電池材料行業(yè)反滲透技術(shù)制備純水

(中國(guó)醫(yī)藥集團(tuán)聯(lián)合工程有限公司，湖北 武漢 430077)

反滲透水處理技術(shù)是膜分離技術(shù)的一種，具有脫鹽率高、適應(yīng)水質(zhì)含鹽量范圍廣、自動(dòng)化程度高、產(chǎn)水的水質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)[1-2]，一般應(yīng)用于原水鹽分較高或產(chǎn)水要求較為嚴(yán)格的水處理領(lǐng)域，如:在工業(yè)廢水回用領(lǐng)域，利用納濾反滲透聯(lián)合技術(shù)處理銅礦廢水以供回用[3]；在純水制備領(lǐng)域，利用反滲透與EDI技術(shù)結(jié)合制備超純水[4]，在地表水處理、海水淡化等水處理領(lǐng)域[5-6]。反滲透水處理技術(shù)也具有較好的處理效果和經(jīng)濟(jì)性。在電池行業(yè)中，為提高電池原材料的產(chǎn)品質(zhì)量，須控制產(chǎn)品中的雜質(zhì)濃度，故生產(chǎn)過(guò)程中使用的水也須對(duì)其中的溶解性物質(zhì)、膠體物質(zhì)、氣體及有機(jī)物等進(jìn)行控制，水中除了水分子外，不得有其他雜質(zhì)，此種水可以通過(guò)蒸餾、去離子化、反滲透技術(shù)或其他適當(dāng)?shù)某R界精細(xì)技術(shù)生產(chǎn)。綜合來(lái)說(shuō)，以反滲透技術(shù)為主的制造工藝相對(duì)較普遍。

1 反滲透技術(shù)制備電池材料行業(yè)純水

1.1 電池材料行業(yè)純水需求

電池材料廠主要生產(chǎn)汽車鋰離子動(dòng)力電池和儲(chǔ)能電池正極材料前驅(qū)體——電池級(jí)正磷酸鐵，其生產(chǎn)主要分為粗品生產(chǎn)及精制兩個(gè)階段。粗品生產(chǎn)階段主要為硫酸亞鐵、磷酸、氨水及磷酸氫二氨等反應(yīng)物在一定條件下生成磷酸鐵，即為粗品。精制階段則分為氧化和老化兩個(gè)工序，氧化工序?yàn)橄驗(yàn)V餅中通入硫酸充分反應(yīng)后，再通入大量純水持續(xù)清洗60～90min以去除其中的金屬及非金屬雜質(zhì)，老化工序?yàn)橄驂簽V機(jī)的濾餅中通入磷酸充分反應(yīng)后，再同樣通入大量純水持續(xù)清洗60～90min以去除雜質(zhì)。氧化階段及老化階段使用的大量純水可采用反滲透技術(shù)制備。

1.2 原水水質(zhì)及產(chǎn)水要求

制備純水采用的原水為當(dāng)?shù)厥姓詠?lái)水，其主要水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 自來(lái)水原水水質(zhì)

根據(jù)項(xiàng)目生產(chǎn)用水量要求，項(xiàng)目純水制備規(guī)模為80m3/h，產(chǎn)水須達(dá)到pH>6，電導(dǎo)率小于10μS/cm(以上均為在25℃下的指標(biāo))。

1.3 純水制備工藝設(shè)計(jì)

純水制備系統(tǒng)主要采用反滲透脫鹽技術(shù)，分為預(yù)處理系統(tǒng)和一級(jí)反滲透系統(tǒng)兩部分。預(yù)處理系統(tǒng)主要對(duì)進(jìn)行反滲透的原水進(jìn)行初步處理，以去除其中對(duì)反滲透有影響的雜質(zhì)，以“原水箱+進(jìn)水泵+多介質(zhì)過(guò)濾器+活性炭吸附器”為主要組成部分，同時(shí)輔助以加藥系統(tǒng)。經(jīng)預(yù)處理后，原水可達(dá)到SDI<5，ORP<+170mV，滿足反滲透進(jìn)水要求。反滲透為主的脫鹽體系采用兩段式設(shè)計(jì)，即一段反滲透和二段反滲透設(shè)計(jì)，由“保安過(guò)濾器+高壓泵+一段反滲透+二段反滲透+產(chǎn)水箱”組成。由于反滲透系統(tǒng)脫鹽率高，故能起到主要的脫鹽作用，產(chǎn)水可達(dá)到電導(dǎo)率不大于10μS/cm要求。工藝流程如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目工藝流程

