反滲透膜的背壓損壞分析及相關(guān)安全性研究

楊　程，梁宏書，王　輝，李文超，朱　晨，趙敏佳，初慶偉

（1.陶氏化學(xué)（中國(guó)）投資有限公司水處理及過(guò)程解決方案事務(wù)部，上海201203；2.河北鋼鐵股份有限公司唐山分公司，河北唐山063016）

反滲透膜的背壓損壞分析及相關(guān)安全性研究

楊程1，梁宏書2，王輝1，李文超2，朱晨2，趙敏佳1，初慶偉1

（1.陶氏化學(xué)（中國(guó)）投資有限公司水處理及過(guò)程解決方案事務(wù)部，上海201203；2.河北鋼鐵股份有限公司唐山分公司，河北唐山063016）

背壓損壞是反滲透膜元件使用中常見的故障之一，一旦發(fā)生則會(huì)對(duì)反滲透膜造成永久性損壞，無(wú)法修復(fù)。對(duì)反滲透膜元件背壓損傷的位置以及背壓對(duì)膜片造成的損傷進(jìn)行深入分析，同時(shí)歸納了導(dǎo)致反滲透系統(tǒng)背壓產(chǎn)生的設(shè)計(jì)和運(yùn)行因素，提出現(xiàn)場(chǎng)判別背壓損傷的方法。依托工業(yè)示范裝置對(duì)帶背壓運(yùn)行的反滲透系統(tǒng)開關(guān)機(jī)過(guò)程進(jìn)行了模擬，并通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集對(duì)全過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控分析，對(duì)其安全性進(jìn)行論證。

反滲透；復(fù)合膜剝離；背壓

反滲透技術(shù)因設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、運(yùn)行維護(hù)方便等特點(diǎn)，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(shì)〔1〕。經(jīng)過(guò)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(wú)紡布（厚度約120 μm）、聚砜支撐層（厚度約40 μm）以及聚酰胺脫鹽層（厚度約0.2 μm），如圖1所示〔2〕。

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(wú)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(yàn)顯示，任何時(shí)刻只要產(chǎn)水壓力高于進(jìn)水或濃水壓力0.03 MPa，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〔3-4〕。這種剝離會(huì)使膜表面脫鹽層受到強(qiáng)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。

圖1　反滲透膜片復(fù)合結(jié)構(gòu)

隨著反滲透系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平的不斷提升，帶背壓運(yùn)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(jí)系統(tǒng)等，前者常常使用一段背壓、三/四段增壓的設(shè)計(jì)方式提高系統(tǒng)回收率以及平衡段間通量〔5〕，后者則以一級(jí)系統(tǒng)的背壓直接驅(qū)動(dòng)反滲透產(chǎn)水進(jìn)入二級(jí)系統(tǒng)或經(jīng)能量回收進(jìn)入二級(jí)系統(tǒng)〔6〕。同時(shí)，由于反滲透系統(tǒng)的開關(guān)機(jī)過(guò)程會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)各部位壓力的劇烈波動(dòng)，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(duì)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(chǎng)故障排除經(jīng)驗(yàn)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(shuō)，背壓損壞總是最先發(fā)生于反滲透系統(tǒng)各個(gè)膜殼中距離濃水出口最近的元件上。圖2為1個(gè)典型的背壓損壞系統(tǒng)的膜殼探針實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖2　反滲透系統(tǒng)的膜殼探針實(shí)驗(yàn)

