火力發(fā)電廠廢水處理系統(tǒng)反滲透阻垢劑的研究進展

桂 鵬，顧 濤，何 健，紀從演，胡志新

(南京工程學院環(huán)境工程學院，江蘇 南京 211167)

火力發(fā)電廠廢水處理系統(tǒng)反滲透阻垢劑的研究進展

桂 鵬1，顧 濤1，何 健1，紀從演1，胡志新1

(南京工程學院環(huán)境工程學院，江蘇 南京 211167)

結(jié)垢是反滲透技術(shù)發(fā)展過程中影響其正常運行的主要問題之一。本文介紹了火力發(fā)電廠反滲透阻垢劑的阻垢機理和阻垢性能評價的方法，以及反滲透阻垢劑的種類和反滲透技術(shù)在火力發(fā)電廠中的應用，并提出了反滲透阻垢劑的發(fā)展趨勢。

反滲透；阻垢劑；機理；評價方法

在火力發(fā)電廠廢水處理工藝中，反滲透與傳統(tǒng)的脫鹽技術(shù)相比，操作簡單，運行成本低，因此，反滲透技術(shù)得到了迅速發(fā)展[1]。但是反滲透膜極易受到沉淀物的污染，形成結(jié)垢。結(jié)垢是反滲透系統(tǒng)運行過程中存在的主要問題之一，當膜表面有垢沉積時，需要停運設備進行化學清洗，問題更嚴重的話需要更換膜元件[2-3]。通過向給水中投加某些化學藥劑，來阻止水垢的形成、沉積或增加碳酸鈣的溶解度，使其在水中呈分散狀態(tài)不易沉積，這些藥劑稱為阻垢劑或分散劑[4]。加入阻垢劑后，反滲透系統(tǒng)中的難溶性物質(zhì)就會被溶解掉，從而達到去除污垢的作用。

反滲透水處理技術(shù)是在溶液滲透藥理的作用下，對溶液中的各類物質(zhì)進行選擇性過濾，凡是比水分子大的溶液內(nèi)部溶解鹽類、膠體等物質(zhì)均會被隔離，僅僅允許水分子穿透反滲透膜的技術(shù)[5]。目前，反滲透技術(shù)被公認為是最有效的廢水脫鹽技術(shù)之一，在許多大中型水處理系統(tǒng)中特別是火力發(fā)電廠中應用廣泛。在火力發(fā)電廠廢水處理工藝中，由于反滲透處理技術(shù)與傳統(tǒng)的離子交換脫鹽技術(shù)相比，具有除鹽率高(可達97%)、自控操作強、操作簡單、運行費用低等特點，因此反滲透技術(shù)得到了迅速發(fā)展[6]。

1 阻垢劑的阻垢機理

阻垢劑的阻垢機理比較復雜，隨著對各種阻垢技術(shù)的探索，成垢機理的研究和結(jié)垢的控制與防治有了很大的進展。目前，人們對于火力發(fā)電廠中的阻垢劑已經(jīng)提出了鰲合增溶作用、閾值效應、晶格畸變作用、凝聚分散作用以及雙電層作用等機理，但火力發(fā)電廠反滲透系統(tǒng)廢水的阻垢作用常常是多種機理的共同作用。

1.1 鰲合增溶作用

鰲合增溶作用認為，阻垢劑能與水中與Ca2+、Mg2+和Ba2+等陽離子形成穩(wěn)定的可溶性鰲合物，從而提高了他們在冷卻水中的允許濃度，相對來說就增大了這些無機鹽離子的溶解度，抑制了火力發(fā)電廠反滲透系統(tǒng)中垢的沉積[7]。

1.2 閾值效應

在火力發(fā)電廠的廢水中投加阻垢劑，可以把鈣離子穩(wěn)定在水里。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是由于反滲透阻垢劑的陰離子與金屬陽離子的螯合作用不是按照化學計量比進行螯合的，并且吸附阻垢劑后的CaCO3微晶可以抑制CaCO3晶體的析出[8]。

1.3 晶格畸變作用

在生長過程中，無機垢晶體是按一定晶格分布形成結(jié)構(gòu)堅硬的晶體。阻垢劑的晶格畸變作用是指當水里含有阻垢劑時，因為阻垢劑的陰離子與金屬陽離子的鰲合作用使無機垢結(jié)晶的形成受到了干擾，阻垢劑的晶格有很大變化成為不規(guī)則晶體[9]。由于晶格畸變作用使結(jié)晶體無法成長，因此這使火力發(fā)電廠廢水中的硬垢變成軟垢，垢層中有大量的空隙，這種空隙降低了晶粒之間的粘合力，使其容易被水沖走。

