废水零排放膜浓缩的难题—硅酸盐结垢

一、硅酸盐结垢概述

硅酸化合物也是天然水中的一种主要杂质，往往是由于水和含有硅酸盐和铝硅酸盐的岩石相接触后溶解在水中，一般地下水的硅酸化合物含量比地面水含量多，常规的水源中SiO2的含量<50mg/L。

在工业废水回用项目中（特别是煤化工废水回用系统）由于废水中的SiO2含量一般较高，造成反渗透系统易发生硅酸盐结垢，从而严重影响了反渗透系统的使用寿命及系统的稳定运行。在国内目前热门的零排放领域，由于SiO2的难以去除性，硅酸盐结垢是目前最难解决的难题之一。

二、硅酸盐结垢机理

RO系统中对于SiO2的含量较为敏感，原因是由于SiO2在饱和的状态下能聚合为非常难溶解的胶体硅沉积于膜表面且难以清洗。SiO2在RO浓水段的浓度允许值取决于SiO2的溶度积，同时受水温和pH影响很大。

1.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。

2.SiO2的溶解度与pH的关系：

pH=7～8时SiO2呈溶解态硅酸，水中同时有H2SiO3和HSiO3-；当pH较低时，它呈游离酸的溶液，或钙镁硅酸盐胶溶状态存在；当pH较高时，如水中有钙镁离子则呈钙镁硅酸盐的胶溶状态。

三、硅酸盐结垢特征及危害性

碳酸钙的莫氏硬度（金刚石为10）为3，氟化钙的莫氏硬度为4，硅酸盐的莫氏硬度与含水量有关，为4.5～7.5，硅酸盐水垢是众多类型水垢中最为坚硬的。

反渗透系统一旦发生硅酸盐结垢，会出现脱盐率快速下降，产水量快速下降，化学清洗后系统脱盐率大幅下降。

严重结垢时会出现压差快速上升，甚至发生浓水格网冲出现象。

严重结垢的膜片在显微镜下观察，发现膜表面出现细小划痕参见图1，膜片出现不可逆的物理划伤。硅酸盐结垢的电镜照片参见图2。

四、进水中SiO2及其他离子浓度要求

反渗透进水中SiO2浓度根据浓水侧最大溶解度和浓缩倍数决定，一般为20ppm。前提条件：水中含氧量（DO）<0.5mg/L、pH<6时，铁离子、铝离子<0.05mg/L，因为铁、铝离子含量对硅酸盐结垢影响较大。

五、铁、铝等对硅酸盐结垢的影响

硅结垢的发生大多数为水中存在铝或铁。铁和铝会与硅发生反应，形成难溶金属硅酸盐（硅酸铝和硅酸铁），而且所形成的金属硅酸盐会改变SiO2溶解度，从而进一步快速污堵膜元件。

即使水中的硅浓度较低（10ppm），50ppb浓度的铝，也会引起系统性能的下降。

如果存在硅的话，应保证水中没有铝或铁，并且推荐使用1μm的保安滤器滤芯，同时采取预防性的酸性清洗措施。

六、硅酸盐结垢的清洗

常规的化学清洗对硅酸盐垢基本无效，而氢氟酸可以有效地清洗硅酸盐结垢，即使在低温、低浓度下，氢氟酸对硅酸盐垢也有较好的溶解力。

可采用0.1%的HF+0.4%HCI混合进行化学清洗，或采用0.1%NaF+0.4%HCI。

注意：

（1）清洗液浓度须根据实际污堵情况进行调整，建议进行试验性清洗后确定适宜清洗浓度；

（2）氢氟酸具有极强的腐蚀性，吸入蒸汽或接触皮肤会造成难以治愈的灼伤。估计人摄入1.5g 氢氟酸可致立即死亡，吸入高浓度的氢氟酸酸雾，会引起支气管炎和出血性肺水肿，也可经皮肤吸收而引起严重中毒，因此化学清洗时必须做好防护措施且须专业人员进行操作。

七、硅酸盐结垢的预防

（1）控制进水SiO2浓度及控制反渗透系统的回收率，使浓水中的SiO2浓度降低，避免超过溶度积，是防止SiO2结垢的主要方法；

（2）采用增加或加强预处理工艺，如用石灰软化，可降低给水中50%的SiO2，或是进行石灰－纯碱软化预处理时添加氧化镁或铝酸钠以减少进水中的SiO2浓度；

（3）适当提高水温（不得超过40℃），有助于提高SiO2的溶解度，减缓硅酸盐结垢；

（4）适当提高进水的pH有助于提高SiO2的溶解度，减缓硅酸盐结垢；

（5）预处理投加对硅结垢有针对性的阻垢分散剂，不同阻垢分散剂的浓水侧允许最大SiO2浓度不同，详情请咨询阻垢剂厂商；

（6）可使用强碱性阴离子交换树脂吸附或采用切割分子量小于10000的超滤膜去除胶体硅。