永磁除垢器在反渗透设备中的应用

　　现今反渗透膜结垢对膜的污染已成为困扰膜广泛应用的一个重要因素。为摒弃过去防止反渗透膜结垢而加入阻垢剂或酸的常用方法，通过将永磁性材料加入反渗透设备研制成反渗透自动除垢装置，并经实验说明永磁除垢器在反渗透设备中的除垢阻垢效果。

　　在反渗透正常使用中，除垢一直都是人工手动操作，工作效率较低，操作人员投入精力及费用较大，设备操作人员导致故障系数较大，且对设备操作人员的自身素质和技术含量有较高的要求。目前对反渗透膜的防垢、除垢大多采用添加化学阻垢剂的方法，但这种清洗方法容易产生化学试剂的残留，不易清洗干净，对设备产水水质留下隐患，而且使用阻垢剂的生产成本较高，影响企业的生产效益。物理方法包括磁化法和超声波法等，其中，磁化水处理技术因其投资小、操作简单、无毒无污染，集防垢、除垢、杀菌、缓蚀等多种功能于一身。大量文献研究表明，磁场可在某种程度上改变水及溶液的部分物理化学性质，其效果可体现在减少垢质物的沉淀，去除已形成的垢或形成疏松的软垢，而磁场的效果不依赖于水质，更不会改变水的成分和影响出水的可饮用性。由于磁化水处理技术的多种优点，将磁场与膜分离相结合用于预防和减少膜污染引起了人们的兴趣，是一种具有发展前景的防垢除垢技术。

　　1 反渗透膜结垢概述

　　1.1 反渗透膜结垢原因

　　众所周知，水中含有大量的铁、锰、铝等重金属离子，在反渗透膜系统中析出的垢主要为无机成分，当其含量高时，在膜表面容易形成氢氧化物胶体，水中钙、镁离子结合易产生硫酸盐、碳酸盐沉淀，当浓水中的离子浓度超过离子溶度积时，膜面就会析出盐类的沉淀，并在膜上会析出盐类沉淀，故而导致反渗透膜结垢。

　　1.2 结垢对膜的影响

　　在实际应用中，膜元件都会发生不同程度的污染，无机污染将大大减少有效过滤膜面积，导致系统进出口压力增大，增加透过阻力，降低膜的透水通量，脱盐率下降，影响膜产水品质，进而影响反渗透系统的正常运行。

　　2 膜除垢、防垢方法及处理现状

　　2.1 化学法

　　化学法主要包括：碱沉淀法、投加阻垢剂法、离子交换法等。但在反渗透除垢、防垢方面主要应用投加阻垢剂及酸的方法。

　　反渗透使用剂是在膜分离技术发展的基础上开发出来的一种水处理专用化学品，至20世纪90年代已趋于完善。加入阻垢剂，可有效防止碳酸钙、硫酸钙垢的形成。膜使用阻垢剂通过延缓和扭曲盐晶体成长来控制沉淀的过程，使晶体在形成过程中发生畸变，从而无法形成致密的结晶。

　　但投加阻垢剂会增加企业运行成本，其次由于处理水样的复杂性，阻垢剂的种类和比例需要适时改变，使得操作复杂且存在安全隐患，同时对环境带来污染的较大，此方法易残留化学试剂在水质中，所以应避免在饮用水处理中应用。

　　2.2 物理法

　　2.2.1 磁化法

　　磁化法包括永磁和电磁，磁场在一定条件下会对溶液的物理化学性质、结晶过程等产生重要的影响，具有防垢除垢的效果。

　　磁场与膜分离过程相结合在一定条件下可以改变成垢物质在膜面的结晶形式，减缓膜污染速率，从而提高膜通量、延长膜使用寿命。

　　磁化水处理的机理主要为原子内效应、分子/离子间相互作用效应、界面间效应。流体流动方向与磁场方向垂直正交且在循环系统中，或延长磁场暴露时间，磁场可以表现出较好的作用效果。

