電磁阻垢技術(shù)在膜法海水淡化系統(tǒng)的應(yīng)用研究

閆玉蓮，李 露，王可寧，馮 濤，張 乾，潘春佑

(自然資源部 天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192)

海水淡化水已成為重要的補充或戰(zhàn)略水源[1]，控制海水淡化成本[2]是海水淡化大規(guī)模的推廣關(guān)鍵內(nèi)容。藥劑的使用是海水淡化成本重要組成部分，阻垢劑成本占到了藥劑成本的一半。而且市面上所用的藥劑多為含磷或有機共聚物[3]，且為偏酸性，對環(huán)境有一定的影響。因此采用環(huán)境友好的海水淡化阻垢技術(shù)、降低藥劑成本是海水淡化研究的重要方向。文章針對在循環(huán)水方面具有良好效果的電磁阻垢技術(shù)進(jìn)行討論，研究其應(yīng)用于海水淡化領(lǐng)域可行性。

1 電磁阻垢技術(shù)在循環(huán)水系統(tǒng)研究及應(yīng)用情況

電磁阻垢技術(shù)是水處理行業(yè)研究較多的一種物理阻垢技術(shù)，利用電場和磁場有機結(jié)合的方法，主要由頻率發(fā)生器和水處理器兩部分組成。目前針對此項技術(shù)的機理研究、裝置研究及應(yīng)用研究均較多。

1.1 阻垢機理

研究者們對電磁阻垢機理方面的猜想，普遍認(rèn)為電磁處理可以使點狀、絮狀結(jié)晶增多，增大結(jié)垢傾向，國內(nèi)外的多項研究證明了這一點。李海燕等[4]發(fā)現(xiàn)高頻電磁處理后的水加熱時，水中鹽類在顯微鏡下觀察到點狀結(jié)晶比桿狀結(jié)晶多 ，同時結(jié)晶總數(shù)亦明顯增多。在對機理的解釋方面認(rèn)為磁處理有利于文石生長，文石相對于方解石較為疏松不易附著在管壁上。Clifford Y. Tai[5]及MengChun Chang[6]等發(fā)現(xiàn)磁處理可以減緩或抑制方解石的生長，促進(jìn)文石的生長，而且這種影響在低pH值情況下較為明顯。

但也有與其不同的研究結(jié)果，認(rèn)為磁場可以延緩結(jié)垢或者提高反應(yīng)時結(jié)垢因素濃度。韓勇等[7]發(fā)現(xiàn)低頻電磁場可以阻礙溶液內(nèi)成垢離子的結(jié)合沉淀，遲金寶[8]有類似的研究結(jié)果，認(rèn)為低頻磁場處理能夠提高碳酸鈣結(jié)晶反應(yīng)平衡時的Ca2+濃度。

1.2 阻垢裝置研發(fā)

在裝置研發(fā)方面，國內(nèi)多家研究機構(gòu)進(jìn)行裝置研發(fā)，同時對影響其作用的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了探討。

青島科技大學(xué)劉炳成教授團(tuán)隊[9-10]對線圈纏繞式電磁阻垢裝置進(jìn)行了研制和實驗研究，裝置電源輸入電壓60 V，輸出頻率范圍0 kHz～100 kHz。通過實驗證明電磁場促進(jìn)了碳酸鈣的成核和長大。武漢大學(xué)羅云柏團(tuán)隊[11]研制同軸電極式處理腔阻垢裝置，外腔筒為不銹鋼圓柱體，作為陰極；陽極是半徑 8 mm的實心細(xì)不銹鋼棒，頻率在1 MHz～10 MHz可調(diào)。提出電磁阻垢的適宜條件：pH值為7.5～8.5，流速1.8 m/s～2.5 m/s，鈣離子100 mg/L～200 mg/L。

重慶大學(xué)熊蘭教授[12-14]團(tuán)隊利用Ansoft Maxwell軟件建立仿真模型，設(shè)計出同軸電極式處理腔、纏繞電極式處理腔等不同結(jié)構(gòu)的裝置，可輸出峰值為400 V、頻率范圍為10 kHz～1 MHz的交流方波信號，實驗證明只有選擇合適的頻率，運用該裝置才能很好地實現(xiàn)阻垢效果。

