實驗室純水

1 概述

膜元件的故障通常表現為膜性能的下降、物理破損和化學劣化等現象。比較具有代表性的現象是膜元件的脫鹽率下降（產水電導率上升）、產水量的變化（運行壓力的增加或者減少）和壓力損失（壓差）的增加等。

膜元件自身以外的原因表現出的故障癥狀往往也呈現在膜元件上。因此調查原因時，往往總是把注意力集中在對膜性能分析上。在發現膜系統發生故障時，通過對運行記錄的查閱和原水水質的分析，對取得正確判斷是不可缺少的。

對故障的診斷可以按照下列順序進行：

① 查閱運行記錄。在有日常運行數據記錄被保存的前提下，對系統運行狀況、條件進行確認，調查是否有異常的運行條件；

② 追加必要的數據。把握系統是整體性能下降還是部分性能下降。若是系統部分性能下降，可以拆卸發生問題的膜元件，檢查其外觀及連接件的密封圈等狀況；

③ 原水的特性狀態調查和分析；

④ 對裝置卸下的膜元件進行性能檢測，膜元件解體檢查（膜的分析、清洗測試）。

2 故障診斷

2.1 系統的診斷

2.1.1 數據的記錄和標準化

系統整體的故障由于故障原因的不同，表征出來的現象也不盡相同。當出現性能下降的征兆時，迅速及時的采取對策尤為關鍵，這樣可以避免故障擴大。因此在日常通過記錄數據，用圖表的形式將參數標準化，會起到事半功倍的效果，至于標準化方式則由各個反滲透廠家提出（美國海德能公司提供標準化軟件ROData^®供用戶免費下載，詳情請登錄www.membranes.com）。

2.1.2 系統的診斷和原因的推定

膜元件的故障原因多種多樣，比較具有代表性的是膜劣化和污染。以下介紹根據造成污染原因物質的種類，就性能隨時間變化的一般模型作簡單介紹。

  圖1 物質的種類不同造成系統性能變化污染

2.2 各個壓力容器的診斷

觀察每支壓力容器的性能數據，對于探明系統故障原因是非常重要的。連接件和密封圈的密封不良或者膜元件的破損等故障都會造成以壓力容器為單位的性能下降。系統在第一段和第二段的膜元件是否有類似的性能下降也說明不同的故障原因。由于膜劣化或者污染的原因引起的故障也是可能的。若無法分段取得性能數據，則對每個壓力容器進行測試。通常是測試每個壓力容器中的產水電導。取樣時要注意調查配管設置方法，被測定的壓力容器的產水是否受到其他的壓力容器的產水影響。一般對每個壓力容器測量其產水水量是非常困難的。

2.3 壓力容器內各個膜元件的診斷

檢查各個壓力容器內填裝的膜元件的哪個部分發生了脫鹽率下降，可以采用探針法（在線檢測）或抽出檢測法（離線檢測）。這里我們將著重介紹探針法的使用。

2.3.1 探針法的目的

探針法是采用塑料管插入中心集水管且貫穿全長進行測試不同位置膜元件產水電導率的方法。被采樣的產水來自軟管前端位置上游的產水，表示軟管前端位置的水質。

圖2 探針法示意圖

2.3.2 探針法測定的位置

圖3 六芯裝壓力容器探針測試的位置

各個膜元件性能的測定和連接管密封處是否有泄漏的檢測點的位置如下：

- 膜元件上游：連接管密封處的確認（O型密封圈下流處20毫米處，超過60毫米以上的地方，會和中心集水管的開孔相通，結果受膜性能的影響）。

- 膜元件中央：膜元件性能測定。

- 膜元件下游：連接管密封處的確認。

2.3.3 探針法的連接方式

探針法使用的測試工具如圖4所示分端板連接部分（①）和插入用軟管部分（②）這兩部分組成。在連接端板和產水出口之間安裝T型三通（T字A），使不經由軟管流過的產水回流至原水水箱。

