反渗透技术脱除水中硼酸的研究与应用进展

在全球水资源不足和水环境污染日益加重的大背景下，反渗透（RO）作为一种能耗低、分离性能优越的膜分离技术，在海水淡化、工业废水与城市污水处理领域发挥着越来越重要的作用。近年来，对反渗透脱除海水和各种工业废水中硼酸的研究是反渗透技术研究的热点之一。硼是生物体必需的元素之一，但是研究表明，高含量的硼对动物的生殖功能有负面的影响；硼质量浓度高于0.3～0.5mg·L-1的灌溉水对某些农作物也具有一定的毒性。世界卫生组织根据生物试验计算后认为饮用水中硼质量浓度应低于0.5mg·L-1[1]。这个限值往往要比通常的水处理手段所能获得的硼含量低。在我国的饮用水卫生标准中，硼作为非常规指标，其限值为0.5mg·L-1[2]。通常，反渗透膜对于水中的各种离子的脱除率可达97%，但是对硼酸的去除效果却不甚理想。例如，随着海域和季节的变化，海水中通常含有4～6mg·L-1的硼，在通常的海水pH（7.9～8.2）条件下，这些硼都以硼酸的形式存在，反渗透膜在此pH范围内对于硼酸的截留率一般只有40%～80%，即透过水中仍然含有0.9～2.0mg·L-1的硼，这显然不能满足饮用水和其他工农业用水对于水质的要求。本文在对反渗透膜截留硼的影响因素进行深入分析的基础上，讨论了提高除硼效率的各种工艺途径，可为含硼水的反渗透处理的应用提供有益的参考。1水中硼酸的性质硼酸在天然水中基本上都是以未电离的H3BO3单体存在，但有少部分H3BO3分子与水中的OH-络合，而使溶液呈微酸性，表现为一元弱酸，在水中可发生3级电离：H3BO3H2BO3-+H+pKa1=9.14H2BO3-H2BO32-+H+pKa2=12.74HBO32-BO33-+H+pKa3=13.8因此，硼在水中可能以H3BO3、H2BO3-、HBO32-和BO33-4种形态存在，每种形态所占的百分比取决于水的pH。2影响硼截留效果的因素根据Kedem-Katchalsky偶联方程：JV=Lp（Δp－σΔπ）JB＝PB（CBM－CBP）+（1－σB）CBJV式中，Lp为纯水渗透系数；JB为溶质硼的透过通量；PB为硼的透过系数；CBM和CBP分别为膜进水侧表面和透过侧的硼质量浓度；σB为反射系数，无量纲；CB为进水侧和透过侧硼的平均质量浓度；JV为透水速率。参数PB代表由于扩散而引起的溶质透过；而σB表示溶质和水之间的偶联而引起的溶质传递，σB=1则此项可忽略不计。当各种影响硼截留效果的因素发生变化时，参数PB、σB等也发生变化，从而导致JB发生变化。2.1进水水质2.1.1水的pH当pH<8时，水中的硼酸基本是以未离解的分子状态存在的，再加上其分子量小，因此反渗透膜对硼酸分子的脱除率比Na+、Cl-等盐分离子的要低。但反渗透技术脱除水中硼酸的研究与应用进展王晓伟1,2，杨开1，贾铭椿2（1.武汉大学土木建筑工程学院，湖北武汉430072；2.海军工程大学船舶与动力学院，湖北武汉430033）摘要：结合国外相关文献，深入分析了水的pH、进水硼浓度、操作压力和进水温度等因素对反渗透脱除硼酸效率的影响，并对不同的除硼工艺进行了评述，可为含硼水反渗透处理的应用提供有益参考。关键词：硼酸；反渗透；离子交换；水处理中图分类号：TQ028.8文献标识码：A文章编号：1000-3770(2010)08-0006-004收稿日期：2009-11-06作者简介：王晓伟（1978－），男，讲师，博士研究生，研究方向为水处理技术；联系电话：13545126576；E-mail：actwang@sina.com第36卷第8期2010年8月水处理技术TECHNOLOGYOFWATERTREATMENTVol.36No.8Aug.,20106是如果提高水的pH，就可电离出H2BO3-，降低硼的透过系数PB、增大反射系数σB，从而提高脱除率。DParts等[3]运用中试装置就3种不同反渗透膜对硼的截留性能受pH的影响进行了大量实验。反渗透装置进水为苦咸水，其中硼质量浓度1～2mg·L-1，在回收率为30%时的实验数据见表1。表1中的数据显示：当pH在9.5以内逐渐提高时，硼的截留率约为50%，随后当pH继续增大时，截留率迅速提高。HKoseoglu等人[4]采用平板膜实验装置对东丽公司的UTC-80-AB膜和陶氏的SW30HR膜在不同条件下的除硼性能进行了研究。实验用水为地中海的海水，含盐量37500mg·L-1，硼质量浓度5.1mg·L-1，pH为8.2，水温22℃。实验结果表明，在原始pH条件下，2种RO膜对硼的去除率为85%～90%，而将pH提高到10.5时，硼的去除率可高于98%。2.1.2进水硼浓度YMagara等人[5]采用日东电工的超低压反渗透膜ES10-D4对1级SWRO的产品水进行第2级处理实验，通过向2级进水中加入硼