反滲透pH的控制
反滲透運(yùn)行各階段pH控制原理
pH控制在RO系統(tǒng)中絕非簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)酸堿度，而是貫穿預(yù)處理、膜本體運(yùn)行和后處理的關(guān)鍵策略，直接影響膜性能、結(jié)垢傾向、系統(tǒng)回收率和最終產(chǎn)水品質(zhì)。pH控制的核心原理是通過(guò)調(diào)節(jié)氫離子濃度，來(lái)操控這些關(guān)鍵物質(zhì)的化學(xué)平衡和物理狀態(tài)，從而優(yōu)化膜分離過(guò)程、防止膜污染和結(jié)垢，并最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定高效運(yùn)行。
圖1
一、預(yù)處理階段：為RO膜創(chuàng)造“友好”的進(jìn)水環(huán)境
1、目標(biāo)：保護(hù)RO膜免受膠體、顆粒物、微生物、氧化劑和難溶鹽結(jié)垢的損害。pH調(diào)節(jié)在此階段主要服務(wù)于混凝/絮凝和結(jié)垢傾向控制。
2、控制邏輯與原理：
優(yōu)化混凝/絮凝：
加入的混凝劑（如鋁鹽、鐵鹽）在水解形成帶電絮凝體的過(guò)程中，其電性和效率受pH顯著影響。存在一個(gè)最佳pH范圍（通常鋁鹽在6-8，鐵鹽在5.5-8.5），在此范圍內(nèi)：水解產(chǎn)物帶正電荷最多，能有效中和水中膠體顆粒的負(fù)電荷（電荷中和）。形成的絮凝體（礬花）最密實(shí)、沉降/過(guò)濾性能最佳。
原理：
pH影響金屬鹽的水解路徑、產(chǎn)物形態(tài)（單體、多核羥基絡(luò)合物、無(wú)定形沉淀）及其表面電荷。偏離最佳pH會(huì)導(dǎo)致絮凝體疏松、沉降慢，或殘留溶解態(tài)金屬（可能污染RO膜）。
3、抑制碳酸鈣結(jié)垢傾向：
原理：
水中存在HCO3-、CO32-和CO2的碳酸平衡體系。降低進(jìn)水pH（酸化）會(huì)促使以下反應(yīng)向右進(jìn)行：
CO32- + H+ -> HCO3-
HCO3- + H+ -> H2CO3 -> CO2 + H2O
效果：
將容易結(jié)垢的碳酸根離子(CO32-)轉(zhuǎn)化為不易結(jié)垢的碳酸氫根離子(HCO3-)和可被后續(xù)脫除的二氧化碳(CO2)。顯著降低朗格利爾飽和指數(shù)(LSI)或飽和指數(shù)(S&DSI)，使系統(tǒng)在更高回收率下運(yùn)行而不析出CaCO3垢。
酸化劑選擇：通常使用硫酸(H2SO4)或鹽酸(HCl)。選擇需考慮對(duì)SO42-或Cl-引入的后續(xù)影響（如硫酸鈣結(jié)垢傾向、腐蝕性、對(duì)離子交換樹(shù)脂的影響等）。
二、RO膜本體運(yùn)行階段：精密平衡脫鹽率、結(jié)垢與污染
1、目標(biāo)：最大化脫鹽率和產(chǎn)水通量，最小化膜表面的結(jié)垢（無(wú)機(jī)垢、硅垢）和污染（有機(jī)物、生物污染），延長(zhǎng)膜壽命。
此階段的pH控制最為精細(xì)和關(guān)鍵。
2、控制邏輯與原理：
a、影響膜表面電荷與污染物相互作用：
原理：
大多數(shù)聚酰胺復(fù)合膜表面帶有負(fù)電荷。降低pH（增加H+）會(huì)部分中和膜表面的負(fù)電荷。可能中和或減少水中帶負(fù)電的有機(jī)污染物、膠體顆粒的表面負(fù)電荷。
效果：
減弱膜與污染物之間的靜電排斥力，理論上可能增加有機(jī)物和膠體在膜表面的吸附傾向。然而，實(shí)踐中，適度低pH結(jié)合良好的預(yù)處理往往能有效控制這類(lèi)污染。高pH (>10) 通常會(huì)增加膜和污染物的負(fù)電性，增強(qiáng)排斥力，有利于減少此類(lèi)污染，但需警惕其他風(fēng)險(xiǎn)。
b、控制無(wú)機(jī)結(jié)垢（碳酸鈣、硅、金屬氫氧化物）：
碳酸鈣：
原理同預(yù)處理酸化。即使預(yù)處理已酸化，隨著RO過(guò)程濃縮倍數(shù)的增加，濃水側(cè)的LSI/S&DSI仍可能升高。通常通過(guò)持續(xù)加酸（H2SO4/HCl）或?qū)Ｓ米韫竸﹣?lái)維持濃水側(cè)LSI/S&DSI在安全范圍內(nèi)（如<1.8或根據(jù)阻垢劑性能確定）。
二氧化硅：
