相耦合的海水软化工艺，考察不同超滤产水和纳滤系统操作参数，包括操作压力、切向流速和进水温度，对纳滤软化性能的影响。其中，海水取自胶州湾近海域海水；超滤系统分别采用PES材质、截留分子量100 kDa(记作UF1)和PS材质、截留分子量20 kDa(记作UF2)的两种中空纤维超滤膜组件；纳滤膜采用ESNA3型号(美国海德能)，操作压力考察范围为0.5～3.0 MPa，切向流速考察范围为0.03～0.05 m·s-1，进水温度考察范围为5～17℃。通过实验，初步对比和总结了相关参数对海水软化的影响规律，并进一步考察了UF2(PS、20 kDa)-NF耦合工艺的长期稳定性。本论文的主要内容和结论如下：
　　 1)在UF1-NF耦合工艺中，UF1产水浊度90％小于0.1 NTU，SDI值95％小于3.0。当纳滤操作压力从0.5升至3.0 MPa时，膜通量和系统回收率分别由7.59 L·m-2·h-1和9.09％提高至45.69 L·m-2·h-1和42.31％，脱盐率(以电导值计)由10.07％上升至15.27％，ca2+、Mg2+的截留率分别由19.58％、45.39％上升至34.29％、64.87％：当纳滤膜面流速从0.03 m·s-1提高至0.05 m·s-1时，膜通量和系统回收率分别由10.13 L·m-2·h-1和8％提高至68.35 L·m-2·h-1和46％，脱盐率(以电导值计)由10.02％上升至15.49％，Ca2+、Mg2+的截留率分别由13.24％、45.96％上升至30.61％、61.14％；当纳滤进水温度从5℃升至17℃时，膜通量和系统回收率分别由27.14 L·m-2·h-1和28.56％提高至39.81 L·m-2·h-1和36.18％，脱盐率(以电导值计)由24.04％下降至13.66％，Ca2+、Mg2+的截留率分别由41.29％、70.86％下降至32.64％、62.66％。
　　 2)在UF2-NF耦合工艺中，UF2产水浊度95％小于0.1 NTU，SDI值95％小于2.5。当纳滤操作压力从0.5升至3.0 MPa时，膜通量和系统回收率分别由13.04 L·m-2·h-1和14.65％提高至58.22 L·m-2·h-1和43.39％，脱盐率(以电导值计)由10.22％上升至19.41％，Ca2+、Mg2+的截留率分别由28.17％、54.27％上升至35.61％、66.80％；当纳滤膜面流速从0.03 m·s-1提高至0.05 m·s-1时，膜通量和系统回收率分别由12.91 L·m-2·h-1和10％提高至75.4 L·m-2·h-1和54％，脱盐率(以电导值计)由10.07％上升至18.37％，Ca2+、Mg2+的截留率分别由23.31％、49.37％上升至32.52％、64.87％；当纳滤进水温度从5℃升至17℃时，膜通量和系统回收率分别由29.05 L·m-2·h-1和30.06％提高至41.67 L·m-2·h-1和42.51％，脱盐率(以电导值计)由27.32％下降至15.06％，Ca2+、Mg2+的截留率分别由42.77％、72.35％下降至32.66％、62.94％。
　　 3)对比两种超滤.纳滤海水软化系统--UF1-NF和UF2-NF耦合工艺，结果表明，UF2-NF工艺的膜通量、系统回收率和脱盐率以及主要无机离子的截留率均优于UF1-NF工艺，说明UF产水水质明显影响纳滤膜性能，且UF2-NF工艺更适合应用于海水软化工程。
　　 4)在UF2-NF工艺长达500 h的长期稳定性考察中，进行隔段的物理参量(操作压力、膜通量、系统回收率)，主要无机离子，有机物(DOC、UV254)实现不间断监控，计算和分析。