纳滤海水软化中试工艺优化及结垢趋势预测研究

作     者：吴桐 

作者单位：中国海洋大学 

学位级别：硕士

导师姓名：苏保卫

授予年度：2015年

学科分类：08[工学] 0824[工学-船舶与海洋工程] 

主      题：集成膜系统 海水软化 纳滤 Pitzer理论 结垢预测 

摘      要：淡水资源已经成为制约国民经济发展的一个重要因素,而传统的跨流域调水、节水措施已经不能适应现阶段的生产实际和国民发展需求,随着科技的发展海水淡化技术逐渐成为解决水资源短缺的有效途径之一。膜法(反渗透法)是一种最主要的海水淡化技术,目前的装机容量约占61.1%。纳滤膜能够有效地去除海水中的二价钙、镁和硫酸根离子,降低海水的硬度,是一种很有前景的海水淡化预处理技术。在海水淡化过程中,膜面离子浓度升高,结垢不可避免的产生。结垢现象会增加膜清洗的频率、减少膜的使用寿命、提高操作成本,这限制了海水淡化的进一步推广。随着膜技术在海水淡化领域的应用,如何尽可能的降低能耗、减少投资决定了膜法海水淡化技术的大规模的推广。本论文运用适用于高浓度溶液的Pitzer理论求取在高浓度下的活度系数,结合浓差极化模型对于各操作条件下的结垢趋势(用过饱和指数SI表示)进行了预测;结合浓差极化模型和通量计算公式以及Pitzer渗透系数计算公式,通过迭代的方式求得膜末端的通量,并对纳滤膜组件末端的结垢趋势进行了预测：分别对纳滤2支、4支、6支膜组的有机物去除率、截留率、产水流量、能耗、过饱和度指数进行了研究;探讨了两种提高回收率的方式对纳滤系统性能影响;并考察了循环泵对纳滤系统性能的影响。结果如下：1、膜面结垢趋势预测模型的建立。将海水看作钠、钾、钙、镁、硫酸根、氯离子六种离子组成的混合溶液,利用Pitzer理论计算了结垢离子的活度系数,结合浓差极化及通量模型,构建了预测膜面结垢趋势的模型。2、纳滤膜组数量探讨。在相同操作条件下,不同纳滤膜组对有机物和离子的平均去除率、平均产水通量、以及平均能耗均相差较大。2支、4支纳滤膜组对有机物的去除率相对较高,大多在90%左右,而6支膜组对有机物的去除率相对较低。2支纳滤膜组的各离子截留率高于4支膜组,6支膜组的离子截留率最低;但各膜组对于二价离子的截留率均较高。6支纳滤膜组的平均产水通量小于4支膜组,而2支膜组的平均产水通量最大。2支纳滤膜组的平均能耗明显高于4支、6支膜组的平均能耗,6支膜组的平均能耗最小。3、两种提高回收率方式探讨。在总进水量保持不变的条件下,采用了两种提高回收率的方式(回收率模式1：通过提高压力的方式提高回收率;回收率模式2：通过提高循环流量(不使用循环泵)的方式提高回收率)。在相同回收率下,6支膜组的截留率均高于4支膜组,6支膜组的平均能耗均低于4支膜组。对于回收率模式1,随着回收率的增大,产水流量逐渐增大;对于回收率模式2,随着回收率的增大,产水流量逐渐降低。回收率模式1与回收率模式2相比,在相同回收率下,前者离子截留率均高于者;低回收率下前者的能耗大于后者,高回收率下则相反。4、浓水循环对膜的性能影响。在不改变进水压力和补充进水量的条件下,通过循环泵增加进水流量对有机物截留率和产水流量均没有明显影响,但各膜组能耗均低于无循环泵条件下的能耗。5、末端结垢趋势预测。在回收率模式1和回收率模式2条件下,4、6支膜组均随着回收率的增大,结垢趋势逐渐上升,在相同压力回收率下,4支膜组的结垢趋势要大于6支膜组的结垢趋势。