如圖2所示，4個(gè)膜殼分別屬于某電廠平行運(yùn)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)FILMTECTM BW30-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(hào)位置為進(jìn)水端，7號(hào)位置為濃水和產(chǎn)水端，探針從進(jìn)水端插入，由7號(hào)位置逐步向0號(hào)位置移動(dòng)，同時(shí)檢測(cè)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(shuō)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(cè)試分析。在進(jìn)水NaCl為2 000 mg/L、進(jìn)水壓力為1.55 MPa、回收率為15%的條件下進(jìn)行測(cè)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(cè)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(duì)這2只元件分別進(jìn)行單元件探針實(shí)驗(yàn)，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(hào)位置為元件進(jìn)水端，17號(hào)位置為元件濃水端。對(duì)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(duì)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(shuō)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(duì)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(wú)污垢的狀態(tài)，說(shuō)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(qiáng)烈的拉伸而失去脫鹽功能，這在膜元件的染色實(shí)驗(yàn)中得到進(jìn)一步驗(yàn)證。染料大分子透過(guò)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(shuō)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(guò)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(duì)膜片本身的物理性損害，一旦發(fā)生則無(wú)法通過(guò)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(shí)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(dòng)高壓泵，這樣操作會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)水流量計(jì)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(cuò)誤的，直接關(guān)閉高壓泵電源會(huì)導(dǎo)致進(jìn)水壓力迅速歸零，而此時(shí)產(chǎn)水管路內(nèi)的荷壓很高，無(wú)論爆破膜是否發(fā)生爆破，都會(huì)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(gè)產(chǎn)水母管向產(chǎn)水箱供水的情況下，個(gè)別系統(tǒng)停機(jī)、其他系統(tǒng)正常運(yùn)行有時(shí)也會(huì)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(méi)有落下）。因?yàn)闊o(wú)法預(yù)知止回閥何時(shí)失效，這種情況發(fā)生時(shí)一般都比較隱蔽。一個(gè)典型例子是，某次探針測(cè)試時(shí)打開1個(gè)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(guò)產(chǎn)水母管倒流回該停機(jī)系統(tǒng)的產(chǎn)水管路。此時(shí)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(jí)系統(tǒng)的停機(jī)背壓

顧名思義，雙級(jí)反滲透系統(tǒng)只有1個(gè)高壓泵，設(shè)置在一級(jí)系統(tǒng)進(jìn)水處，一級(jí)系統(tǒng)產(chǎn)水管直接作為二級(jí)系統(tǒng)進(jìn)水管，管路中間無(wú)水箱和二級(jí)高壓泵。此種系統(tǒng)的步序設(shè)計(jì)需要仔細(xì)斟酌，一級(jí)產(chǎn)水管處（即二級(jí)進(jìn)水管）荷壓一般在0.4～0.8 MPa，若沒(méi)有卸壓而直接關(guān)閉高壓泵電源則會(huì)直接造成一級(jí)系統(tǒng)膜元件的背壓。為保護(hù)膜元件，這種設(shè)計(jì)一般需在一級(jí)產(chǎn)水管處增加1個(gè)三通，額外接1個(gè)產(chǎn)水排放閥，停機(jī)時(shí)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(guò)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(yùn)行時(shí)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(shí)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(shí)也容易造成膜元件的背壓。

2.5化學(xué)清洗時(shí)的背壓損壞

由于設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)未設(shè)置產(chǎn)水清洗回流管路，在系統(tǒng)化學(xué)清洗時(shí)運(yùn)行人員沒(méi)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(huì)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(yùn)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(wú)法破裂并及時(shí)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(yùn)行反滲透系統(tǒng)的開關(guān)機(jī)實(shí)驗(yàn)

綜上，隨著反滲透系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平的不斷提高，帶背壓運(yùn)行的反滲透系統(tǒng)逐步出現(xiàn)。然而，盡管平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)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(huì)被背壓損壞，但這種系統(tǒng)開關(guān)機(jī)過(guò)程中所導(dǎo)致的劇烈壓力變化及其對(duì)反滲透膜潛在的背壓損壞卻鮮有研究報(bào)道。

筆者在帶背壓運(yùn)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)FILMTECTM BW30-365IG反滲透元件，并用電動(dòng)閥門對(duì)進(jìn)水流路進(jìn)行開閉控制，其開啟/關(guān)閉周期為20 s，以模擬反滲透系統(tǒng)的開關(guān)機(jī)過(guò)程。系統(tǒng)的濃水和產(chǎn)水管路均設(shè)置了動(dòng)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(guò)程中的壓力和流量變化，筆者對(duì)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄。PLC模塊為Siemens S7系列，電磁流量計(jì)、渦街流量計(jì)、壓力變送器、電導(dǎo)率儀等購(gòu)自Endress Hauser（中國(guó)）自動(dòng)化有限公司。

該系統(tǒng)的開關(guān)機(jī)過(guò)程分別在背壓為0.15、0.25、0.37、0.45、0.5 MPa時(shí)完成測(cè)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?jiǎn)?dòng)/帶壓停機(jī)方式進(jìn)行系統(tǒng)的開關(guān)機(jī)實(shí)驗(yàn)。為節(jié)省篇幅，這里只給出了背壓為0.5 MPa時(shí)的壓力和流量變化，如圖4所示。