1.3 商用電磁裝置應(yīng)用效果

在商用電磁裝置應(yīng)用方面，相關(guān)人員對電磁裝置在電廠的應(yīng)用進(jìn)行了跟蹤，有些取得了一定效果，也有未達(dá)到預(yù)期的情況。

Martti Latva等[15]將Bauer Watertechnology Ltd公司的水處理裝置用于中試規(guī)模的配水系統(tǒng)，裝置限制了CaCO3在輸水管壁上的沉淀，且熱水管道的影響比冷水管道更為明顯。萬偉等[16]將電磁阻垢裝置用于大牛地氣田含醇污水處理系統(tǒng)，裝置使用后管道內(nèi)陳垢脫落，延長了換熱系統(tǒng)壽命。鐘棟等[18]針對蘇里格天然氣處理廠丙烷蒸發(fā)冷凝器結(jié)垢嚴(yán)重問題，進(jìn)行了阻垢試驗，將阻垢裝置安裝于系統(tǒng)中，證明電磁裝置具有較好的阻垢效果。在其應(yīng)用試驗中，發(fā)現(xiàn)近年來進(jìn)入國內(nèi)市場的新技術(shù)量子管通環(huán)，具有與電磁裝置同樣的阻垢、抑菌、防腐功效，但相比電磁裝置其具備不耗電、占地小等優(yōu)勢。

在電廠的大型水循環(huán)中，電磁阻垢也取得了一定效果。李明東等[18]將電磁裝置應(yīng)用于鎮(zhèn)江金東紙業(yè)集團(tuán)自備電廠，裝置安裝兩個月后對管道進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)，原管壁上的垢層，在使用后，老垢已經(jīng)剝落，露出了原管壁金屬表面。程剛等[19]追蹤了上海英力科技股份有限公司電磁裝置分別在電廠300 MW機組及600 MW機組的運行情況，裝置使用后兩個機組循環(huán)水管道及凝氣器換熱管內(nèi)壁硬垢脫落，經(jīng)測算驗證機組低缸排汽溫度下降1 ℃左右 ，機組標(biāo)準(zhǔn)供電煤耗下降了 1 g/kW·h左右，提高了機組運行的經(jīng)濟(jì)性。

但是，對于電磁阻垢應(yīng)用于電廠循環(huán)水系統(tǒng)，也有相關(guān)研究者發(fā)現(xiàn)不能獲得理想的阻垢效果。張強等[20]將電磁裝置應(yīng)用于某火電廠兩臺600 MW機組65 000 t/h電廠循環(huán)水系統(tǒng)，通過兩個機組對比使用發(fā)現(xiàn)，單獨采用電磁阻垢處理方式相比傳統(tǒng)化學(xué)加藥處理方式和兩種方式聯(lián)合處理方式結(jié)垢傾向增大，阻垢效果欠佳。

電磁阻垢裝置的長期使用效果還未見相關(guān)報道，但是根據(jù)實驗室及大部分水循環(huán)系統(tǒng)使用經(jīng)驗，電磁阻垢裝置在阻垢方面有良好的效果，可以部分或者完全替代阻垢劑的使用，在防腐蝕方面也有顯著作用。海水淡化裝置無論是熱法還是膜法，都需要大量使用阻垢劑進(jìn)行裝置防垢，若可以將電磁阻垢大規(guī)模用于海水淡化系統(tǒng)中，替代阻垢劑的使用，對于降低海水成本、降低藥劑的環(huán)境影響具有重要作用。

2 磁場對海水淡化結(jié)垢因子的影響

海水淡化的濃鹽水濃度較高，容易結(jié)垢，常出現(xiàn)的垢主要是碳酸鈣、硫酸鎂、硫酸鋇等。國內(nèi)外研究者研究了磁場對海水中易結(jié)垢離子的影響，發(fā)現(xiàn)磁場可以影響結(jié)垢的量、成垢的晶型及成垢的時間等。

Fathi Alimi 等[21-22]將多個0.16 T永磁體進(jìn)行串聯(lián)，作用于碳酸鈣飽和溶液，發(fā)現(xiàn)經(jīng)磁場作用的碳酸鈣沉淀量增加，pH值影響沉淀效果，pH值越低、作用時間越長沉淀越明顯，且鎂的存在可以增加文石的生成量。D. Mys′liwiec等[23]發(fā)現(xiàn)磁場對碳酸鈣沉淀的影響與溶液的濃度有關(guān)，濃度越大，沉淀速率越高。

