淺析SDI對鹵水提鋰RO濃縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行性能的影響

夏循峰 楊建育(.中藍(lán)長化工程科技有限公司，湖南 長沙 406；.青海鹽湖佛照藍(lán)科鋰業(yè)股份有限公司，青海 格爾木 86000)

0 引言

我國有豐富的鹽湖鹵水鋰資源，鹽湖鋰的開采價(jià)值非常高，同時(shí)經(jīng)濟(jì)價(jià)值也非常大。吸附提鋰工藝是目前鹽湖鹵水提鋰工藝中具有較高技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的技術(shù)之一[1-2]，其中反滲透由于能耗低，濃縮倍數(shù)高，出水水質(zhì)好，自動化程度高，操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，在鹵水吸附提鋰合格液濃縮中基本上是必要的技術(shù)手段；鹵水吸附提鋰反滲透濃縮工藝由于不可以添加阻垢劑等防止結(jié)垢的藥品，其預(yù)處理技術(shù)的選擇尤為關(guān)鍵；在合格液組成基本確定前提條件下，反滲透預(yù)處理技術(shù)選擇的最直觀表現(xiàn)指標(biāo)就是其進(jìn)水SDI值，即反滲透預(yù)處理出水的SDI，分析SDI值對于鹵水吸附提鋰合格液反滲透濃縮工藝的影響，具有重要的設(shè)計(jì)指導(dǎo)意義。

RO系統(tǒng)設(shè)計(jì)影響最大的因素是進(jìn)水的污堵傾向，膠體和顆粒污堵會嚴(yán)重地影響RO的性能，如大幅度降低RO產(chǎn)水量，有時(shí)也會降低RO系統(tǒng)脫鹽率，膠體和顆粒污染的初期癥狀是RO系統(tǒng)壓差的增加。

RO膜污堵是由于進(jìn)水中存在有機(jī)物、顆粒物和膠體等物質(zhì)并在膜面濃縮造成沉積。預(yù)處理后的污堵物的數(shù)量與RO進(jìn)水SDI緊密相關(guān)，經(jīng)過預(yù)處理后的出水淤泥體積指數(shù)SDI與水中殘留污染物質(zhì)的含量有相當(dāng)好的對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)水SDI值越低，說明進(jìn)水對RO的潛在污染程度越低，污堵物的濃度隨著RO進(jìn)水SDI的增加而增加，因此，判斷RO膜進(jìn)水膠體和顆粒污堵的最好技術(shù)是測量進(jìn)水淤泥體積指數(shù)(SDI)，它是設(shè)計(jì)RO預(yù)處理系統(tǒng)之前應(yīng)該進(jìn)行測定的重要指標(biāo)，同時(shí)在RO日常操作時(shí)也需要定時(shí)地檢測和監(jiān)控。在RO設(shè)計(jì)和運(yùn)行中，通常通過進(jìn)水SDI來預(yù)測RO膜受到污堵的潛在性[3-4]。

從設(shè)計(jì)角度來講，RO系統(tǒng)的通量設(shè)計(jì)極限應(yīng)該由RO進(jìn)水的潛在污染程度(一般用SDI表示)而定，隨著產(chǎn)水通量和膜元件回收率的增加，RO膜面上的污染物濃度也隨之增加，產(chǎn)水通量值高的系統(tǒng)其污染速率和清洗頻率就高。只有憑豐富的經(jīng)驗(yàn)針對不同水源類型設(shè)定合理的產(chǎn)水通量和元件的回收率標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)對某特定進(jìn)水水源設(shè)計(jì)膜系統(tǒng)時(shí)，要盡量選擇預(yù)處理后SDI最低的預(yù)處理工藝。

從穩(wěn)定運(yùn)行角度來講，要保證RO長期穩(wěn)定的按照設(shè)計(jì)參數(shù)運(yùn)行，必要的條件之一就是RO運(yùn)行過程中進(jìn)水SDI不能超過設(shè)計(jì)的上限范圍，即使偶爾一次進(jìn)水SDI超過膜設(shè)計(jì)要求的上限，也會導(dǎo)致RO膜系統(tǒng)的性能急劇降低，影響RO系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

RO進(jìn)水SDI越高，RO系統(tǒng)很容易產(chǎn)生更高的污堵速率和更頻繁的化學(xué)清洗，產(chǎn)水量會迅速下降，進(jìn)水壓力會增加，膜的壽命回縮短，進(jìn)而增加系統(tǒng)的故障率和運(yùn)行成本[5]。