項(xiàng)目原水首先進(jìn)入原水箱，經(jīng)原水泵提升進(jìn)入多介質(zhì)過(guò)濾器，多介質(zhì)過(guò)濾器濾料采用800mm厚φ0.8～1.2的石英砂濾料和400mm厚φ1.2～1.6的無(wú)煙煤濾料組合，多介質(zhì)過(guò)濾器出水直接進(jìn)入活性炭吸附器，采用800mm厚φ1～3的椰殼活性炭，碘值不小于700，活性炭吸附器出水進(jìn)入過(guò)濾精度為5μm的保安過(guò)濾器后，再由增壓泵增壓進(jìn)入反滲透膜組件，反滲透設(shè)計(jì)進(jìn)水規(guī)模為2×55m3/h，每套采用卷式聚酰胺復(fù)合膜組件48支，型號(hào)為BW30-400，膜面積37m2，設(shè)計(jì)膜通量23.5L/(m2·h)，設(shè)計(jì)回收率75%，兩段式5∶3排列，一段共30支膜組件，采用五支六芯裝壓力容器并聯(lián)；二段共18支膜組件，采用三支六芯裝壓力容器并聯(lián)。一、二段反滲透共用膜架。為保證反滲透膜組件的使用壽命，在增壓泵前投加阻垢劑和還原劑作為輔助措施。

2 項(xiàng)目運(yùn)行效果分析

2.1 運(yùn)行效果分析

項(xiàng)目竣工并調(diào)試完畢后，穩(wěn)定運(yùn)行一年，回收率及膜通量均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，直接運(yùn)行成本約5.0～8.0元/t產(chǎn)水(考慮自來(lái)水費(fèi)、藥劑費(fèi)及使用電費(fèi)),典型的原水水質(zhì)及產(chǎn)水水質(zhì)見(jiàn)表2，典型的進(jìn)出水電導(dǎo)率及脫鹽率如圖2所示。

表2 純水系統(tǒng)進(jìn)出水水質(zhì)

圖2 典型進(jìn)出水電導(dǎo)率及脫鹽率

采用反滲透工藝對(duì)自來(lái)水進(jìn)行純化，產(chǎn)水電導(dǎo)率穩(wěn)定在3～4μS/cm左右，穩(wěn)定脫鹽率在98%以上，此脫鹽率與BW30-400的廠家標(biāo)稱脫鹽率99.5%有一定的差距，可能的原因有兩個(gè)：?廠家的標(biāo)稱值是基于其標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件，即2000mg/L的NaCl含量15.5bar的進(jìn)膜壓力及單支組件15%的回收率，項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行條件與此測(cè)試條件有偏差；?單級(jí)反滲透裝置的出水無(wú)法做到TDS為0的理想狀況，在原水為自來(lái)水的情況下，正常出水TDS在1～3mg/L左右，因而，在進(jìn)水TDS小于1000mg/L的情況下，較難達(dá)到更高的脫鹽率。

2.2 運(yùn)行壓力分析

日常維護(hù)操作較為簡(jiǎn)單，主要為多介質(zhì)過(guò)濾器、活性炭吸附器的反洗，頻率為1次/天；反滲透系統(tǒng)沖洗，頻率為1次/天；反滲透系統(tǒng)CEB清洗(化學(xué)增強(qiáng)清洗)，頻率為3次/年。在一個(gè)沖洗周期內(nèi)(24h)，反滲透系統(tǒng)的壓降(增壓泵進(jìn)口壓力與反滲透系統(tǒng)濃縮液出口壓力差)會(huì)隨時(shí)間的變化而變化(如圖3所示)。