有些研究者對磁場影響的時間進(jìn)行了探討。Bali Mahmoud等[24]通過追蹤碳酸鈣溶液pH值變化判斷沉淀開始時間(pH值開始下降為沉淀開始)，發(fā)現(xiàn)磁處理可延遲沉淀的析出時間。M.A.Salman等[25]研究了磁場對海水淡化過程中可能出現(xiàn)的CaCO3、CaSO4和BaSO4等的結(jié)垢影響情況，試驗結(jié)果與大多數(shù)研究者相似，磁場可以將形成的水垢保持在懸浮狀態(tài)，防止結(jié)垢物質(zhì)在管道內(nèi)表面沉淀，不同的發(fā)現(xiàn)是磁裝置可以在10 min～45 min內(nèi)抑制結(jié)垢，且只有在有懸浮顆?；蛟诮Y(jié)垢過程中，或在測量結(jié)垢保留時間或晶體形貌時，磁場的作用才明顯。

研究結(jié)論發(fā)現(xiàn)，磁場對海水離子結(jié)垢與循環(huán)水類似，磁場的添加可以影響結(jié)垢量、促進(jìn)晶型向疏松型發(fā)展、可能延遲結(jié)垢時間。

3 電磁阻垢技術(shù)在反滲透淡化系統(tǒng)中的應(yīng)用

在磁場對海水結(jié)垢因子的影響基礎(chǔ)上，海水淡化的研究者開始將電磁阻垢裝置用于整個系統(tǒng)。海水淡化應(yīng)用較廣的主要有兩種方式，一種是蒸餾法，一種是反滲透法。文章重點關(guān)注電磁阻垢技術(shù)在反滲透系統(tǒng)的應(yīng)用情況。

3.1 膜表面不易結(jié)垢

Jingqiu Sun 等[26]對反滲透系統(tǒng)預(yù)處理超濾進(jìn)行了電流影響實驗，研制了電絮凝與超濾復(fù)合裝置，并對其抗污染性能進(jìn)行了研究比較，證明復(fù)合裝置的抗污染性能最好。

天津工業(yè)大學(xué)李建新團(tuán)隊[27-29]發(fā)現(xiàn)經(jīng)過電磁處理的進(jìn)水在納濾膜表面結(jié)垢厚度小于未經(jīng)處理的情況，認(rèn)為磁場處理可以抑制和延緩CaCO3晶體在NF膜表面的萌生和沉淀。經(jīng)過磁場處理后的碳酸鈣結(jié)晶更容易形成團(tuán)簇的針狀文石，且對晶形的影響會隨著溶液濃度的增加而有所減弱。

葛紅花等[30]將電磁阻垢裝置應(yīng)用于40 t/h的反滲透裝置，運行一段時間后發(fā)現(xiàn)電磁裝置具有較好的阻垢效果。認(rèn)為電磁處理可以降低碳酸鈣微粒的表面能，使碳酸鈣微粒從形狀規(guī)則的方解石晶體轉(zhuǎn)變?yōu)樾螤畈灰?guī)則的文石和球霰石，降低了碳酸鈣微粒在固體表面的粘附性，并減小了碳酸鈣微粒之間自動聚集生成碳酸鈣大顆粒的可能性。認(rèn)為電磁處理的阻垢作用在于其改變了反滲透系統(tǒng)中反滲透膜、碳酸鈣微粒、水體系的能量狀態(tài)，使體系中形成的碳酸鈣微粒更易隨著濃水流出，而不是附著在反滲透膜表面。

方燕等[31]將永磁性材料加入反滲透設(shè)備研制成反滲透設(shè)備，通過運行發(fā)現(xiàn)，使用除垢器后，通過磁場振動防止水中硬垢在反滲透膜表面大量產(chǎn)生，生成疏松的軟垢，并使硬垢在振動過程中隨水流沖刷從膜表面脫落，但阻垢器使用一段時間后對膜表面的晶體改變效果逐漸降低，膜通量逐漸下降。

Pelekani, C.等[32]進(jìn)行了反滲透裝置的長期動態(tài)試驗，將新加坡GrahamTek公司的電磁阻垢裝置應(yīng)用于南澳大利亞Nhill鎮(zhèn)270 m3/d的處理富含鐵的苦咸水反滲透實驗裝置， 實驗結(jié)果表明電磁裝置可以減緩膜的污染。