由圖4（a）可知，系統(tǒng)關(guān)機(jī)時(shí)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(yùn)行。同理亦可發(fā)現(xiàn)，盡管系統(tǒng)開機(jī)時(shí)的壓力變化比關(guān)機(jī)時(shí)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(shuō)明系統(tǒng)仍然安全。

圖4　背壓為0.5 MPa時(shí)的系統(tǒng)壓力（a）及流量（b）變化情況

在工程實(shí)踐上，一般都會(huì)采用爆破膜來(lái)防止背壓對(duì)反滲透系統(tǒng)造成危害。然而工程施工中極少有人對(duì)爆破膜的爆破壓力進(jìn)行理論計(jì)算。常見的爆破壓力為0.1～0.35 MPa，而產(chǎn)水側(cè)壓力超過(guò)濃水側(cè)壓力0.03 MPa即可能造成反滲透膜元件的背壓。同時(shí)，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(huì)影響到管路壓力的總損失，因而對(duì)于高背壓運(yùn)行的反滲透系統(tǒng)，筆者仍建議在工程設(shè)計(jì)之初進(jìn)行充分論證或中試實(shí)驗(yàn)，盡可能做到管路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、低壓損。

圖4（b）給出了系統(tǒng)開關(guān)機(jī)過(guò)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(huì)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(jì)的類型不同，在濃水側(cè)可以采用電磁流量計(jì)進(jìn)行流量檢測(cè)，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(jì)。前者測(cè)量的是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其濾波算法主要目的是去除背景的噪聲信號(hào)，而后者測(cè)量的是漩渦發(fā)生頻率。由于漩渦發(fā)生頻率是一個(gè)與時(shí)間相關(guān)的物理量，因此在常規(guī)的時(shí)間常數(shù)設(shè)定下，其渦街流量計(jì)的變化速度要比電磁流量計(jì)更平穩(wěn)。

另外，多次帶背壓開停機(jī)實(shí)驗(yàn)前后的反滲透元件性能如表2所示。

表2　背壓實(shí)驗(yàn)前后反滲透系統(tǒng)性能對(duì)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?？梢园l(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)多次開停機(jī)之后，系統(tǒng)性能并未出現(xiàn)明顯變化，說(shuō)明反滲透膜片的透水能力和脫鹽能力均未受到背壓實(shí)驗(yàn)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(wú)任何修復(fù)可能，只能對(duì)元件進(jìn)行更換。對(duì)反滲透膜元件背壓損傷的位置及背壓對(duì)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?dú)w因于反滲透系統(tǒng)不合理的設(shè)計(jì)和運(yùn)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(duì)不同背壓下工作的反滲透系統(tǒng)帶壓開停機(jī)過(guò)程進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示，在背壓為0.15～0.5 MPa的區(qū)間內(nèi)，各次開停機(jī)過(guò)程均有良好的可重復(fù)性，整個(gè)過(guò)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(huì)發(fā)生。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，需要相關(guān)設(shè)計(jì)人員對(duì)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(yùn)行。

［1］Dow Chemical Company.A comparison of cellulose acetate and FILMTEC FT30 Membranes.Form No.609-00232-604［EB/OL］. （2005.6）http：∥www.dow.com/scripts/litorder.asp？filepath=liquidseps/pdfs/noreg/609-00232.pdf

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Research on back pressure damage analysis and relevant safety of reverse osmosis membranes

Yang Cheng1，Liang Hongshu2，Wang Hui1，Li Wenchao2，Zhu Chen2，Zhao Minjia1，Chu Qingwei1
（1.Department of Water&Process Solutions，Dow Chemical（China）Investment Co.，Ltd.，Shanghai 201203，China；2.Tangshan Branch，Hebei Iron&Steel Group，Tangshan 063016，China）

Back pressure damage is one of the most common failures during reverse osmosis（RO）system operation. Once it happens，it would cause permanent damage to RO systems，and could not be repaired.The position of back pressure damage on RO membrane and the damage on membrane resulted from back pressure are analyzed in depth. The factors of design and operation that result in the back pressure in the RO system are concluded，and a method for the judgment of back pressure damage on site is proposed.Relying on the industrial demonstrative set，the switching process of the RO system having back pressure on is simulated.Through the collection of real time data，the whole process is monitored and analyzed and its safety is demonstrated.

reverse osmosis；complex membrane delamination；back pressure

TQ028

B

1005-829X（2016）08-0113-04

楊程（1986—），博士，工程師。電話：021-38513478，

E-mail：yccl-19861986@163.com。

2016-07-05（修改稿）