 圖4 探針法連接方式

2.3.4 探針法的實施方法

① 端板連接部分（①）的管線安裝并固定在產水出口上（端板連接部分和集水管必須保持在一直線上）。端板連接部和產水集之間加入T型三通（T字A），為了使不從探針法軟管中通過的產水回流至原水水箱。

② 把插入用的軟管部分從軟管適配器A處插入，并打開閥門A。

③ 把軟管插入集水管內部深處。

④ 軟管遇到阻礙，無法再向前的地方就停住。遇到阻礙的位置就是軟管和保護帽的接頭處（集水管的最前端），可以把那里作為起點（標記為0毫米）。建議在進行測試前可以把軟管插入，事先確認軟管前端到保護帽位置的長度位置。

⑤ 在起點位置，把閥門B打開開始采樣。采樣前需要把軟管內已有的液體置換出來，因此在先排出300毫升左右以后開始采樣。

⑥ 在采樣結束后，把軟管向外拉出一定間隔，繼續下一個位置的采樣。若事先能在軟管上注上間隔標記，則采樣時更易操作。

⑦ 對壓力容器內的膜元件按照一定間隔對全長度取樣直至結束。一支膜元件的長度是1 016毫米。

2.3.5 使用探針法的注意事項

① 被抽樣的產水水質是采集的測量點上游制造的產水的平均值，無法表示測量點產水的水質性能。

② 調換膜元件的方向，進行正、反兩方向的測試，對于測量點（采樣位置）的產品水性能可以做到更準確的掌握。

③ 壓力容器中若是單支膜或者是多支膜的情況，對測量點的選擇是不一樣的，對這一點需要注意。

3 故障現象、原因以及解決方法

查看運行條件以及數據，若發現系統運行已超出可運行范圍，向用戶提出改善要求。但往往因為原因不明確采取對膜元件進行分析的方法比較多。

以下敘述的按照現象不同，分別就原因和解決方法的歸納總結。

表1 故障現象和原因推斷總結

4 膜元件的分析

確認好系統的運行條件和運行記錄后，為了使分析更明確，需要對膜元件進行分析。掌握性能下降的現象，把握污染物究竟是何種物質，抓住性能下降的原因尋找對策、確立清洗方法。包含分析的膜元件的確認方法請參照表2。

按照表2列出的測試項目中的分析方法，通過組合分析，可得出較為綜合的判斷結果，其中又以用膜元件的性能檢查、附著物的外觀、SEM-XMA / FT-IR的組合分析，可以做出比較準確的判斷為多。

需要分析時，將膜元件從設備上取下，須對膜元件的安裝位置和壓力容器中的膜元件的特定位置進行記錄并在返回的樣品上標注（希望用戶在取下膜元件的同時記錄它們的位置）。

對原水的檢測要把會對膜性能產生影響的物質盡量分析出來，關于SS或者微粒子、結垢物質（鈣、硅、重碳酸鹽和硫酸根離子等）包括氧化劑等等項目請事先和設備廠商或者膜元件廠商商量以后決定。

表2污染物質確認方法

4.1 外觀和重量

可以通過對外觀的觀察，確認膜元件是否有物理破損或者存在有機物附著。測量重量就可以對污染物的量做出大致判斷。但僅僅通過一個重量指標是無法得出最終結論的。

4.2 膜元件性能檢查

膜元件性能的復查只能在膜元件解體前實施。即使在已經確認有污染成分時，也應該先測試膜元件的性能，然后再解剖膜元件分析污染物的組成，但是復測性能時可能導致污染物發生變化影響分析結果。因此我們希望能確保有兩支樣品，一支用于性能檢查，另一支直接解體。

膜元件的性能測試中包含以下檢測項目：

- 真空保持檢查和水密檢測，可以確定平膜的破損和破損位置；

- 用標準測試條件復測膜元件，對比脫鹽率、產水量、壓差的變化，可以判斷膜破損、膜性能劣化、污染、流路堵塞和連接件是否接觸不良。

以上的性能檢測數據和出廠數據進行對比以確認性能變化狀況。在壓差的測定中使用壓差檢測計，測試中要達到0.001 MPa的精度。

4.3 染色試驗

想確定膜的性能是否發生劣化或者想發現膜元件出現破損的位置時，可以進行染色測試。若要同時進行污染物分析的話，最好用另外樣品進行，以免染色試驗影響污染物分析的準確性。