以上研究具有一致性，發(fā)現(xiàn)使用電磁裝置后可以減緩膜系統(tǒng)的污染和結(jié)垢，認(rèn)為磁場改變了結(jié)垢物質(zhì)的晶型，使膜表面不易結(jié)垢。但是有的研究與以上研究者的想法不同，認(rèn)為結(jié)垢物質(zhì)晶型的改變會改變膜表面垢的形態(tài)，從而影響膜的性能。

3.2 膜性能得到改進(jìn)

清華大學(xué)朱安娜等[33-34]發(fā)現(xiàn)磁場的存在可以改變納濾過程中膜面結(jié)垢的晶體形態(tài)，加磁場時疏松態(tài)文石晶體的增加，可增大孔隙率，有利于水的通過，從而減緩納濾膜通量衰減的速度。

Marek Gryta 等[35]研究了商業(yè)應(yīng)用的電磁裝置在對膜蒸餾過程中的結(jié)垢影響，發(fā)現(xiàn)裝置可以減少自來水加熱過程中沉淀的形成，但對膜表面減少結(jié)垢的效果較小。形成的結(jié)垢層多孔性更強，由較大的晶粒組成。與未受磁場作用的進(jìn)料相比，膜蒸餾工藝的效率下降緩慢。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)韓海波等[36]采用分子動力學(xué)模擬方法，模擬了磁場作用下水分子和鹽離子在膜中的擴(kuò)散行為，認(rèn)為聚酰胺膜中水分子擴(kuò)散系數(shù)增加，離子移動性減弱，這將導(dǎo)致海水淡化過程中水分子更容易而鹽離子更難通過反滲透膜，有利于提高產(chǎn)水量和脫鹽率。

以上研究認(rèn)為磁場效應(yīng)不能阻止結(jié)垢，但是結(jié)垢晶型的改變，直接或間接影響了膜表面狀態(tài)，使得膜的性能得到改進(jìn)。

3.3 阻垢效果不明顯

但是也有研究者發(fā)現(xiàn)電磁阻垢裝置并不能獲得預(yù)想的效果，Corbett B.E.[37]等對尤馬32萬t/d淡化廠的給水進(jìn)行了中試試驗，將電磁技術(shù)、阻垢劑等應(yīng)用于進(jìn)水流量54 t/h、總回收率90%以上的兩級反滲透系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)電磁技術(shù)在對硫酸鈣阻垢方面的效果不明顯。

Wenbin Jiang等[38]將電磁裝置用于反滲透裝置中，反滲透進(jìn)水1.36 t/h，回收率50%，進(jìn)水為苦咸水，電磁作用可以使過濾器、管道中的膠粒、污垢和結(jié)垢層松動，脫落的顆粒阻塞反滲透水流通道，導(dǎo)致給水和濃水流量驟減。電磁作用只能延緩、不完全消除膜表面的污垢和結(jié)垢。

4 結(jié)語

電磁裝置在反滲透系統(tǒng)應(yīng)用還是處于實驗研究階段，且多數(shù)是在苦咸水方面，在大型海水反滲透系統(tǒng)中應(yīng)用的未見報道。根據(jù)對各研究者實驗結(jié)果及原理的分析，可以發(fā)現(xiàn)電磁裝置阻垢機理是以形成松散的晶型為主，可以促進(jìn)晶體在溶液內(nèi)形成而不是管壁，反滲透膜系統(tǒng)為壓力系統(tǒng)，溶液中形成的晶體可能會堵塞膜內(nèi)水流通道，造成阻垢效果不明顯情況，但由于其晶型的改變，松散的結(jié)垢對于膜的清洗恢復(fù)更友好，而且其疏松性可能提升膜的脫鹽效果，從而延緩膜性能衰減。

實驗研究中的電磁裝置形式和頻率多種多樣，小型實驗多為永磁體，中試裝置電磁裝置為主，實驗結(jié)果也有不同，電磁裝置的頻率及裝置的形式可能影響磁場作用膜系統(tǒng)結(jié)垢效果。

對于電磁阻垢技術(shù)對于海水反滲透系統(tǒng)影響的研究，建議考慮電磁裝置的形式和頻率影響阻垢效果，另外對于電磁技術(shù)對膜性能的影響也可以作為進(jìn)一步研究方向。