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为提高反渗透工艺效率利用膜剖解分析深入探查膜元件
国际水协会(IWA) / 时间:2018-12-12 09:38:30

  据IWA国际水协会微信公众平台2018年12月11日讯 近几十年来,反渗透(RO)已作为广泛使用的商业水净化技术。尽管如此,反渗透膜元件作为这种净化工艺的核心部件,会经常发生过早退化和性能下降等问题,从而对反渗透装置的运行和维护产生不利影响。膜剖解能有效评估膜的状况和确认问题根源。虽然技术上它已得到验证,但自身价值仍未得到充分开发。最近,国际检测认证机构南德意志集团(T?VS?D)亚太平洋分企业的水服务团队在IWA国际水协会期刊《Water Practice & Technology》上发表了一篇关于膜剖解技术的综述文章,旨在提供商用膜剖解的一般方法学,并使用三个案例研究阐述了膜剖解如何能为操编辑和最终用户创造价值。
  什么是膜剖解
  膜剖解的英文名是Membrane Autopsy。喜欢看医学类美剧的朋友一定对autopsy这个词毫不陌生——不过这个词在那些剧里多指“验尸”、“尸检”的意思……那在水处理界,“autopsy”究竟是什么意思呢?    
  其实膜剖解是一项已经得到充分验证的技术:它对膜元件进行拆解,以了解其状况,评判膜性能损失的程度。通常它包括了对元件外观的物理检查、剖解,以及内部检查。随后对膜和表面沉积物进行一些列的物理、化学和微生物分析测试,以此说明各种类型的膜故障和沉积特征。这为故障排除、膜修复和工厂运行的改善提供关键而可靠的依据。
  尽管有这么多显而易见的优点,这项技术却还没有得到充分实践。大家提到的常见原因包括了膜剖解的破坏性(剖解后的膜无法再使用)、膜剖解和膜更换的相关成本、周转时间等。在过去几年,一方面分析技术的改进使得更实惠的价格提供更快的结果交付,并实现更准确的评估;另一方面,膜元件价格的大幅降低使得膜剖解这种有破坏性的操作在经济上变得更难接受。因此,需要更加系统性的阐述定期进行膜剖解的益处,使它对膜运行的附加值最大化,最终惠及终端客户和所用的用水者。
  此文目的是要描述膜剖解的常规操作的一系列关键步骤,并从技术和商业两个角度重点讲述如何将膜剖解获得的分析结果的价值最大化。他们觉得三个案例包括:
  (1)故障分析和故障排除,
  (2)操作优化和日常监控,
  (3)资产管理和维护改善。
  膜样本的选择
  选择有代表性的膜进行剖解是至关重要的第一步。当渗透质量是关注对象时,可以进行压力容器分析以选择显示渗透电导率急剧增加的部件。对于一般设备故障,可以选择前端元件或尾端元件,其中前端元件对显示膜污染(fouling)最严重的膜元件状态最有代表性,而尾端元件最可能与严重的结垢(scaling)问题相关。
  通过彻底的外部和内部的视觉观察对元件的物理完整性进行记录。详细检查将用于单项测量,并检查外部包装和抗伸缩装置(Anti-Telescoping Device)、O型环和盐水密封完整性、卷轴和出水管的损坏/缺陷情况。元件的剖解分析内容还有内膜缺失数、可见型的膜缺陷/补丁,胶层评估和表面沉积的初步检查等。
  分析测试
  这个研究用到的分析内容包括了Fujiwara余氯氧化测试、能谱扫描电镜(SEM-EDX)、X射线光电子能谱分析(XPS)、傅立叶变换红外光谱(FTIR)、灼减量(WLOI-Weightloss on ignition)、微生物计数(TMC)。
  编辑们对非破坏性和破坏性分析检查的结果进行汇编和分析,对膜剖解分析情况和导致性能下降的可能原因做整体总结,提出建议,最终目的都是找到潜在设备故障,简化操作效率、减少膜污染频率和程度,延长系统寿命。他们将膜剖解的方法学的基本流程和步骤总结如下图:


为提高反渗透工艺效率利用膜剖解分析深入探查膜元件

图1.膜剖解分析的流程图


  案例分析结果与讨论
  案例一
  东南亚的一家水厂遇到了RO膜污染严重、盐分透过率高、膜更换频繁等问题。工厂操作员利用膜剖解来了解膜系统故障的潜在问题。所选图像和分析结果如图2所示,以突出显示该工厂所面临的问题:


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图2.膜剖解的存档图片:(a)膜元件的ATD情况(b)膜拆离检查(c)膜表面磨损损伤的SEM图像(d)具有结垢沉积物的膜表面缺陷的SEM图像(e)膜表面污染物的EDX谱


  物理检测显示了严重的膜污染,表明可能是前处理工艺效果不佳,并说明了低通量和高替换率的原因。放大的SEM图像清晰地描绘了沉积物对膜表面的磨损损伤,说明了渗透质量差的原因。使用WLOI的灼减量分析发现,黑色/棕色沉积物主要是无机物质(86%),然后用EDX-RF等技术得到进一步证实(见下表1),表明沉积物构成高含量的无机锰和铁。


