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苦咸水除盐的低压反渗透膜处理法
摘要：以Cl-和SO42-为目标离子，利用低压反渗透膜对模拟的苦咸水进行脱盐处理，分别考察了进水压力、料液进水TDS 浓度对清水出水TDS 浓度及膜的截留效果的影响。结果表明，当进水压力0.6 MPa，清水流量5.04 L/h，清水产率60%时，反渗透膜对Cl-和SO42-的截留率最高，分别为96.1%和99.7%，出水质量浓度分别为42.5 mg/L 和11.5 mg/L，达到了GB 5749-2006 生活饮用水卫生标准，可解决宁南地区区域劣质地下苦咸水无法饮用的问题。
关键词：苦咸水；低压反渗透；除盐
中图分类号：TQ028.8 文献标识码：A 文章编号：1000-3770(2013)08-0117-004
宁夏南部山区水资源匮乏[1-2]，具有突出的水质性缺水特征，地表水和地下水水质普遍较差，苦咸水广泛分布，表现为高浓度盐碱成分，其中，尤以Cl-和SO42-含量最高[3]，分别达到了1 367、4 111.5 mg/L，远超生活饮用水卫生标准（GB 5749－2006），生活饮用水卫生标准中氯和硫酸盐含量≤250 mg/L。故以高浓度Cl-和SO42-为目标离子，研究苦咸水的除盐效果。
去除水中Cl-的方法主要有电渗析法、蒸馏法和化学沉淀法。其中电渗析法[4-5]和蒸馏法[6]由于需要消耗大量的能量，处理成本较高，不宜大规模使用；化学沉淀法由于在反应过程中会引入杂质离子，故不适合用于饮用水除Cl-。去除卤水中SO42-的方法主要有钡法和冷冻法。其中利用钡法去除SO42-的过程中，会引起Ba2+ 含量超标，且BaCl2有较强的毒性，故不适合饮用水处理过程中使用[7]；而冷冻法[8]脱除SO42-的能耗相当大，而且设备投入大，运行费用高，难以实现工业化。因此Cl-和SO42-的传统脱除方法均具有一定的局限性，找到一种可行性高的脱除方法是十分必要的。反渗透技术是膜分离技术的一种，可用于脱除水溶液中除H+、OH- 以外的其他无机离子，广泛用于海水、苦咸水的淡化、除盐处理[9-16]。低压反渗透技术作为反渗透技术的一种，所需的工作压力仅为正常反渗透装置的二分之一到三分之一，可以达到节约能源，满足低碳经济的要求。目前，国内外利用低压反渗透技术进行脱盐效果的研究较多，但对于同时去除水中Cl-和SO42-的研究甚少。本试验探究低压反渗透技术对于Cl-和SO42-的脱除效果，从而得到一种简便可行、经济节能的苦咸水脱盐的处理方法。
1 材料与方法
1.1 试验仪器及试剂
膜分离试验装置（HPLM-1812-2）、电子分析天平（AB104-N）、100 mL 烧杯、1 L烧杯、500 mL 容量瓶、酸式及碱式滴定管等。
氯化钠、无水硫酸钠、硝酸银、高锰酸钾、过氧化氢、硫酸、氢氧化钠、铬酸钾、盐酸、氯化钡、氯化镁、乙二胺四乙酸二钠、酚酞指示剂、甲基红、铬蓝K- 萘酚绿B 等，药品均为分析纯。
1.2 试验溶液的配置
根据宁夏南部地区地下水中Cl-和SO42-的实际含量（Cl-最高质量浓度为1 367 mg/L，SO42- 最高质量浓度4 111.5 mg/L）配制水样，如表1 所示。
1.3 试验方法
根据试验原水的进水指标及出水指标要求，采用一级一段循环式反渗透工艺，将配置好的不同离子浓度的水样在不用的进水压力下进入反渗透装置中，在反渗透膜的分离作用下分成两条水路流出，一部分是浓度较高的浓缩液，另一部分是浓度较低的透过液；高浓度的浓缩液回流到原水中，透过液收集起来进行离子浓度测定。
试验采用单一变量法，研究料液进水压力、进水浓度和装置运行时间对低压反渗透膜除盐效果的影响。讨论Cl-、SO42-的出水质量浓度和截留率，并进行模拟含Cl-和SO42-废水处理试验。
1.4 试验数据分析
反渗透过程对于Cl-、SO42-的去除效果采用截留率（R）来表征，用百分比表示：
R=(1-ρp/ρb)×100%。（1）
式中，ρp为透过液质量浓度；ρb为原水质量浓度。
2 结果和讨论
2.1 进水TDS 含量对清水出水量的影响
在进水压力分别为0.55、0.60、0.65、0.70 MPa，进水TDS 含量分别为1 242.8、3 107.2、4 971.5、6 835.8、8 700.1 mg/L 的条件下，进行进水压力、进水浓度对清水出水量影响的试验。不同进水压力下进水TDS与出水量的关系如图1 所示。