圖3 反滲透系統(tǒng)壓降變化曲線

由圖3可知，RO系統(tǒng)運(yùn)行壓降較小，在0.2～0.4MPa左右，在沖洗周期內(nèi)隨時(shí)間大致呈線性平穩(wěn)上升，主要原因?yàn)樵亲詠?lái)水，污染程度較輕，由膜污堵帶來(lái)的壓降上升也相應(yīng)較小。在一個(gè)清洗周期24h內(nèi)，運(yùn)行前16h進(jìn)膜壓力及出膜壓力均隨運(yùn)行時(shí)間上升，運(yùn)行16～24h內(nèi)，進(jìn)膜壓力則趨于穩(wěn)定，出膜壓力則呈隨運(yùn)行時(shí)間下降的趨勢(shì)。分析運(yùn)行過(guò)程，在沖洗后的運(yùn)行前期，膜組件潔凈度高，提供進(jìn)膜壓力的增壓泵為變頻控制的多級(jí)離心泵，其提供的揚(yáng)程(最終體現(xiàn)為進(jìn)膜壓力)尚有余量，進(jìn)膜壓力僅取決于膜組件的自身壓降及濃縮液出口的截止閥等管路阻力，故此時(shí)增壓泵在非滿頻率運(yùn)行(只需大于上述阻力即可)，隨著運(yùn)行時(shí)間增加，污堵增加導(dǎo)致膜組件自身壓降增加，進(jìn)膜壓力因而隨之增加，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)運(yùn)行產(chǎn)水反饋數(shù)據(jù)調(diào)整增壓泵頻率，當(dāng)繼續(xù)運(yùn)行污堵持續(xù)增加，且增壓泵頻率達(dá)到50Hz滿頻時(shí)，最終膜組件的自身壓降及濃縮液出口的截止閥等管路阻力將與增壓泵提供的揚(yáng)程達(dá)到平衡，即圖3曲線中運(yùn)行16h左右時(shí)，此時(shí)，進(jìn)膜壓力等于增壓泵提供的揚(yáng)程壓力，在此之后，進(jìn)膜壓力基本恒定，繼續(xù)運(yùn)行污堵增加(即阻力增加)將無(wú)法對(duì)進(jìn)膜壓力產(chǎn)生影響，轉(zhuǎn)而影響到出膜壓力，因而出膜壓力呈下降趨勢(shì)。

2.3 運(yùn)行CEB清洗周期

反滲透系統(tǒng)每運(yùn)行4個(gè)月進(jìn)行一次CEB清洗。在一個(gè)CEB清洗周期內(nèi)，單套反滲透系統(tǒng)的產(chǎn)水量及膜通量隨時(shí)間的變化如圖4所示。

圖4 反滲透系統(tǒng)產(chǎn)水量及膜通量變化曲線

CEB清洗后，系統(tǒng)產(chǎn)水量及膜通量隨運(yùn)行時(shí)間增加而穩(wěn)定下降，運(yùn)行前3個(gè)月產(chǎn)水量及膜通量均能基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求，運(yùn)行至第4個(gè)月產(chǎn)水量則開(kāi)始低于設(shè)計(jì)值，膜通量下降至設(shè)計(jì)通量的91%左右。一般來(lái)說(shuō)，膜通量下降至設(shè)計(jì)值的85%～90%則必須執(zhí)行CEB清洗操作，故該項(xiàng)目設(shè)置CEB清洗周期為4個(gè)月。

3 結(jié) 論

綜上所述，在電池材料行業(yè)可采用一級(jí)反滲透技術(shù)制備生產(chǎn)所需的純水，當(dāng)采用自來(lái)水作為原水時(shí)，在設(shè)計(jì)回收率75%、膜通量23.5L/(m2·h)條件下，產(chǎn)水電導(dǎo)率穩(wěn)定在3～4μS/cm，直接運(yùn)行成本約5.0～8.0元/t產(chǎn)水。該技術(shù)日常維護(hù)操作較為簡(jiǎn)單，主要為多介質(zhì)過(guò)濾器、活性炭吸附器的反洗及反滲透系統(tǒng)沖洗，頻率為1次/天。此外，反滲透系統(tǒng)CEB清洗周期3～4個(gè)月/次,較為理想。

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