二级反渗透系统进水加碱量计算

      在当今工业制备除盐水、超纯水的生产领域中，目前行业主流的工艺一般采用全膜法工艺。即超滤→一级反渗透→二级反渗透→EDI，而二级反渗透作为EDI的前处理工艺通常需要重点关注。我们通常用当量电导率FCE来表征EDI的进水负荷。FCE的计算公式为：

      FCE(μS/cm)=电导率(μS/cm)+2.79*CO₂(ppm)+1.94*SiO₂(ppm)

      从计算公式可以看出CO₂和SiO₂这类弱电解质显著影响着FCE的含量，进而影响着EDI的出水电导率。

      二级反渗透系统进水加碱（通常是氢氧化钠 NaOH）的主要目的是提高进水pH值，以去除水中的二氧化碳（CO₂），提高二级反渗透系统的脱盐率和产水水质，进而提高后端EDI的产水水质。

一.核心原理

1. CO₂的形态转变：水中溶解的CO₂与水反应形成碳酸（H₂CO₃），碳酸在水中并不稳定，会离解成碳酸氢根（HCO₃⁻）和氢离子（H⁺）：

      CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃⁻                            K₁

      HCO₃⁻ ⇌ H⁺ + CO₃²⁻                                                    K₂

图1：封闭条件下平衡时溶解无机碳与pH的关系

2. 加碱的作用：加入的NaOH（OH⁻）会与H⁺反应生成水，促使上述平衡向右移动：OH⁻ + H⁺ → H₂O，结果是将游离的CO₂转化为HCO₃⁻，但是过量添加会促进生成CO₃²⁻，增加结垢风险，因此一般会控制pH在8~9。
3. 提高脱盐率： 硼（B）在低pH下主要以不带电的硼酸（H₃BO₃）形式存在，RO膜对其脱除率很低（约50-70%）。加碱提高pH后，部分硼酸转化为带负电的硼酸根离子（B(OH)₄⁻），RO膜对其脱除率显著提高（可达90%以上）。硅的溶解度也随pH升高而增加，有助于减少硅垢风险。

二.计算加碱量（NaOH）的步骤

1. 确定目标去除的CO₂量：

      需要知道一级RO产水中溶解的CO₂浓度（[CO₂]₁）。这可以通过以下方式获得：

      直接测量： 使用CO₂分析仪测量一级RO产水。

      间接计算： 根据一级RO产水的pH值和HCO₃⁻浓度（或碱度），利用碳酸平衡关系计算。公式如下：

      [CO₂]=[HCO₃⁻]*[H⁺]/K₁

      其中：

      [CO₂]：游离CO₂浓度 (单位：mol/L)

      [HCO₃⁻]：一级RO产水的HCO₃⁻浓度(单位：mol/L)

      [H⁺]：氢离子浓度，由pH计算：[H⁺]=10^(-pH)mol/L

      K₁：碳酸的一级离解常数（25°C时约为4.47×10⁻⁷mol/L）。

 

      将进水中的绝大部分游离CO₂转化为HCO₃⁻。理论上需要将pH提高到8.2-8.3左右，此时水中几乎全是HCO₃⁻（CO₂极少，CO₃²⁻也很少）。实际操作中，二级RO进水pH通常设定在8.0 – 9.0之间（考虑脱硼、硅溶解度、膜耐受性等因素）。因此，通常需要去除接近100%的游离CO₂。

2. 计算去除CO₂所需的OH⁻摩尔数：

      从化学计量关系看，去除1mol的CO₂需要1mol的OH⁻：CO₂+OH⁻→HCO₃⁻

      设：Q=二级RO系统进水量 (以通常m³/h计算)

      [CO₂]₁=一级RO产水中CO₂浓度 (mol/L)

      需要加入的OH⁻（mol/h）=Q*[CO₂]₁*1000

 

3. 计算所需的NaOH量：

      NaOH溶于水提供OH⁻：NaOH→Na⁺+OH⁻，即1mol NaOH提供1mol OH⁻。

      M_NaOH=NaOH的摩尔质量=40g/mol

      理论NaOH用量 (g/h)=(需要加入的OH⁻(mol/h))*M_NaOH

      代入第2步公式：

      理论NaOH用量 (g/h)=Q*[CO₂]₁*1000* M_NaOH= Q*[CO₂]₁*40000

 

4. 考虑实际因素：

      上述计算是理论最小值，仅基于将CO₂转化为HCO₃⁻的化学反应。实际加碱量通常需要大于理论值，主要有以下原因：

• 1）中和其它酸性物质：水中可能存在的微量其他酸性物质（如腐殖酸、投加的阻垢剂本身可能带酸性等）。
• 2）抵消CO₂的再溶解：加碱点后的管道、中间水箱（如果有）可能存在大气中CO₂的再溶解。
• 3）达到目标pH：最终目标是控制二级RO进水的pH值在设定范围（如8.5）。理论计算基于将CO₂转化为HCO₃⁻，但要使pH达到8.5，通常需要稍微过量一点的碱，因为HCO₃⁻本身是一个缓冲体系。pH 8.5对应的[H⁺]远低于pH 5-6（一级RO产水典型pH）时的[H⁺]，需要额外的OH⁻来中和这部分H⁺（主要来自水的离解和HCO₃⁻的进一步离解）。
• 4）混合效率：需要确保碱液与进水充分混合。实际加碱量通常是理论计算值的1.1-1.5倍。最终的加药量必须根据在线pH表的实时反馈进行精确调节。

5. 计算NaOH溶液用量：

      工业上通常使用一定浓度的NaOH溶液（如20%、30%、50% w/w）。

      设NaOH溶液的浓度为 C_NaOH (w/w, 即质量百分比)，密度为ρ(以g/L计算)。

      NaOH溶液用量 (L/h)=[理论NaOH用量 (g/h) * 安全系数]/[ (C_NaOH* ρ]

 

      举例：某火力发电项目项目EDI出力为70m³/h，二级反渗透出力80m³/h，回收率85%，一级反渗透出力95m³/h，回收率75%，经水质检测，一级反渗透产水HCO₃⁻含量为1mg/L，pH=6.0，碱液浓度为1%(密度近似按水计算)，计算二级反渗透加碱用量。

      计算过程：

      单位换算[HCO₃⁻]=1*10^-3/61=1.6*10^-5mol/L

      [CO₂]₁=[HCO₃⁻]*[H⁺]/K₁=1.6*10^-5*10^-6/(4.47×10^-7)=3.6*10^-5mol/L

      理论NaOH用量 (g/h)=Q*[CO₂]₁*1000* M_NaOH= Q*[CO₂]₁*40000=80/85%*3.6*10^-5*40000=135.5g/h

      NaOH溶液用量 (L/h)=[理论NaOH用量 (g/h) * 安全系数]/[ (C_NaOH* ρ]=135.5*1.5/(1%*1000)=20.3L/h（安全系数取1.5）