浅析SDI对卤水提锂RO浓缩系统设计和运行性能的影响

夏循峰 杨建育(.中蓝长化工程科技有限公司，湖南 长沙 406；.青海盐湖佛照蓝科锂业股份有限公司，青海 格尔木 86000)

0 引言

我国有丰富的盐湖卤水锂资源，盐湖锂的开采价值非常高，同时经济价值也非常大。吸附提锂工艺是目前盐湖卤水提锂工艺中具有较高技术经济性的技术之一[1-2]，其中反渗透由于能耗低，浓缩倍数高，出水水质好，自动化程度高，操作简单等优点，在卤水吸附提锂合格液浓缩中基本上是必要的技术手段；卤水吸附提锂反渗透浓缩工艺由于不可以添加阻垢剂等防止结垢的药品，其预处理技术的选择尤为关键；在合格液组成基本确定前提条件下，反渗透预处理技术选择的最直观表现指标就是其进水SDI值，即反渗透预处理出水的SDI，分析SDI值对于卤水吸附提锂合格液反渗透浓缩工艺的影响，具有重要的设计指导意义。

RO系统设计影响最大的因素是进水的污堵倾向，胶体和颗粒污堵会严重地影响RO的性能，如大幅度降低RO产水量，有时也会降低RO系统脱盐率，胶体和颗粒污染的初期症状是RO系统压差的增加。

RO膜污堵是由于进水中存在有机物、颗粒物和胶体等物质并在膜面浓缩造成沉积。预处理后的污堵物的数量与RO进水SDI紧密相关，经过预处理后的出水淤泥体积指数SDI与水中残留污染物质的含量有相当好的对应关系，进水SDI值越低，说明进水对RO的潜在污染程度越低，污堵物的浓度随着RO进水SDI的增加而增加，因此，判断RO膜进水胶体和颗粒污堵的最好技术是测量进水淤泥体积指数(SDI)，它是设计RO预处理系统之前应该进行测定的重要指标，同时在RO日常操作时也需要定时地检测和监控。在RO设计和运行中，通常通过进水SDI来预测RO膜受到污堵的潜在性[3-4]。

从设计角度来讲，RO系统的通量设计极限应该由RO进水的潜在污染程度(一般用SDI表示)而定，随着产水通量和膜元件回收率的增加，RO膜面上的污染物浓度也随之增加，产水通量值高的系统其污染速率和清洗频率就高。只有凭丰富的经验针对不同水源类型设定合理的产水通量和元件的回收率标准，当对某特定进水水源设计膜系统时，要尽量选择预处理后SDI最低的预处理工艺。

从稳定运行角度来讲，要保证RO长期稳定的按照设计参数运行，必要的条件之一就是RO运行过程中进水SDI不能超过设计的上限范围，即使偶尔一次进水SDI超过膜设计要求的上限，也会导致RO膜系统的性能急剧降低，影响RO系统的稳定运行。

RO进水SDI越高，RO系统很容易产生更高的污堵速率和更频繁的化学清洗，产水量会迅速下降，进水压力会增加，膜的寿命回缩短，进而增加系统的故障率和运行成本[5]。

在RO工业应用中，SDI时RO系统设计和运行的重要参数和控制条件之一，SDI已经成为RO膜设计和运行的关键控制参数，因此，在RO设计中，要充分考虑预处理后RO进水SDI，SDI越低，RO系统的性能就会越好。不仅如此，对于RO设计工作者和研究人员，必须对SDI与RO膜污堵倾向之间的数量级量化关系有全面认识和了解，并根据不同SDI条件来预测RO的性能，并根据预测来优化RO的各个设计参数。

1 SDI在RO浓缩或脱盐系统设计和运行中应用的理论基础

随着SDI在RO系统中的广泛应用，有关SDI的基本意义、SDI与RO污堵系数之间的关系，以及它们与RO污染倾向(结果会导致反渗透膜性能降低)之间的关系，成为许多研究工作者的热点研究对象之一。其中S. Kreme n等重点研究了SDI、RO膜污堵系数(%PF)与膜污染倾向之间的关系[6]，该研究进行了以下假设：