在RO工業(yè)應(yīng)用中，SDI時(shí)RO系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行的重要參數(shù)和控制條件之一，SDI已經(jīng)成為RO膜設(shè)計(jì)和運(yùn)行的關(guān)鍵控制參數(shù)，因此，在RO設(shè)計(jì)中，要充分考慮預(yù)處理后RO進(jìn)水SDI，SDI越低，RO系統(tǒng)的性能就會越好。不僅如此，對于RO設(shè)計(jì)工作者和研究人員，必須對SDI與RO膜污堵傾向之間的數(shù)量級量化關(guān)系有全面認(rèn)識和了解，并根據(jù)不同SDI條件來預(yù)測RO的性能，并根據(jù)預(yù)測來優(yōu)化RO的各個設(shè)計(jì)參數(shù)。

1 SDI在RO濃縮或脫鹽系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行中應(yīng)用的理論基礎(chǔ)

隨著SDI在RO系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，有關(guān)SDI的基本意義、SDI與RO污堵系數(shù)之間的關(guān)系，以及它們與RO污染傾向(結(jié)果會導(dǎo)致反滲透膜性能降低)之間的關(guān)系，成為許多研究工作者的熱點(diǎn)研究對象之一。其中S. Kreme n等重點(diǎn)研究了SDI、RO膜污堵系數(shù)(%PF)與膜污染傾向之間的關(guān)系[6]，該研究進(jìn)行了以下假設(shè)：

假設(shè)一：膜組件中的流速與膜壓力成正比，與組件及其污染物共同的阻力成反比；

假設(shè)二：膜組件中流體總阻力為膜組件本身固有阻力和污染物的污堵阻力之和。

其中SDI和%FP根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)測定方法和意義來測定和計(jì)算[7]，分別如下：

SDI淤泥體積指數(shù)測定方法按照美國材料工程協(xié)會ASTM標(biāo)準(zhǔn)測試方法D4189-82測定。SDI計(jì)算公式如下：

式中：t0是指在進(jìn)水壓力為30psi條件下，標(biāo)準(zhǔn)測試膜片過濾500ml水樣所用的時(shí)間；t15是指在進(jìn)水壓力為30psi條件下，標(biāo)準(zhǔn)測試膜片連續(xù)過濾15分鐘后，繼續(xù)過濾500ml水樣所用的時(shí)間；當(dāng)t15是t0的4倍時(shí)，SDI15值是5，如果水樣完全將膜片堵塞住時(shí)，SDI15值是6.7。

式中Rt、Rp和Rf分別指流體總阻力，膜組件固有阻力和污染物污堵阻力。

根據(jù)以上假設(shè)，當(dāng)SDI為0時(shí)，相當(dāng)于污染物污堵阻力為0，此時(shí)測定的阻力即為膜組件本身固有阻力，并假定在整個測試過程中膜組件固有阻力為恒定值。由于SDI標(biāo)準(zhǔn)測試在30psi壓力下測試，當(dāng)SDI為0 時(shí)，t0=t15，Rt=Rp=30。

根據(jù)不同SDI和上述公式對其他各個參數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明，SDI每增加1個單位，相應(yīng)RO的污堵物總量呈幾何倍數(shù)增加。SDI在1～5之間，SDI每增加1單位，相應(yīng)污堵物總量增加1倍，換句話說，當(dāng)SDI在4～5之間的污堵物量要比SDI在1～4之間所有污堵物總量之和還要多；而SDI達(dá)到5～6時(shí)，污堵物總量增加了3倍。

同時(shí)，經(jīng)過對SDI值，RO阻力%PF和RO污堵傾向等進(jìn)行預(yù)測和測定，結(jié)果預(yù)測值和實(shí)際測定值非常吻合，表明可以通過SDI值來直接作為RO濃縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)和預(yù)測的關(guān)鍵參數(shù)和基礎(chǔ)，并得出以下基本理論：

(1) RO進(jìn)水SDI每增加1單位，RO膜污堵傾向(Rf)會增加1倍；

(2)隨著SDI增加和相應(yīng)Rf增加，要保證RO所需壓力，RO進(jìn)膜壓力會增加，RO系統(tǒng)運(yùn)行成本會增加；

(3)隨著SDI增加和相應(yīng)Rf增加，RO的清洗頻率增加，兩次清洗時(shí)間間隔縮短，清洗成本增加；

(4)隨著SDI增加和相應(yīng)Rf增加，RO膜通量衰減更快，要保證設(shè)計(jì)RO系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，RO回收率和可利用能力都會降低，會增加RO的投資和運(yùn)行成本。

