纯碳化硅超滤膜用于海水淡化预处理的中试研究

纯碳化硅超滤膜用于海水淡化预处理的中试研究

蔡孟哲

（杭州水处理技术研究开发中心有限公司，浙江杭州，310012）

摘要：本文介绍了某反渗透海水淡化中试试验中，仅对原海水进行微絮凝后，直接将纯碳化硅浸没式超滤膜用于海水的预处理。对中试运行期间的多项参数进行了分析，包括跨膜压差（TMP）、产水淤塞指数（SDI）、反洗效果、用地面积等。结果表明碳化硅超滤系统产水SDI可以稳定保持在3.2以下、正常运行时的跨膜压差在-20~7kPa范围内，同时验证了有效的膜清洗方式。本试验证明了了碳化硅超滤单独作为海水淡化预处理工艺的可行性，为用地有限的海水淡化项目提供了一个有效的解决方案。

关键词：纯碳化硅超滤膜；浸没式超滤；海水淡化；预处理工艺；反渗透；膜污堵

A Pilot Study of Pure SiC Ultrafiltration Membrane Applied in Seawater Desalination Pretreatment

Cai Meng-Zhe

(Hangzhou Water Treatment Technology Development Center Co., Ltd., Zhejiang Hangzhou 310012, China)

Abstract: In a pilot test of seawater reverse osmosis desalination, pure SiC submerged ultrafiltration membrane was used alone to pretreat micro-flocculated raw seawater. Several parameters during the pilot test were analyzed, including transmembrane pressure (TMP), silt density index (SDI), backwash effectiveness, land use, etc. The results show that the product water SDI of SiC ultrafiltration system can be stabilized below 3.2, and TMP during normal operation is ranged between -20 to 7 kPa. In addition, the effective membrane cleaning method is verified. This experiment proves the feasibility of SiC ultrafiltration as a seawater desalination pretreatment process, and provides an effective solution for seawater desalination projects with limited land use.

Key Words: pureSiC ultrafiltration membrane; submerged ultrafiltration; seawater desalination; pretreatment process; reverse osmosis; membrane fouling

海水淡化是实现水资源开源增量、解决水资源短缺的一项重要战略手段之一，据研究统计，全球有超过3亿人口依靠淡化海水维持生计[1]，其中海水反渗透工艺由于其能效高、占地少、建设成本低等特点，已成为广泛使用的海水淡化工艺。但是在运行过程中,由于悬浮物沉积和微生物生长引起的膜污染仍是海水反渗透工程中常见的严重问题，因此需要选择先进合理的海水淡化预处理工艺，以降低海水淤塞指数等指标，为海水反渗透的长期可靠运行提供保障。

某工程位于东海资源型缺水地区，所需生产生活用水采用海水淡化方式供应，但其海水淡化设施用地非常有限，传统的沉淀、气浮、过滤等预处理工艺流程繁琐复杂、占地面积大且处理后的水质通常不稳定，不能满足该工程用地和系统可靠性要求。为寻找匹配该工程特点的海水预处理工艺，用户方委托开展了本次中试项目的研究。

随着近年来无机陶瓷膜超滤的发展，其相比有机膜具有运行通量高、孔径分布窄、分离效果好、机械强度高、抗污染能力强、寿命周期长等特点[2]，对系统的进水浊度等指标适应性更强。碳化硅材料由于化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、密度小、耐磨性能好、硬度大、机械强度高、耐化学腐蚀等特点［3］，在材料领域发展迅速。纯碳化硅平板陶瓷膜是采用重结晶技术通过2400℃高温烧结而成，在烧结过程中碳化硅骨料之间的烧结颈部是固态→气态→固的相变过程，开孔率高达45%以上，形成的过滤通道连通性强，再加上碳化硅材料的天生亲水性（接触角仅0.3°)，纯水通量高达3200LMH。碳化硅膜等电点在pH=3附近

[4]，膜表面在较宽的pH范围内都能保持负电荷，可以显著提高碳化硅膜的抗污染能力。因此在经过小试试验验证后，本中试研究采取了碳化硅陶瓷膜不经膜前处理、微絮凝后直接超滤的海水预处理工艺。

1. 系统概况

1.1海水水质

本中试研究的原海水取自东海海域，试验期间采用表层取水的方式，受潮汐影响，水质波动较大，主要水质指标范围如表1所示。

表1海水水质

1.2 海水淡化系统组成

本试验确定的海水淡化工艺流程如下：

海水→混凝剂加药管道混合器→絮凝反应池→碳化硅浸没式超滤膜系统→超滤产水泵→超滤产水池→反渗透升压泵→保安滤器→反渗透高压泵→海水反渗透装置（含能量回收装置）→反渗透产水池