假设一：膜组件中的流速与膜压力成正比，与组件及其污染物共同的阻力成反比；

假设二：膜组件中流体总阻力为膜组件本身固有阻力和污染物的污堵阻力之和。

其中SDI和%FP根据标准测定方法和意义来测定和计算[7]，分别如下：

SDI淤泥体积指数测定方法按照美国材料工程协会ASTM标准测试方法D4189-82测定。SDI计算公式如下：

式中：t0是指在进水压力为30psi条件下，标准测试膜片过滤500ml水样所用的时间；t15是指在进水压力为30psi条件下，标准测试膜片连续过滤15分钟后，继续过滤500ml水样所用的时间；当t15是t0的4倍时，SDI15值是5，如果水样完全将膜片堵塞住时，SDI15值是6.7。

式中Rt、Rp和Rf分别指流体总阻力，膜组件固有阻力和污染物污堵阻力。

根据以上假设，当SDI为0时，相当于污染物污堵阻力为0，此时测定的阻力即为膜组件本身固有阻力，并假定在整个测试过程中膜组件固有阻力为恒定值。由于SDI标准测试在30psi压力下测试，当SDI为0 时，t0=t15，Rt=Rp=30。

根据不同SDI和上述公式对其他各个参数值进行计算，结果表明，SDI每增加1个单位，相应RO的污堵物总量呈几何倍数增加。SDI在1～5之间，SDI每增加1单位，相应污堵物总量增加1倍，换句话说，当SDI在4～5之间的污堵物量要比SDI在1～4之间所有污堵物总量之和还要多；而SDI达到5～6时，污堵物总量增加了3倍。

同时，经过对SDI值，RO阻力%PF和RO污堵倾向等进行预测和测定，结果预测值和实际测定值非常吻合，表明可以通过SDI值来直接作为RO浓缩系统设计和预测的关键参数和基础，并得出以下基本理论：

(1) RO进水SDI每增加1单位，RO膜污堵倾向(Rf)会增加1倍；

(2)随着SDI增加和相应Rf增加，要保证RO所需压力，RO进膜压力会增加，RO系统运行成本会增加；

(3)随着SDI增加和相应Rf增加，RO的清洗频率增加，两次清洗时间间隔缩短，清洗成本增加；

(4)随着SDI增加和相应Rf增加，RO膜通量衰减更快，要保证设计RO系统稳定运行，RO回收率和可利用能力都会降低，会增加RO的投资和运行成本。

根据以上结论，RO系统的设计必须充分考虑不同SDI进水条件下相应的RO各个设计参数的预测和调整。同时，应该充分认识到进水SDI每降低1单位，RO的各项性能就会呈几何级倍数得到提高，因此，要尽量降低RO进水的SDI。

正是由于上述原因，这在许多RO膜供应商产品说明书中都有明确说明。这些有关SDI、污堵系数%PF和RO污染倾向之间的关系的理论基础，已经成为RO设计师和RO供应商所熟知，并在RO设计和运行中得到应用。RO供应商和有经验的RO设计师，针对不同SDI进水条件下，都会对RO设计参数进行相应的调整和建议，包括RO膜的进水压力(或同一通道膜压差)、膜通量、膜两次清洗时间间隔和膜回收率、膜系统利用率等等。

下面将结合RO实际应用实例，讨论进水SDI与RO各项性能参数之间的定量关系。

2 SDI在RO浓缩脱盐系统设计和运行中的应用

下面就J.A.Redondo等报道的FilmTec RO膜应用中，不同预处理条件下不同SDIRO进水条件下，RO系统实际运行各个性能参数与进水SDI之间的关系。

表1是某FilmTec RO膜应用于苦咸水脱盐工程中，不同预处理条件下不同SDI进水水质对RO 各项性能的影响[8]。其中预处理1条件下(Situation 1)，RO进水SDI在2.9～4.0之间；预处理2条件下(Situation 2)，RO进水SDI在2.0～2.2之间；预处理3条件下(Situation 3)，RO进水SDI在1.4～2.0之间；

从表1中可以看出，在预处理1和预处理2条件下，进水SDI分别在2.9-4.0和2.0-2.2之间，在相同运行时间后对比，对应的RO平均通量变化相差不是很大，通量衰减都较快，每个RO通道(6支RO膜)的膜压差(ΔP)相差也不是很大。但是在预处理3条件下，当RO进水SDI降低到1.4-2.0时，RO平均通量衰减显著减慢，相应的RO膜压差变化很小，即要求的RO进水压力也会显著降低。

比较预处理3和预处理2可知，预处理2中 SDI超过2.0，运行1500小时后，RO实际运行平均通量为17.6LMH，RO膜压差为3.1bar；但是在预处理3中当SDI降低到2.0以下时，同样运行1500小时后，RO实际运行平均通量为25LMH，比预处理2的RO平均通量增加了42%；RO膜压差为1.2bar，比预处理2的膜压差(ΔP)降低了1.8bar，相应的RO进水压力要求至少可降低1.8bar。可见，有其当SDI降低到2,0后，SDI的降低对于RO系统的综合性能显著提高。