　　磁处理器的形式多样，根据产生磁场的方式可分为电磁和永磁。电磁主要特点为磁场性能较为稳定，磁场强度可以随着通入电流的大小进行调节。永磁的主要特点为使用方便，不耗能。

　　2.2.2 磁化法影响因素

　　1)磁场方向的影响。依据产生磁场的方式可分为电磁和永磁。电磁的主要特点是磁性比较稳定，磁场强度可以随着通入电流的大小进行调节，同时具有杀菌、灭藻的功能。

　　根据磁体与流体是否直接接触可分为侵入式和非侵入式;根据磁场方向与流体流动方向的关系可分为正交式和平行式。根据磁化流体动力学原理，水被磁化应具备的条件之一就是水流动方向应与磁力线方向垂直正交，可使磁化效果显著。

　　2)磁场强度的影响。磁场强度是磁化水处理中的一个重要参数，它影响水溶液中结晶颗粒的大小，成垢速率等。认为磁场强度与水流速的乘积有一个恒定的值，即水的流速越小，所需的磁场强度就越大，反之亦然。

　　3 反渗透自动除垢装置的研究

　　3.1 试验装置

　　试验机设计采用一套反渗透处理装置，其中，自动电子除垢器为可更换处理单元;反渗透设计产水为0.1m3/h、产水电导率<20μS/cm、水回收率为15%;24h连续运行。

　　反渗透自动除垢装置中的永磁除垢器是由三部分构成，一部分是永磁铁、另一部分是固定装置、再就是无屏蔽外壳所组成的磁化器，通过三个部分将永磁除垢器组成了一个可在反渗透设备中独立运行的预处理部件，如图1所示。

　　图1 反渗透自动除垢装置一体机

　　3.1.1 工艺流程(如图2所示)。

　　图2 工艺流程

　　3.2 反渗透自动除垢装置的试用

　　3.2.1 试验运行条件

　　为使实验现象明显，而能在较短时间内实现反渗透膜结垢，采用自行配置溶液。由于碳酸盐成垢速度快，现象较为明显，因此本实验选取碳酸盐类化学药品。在容量为一吨的储存罐中，分别加入6kg氯化钙及4kg碳酸钠，用于提高水质硬度，加快反渗透膜结垢，使硬度达到1700-1800mg/L;pH7.5;磁场强度6000高斯。将各项压力保持在一定条件下，进行反渗透自动除垢装置的系统测试实验。运行条件详见表1。

　　表1 实验运行条件

　　3.2.2 试验结果及分析

　　1)确定膜结垢条件。

　　图3 膜结垢实验原水电导率

　　图4 膜结垢实验膜通量

　　根据图3，图4可知，为加快反渗透膜结垢，在进水桶中加入500g/d氯化钙和碳酸钠,直至加入桶内共6kg氯化钙、4kg碳酸钠，硬度达到1752mg/L，TDS为10632mg/L的高硬度水后，设备运行过程中，膜通量呈下降趋势，运行1d后膜通量由1600mL/min下降至1480mL/min;原水电导率由585μS/cm上升至1624μS/cm，运行20d后反渗透膜通量下降至580ml/min，电导率升至13980μS/cm原水含盐量不断增加;在20d实验过程中电导率呈上升趋势，膜通量呈下降趋势且衰竭较快;说明原水中碳酸盐已沉淀，膜面已析出盐类沉淀，盐份呈晶体析出，晶体析出后形成品核，导致反渗透膜表面出现结垢，将膜孔堵死，反渗透产水逐步降低。

　　2)阻垢试验膜通量对比分析。

　　图5 阻垢后反渗透膜通量

　　根据图4可看出，当反渗透结垢后膜通量下降明显，使用阻垢仪后膜通量速率明显下降缓慢，反渗透膜结垢试验运行20d后产水量达到580ml/min，平均产水达到1006ml/d。而使用阻垢仪后运行20d后产水量达到1085ml/min，平均产水量达到1305ml/d。数据结果明显表示出使用阻垢仪有一定阻垢、缓解反渗透膜结垢的效果，但随着仪器运行时间的增长还是会导致反渗透膜形成结晶物结垢。