根據(jù)以上結(jié)論，RO系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須充分考慮不同SDI進(jìn)水條件下相應(yīng)的RO各個設(shè)計(jì)參數(shù)的預(yù)測和調(diào)整。同時(shí)，應(yīng)該充分認(rèn)識到進(jìn)水SDI每降低1單位，RO的各項(xiàng)性能就會呈幾何級倍數(shù)得到提高，因此，要盡量降低RO進(jìn)水的SDI。

正是由于上述原因，這在許多RO膜供應(yīng)商產(chǎn)品說明書中都有明確說明。這些有關(guān)SDI、污堵系數(shù)%PF和RO污染傾向之間的關(guān)系的理論基礎(chǔ)，已經(jīng)成為RO設(shè)計(jì)師和RO供應(yīng)商所熟知，并在RO設(shè)計(jì)和運(yùn)行中得到應(yīng)用。RO供應(yīng)商和有經(jīng)驗(yàn)的RO設(shè)計(jì)師，針對不同SDI進(jìn)水條件下，都會對RO設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和建議，包括RO膜的進(jìn)水壓力(或同一通道膜壓差)、膜通量、膜兩次清洗時(shí)間間隔和膜回收率、膜系統(tǒng)利用率等等。

下面將結(jié)合RO實(shí)際應(yīng)用實(shí)例，討論進(jìn)水SDI與RO各項(xiàng)性能參數(shù)之間的定量關(guān)系。

2 SDI在RO濃縮脫鹽系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行中的應(yīng)用

下面就J.A.Redondo等報(bào)道的FilmTec RO膜應(yīng)用中，不同預(yù)處理?xiàng)l件下不同SDIRO進(jìn)水條件下，RO系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行各個性能參數(shù)與進(jìn)水SDI之間的關(guān)系。

表1是某FilmTec RO膜應(yīng)用于苦咸水脫鹽工程中，不同預(yù)處理?xiàng)l件下不同SDI進(jìn)水水質(zhì)對RO 各項(xiàng)性能的影響[8]。其中預(yù)處理1條件下(Situation 1)，RO進(jìn)水SDI在2.9～4.0之間；預(yù)處理2條件下(Situation 2)，RO進(jìn)水SDI在2.0～2.2之間；預(yù)處理3條件下(Situation 3)，RO進(jìn)水SDI在1.4～2.0之間；

從表1中可以看出，在預(yù)處理1和預(yù)處理2條件下，進(jìn)水SDI分別在2.9-4.0和2.0-2.2之間，在相同運(yùn)行時(shí)間后對比，對應(yīng)的RO平均通量變化相差不是很大，通量衰減都較快，每個RO通道(6支RO膜)的膜壓差(ΔP)相差也不是很大。但是在預(yù)處理3條件下，當(dāng)RO進(jìn)水SDI降低到1.4-2.0時(shí)，RO平均通量衰減顯著減慢，相應(yīng)的RO膜壓差變化很小，即要求的RO進(jìn)水壓力也會顯著降低。

比較預(yù)處理3和預(yù)處理2可知，預(yù)處理2中 SDI超過2.0，運(yùn)行1500小時(shí)后，RO實(shí)際運(yùn)行平均通量為17.6LMH，RO膜壓差為3.1bar；但是在預(yù)處理3中當(dāng)SDI降低到2.0以下時(shí)，同樣運(yùn)行1500小時(shí)后，RO實(shí)際運(yùn)行平均通量為25LMH，比預(yù)處理2的RO平均通量增加了42%；RO膜壓差為1.2bar，比預(yù)處理2的膜壓差(ΔP)降低了1.8bar，相應(yīng)的RO進(jìn)水壓力要求至少可降低1.8bar?？梢?，有其當(dāng)SDI降低到2,0后，SDI的降低對于RO系統(tǒng)的綜合性能顯著提高。

表1 不同預(yù)處理?xiàng)l件下不同SDI對苦咸水淡化RO膜系統(tǒng)性能的影響

同時(shí)，對于中高壓海水淡化RO系統(tǒng)，通過同樣方法，得出中高壓海水淡化RO系統(tǒng)運(yùn)行中SDI與RO各項(xiàng)性能之間的關(guān)系如下：

(1)進(jìn)水SDI每降低1單位，RO壓差會至少降低1.2bar，進(jìn)膜壓力也會相應(yīng)至少降低1.2bar，當(dāng)SDI從2.0以上降低到2.0以下時(shí)，RO壓差降低更加明顯(降低1.8bar)；

(2)當(dāng)進(jìn)水SDI高于2.0時(shí)，SDI每降低1單位，RO兩次清洗之間時(shí)間間隔至少會延長1個月；

(3)根據(jù)SDI與RO污染傾向之間的關(guān)系，當(dāng)SDI從2.0以上降低到2.0以下時(shí)，RO污堵物濃度會呈幾何級降低，類推可知RO兩次清洗之間時(shí)間間隔會加倍延長；換言之，SDI從2.0以上降低到2.0以下時(shí)，RO兩次清洗之間時(shí)間間隔可能從3個月延長到6個月。

