废水零排放膜浓缩的难题-硅酸盐结垢

废水零排放膜浓缩的难题-硅酸盐结垢

在零排放技术中，膜浓缩技术（包括反渗透、纳滤等）作为承上启下的关键环节，负责将废水大幅减量，为后续的蒸发结晶奠定基础。然而，硅酸盐结垢严重制约着膜系统的稳定运行与经济效益。

一、为何硅酸盐结垢是“顽疾”？

与传统钙镁结垢相比，硅酸盐结垢更为复杂和棘手，其独特性主要体现在以下几个方面：

1. 化学形态复杂多变

水中的硅主要以单体硅酸（H?SiO?） 存在。当单体硅酸浓度超过其溶解度（约100-120mg/L，以SiO?计，在25°C及中性pH条件下）或pH值升高时，它会迅速聚合，形成不溶性的二氧化硅胶体。这种从可溶性到不溶性的动态变化，使得预测和控制变得异常困难。

2. 成垢机制独特-聚合与沉积

硅酸盐结垢并非简单的过饱和结晶。其过程分为两步：

均相聚合：当活性硅浓度达到150-200mg/L 且pH>8.0时，聚合速率显著加快，形成纳米级胶体。

异相沉积：这些胶体颗粒在膜表面沉积，形成致密凝胶层。研究显示，一个仅50微米 厚的二氧化硅凝胶层，其膜元件产水量可下降30%-50%，并导致系统操作压力飙升20%以上。

3. 污垢特性极其顽固

二氧化硅凝胶层具有极强的附着力、极低的溶解度和极高的稳定性。一旦形成，常规的酸性清洗（如柠檬酸、盐酸）对其效果甚微，因为氢氟酸是唯一能有效溶解二氧化硅的常用无机酸，但其腐蚀性和毒性限制了在膜系统中的直接应用。这导致膜清洗困难，通量恢复率低，膜寿命显著缩短。

 

二、硅酸盐结垢的成因与影响因素分析

在膜浓缩系统中，以下因素共同加剧了硅酸盐结垢的风险：

浓度极化效应：在膜表面，溶质浓度可达到本体溶液的1.5至2.0倍，局部硅浓度极易超过饱和极限。

pH值：pH值是硅酸盐行为的“总开关”。当pH从7.5升至8.5时，硅酸的聚合速率可提高10倍。然而，为提高对硼的截留率，系统常需维持pH在 9.0-10.0，这形成了一个矛盾的操作困境。

 

共存离子：Ca??、Mg??、Al??等阳离子会与硅酸根反应生成难溶硅酸盐。例如，当水中铝离子浓度超过0.1mg/L 时，便会显著催化硅垢的形成并增加其硬度。

应对硅酸盐结垢，单一技术往往力不从心，必须采取“预防为主，综合治理”的策略，构建多道防线。

1. 预处理减负

化学软化+混凝澄清：通过投加石灰、氯化镁等，可将进水中的活性硅从150-200mg/L 降至 50mg/L 以下，除硅效率可达 60%-80%。这是目前最常用且经济有效的方法。

吸附法：采用特种活性氧化铝，可将硅浓度降至1-5 mg/L 的极低水平，但树脂再生频繁，运行成本较高。

超滤/微滤强化：能有效截留 > 0.02?m 的胶体硅，为后续RO提供SDI<3的优质进水。

2. 过程优化调控

精细化pH控制：通过模型模拟与实验，将第一段RO的pH控制在7.5-8.0以抑制聚合，末端浓水段再调高pH以保障截留率，此策略可提升系统回收率 5%-10%。

高效抗硅阻垢剂：新一代树枝状聚合物阻垢剂通过强大的分散作用，能将二氧化硅的过饱和极限从~120mg/L 提升至 250-300mg/L，允许系统在更高浓度下运行，回收率可从60%提升至80%以上。

优化水力条件：将膜面流速提升至>0.15m/s，可有效削弱浓度极化层厚度，降低结垢风险。

3. 深度处理协同

当浓缩液中的硅含量达到300mg/L 以上时，需采考虑：

化学沉淀除硅：向浓水中投加镁剂或铝剂，可将硅浓度降至 15-20mg/L 以下，但会产生占处理水量 3%-5% 的化学污泥。

电絮凝技术：该技术对胶体硅和活性硅的去除率均可超过 90%，且污泥产量仅为化学沉淀法的 1/3，是颇具前景的浓水处理技术。某煤化工中试项目采用电絮凝处理RO浓水，成功将硅从 280mg/L 降至 25mg/L，保障了后续蒸发器的稳定运行。