【关键词】反渗透；硅；硅污染；阻垢剂1简介1项目概况电站淡化水处系统来水为预处理后的煤矿淡化水，预处理工艺为：淡化水→曝气塔→一次锰砂过滤器→二次锰砂过滤器，处理后铁含量≤0.3mg/L，锰含量≤0.1mg/L。锅炉补给水处理系统采用超滤、两级反渗透和EDI系统处理超纯水作为补给水供给锅炉。反渗透装置共2套，设计产量2×92t/h，装置采用2级设计，压力容器布置为11:6（6芯），膜元件采用TFB8040-400FR/34型膜元件，共102件/套，系统设计回收率75%。
2系统工艺预处理煤矿干水→原水箱→超滤给水泵（变频）→自洁过滤器→超滤装置→超滤水箱→反渗透增压泵→一级反渗透安防过滤器→一级反渗透高压泵（变频）→一级反渗透装置→一级反渗透水箱→二级反渗透高压泵（变频）→二级反渗透装置→二级反渗透水箱→EDI给水泵→EDI安防过滤器→EDI装置→淡化水箱→淡化水泵→主厂3水质报告样品信息：原样品标识一级反渗透水样，型号规格：10L。注：送检的一次反渗透进水样品总有机碳为33mg/L，总溶解固体99mg/L、硅（SiO2）22mg/L、钠23mg/L和碳酸氢盐85mg/L。
水质中有机质和钙镁含量低，硅含量高，反渗透进水SDI15为31，满足SDI15<5的条件。2一级RO系统运行自调试以来，一级反渗透运行进水压力高，产水量不能满足设计要求，下面以2019年10月初-11月初一级RO运行参数为例，具体运行参数见下表2。
从表2的运行数据可以看出：①进水温度不稳定，水温波动较大。②进水压力较高，但一、二段压差很低，基本稳定在0.01-0之间。③系统产水量较低，即使进水温度达到27℃，产水量也仅为62t/h，仅达到设计产量的67%，且随着运行时间的增加产水量下降趋势十分明显。
④系统回收率高，调节不稳定，超过一半的时间系统回收率超过设计值：75%。1#反渗透运行数据所表现出的进水压力高、段间压差低且稳定、产水量低且持续衰减的特点与膜面结垢的特点一致。2019年10月4日至2019年11月16日期间，反渗透系统进水温度、压力和产水量的趋势如下图1所示。根据表1和图1可以看出，进水压力波动范围不大，产水量随时间呈逐渐下降趋势。
11月1日至16日期间，进水压力基本稳定在2-4Mpa范围内，产水量已衰减到40t/h以下（水温略有变化），产水量低于设计值的50%，水分衰减非常严重。3反渗透膜元件污染物分析1试验项目和试验方法对厂号SN：79的浓缩水末端的反渗透膜元件进行了形貌分析和能谱分析。膜元件解剖后膜表面未发现可见污染物。现代仪器分析膜表面的试验方法如下：①形貌分析：《电子探针和扫描电镜X射线光谱定量分析通则》GB/T17359-1998；②光谱分析：《电子探针和扫描电镜X射线光谱定量分析通则》GB/T17359-1998。
2检测结果报告RO浓缩水端旧反渗透膜元件样品信息：样品原件鉴定SN：79，型号规格：TFB8040-400FR/34，样品状态为湿膜，样品编号1。样品膜元件外观完整，未发现可疑污染物。（1）膜元件膜经电子显微镜扫描，其视野照片经电子显微镜放大2000倍和5000倍如下图3所示。形态学分析发现膜表面有致密的污染物附着层，部分呈球形。
（2）X射线能谱（EDX）分析如下图4所示，主要元素质量分布：C： 113%，O：50.67%，Si：20.89%，S：31%。（3）分析结果反渗透膜元素（SN：79）经过全元素分析、形貌分析、能谱分析，得出膜表面污染物主要为无机垢，硅含量较高，应以硅化合物污染为主。
4二氧化硅垢形成原因分析煤矿排水水中含有高浓度的活性二氧化硅，活性二氧化硅大部分以均一化单体Si（OH）4的形式存在于水中，少部分以HSiO3-的形式存在，当水中二氧化硅达到过饱和时，会发生正硅酸盐分子的聚合反应，最后成为交联的二氧化硅胶体，胶体在进水压力（渗透驱动力）、浓度极化、水中多价金属离子等作用下发生状态变化，最终引起二氧化硅垢的沉积和形成。