表1 不同预处理条件下不同SDI对苦咸水淡化RO膜系统性能的影响

同时，对于中高压海水淡化RO系统，通过同样方法，得出中高压海水淡化RO系统运行中SDI与RO各项性能之间的关系如下：

(1)进水SDI每降低1单位，RO压差会至少降低1.2bar，进膜压力也会相应至少降低1.2bar，当SDI从2.0以上降低到2.0以下时，RO压差降低更加明显(降低1.8bar)；

(2)当进水SDI高于2.0时，SDI每降低1单位，RO两次清洗之间时间间隔至少会延长1个月；

(3)根据SDI与RO污染倾向之间的关系，当SDI从2.0以上降低到2.0以下时，RO污堵物浓度会呈几何级降低，类推可知RO两次清洗之间时间间隔会加倍延长；换言之，SDI从2.0以上降低到2.0以下时，RO两次清洗之间时间间隔可能从3个月延长到6个月。

3 SDI在盐湖卤水提锂RO浓缩系统设计和运行预测中的分析和应用

根据上述RO预处理SDI值对RO浓缩脱盐系统影响分析和指导意义，为了评估选择盐湖卤水吸附提锂RO浓缩系统预处理技术，并对RO系统设计和运行性能进行评估和预测，采用了100nm和50nm有机超滤膜以及30nm陶瓷超滤膜对吸附提锂锂盐合格液进行进行预处理试验，对其滤出液SDI值进行测试，结果如图1所示。

图1 不同超滤膜过滤吸附锂提锂盐合格液滤出液SDI值比较

从图1中可以看出，30nm陶瓷超滤膜滤出液SDI最低，比另外两种有机超滤膜滤出液SDI值至少低1～2单位，根据以上理论基础可知，这必将显著提高RO浓缩系统的各项指标和性能参数。

根据上述SDI在RO系统设计和工程运行应用中的理论基础和工程经验，建议采用陶瓷超滤膜对卤水吸附提锂锂盐合格液进行预处理，可以显著提高后续的RO浓缩性能和效率；经过对卤水吸附提锂氯化锂合格液的RO浓缩系统进行专业合理的设计，并就不同超滤膜SDI和后续RO性能参数的关系进行了专业的计算和评估，结果如图2和图3所示。其中图2反映了RO进水压力随进水SDI的变化。图3反映了RO两次清洗时间间隔随SDI的变化。

图2 RO进水压力随进水SDI的变化

从图2中可以看出，就平均值来比较，SDI从2.00降低到1.00，RO进水压力降低1.2bar，这样可以显著降低RO膜的运行成本。另一方面，预处理出水SDI值低，RO膜运行压力低，也表明在同样条件下，预处理SDI值低，RO浓缩倍数可以更高，这对于工艺性能有了较大提高，也有助于提高RO系统性能。

图3 RO两次清洗时间间隔随进水SDI的变化

从图3中可以看出，SDI从2.00降低到1.00，RO两次清洗时间间隔从约4个月延长到9个月，而当进水SDI为3.0时，RO两次清洗时间时间间隔只有3个月。可见，有其当SDI降低到较低范围后，SDI的降低，可成倍延长RO两次清洗时间时间间隔，从而可以显著降低清洗成本，延长膜的使用寿命，降低生产成本。

4 结语

(1)SDI值对于RO浓缩系统设计和性能测试具有直接指导意义；

(2)进水SDI每降低1单位，RO压差会至少降低1.2bar，进膜压力也会相应至少降低1.2bar；

(3)进水SDI每降低1单位，RO两次清洗之间时间间隔会加倍延长；换言之，SDI从2.0以上降低到1.0以下时，RO两次清洗之间时间间隔至少可以从3个月延长到6个月。

(4)进水SDI的降低，可以大大降低RO运行和维护成本；

(5)对于卤水吸附提锂反渗透浓缩系统，SDI值对于RO系统预处理选择，以及RO膜的设计和性能预测具有指导意义；陶瓷超滤膜与有机超滤膜相比，在吸附提锂锂盐合格液预处理中具有一定优点，更有利于降低RO的运行压力，延长RO膜的清洗周期，进而提高RO系统的性能，降低生产成本；