3 SDI在鹽湖鹵水提鋰RO濃縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行預(yù)測中的分析和應(yīng)用

根據(jù)上述RO預(yù)處理SDI值對RO濃縮脫鹽系統(tǒng)影響分析和指導(dǎo)意義，為了評估選擇鹽湖鹵水吸附提鋰RO濃縮系統(tǒng)預(yù)處理技術(shù)，并對RO系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行性能進(jìn)行評估和預(yù)測，采用了100nm和50nm有機(jī)超濾膜以及30nm陶瓷超濾膜對吸附提鋰鋰鹽合格液進(jìn)行進(jìn)行預(yù)處理試驗(yàn)，對其濾出液SDI值進(jìn)行測試，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同超濾膜過濾吸附鋰提鋰鹽合格液濾出液SDI值比較

從圖1中可以看出，30nm陶瓷超濾膜濾出液SDI最低，比另外兩種有機(jī)超濾膜濾出液SDI值至少低1～2單位，根據(jù)以上理論基礎(chǔ)可知，這必將顯著提高RO濃縮系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)和性能參數(shù)。

根據(jù)上述SDI在RO系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工程運(yùn)行應(yīng)用中的理論基礎(chǔ)和工程經(jīng)驗(yàn)，建議采用陶瓷超濾膜對鹵水吸附提鋰鋰鹽合格液進(jìn)行預(yù)處理，可以顯著提高后續(xù)的RO濃縮性能和效率；經(jīng)過對鹵水吸附提鋰氯化鋰合格液的RO濃縮系統(tǒng)進(jìn)行專業(yè)合理的設(shè)計(jì)，并就不同超濾膜SDI和后續(xù)RO性能參數(shù)的關(guān)系進(jìn)行了專業(yè)的計(jì)算和評估，結(jié)果如圖2和圖3所示。其中圖2反映了RO進(jìn)水壓力隨進(jìn)水SDI的變化。圖3反映了RO兩次清洗時(shí)間間隔隨SDI的變化。

圖2 RO進(jìn)水壓力隨進(jìn)水SDI的變化

從圖2中可以看出，就平均值來比較，SDI從2.00降低到1.00，RO進(jìn)水壓力降低1.2bar，這樣可以顯著降低RO膜的運(yùn)行成本。另一方面，預(yù)處理出水SDI值低，RO膜運(yùn)行壓力低，也表明在同樣條件下，預(yù)處理SDI值低，RO濃縮倍數(shù)可以更高，這對于工藝性能有了較大提高，也有助于提高RO系統(tǒng)性能。

圖3 RO兩次清洗時(shí)間間隔隨進(jìn)水SDI的變化

從圖3中可以看出，SDI從2.00降低到1.00，RO兩次清洗時(shí)間間隔從約4個月延長到9個月，而當(dāng)進(jìn)水SDI為3.0時(shí)，RO兩次清洗時(shí)間時(shí)間間隔只有3個月?？梢?，有其當(dāng)SDI降低到較低范圍后，SDI的降低，可成倍延長RO兩次清洗時(shí)間時(shí)間間隔，從而可以顯著降低清洗成本，延長膜的使用壽命，降低生產(chǎn)成本。

4 結(jié)語

(1)SDI值對于RO濃縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)和性能測試具有直接指導(dǎo)意義；

(2)進(jìn)水SDI每降低1單位，RO壓差會至少降低1.2bar，進(jìn)膜壓力也會相應(yīng)至少降低1.2bar；

(3)進(jìn)水SDI每降低1單位，RO兩次清洗之間時(shí)間間隔會加倍延長；換言之，SDI從2.0以上降低到1.0以下時(shí)，RO兩次清洗之間時(shí)間間隔至少可以從3個月延長到6個月。

(4)進(jìn)水SDI的降低，可以大大降低RO運(yùn)行和維護(hù)成本；

(5)對于鹵水吸附提鋰反滲透濃縮系統(tǒng)，SDI值對于RO系統(tǒng)預(yù)處理選擇，以及RO膜的設(shè)計(jì)和性能預(yù)測具有指導(dǎo)意義；陶瓷超濾膜與有機(jī)超濾膜相比，在吸附提鋰鋰鹽合格液預(yù)處理中具有一定優(yōu)點(diǎn)，更有利于降低RO的運(yùn)行壓力，延長RO膜的清洗周期，進(jìn)而提高RO系統(tǒng)的性能，降低生產(chǎn)成本；