当溶液中的单硅酸浓度超过二氧化硅的溶解度时，形成过饱和状态，多余的二氧化硅分子发生聚合反应，最后以二氧化硅的形式沉淀。由于二氧化硅分子含有4个羟基，容易自聚合，形成沉淀。当粒径为5nm的聚硅酸盐变成硅胶时，随着反渗透浓度的增加，膜表面伴随着浓度极化现象（系统回收率越高浓度极化现象越明显），浓度极化现象会导致膜表面附近浓缩水中二氧化硅的浓度大大增加，较高浓度的二氧化硅会促进更多聚硅酸盐的聚合，当聚合反应形成的[Si（OH）4]n聚合物分子量大到一定程度就会形成硅胶，在压力和连续浓度下逐渐形成致密的无定形二氧化硅鳞片并牢固地附着在膜表面，导致膜元件的产水量下降。
二氧化硅酸的溶解度是分子二氧化硅和离子二氧化硅的浓度之和，其大小受温度、pH值、共存离子等因素的影响。和大多数无机物一样，二氧化硅酸的溶解度随着温度的升高而增加。
当pH值为7~8时，硅酸的溶解度几乎不变，约为100~130mg/L。当pH值为8时，硅酸分子部分电离为硅酸离子，即：Si（OH）4Si（OH）3-+OH-，pH值升高，平衡向右偏移，溶解度相应增加。不同pH值对SiO2溶解度的影响见下表3。5硅污染评价与建议反渗透膜元件中一旦形成致密的硅污染层，对系统产水量会产生很大影响，污染物难以通过化学清洗去除。因此，在日常操作中应特别注意防止硅污染。
大部分水源中可溶性二氧化硅（SiO2）的含量为1-100mg/L，SiO2在浓缩水中的最大允许浓度取决于SiO2的溶解度，SiO2的溶解度受水温、pH、共存离子等因素的影响。硅在浓缩水中的结垢倾向与进水中不同，因为浓缩水的pH值随着SiO2浓度的增加而同时变化，因此SiO2的结垢计算取决于原水水质分析和反渗透的运行参数（系统回收率）。当反渗透进水中含有一定浓度的SiO2时，为了保证系统的顺利运行，建议考虑提高预处理水中二氧化硅的浓度。例如，在进行石灰-纯碱软化预处理时，应添加氧化镁或铝酸钠以降低进水中SiO2的浓度。
②保证进水换热器工作稳定（如有），适当提高进水温度。SiO2的溶解度与水温成正比，如25℃时溶解度为100mg/L，40℃时为160mg/L。③根据工况适当提高进水的pH值，由于pH值高于0，可以提高硅的溶解度。在防止硅结垢方面，适当提高pH值可以降低硅结垢的风险，但在高pH条件下，需要防止CaCO3结垢。④适当降低反渗透操作中的回收率较高的回收率意味着较高的浓度倍数，如回收率75%相当于进水浓度的4倍，当回收率提高到80%时，83%对应的浓度倍数为5倍、6倍。
因此，高回收率表明结垢风险高。这是由于原水持续浓缩，浓度极化越来越严重，降低系统回收率，确保浓缩水中不溶性盐的浓度低于溶解度产物，避免结垢沉淀的产生。
降低水中Fe3+和Al3+的浓度会使铁和铝与硅反应形成不溶性金属硅酸盐（硅酸铝和硅酸铁），形成的金属硅酸盐会改变SiO2的溶解度，从而进一步污染膜元件，因为即使水中硅的浓度较低（10ppm），50ppb的铝也会引起系统性能下降，因此需要尽可能降低水中Fe3+和Al3+的含量。（6）选择合适的阻垢剂，增加二氧化硅的溶解度。本文对反渗透进水中SiO2的检测浓度为22mg/L，在反渗透回收率为75%~80%的情况下，完全可以通过选择合适的阻垢剂来提高浓缩水侧SiO2的饱和度，防止结垢的发生，但由于现场阻垢剂选择不当，在反渗透运行初期发生了严重的硅结垢，因此选择合适可靠的阻垢剂，避免结垢的风险非常重要。
建议在反渗透操作时在来水中添加PWT品牌SpectraGuard150SC阻垢剂，PWT阻垢剂基于独特的树枝状聚合物技术，利用螯合和网络分子基质控制水垢离子代替传统的晶体改性抑制水垢，从而保证膜系统的高效运行，该阻垢剂在极端pH值和温度环境下稳定，对二氧化硅具有高达350ppm的阻垢能力。
（7）及时有效的化学清洗当二氧化硅污染物仍处于胶体状态（软垢）时，可以通过有效的化学清洗洗掉，但长期污染形成的致密二氧化硅污染层的清洗和恢复效果值得怀疑。因此，检测污染并及时清洁非常重要。
一般情况下，当反渗透标准化产水量下降10-15%时，为保持正常产水量标准化膜前水压增加10-15%时，当脱盐率下降10-15%或段间压差明显增大时，应及时进行化学清洗。硅污染物可用0.1%NaOH+0%Na4-EDTA溶液清洗，控制pH值为10，温度为30℃。条件允许浸泡4小时以上或浸泡过夜。PWT反渗透专用清洗剂Lavasol7和Lavasol1可用于洗掉二氧化硅垢、无机盐垢、微生物垢、胶体垢、有机物污染聚合物污染、油污等均有良好效果。