表1.EDX-RF的污垢沉积分析

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  根据膜剖解的结果,研究团队对水厂进行核查来验证膜剖解的结果,并制定了相应的技术方案。结果发现进水水源高度缺氧,并含有大量胶体和溶解性的锰和铁。预处理的沉置段和过滤介质尺寸过小,导致胶体/颗粒物的去除效果不佳。他们发现RO前端的进料罐外露,导致外界空气氧化了溶解的金属变成不溶性沉淀物。前端滤芯的尺寸过大,维护工作也没有做好,不能给下游的反渗透工艺提供功能保护。研究团队向工厂业主提供的建议包括了对预处理段进行改造,例如增加沉淀池和介质过滤池;调整前端过滤的规格、封装水箱减少对外界的暴露、更换滤芯以获得更合适的容量。业主采纳了这些建议后对工艺进行整改,膜污染问题得到了显著缓解,原位清洗(CIP)和膜替换率也大大降低。单单膜更换这一项就为工厂每年节省了100~150万美金。近期的数据也显示水厂在出水通量和水质上都有明显改善,过程中断故障率也低了很多。这些都是运行优化带来的效益。
  在这个案例里,膜剖解为膜状况提供了法医般专业的评估分析,这为水处理厂的运行问题提供了依据,并从而实施适当的修复和故障排查建议,有效地解决了运行失常的问题。
  案例二
  中东地区一个大型海水反渗透工厂(SWRO)的运营维护团队需要技术咨询,以优化水厂的运行表现并简化运维流程。膜剖解通过对使用过的元件进行详细的检查和分析来进行,以此测量元件的完整性,全面了解污垢成分。这为运行维护实践做出分析和建议之前提供了关键而可靠的补充信息。下图3是膜剖解得到了一些重要发现:


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图3.案例二的膜剖解得到了主要发现:(a)膜表面的起皱/折痕线(b)折痕沿线的裂缝的SEM放大图像(c)在膜表面上的污垢沉积(d)550℃下的WLOI揭示了污染物的有机物含量(e)使用XPS作的膜污染分析曲线拟合(f)污染物的FTIR-ATR谱


  对膜表面的仔细检查着重突出了膜表面上存在的褶皱状的折痕线,特别是沿着膜间的胶层,在此处即使是最小的运动也是被禁止的。对此大家推测是因为长年膜表面的面内挤压已经达到临界点,以致膜的面外变形,从而在表面上产生折痕/皱纹和撕裂状损坏。对于污垢沉积物,WLOI分析揭示了水分和有机物含量很高。综合过往经验、相关化学环境以及FTIR-ATR和XPS分析结果,顾问团队猜测现有的预处理工序不足以去除进水中的天然有机物质(NOM)。
  ●根据膜剖解的分析,他们就预处理运行、清洗和替换工作提出了合理的建议,例如:建议运营团队严格遵守适当的反渗透系统启动/关闭程序,并以受控速率对反渗透系统进行加压;
  ●另外也要密切监视进气压力和压差ΔP,以其作为启动CIP和元件更换的关键指标,防止压力过大和膜变形;
  ●应该增设DAF和优化混凝剂量等预处理工艺,从而更有效地去除进水中的NOM。
  针对给出的上述建议,运营团队循序渐进地开展实施工作,如今已经看到了通量的提高以及CIP时间的延长。他们将定期进行膜剖解来记录和分析性能的改善情况。
  在这个案例里膜剖解提供了一种跟踪反渗透系统性能的方法,并通过改进措施来识别运行问题,升级运行工作和优化整个系统的性能。
  案例三
  废旧膜元件的溶质截留率一般很差,但有化学品可以恢复这些旧元件的性能,而膜剖解可以用来评估这些化学品对膜的功效和潜在影响。位于印度尼西亚的一座SWRO工厂找到研究团队对一种化学品进行评估。这种化学处理一般先对废旧膜元件进行检查和性能评估,接着进行化学处理,然后再对性能进行重新评估。膜剖解用在最后一步的检验里,来验证化学处理的作用成效。下图4显示了膜剖解的分析结果。


为提高反渗透工艺效率利用膜剖解分析深入探查膜元件

图4.化学评估方法亮点包括(a)膜元件的性能评估(b)在化学处理之前和之后电导率曲线(c)膜剖解过程中的膜检查(d)膜上残留的磨蚀裂纹的SEM放大图像


  膜元件在化学处理前后的电导率曲线显示膜元件的溶质截留率仅有轻微改善。SEM图像清楚表明,此化学处理无法修复膜上的大片磨损损伤。因此他们建议修改化学处理工序以提高修复效果,或者寻找其他有效的化学品。
  在这个案例里膜剖解作为验证步骤,可以直接对反渗透膜化学处理方案的有效性进行评估。相同的方法可以用来帮助运行人员针对特定的膜污染,选择有效的清洁化学品,并协助设计改进的清洗/替换方案,来改善资产管理水平。
  小结
  在评估膜性能状况方面,膜剖解是一种很有价值的工具,它能帮助找出系统性能损失的潜在成因。它有作为一种常规独立技术的灵活性,也能与其他程序协同工作,例如工厂审计和性能表现数据的分析,帮助运营者在不同场景中找出系统的问题,加强工厂的运维能力。水厂的管理者如果能以系统化、专业化的方式来运用膜剖解技术,那么其就能为工厂运维创造宝贵的附加价值,并最终惠及所有的用水客户。

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