由图1 可以看出，在相同的进水压力条件下，随着进水TDS 的增大，清水（透过液）出水量呈下降趋势；在相同的进水TDS 条件下，当进水TDS 较低时（如图1 中进水TDS为1 242.8 mg/L），进水压力越高，清水（透过液）出水量越大；当进水TDS 较高后，进水压力对清水（透过液）出水量的影响相应变弱。试验结果表明，当处理低浓度含盐水时，宜采用较高的进水压力。
2.2 进水TDS 含量对清水TDS 含量的影响
在进水压力分别为0.55、0.60、0.65、0.70MPa，进水TDS 含量分别为1 242.8、3 107.2、4 971.5、6 835.8、8 700.1 mg/L 的条件下，进行进水压力、进水浓度对清水出水浓度影响的试验。不同进水压力下进水TDS 与出水TDS 的关系如图2 所示。
由图2 可知，在相同的进水压力条件下，随着进水TDS 的增大，清水（透过液）TDS 呈上升趋势，且当进水TDS 超过6 835.8 mg/L 时，出水TDS 快速增加。在相同的进水TDS 条件下，进水压力对清水（透过液）TDS 的影响较小，可忽略不计。试验表明，低压反渗透膜对于高浓度含盐水的处理效果不佳。故建议低压反渗透过程进水TDS 不宜超过7 000mg/L。
2.3 膜对进水TDS 截留效果
在进水压力分别为0.55、0.60、0.65、0.70 MPa，进水TDS 含量分别为1 242.8、3 107.2、4 971.5、6 835.8、8 700.1 mg/L 的条件下，进行进水压力、进水浓度对离子截留率影响的试验，试验结果如图3 所示。
由图3 可以看出，在相同的进水压力条件下，随着进水TDS 含量的增大，反渗透膜对TDS 的截留率呈先上升后下降的趋势。分析原因，在进水TDS 从1 242.8～6 835.8 mg/L 的范围内，反渗透膜对TDS的截留效果良好；当进水TDS 超过6 835.8 mg/L后，可能是随着进水浓度升高，水的通量开始变小，并开始产生浓差极化现象，导致对膜产生污染。这样，溶质透过膜的机会增大，导致截留率降低，出水水质变差。实际应用中要综合考虑进水TDS 条件，以确保出水水质合格。
2.4 进水浓度对反渗透过程的影响
在进水压力为0.60 MPa 的条件下，分别进行Cl-和SO42-进水质量浓度对反渗透过程影响的试验，试验结果分别如图4、图5 所示。
由图4 可知，随着Cl-进水质量浓度的升高，反渗透膜对于Cl-的截留率总体呈下降的趋势，但均大于92%，且出水质量浓度均小于国家饮用水标准中对Cl-质量浓度的要求（
由图5 可知，随着SO42-进水质量浓度的升高，反渗透膜对于SO42-的截留率总体呈上升的趋势，且均大于97.5%，出水质量浓度不超过20 mg/L，远低于国家饮用水标准对SO42-的要求（
综合图4、图5 结果可知，低压反渗透由于膜孔径较大，对Cl-的截留率不够高，加之高浓度时产生的浓差极化现象，使得随着进水Cl-质量浓度升高，出水的通量开始变小，出水水质变差；但这样的膜孔径对SO42-具有很好的截留效果，因此即使SO42-的浓度很高也不会透过膜，实现高效的截留作用。
2.5 进水压力对于反渗透过程的影响
在Cl-、SO42-进水质量浓度分别为1 100、3 300mg/L 的条件下，进行不同进水压力对于反渗透过程影响的试验，试验结果如图6、图7 所示。
由图6 可以看出，随着进水压力的增高，Cl-的截留率基本保持稳定，均在96.1%～96.8%；同时出水质量浓度呈先下降再上升的趋势，在0.60MPa 进水压力下，出水质量浓度最低，为34.5 mg/L。试验表明，反渗透膜对于Cl-的截留效果在进水压力0.6MPa 时为最好。分析原因，进水压力增大后，膜两侧压力差变大，使得一价的Cl-更易透过膜而进入清水（透过液）中，当压力变为0.70MPa 时，清水（透过液）中Cl-质量浓度开始呈现上升趋势。因此在采用低压反渗透处理高氯离子浓度水质时，要选择适当的进水压力。
由图7 可以看出，随着进水压力的增大，SO42-的截留率无明显变化趋势，截留率均大于99%，出水质量浓度均远小于国家饮用水标准中对于SO42-质量浓度的要求（250 mg/L），出水效果稳定可靠。试验表明，反渗透膜对于SO42-的截留效果不随进水压力而产生明显变化。而进水压力大时，清水的产率相应也高；但如果考虑到和Cl-同时去除，则要考虑进水压力。
2.6 一级一段循环模式出水运行情况
在已经确定的最佳运行条件下（进水压力0.6MPa），按照宁夏南部地区当地水体中Cl-和SO42-的实际浓度（Cl-质量浓度为1 400 mg/L，SO42-质量浓度为4 200 mg/L），采用一级一段循环模式运行反渗透装置。每15 min 取一次样进行测定，运行结果如图8、图9 所示。

由图8 可知，随着运行时间的增长，Cl-出水质量浓度不断增加；当运行至45 min 时（45 min 时，出水质量浓度为227.929 mg/L），Cl-出水质量浓度即将超过国家饮用水卫生标准中的最高要求（≤250 mg/L）。故建议反渗透装置连续运行时间不宜超过45 min，应及时进行反冲洗[17-19]。由图9 可知，随着运行时间的增长，SO42-的出水质量浓度一直保持在27 mg/L 以下，远低于国家饮用水卫生标准中对于SO42-质量浓度的要求（≤250 mg/L），反渗透膜对SO42-的截留率保持在99.3%以上。由此可知，反渗透膜对SO42-具有长期、稳定的截留效果[20]。
4 结论
反渗透膜除盐的最佳运行条件为：进水压力0.6MPa，清水流量5.04 L/h，清水产率60%。
反渗透膜对Cl-和SO42-均有良好的截留效果，可以应用反渗透来处理水体中的Cl-和SO42-。反渗透膜对Cl-和SO42-的最佳截留条件为：Cl-进水质量浓度1 100 mg/L，进水压力0.65MPa，截留率96.1%，出水质量浓度42.5 mg/L；SO42-进水质量浓度3 300mg/L，截留率99.7%，出水质量浓度11.5 mg/L。
利用反渗透膜可以实现快速处理宁夏南部地区苦咸水，建议每45 min 进行一次膜的反冲洗。

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