SiO2的溶解度隨pH升高而顯著增加（尤其在pH>7后）。
對(duì)于高硅原水：
策略1 (低回收率/阻垢劑)：
在較低pH（如7-8）下運(yùn)行，依賴(lài)強(qiáng)效硅阻垢劑并限制系統(tǒng)回收率，避免濃水側(cè)SiO2過(guò)飽和。
策略2 (高pH運(yùn)行)：
這是高效處理高硅水的關(guān)鍵策略。將進(jìn)水pH提高到10-11（通常使用NaOH）：此pH條件大幅提高溶解態(tài)硅酸根離子(SiO32-)的比例和總?cè)芙舛龋商岣邤?shù)倍）。允許系統(tǒng)在更高的回收率下運(yùn)行而不析出硅垢，顯著提升產(chǎn)水效率。同時(shí)，高pH強(qiáng)烈抑制生物生長(zhǎng)（生物污染）。
但是必須嚴(yán)格監(jiān)控：
鈣鎂結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)：
pH>10時(shí)，CaCO3結(jié)垢傾向急劇增加，且氫氧化鎂[Mg(OH)2]和磷酸鈣垢的風(fēng)險(xiǎn)顯著上升。必須配套使用強(qiáng)效高pH專(zhuān)用阻垢劑，并可能需要適度降低回收率或加強(qiáng)軟化。
膜水解風(fēng)險(xiǎn)：
聚酰胺膜在持續(xù)高pH（尤其>11）下可能發(fā)生水解，導(dǎo)致脫鹽率永久性下降。需遵循膜廠(chǎng)商嚴(yán)格的pH上限和溫度限制。
c、優(yōu)化特定離子脫除率：
CO2：
進(jìn)水低pH時(shí)，CO2占比高，幾乎完全透過(guò)膜進(jìn)入產(chǎn)水，導(dǎo)致產(chǎn)水電導(dǎo)率高、pH低。進(jìn)水高pH時(shí)，CO2轉(zhuǎn)化為HCO3-/CO32-，被有效脫除，產(chǎn)水pH升高。
氨：
主要形態(tài)NH4+ (低pH) 易脫除，NH3 (高pH) 難脫除。控制pH影響其形態(tài)和脫除率。
硼：
如上述，硼主要以不帶電的硼酸[B(OH)3]形態(tài)存在于中性pH水中，RO膜對(duì)其脫除率很低（~50-70%）。提高pH到9-10.5，硼轉(zhuǎn)化為帶負(fù)電的硼酸根離子[B(OH)4-]，膜對(duì)其脫除率可大幅提升至90%以上，這對(duì)滿(mǎn)足嚴(yán)格的飲用水硼含量標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要。
弱電解質(zhì)（硅酸、CO2, 氨）：
RO膜對(duì)溶解氣體（CO2, NH3）和未解離的弱酸（如H3BO3, H4SiO4）脫除率很低。
三、后處理階段：產(chǎn)水穩(wěn)定與管網(wǎng)保護(hù)
若RO進(jìn)水經(jīng)過(guò)酸化且/或產(chǎn)水中含有透過(guò)的大量CO2，產(chǎn)水通常呈酸性（pH 5-6.5）酸性水對(duì)金屬管道、設(shè)備（水泵、儲(chǔ)罐、閥門(mén)）有腐蝕性，可能導(dǎo)致重金屬溶出
（如銅、鉛），不符合飲用水感官和衛(wèi)生要求。
調(diào)節(jié)RO產(chǎn)水的pH至適宜范圍（通常接近中性或略偏堿性），使其穩(wěn)定、符合要求（如飲用水標(biāo)準(zhǔn)）、減少對(duì)后續(xù)設(shè)備和輸送管道的腐蝕性。
1、中和低pH產(chǎn)水：
脫氣（除碳）：
通過(guò)曝氣（鼓風(fēng)脫氣塔）或真空脫氣，物理吹脫溶解的CO2。移除CO2后，水的pH會(huì)自然上升到約8.0-8.5（僅殘留少量CO2與HCO3-平衡）。
加堿：
直接向產(chǎn)水中加入堿（常用NaOH），中和H+。效果：快速精確提升pH至目標(biāo)值（如7.0-8.5）。
2、穩(wěn)定化（再礦化）：
RO產(chǎn)水是“饑餓水”，極低的離子濃度和堿度使其具有侵蝕性，會(huì)溶解管道內(nèi)壁的保護(hù)層（如碳酸鈣垢），導(dǎo)致腐蝕和“紅水”現(xiàn)象。
在加堿調(diào)pH的同時(shí)或之后，可能加入適量的鈣（如Ca(OH)2, CaCO3過(guò)濾器）和碳酸氫鹽（如NaHCO3），原理是適度提高水的硬度和堿度，使其略具碳酸鈣沉淀傾向（輕微正LSI），在管道內(nèi)壁形成極薄的保護(hù)性碳酸鈣膜，抑制腐蝕（稱(chēng)為“輕微結(jié)垢性水防腐”）。
圖2