通常使用染料Direct Blue（分子量約1 000 Daltons）或者 Ultra Violet（分子量約300 Daltons）在膜元件的標準測試條件下加壓約10分鐘。染色后，對膜元件進行解體就可以確定膜的破損和膜元件密封泄漏等缺陷的位置。

4.4 膜元件的解體

一般按以下步驟進行：

① 拍攝膜元件的外觀照片（全體和兩個端面的特寫）；

② 取下兩端的端板，清晰的注明原水流動的方向；

③ 把外層的玻璃鋼取下；

④ 把膜組件打開，調查每片膜葉，對膜葉的全體或者必要的部分進行拍照。為了讓看照片時就能明白膜葉上何處為原水側、何處為濃縮側，請事先標注或作上記號；

⑤ 有大量的附著物時，需要采集附著物樣本。

為了分析膜表面的狀況并滿足FT-IR的分析條件，最少需取40 × 20毫米的平膜樣本。

4.5 FT-IR分析

依據FT-IR分析所提供的信息，可以對以下問題作出判斷：

① 由于化學變化而造成的膜性能劣化情況。根據與新膜之間的差別，若有膜的官能團減少的話，可以判明存在化學反應的影響，但是當有較多的污染物附著在膜表面時則無法進行判定。

② 膜片上附著物的鑒別。根據和新膜的差譜分析，測定附著物的吸收曲線可以推測出主成分。與標準物質的吸收光譜作比較可以得出污染物大致所含的組分。若附著物可以采集的話，建議直接用FT-IR對這些附著物進行測試，也可以判斷出附著物的成分。

③ 可以就附著物的成分進行判斷是污染物（金屬氧化物、微生物污染和絮凝劑）或結垢物質（碳酸鈣、硅和硫酸鋇等）。

④ 吸附層一般很薄，由于FT-IR的分析深度是100微米，因此對很薄的吸附層顯得精度不足。此時可以用大量的超純水對這些吸附物進行抽取，然后降壓濃縮后再用FT-IR測試。關于吸附物質的判定請咨詢儀器分析專家。

⑤ 僅用FT-IR是無法單獨判別詳細的成分構成的，必須結合XMA等其它測試才能對附著物進行更詳細的判斷。

4.6 SEM和XMA射線分析

通過SEM和XMA分析，可以得到以下信息：

① 用SEM可以觀察膜片表面外觀，判斷膜表面的破損狀況，推測附著物的大小和類型。判斷附著物是屬于結晶性或非結晶性物質。還可以觀察膜表面的污染程度。但SEM只能對非常窄小的部分進行觀察，因此需要選取多個樣品才可以做出判斷。

② 用XMA可以對污染物的無機元素進行推斷。

附著的元素和用FT-IR所得的化合物吸收對應組合，可以推斷附著物。例如通過XMA，看出有Si、Fe的附著，SEM發現藻類物質，用 FT-IR發現有Si、Fe和藻類的吸收光譜，參考標準的頻譜，可以判定有Si、Fe和藻類污染的存在。參看圖5和6。

圖5 FT-IR分析示意圖

圖6 SEM和XMA射線分析結果示意圖

4.7 化學清洗測試

為了對污染物質進行推斷并判斷膜劣化的程度，需要進行化學清洗測試。從化學清洗的效果可以反推出污垢的種類。為了選擇恰當的化學藥品，可以解體膜元件，取平膜樣品進行化學清洗測試。膜解體后的平膜樣品可以做成Φ75毫米的樣品，用化學試劑在常溫下浸泡8小時，再和空白樣品（純水浸泡的膜片）一起進行平膜性能測試來判斷化學清洗的效果，最終確定有效的化學試劑，從而大致推斷污染物的種類，進而可以指導被污染膜元件的清洗工作。