1.4 凝聚與分散作用

微晶表面所形成雙電層是由于聚羧酸鹽類聚合物阻垢劑在水溶液中解離形成的陰離子和CaCO3微晶碰撞時發(fā)生的物理化學吸附現(xiàn)象所產(chǎn)生的[10]。大晶體之所以沒有形成，是因為聚羧酸鹽的鏈狀結(jié)構(gòu)可以吸附多個相同電荷的微晶，但是電荷之間的靜電斥力阻止了微晶的相互碰撞。當吸附產(chǎn)物又遇到另外的聚羧酸鹽離子時，它會把已吸附的晶體轉(zhuǎn)移出去，達到晶粒的均勻分散現(xiàn)象。從而阻攔晶粒之間及晶粒和金屬表面之間的碰撞，減少水溶液中的晶核數(shù)量，進而將其穩(wěn)定在火力發(fā)電廠廢水溶液中。

1.5 雙電層作用機理

阻垢劑的作用是在成長晶核附近的擴散邊界層內(nèi)富集，形成雙電層并且阻止成垢離子或分子簇在金屬表面的聚結(jié)，這就是雙電層作用機理[11]。一般認為阻垢劑與晶核(或垢質(zhì)分子簇)之間的結(jié)合是不穩(wěn)定的。

2 反滲透阻垢劑的種類

2.1 聚磷酸鹽類

聚磷酸鹽類阻垢劑是最早應用到火力發(fā)電廠反滲透系統(tǒng)中的阻垢劑，其最常用的是三聚磷酸鈉和六偏磷酸鈉。不過目前這類阻垢劑已經(jīng)很少應用，逐漸被其他阻垢劑所代替，首先是因為其含磷量很高，容易水解成正磷酸鹽，產(chǎn)生Ca3(PO4)2沉淀。其次聚磷酸鹽可以作為微生物的營養(yǎng)物，促進菌藻的生長，加速反滲透膜的污染。但該類阻垢劑使用時必須添加酸，并且對硫酸鈣幾乎沒有阻垢效果[12]。

2.2 有機磷酸鹽類

有機膦酸鹽類阻垢劑主要是通過閾值效應和晶格畸變作用進行阻垢的。其中最常見的阻垢劑是氨基三亞甲基磷酸(ATMP)、羥基亞乙基二磷酸(HEDP)。這類阻垢劑比聚磷酸鹽阻垢劑的含磷量低，水解度小。可是當廢水中含有鐵或其他懸浮固體時，這類阻垢劑的阻垢效果就會變差[13]。因為這類阻垢劑的含磷量比較低，并且對碳酸鈣垢的阻垢效果好，因此在火力發(fā)電廠中得到廣泛應用。

2.3 有機磷酸脂

有機磷酸酯可以和乙酰膽堿酯酶相互結(jié)合，進而抑制乙酰膽堿酯酶的活性，使其水解乙酰膽堿酯酶的效率降低。如果火力發(fā)電廠反滲透系統(tǒng)在運行過程中不加入一定量的酸，則其主要的結(jié)垢物是碳酸鈣，而有機磷酸脂對于碳酸鈣垢的阻垢效率很低，因此在反滲透系統(tǒng)中很少使用[14]。但此類試劑對硫酸鈣垢的阻垢效率很高。

2.4 聚合物

近年來，對反滲透阻垢劑中聚合物的研究逐漸增多。通過研究發(fā)現(xiàn)，聚合物具有很好的控制無機礦物質(zhì)的能力。有機磷酸鹽和羧酸鹽類相復配后能產(chǎn)生優(yōu)異的協(xié)同效應，在火力發(fā)電廠反滲透系統(tǒng)中產(chǎn)生很好的阻垢效果。近年來，隨著對一些環(huán)境友好和生物可降解性阻垢劑的研究，聚合物類阻垢劑已成為海內(nèi)外研究的熱門課題。目前人們對這類阻垢劑的研究主要集中于共聚物的開發(fā)或引入其他的離子基團等，由于共聚物本身帶有多種功能基團，能有效的抑制各類垢的生成，不像那些單體阻垢劑只能對某種沉積物起到抑制的作用[15]。

工業(yè)生產(chǎn)中用于處理碳酸鹽垢和硫酸鹽垢的阻垢緩蝕劑主要含有有機磷酸鹽和低分子聚合物。有機磷酸鹽容易發(fā)生水解作用，有效的限制了它在高溫、高堿和高硬度等水質(zhì)條件下的作用，且本身轉(zhuǎn)化為有機磷酸垢后，容易對環(huán)境造成污染[16-17]。而隨著人們環(huán)保意識的增強，具有低毒、易生物降解、高效等特性的高效綠色阻垢劑，諸如聚天冬氨酸、聚環(huán)氧琥珀酸以及聚谷酸等聚合物類緩蝕阻垢劑迅速成為國內(nèi)外研究的熱門課題。然而環(huán)保型綠色阻垢劑的研發(fā)還是太少，有待于進一步開拓。