其中，为防止絮凝剂PAM对反渗透膜的污堵，微絮凝段仅投加三氯化铁混凝剂，投加量为14mg/L，反应时间约5min。

1.3 纯碳化硅超滤系统的主要参数

本试验采用死端过滤的浸没式超滤系统，共设6个膜塔，每个膜塔由8个模块化设计的膜组件堆叠而成，安装在尺寸3m×2m×2.5m的膜池中。系统配置吸程6m的自吸泵，恒流量负压抽吸产水；设反冲洗泵和鼓风机，定期反洗和曝气擦洗去除膜表面沉积的固体颗粒；运行中，会定时排空膜池，降低池内的悬浮物浓度；设置反洗管路的加药口和膜堆上方的加药喷淋系统，可进行化学加强反洗（CEB）和离线化学清洗（CIP），去除反洗难以清除的污垢。

根据海水水质情况和小试的数据，本试验的超滤系统确定的主要设计参数如表2所示。

表2 碳化硅超滤设计参数

2. 结果与讨论

2.1产水浊度和SDI

中试期间，超滤系统的产水浊度和SDI每天取样检测，现场通过浊度仪和SDI测定仪分别测得，运行一个月的产水数据如图1所示。

图1碳化硅超滤系统产水浊度和SDI

图中可见系统的产水水质较为稳定，浊度维持在0.02~0.11NTU范围内，平均值为0.06NTU；SDI值保持在1.94~3.16范围内，平均值为2.52，仅7%的产水SDI大于3。

2.2跨膜压差随时间的变化情况

由于本项目超滤系统为恒流量产水，因此使用跨膜压差随时间的变化情况表征膜通量的变化，系统在超滤产水泵前吸水管路上设有压力变送器，用来测量吸水管路真空度，可反应跨膜压差的相对值，压力越小说明跨膜压差越大。图2为碳化硅超滤系统投运初期，在3个过滤周期中吸水管路真空度的变化情况。

图2 碳化硅超滤系统吸水管路真空度随时间的变化情况

图中可见，在研究的运行周期内，碳化硅超滤系统的吸水管路内为正压，压力范围在3.54~7.55kPa，说明碳化硅陶瓷膜的亲水性很强，在投运初期膜污染不严重的情况下，跨膜压差小；吸水管路压力随过滤时间的增加而减小，并在反洗（数据折断点处可体现）后管路压力有一定的提高，但低于上一过滤周期起始的压力，说明碳化硅超滤跨膜压差会随过滤时间增大，反洗可以恢复部分膜通量； 30min的过滤周期内，TMP的增长趋势稳定，运行状态较为可靠。

2.3 离线化学清洗方案

在膜的长期过滤过程中，会产生反洗无法恢复的沉积和结垢，使膜孔堵塞、膜通量下降，因此对污染膜进行定期的离线化学清洗是必要的。周期性采用药剂对被污染的膜进行反冲洗可以使膜管在与过滤相反的方向受到短暂的反向压力作用从而迫使膜表面及孔内的颗粒返回到截留液中并且可以破坏膜表面的凝胶层和浓差极化层，使膜通量提高[5]。

基于碳化硅陶瓷膜良好的化学稳定性，本项目调试后选用了较高浓度的药剂对被污染的膜进行恢复性清洗，清洗周期为15天，交替使用不同药剂。药液通过反冲洗和高压喷淋的方式，分批加入膜和膜池中，使污染物颗粒在药剂溶解、置换后被反冲洗的反向压力和喷淋的剪切力作用下返回到截留液中，并使膜表面凝胶层和浓差极化层被破坏，从而使膜通量得到恢复。具体清洗药剂方案如表3。

表3 碳化硅超滤清洗药剂方案

3. 结论

本研究以东海海水为对象，进行纯碳化硅超滤直接过滤的预处理中试试验，结果表明：

1）碳化硅超滤膜的亲水性能强、抗污染能力强，试验期内在154LMH的设计膜通量下，面对波动的海水水质，过滤水SDI可以稳定小于3.2，满足海水反渗透系统的基本进水要求。

2）与常规的混凝沉淀+过滤的海水预处理工艺相比，碳化硅超滤直接过滤的工艺占地面积可以节约50%以上，为用地有限的海水淡化项目提供了有效的解决方案。

3）在过滤周期为30min的运行条件下，纯碳化硅超滤膜的TMP增长趋势稳定，反洗可以恢复部分膜通量。

4）碳化硅的耐化学腐蚀性强，选择高浓度的药剂进行化学清洗，膜通量可以得到最大程度的恢复。

参考文献

[1] Lim, Y.J.; Goh, K.; Kurihara, M.; Wang, R. Seawater desalination by reverse osmosis: Current development and future challenges in membrane fabrication—A review [J]. Membr. Sci. 2021, 629, 119292.

[2]张晓赛，倪卫红. 陶瓷膜发展现状及应用研究[J]. 环境工程，2013，31（6）：108-111.

[3]柴威，邓乾发，王羽寅，等. 碳化硅陶瓷的应用现状[J]. 轻工机械，2012，30（4）：117-120.

[4]周龙捷，黄勇，许兴利，等. 氧含量对碳化硅粉料的等电点和分散性的影响[J]. 高技术通讯，2000，（03）：87-89.

[5]刘昌盛，傅金祥，李慧. 陶瓷膜微滤的影响因素及膜污染再生探讨[J]. 辽宁化工，2010，39（01）：55-57.