　　3)除垢试验膜通量对比分析。

　　图6 除垢后反渗透膜通量

　　根据图6可知，未使用除垢设备时，膜通量每天呈下降趋势，说明反渗透膜表面出现晶体结垢，逐渐将膜孔堵死，致使反渗透产水量衰竭降低。使用除垢器后，通过磁场振动防止水中硬垢在反渗透膜表面大量产生，生产疏松的软垢，并使硬垢在振动过程中随水流冲刷从反渗透膜表面逐渐脱落，故而膜通量由580ml/min，逐步上升至1485ml/min，当使用除垢器运行至20d后产水量开始缓慢下降，说明磁场振动对反渗透膜表面的晶体改变效果逐渐降低，膜通量逐渐下降。

　　通过各实验结果分析，在相同实验条件下，浓水流量为1.4L-1.5L;泵压力1.75-1.78Mpa;进口压力1.6Mpa;系统压力1.45Mpa的条件下，当温度稳定在25℃时透膜产水量相对稳定确保在1L/min内，效果较好，对阻垢、防垢具有一定缓解结垢的效果，略有提高反渗透膜的产水量。说明磁场在一定条件下会对溶液的物理化学性质、结晶过程等产生重要的影响，具有防垢除垢效果。

　　3.3 成本分析

　　3.3.1 经济角度

　　1)以本单位自销阻垢剂为例，阻垢剂价格为1200元/t。当一台反渗透设备膜通量为1t/h，进水硬度达到1800mg/mL时，回收率可达60%，阻垢剂投加量为5-10mg/L，为防止反渗透设备结垢，需加入阻垢剂16.7g/h，一天阻垢剂损耗为48元，一年添加阻垢剂需投入17520元。

　　2)而使用永磁自动除垢设备，仅需花费永磁设备购置费，永磁设备主要优点为不耗能，操作简便，无需添加阻垢剂。

　　3.3.2 环保角度

　　1)投加阻垢剂。

　　(1)化学处理药剂的配置和投放过程较复杂，不同环境的水系统需要的药剂配方要反复测试，且处理效果难以控制。

　　(2)化学处理药剂只能暂时杀灭菌类和藻类，不能一次除去菌藻，并且设备需要常年清洗，因此造成清洗前设备效率下降，而且清洗时需用的酸类溶剂，存在损坏设备的问题。

　　(3)化学方法排放大量有害液体，对环境造成二次污染。

　　2)磁处理方法。

　　(1)能耗小，操作简单，维护简便，处理效率高。

　　(2)由于装置结构简单，不需要任何化学试剂，只需要水流切割磁感线形成磁化水;操作方便，使用寿命长以及对环境无二次污染。

　　故使用物理磁化除垢装置相对于化学处理方法，具备经济效益、安全效益以环保效益多方面的优势，因此无论是理论研究还是实际应用，磁处理技术都是值得深入研究及广阔应用前景。

　　3.4 结论

　　通过实验分析，磁场与膜分离过程相结合在一定条件下可以改变成垢物质在膜面的结晶形式，减缓膜污染速率，从而提高膜通量、延长膜使用寿命。但磁化水处理机理至今尚不完全清晰，还不能从原理角度定义磁化水处理的操作条件、影响因素等。由于水系统相较复杂，磁场作用条件不用，使得在膜分离应用过程中磁化效果也大不相同，尤其是定量的研究还较少，对膜与磁场的作用机理较为欠缺，应加强对磁场对膜应用的研究。同时在经济及环境因素考量下，使用永磁除垢装置既节能又环保，可操作性强，具备多方优势。

相关文章：反渗透设备