3 反滲透阻垢劑的評價方法

在膜處理設備中使用阻垢劑對給水實施預處理時，所選用的阻垢劑類型必須要依據(jù)實際的情況進行適當?shù)恼{(diào)整，以下是火力發(fā)電廠反滲透阻垢劑的主要評價方法。

3.1 碳酸鈣沉積法

制備含有一定濃度的鈣離子和碳酸氫根離子的水樣，首先加入一定量的阻垢劑，然后在加熱的條件下，使碳酸氫根和鈣離子加快轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓徕}。加熱一段時間后測定其鈣離子的濃度。鈣離子濃度越大，則阻垢劑的阻垢效率越高。碳酸鈣沉積法是目前國內(nèi)應用最廣的一種靜態(tài)阻垢性能評定方法。

3.2 鼓泡法

用含有Ca(HCO3)2的水和水處理試劑制備試液，為模擬冷卻水在換熱器中受熱和在冷卻塔中曝氣的兩個過程，采取升高溫度并向試液中鼓入一定流量空氣的方法，以帶走反應中產(chǎn)生的二氧化碳，促進碳酸氫鈣加速生成碳酸鈣，反應迅速達到自然平衡，待平衡后測定試液中鈣離子的濃度，鈣離子濃度越高，則該處理藥劑的阻垢效率越高[18]。

3.3 臨界pH法

張青等[19]采用化學滴定法測定了不同水質(zhì)的pH及加入阻垢劑后的pH，發(fā)現(xiàn)在等量劑量的條件下，溶液的pH越高，則對應的阻垢效率越高。因此，可利用pH評定阻垢劑的性能。臨界pH法來評定阻垢劑的性能比靜態(tài)阻垢法和鼓泡法更加完善，具有高精確度、速度快、省時省力的優(yōu)勢。

3.4 電導率法

試驗中將滴加阻垢劑的一定濃度CaCl2水樣的燒杯放進恒溫槽中，用電磁攪拌器以恒定速度攪拌該溶液，控制溫度在25℃，向其中滴加一定濃度的Na2CO3溶液，穩(wěn)定后讀取溶液的電導率值[20]。當溶液中有沉淀析出時，電導率會迅速降低，由電導率急劇降低的點可以計算出碳酸鈣的過飽和度。碳酸鈣過飽和度越大，阻垢劑的阻垢效果越好。

3.5 誘導期法

4 結(jié)論

目前，我國在阻垢劑的研究方面取得了較大的進展，但仍然不夠成熟，尤其是對于火力發(fā)電廠反滲透系統(tǒng)阻垢劑的研究還很少。研究表明，單個阻垢劑所發(fā)揮的功能不如復合型阻垢劑，而多種阻垢劑在一起可以取長補短，利用相互之間的性能和優(yōu)點來補足對方的缺點。此外，國內(nèi)的反滲透阻垢劑大部分是從國外進口，其價格高昂，因此我國應該增強這方面的研究，開發(fā)多功能、高效、價廉、無毒的綠色阻垢劑，并逐漸推廣使用，加快火力發(fā)電廠反滲透系統(tǒng)阻垢劑的國產(chǎn)化研究。

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(本文文獻格式：桂 鵬，顧 濤，何 健，等.火力發(fā)電廠廢水處理系統(tǒng)反滲透阻垢劑的研究進展[J].山東化工，2017，46(14)：46-48.)

Research Progress of Reverse Osmosis Scale Inhibitor forWastewater Treatment System in Thermal Power Plant

GuiPeng1,GuTao1,HeJian1,JiCongyan1,HuZhixin1

(1School of Environmental Engineering, Nanjing Institute of Technology,Nanjing 211167)

Scaling was one of the main problems that affect the normal operation of the reverse osmosis technology development process. This paper introduced the scale inhibition mechanisms and the evaluation method of scale inhibition performance of reverse osmosis scale inhibitor in thermal power plant. In this paper, the types of reverse osmosis scale inhibitor and some applications of reverse osmosis technology in thermal power plant were also introduced, and it put forward the development trend of reverse osmosis scale inhibitor.

reverse osmosis; scale inhibitor; mechanism; evaluation method

2017-05-11

江蘇省高等學校大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(201611276070H)

桂 鵬(1996—)，江蘇宿遷人，在校本科生，研究方向：環(huán)境工程。

TQ085+.4

A

1008-021X(2017)14-0046-03