水质修正污染指数测试技术应用进展

牛丽婷

(天津华新鼎盛科技有限公司，天津 300384)

工业水处理技术中，反渗透脱盐技术属于当今主流脱盐技术，其原理是依靠压力驱动作用，使水通过半透膜进入膜的低压侧，而水中的其它组分(盐)被阻挡在膜的高压侧，从而实现脱盐的目的。反渗透脱盐属于精密型过滤过程，对其给水有着严格的水质要求。衡量反渗透给水水质优劣的水质指标有水质污染指数(silt density index，SDI)、浊度、总有机碳(total organic carbon，TOC)、余氯、总铁等，其中最为关键的指标是SDI。由于SDI在应用实践中出现了诸多问题，国际上已经开始用更为先进的水质修正污染指数(modified fouling index，MFI)来替代SDI。

1 MFI测试原理

1.1 技术原理

对于反渗透脱盐设施，给水水质的潜在污染是决定系统能否长期稳定运行的关键因素，使用何种测量指标及测试方法来度量反渗透给水水质条件一直是业内普遍关注的焦点之一。MFI是在继承SDI指数的基础上，通过测试原理改进和测试方法优化得来的。MFI的测定依然是通过测量反渗透给水通过特定膜过滤器的流量随时间的变化来进行的。

测试过程中取得的数据，遵循滤饼过滤模型，可通过下列公式处理；

(1)

式中：V——累计滤液体积,L或m3；t——过滤时间,s；AM——膜面积，m2；dP——外加压力，Pa；μ——水的粘度，Pa·s；RM——纯膜阻力，m-1；I——污染潜力指数，m-2。

MFI来源于t/V与V的曲线(线性区间)斜率，详见公式(2)。斜率tanα在数值上定义为MFI，详见图1[1]。

(2)

图1 t/V与V曲线得到的曲线斜率(tanα)Fig.1 tanα calculated out of the t/V and V curve

为消除给水粘度、外加压力、膜面积等因素对测试结果产生的影响，MFI结果的严谨表述尚需进行修正，详见公式(3)。

(3)

式中：μ20——20 ℃时水的粘度，Pa·s；AM0——参照膜面积13.8×10-4,m2；dP0——参照外加压力2.07×105,Pa。

1.2 技术特点

MFI相对SDI测试技术，从测试原理到测试结果表述等都具有非常明显的技术进步，具体特点见表1。

表1 MFI与SDI测试技术对比Tab.1 Comparison of MFI and SDI test technology

MFI相比SDI测试技术，最重要的改进是改善了测试结果的可靠性和实用性，根据J. C. Schippers等的试验结果：以福尔马肼溶液为测试给水进行的试验，MFI比SDI具有更明显的技术优势，被测给水中的悬浮物/胶体浓度呈线性相关性，详见图2与图3[2]。

2 MFI测试方法

2.1 测试装置

针对MFI的测试技术与方法，国际著名的标准化组织美国材料与试验协会(American Society for Testing and Materials，ASTM)经过前期大量研究，于2015年正式发布了MFI测试方法标准《Standard Test Method for Modified Fouling Index (MFI-0.45) of Water》(ASTM D8002-15)。

水质修正污染指数测定装置如图4所示。测试装置中所有与被测水样接触的部件材质应采用不锈钢或塑料。测试装置各部件应能承受350 kPa的工作压力。

图2 MFI测试结果与福尔马肼溶液浓度相关性曲线Fig.2 Relation curve between MFI and formazine concentration

图3 SDI测试结果与福尔马肼溶液浓度相关性曲线Fig.3 Relation curve between SDI and formazine concentration

图4 MFI测试装置示意图Fig.4 Schematic diagram of MFI test equipment

2.2 测试材料

MFI测试过程需要用到以下材料：

(1)滤膜：①材质，白色亲水性硝酸纤维素和醋酸纤维素混合膜；②平均孔径0.45 μm；③平均直径47 mm；④厚度115 μm～180 μm。

(2)器具：①压力表，精度1.6级，量程0 kPa～600 kPa；②秒表，精度0.01 s；③量筒，容量为 500 mL，精度0.5 mL；④电子天平，量程0 kg～5 kg，精度0.1 g；⑤温度计，精度 ±0.2 ℃。

2.3 测试步骤

(1)检查外压。接通水样，调整稳压阀的出口压力至 207 kPa。间断打开和关闭取样阀3次，确保压力表始终指示在207 kPa±10 kPa范围内。

(2)冲洗装置。安装过滤器前，用水样分别冲洗测试管路和过滤器，除去系统中的污染物。

(3)测量温度。测量并记录给水温度。

(4)安装滤膜。打开过滤器上端盖，用钝头镊子将滤膜正面向上放置在过滤器内的支撑板上，在滤膜上面放置密封圈后将过滤器上端盖放回。

(5)系统排气。调节取样阀排出系统内的空气，关闭取样阀后拧紧过滤器端盖。

(6)测量产水。观察压力表指示值，在207 kPa时打开取样阀。用量筒或天平接取滤膜产水，每隔30 s～60 s读取产水累计质量并记录数值。测量过程中，压力表应始终保持 207 kPa±10 kPa范围内。

(7)拆检滤膜。完成测试后，将滤膜从过滤器中取出，检查滤膜周边压痕是否完整，若滤膜有损坏或偏流应重新测定，膜片宜保留以备分析。

3 测试敏感性分析

根据韩国庆南大学、国内天津大学等机构所做的颗粒物浓度及特性对MFI测试结果的敏感性分析研究结果[3-4]。

(1)当以二氧化硅作为给水中无机颗粒模拟物时，MFI对粒径和密度的变化敏感，较小和较轻的颗粒测得的数值较高，MFI对颗粒浓度的变化比SDI更敏感。

(2)给水中离子强度会增加污染趋势，以人工海水测得的结果比去离子水测得的MFI值高，MFI比SDI对离子强度更敏感。

(3)当以腐殖酸作为有机颗粒模拟物时，对于二氧化硅和腐殖酸的混合溶液，它们的相对比例决定了MFI值，低腐殖酸浓度下与单纯二氧化硅测得的结果相似，高腐殖酸浓度下单纯的腐殖酸结果相似。

(4)对于含有腐殖酸和铁胶体的溶液，当溶液中pH值增加时，MFI呈上升趋势，并且当溶液中pH值小于7时，随着pH值的增大，MFI增加趋势较为缓慢；当溶液中pH值大于7时，随着pH值的增加，MFI值会急剧上升。

4 MFI测试技术应用展望

对于反渗透给水水质污染的度量，由于SDI存在诸多弊端，正逐渐被MFI测试技术取代，目前，MFI已在美欧等发达国家获得大范围推广应用，是国际上最先进适用的水质污染测试技术。

当然，MFI也存在一定的局限性，在MFI测试技术中，全流过滤带来的剪切力缺失和比实际系统抬高的渗透率，以及微小污染物(<0.45 μm)的不确定截留都是限制MFI应用的主要因素。因此，研究基于高精度分离膜(超滤或纳滤)的替代污染指数是水质污染指数测试技术继续发展的方向。