摘要：结垢（Scaling）是海水反渗透系统中最为常见的膜污染形式之一，主要指水中溶解的难溶盐类因浓度超过其溶度积而在膜表面析出、沉积形成的无机污垢。主要成分为碳酸钙（CaCO₃）、硫酸钙（CaSO₄）、硫酸锶（SrSO₄）、硫酸钡（BaSO₄）​​ 以及硅酸盐（S

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结垢（Scaling）是海水反渗透系统中最为常见的膜污染形式之一，主要指水中溶解的难溶盐类因浓度超过其溶度积而在膜表面析出、沉积形成的无机污垢。主要成分为碳酸钙（CaCO₃）、硫酸钙（CaSO₄）、硫酸锶（SrSO₄）、硫酸钡（BaSO₄）​​ 以及硅酸盐（SiO₂）​。结垢会导致系统产水量下降、脱盐率降低、段间压力升高，严重时不可逆地损坏膜元件，极大增加运行成本和维护负担。本方案旨在提供一套从预防到处理的全方位专业解决方案。

​一、 结垢控制原理​

结垢控制的核心理念是预防为主，处理为辅。所有措施都围绕一个中心目标：​将难溶盐的离子积（IP）控制在其溶度积（Ksp）之下，防止其析出结晶。主要通过以下机制实现：

​离子浓度控制​：通过预处理降低结垢离子（Ca²⁺, Mg²⁺, Ba²⁺, Sr²⁺, HCO₃⁻, SO₄²⁻）的浓度。

​pH值调节​：降低pH值可使HCO₃⁻转化为CO₂，从而抑制CaCO₃的形成。

​分散与晶格畸变​：投加阻垢剂，其有效成分可吸附于微晶颗粒表面，抑制晶体生长或使其保持分散状态，无法形成大尺度沉积。

​物理冲洗​：定期清除膜表面初始形成的软垢。

​二、 综合处理方案​

该方案是一个多层级、系统化的工程，贯穿从设计到运行维护的全过程。

​第一层级：系统设计与预处理优化​

​回收率的合理设计​：

回收率是结垢的首要驱动因素。回收率越高，浓水侧的离子浓度越高，结垢风险呈指数级增长。

必须根据原海水水质，通过计算或软件模拟（如Hydranautics的IMSDesign、FilmTec的ROSA）确定最大允许回收率。通常海水RO系统的回收率设计在40%-50%之间，以避免严重的结垢问题。

​强化预处理​：

​介质过滤/超滤（UF）​​：高效去除胶体、悬浮物等，为后续阻垢剂的有效作用提供清洁环境，避免形成混合污染（Fouling with Scaling）。

​混凝/絮凝​：可部分去除导致硅垢的大分子有机物和胶体硅。

​加酸处理​：

​目的​：主要用于控制碳酸钙垢。

​原理​：投加H₂SO₄或HCl，降低进水pH值，将水中的HCO₃⁻转化为游离的CO₂，从而阻止CaCO₃的形成。

​控制点​：通常将pH调节至6.5-7.0范围内。需通过Langelier Saturation Index (LSI) 或Stiff & Davis Saturation Index (SDSI) 进行精确计算控制。

​抗氧化剂投加​：

若预处理中使用氧化性杀菌剂（如NaClO），必须在进入RO膜前100%中和余氯，通常投加亚硫酸氢钠（SBS）。余氯会不可逆地氧化破坏聚酰胺RO膜层，导致膜脱盐率下降和不可逆的污染。

​第二层级：化学药剂投加与在线控制​

​投加专用阻垢剂（Antiscalant）​​：

这是控制结垢（尤其是硫酸盐垢和硅垢）​最核心、最经济的手段。

​机理​：

​阈值效应（Threshold Effect）​​：极低浓度的阻垢剂即可抑制远高于溶度积的成垢盐类析出。

​晶格畸变​：阻垢剂分子吸附在微晶核上，破坏其正常晶体结构，使其变得松散易被水流冲走。

​分散作用​：使形成的微小胶体颗粒带负电荷，相互排斥而稳定分散在水中。

​选择标准​：

针对海水高硬度、高硫酸根的特点，选择对硫酸钙、硫酸钡、硫酸锶有高效抑制能力的阻垢剂。

具备良好的硅容忍度（Silica Tolerance）​，能有效分散胶体硅，延缓硅垢形成。

与膜材料兼容，且不易被氧化降解。

​投加点​：通常在保安过滤器前，确保与进水充分混合。

​投加量​：根据水质和回收率，遵循阻垢剂供应商的建议（通常为2-5 ppm）。

​第三层级：运行与维护管理​

​规范启停操作​：

启动时需低速低压冲洗，排除膜壳内空气。

停机时必须用RO产水或低浓度碱液（pH~11）冲洗膜系统，置换出高浓度的浓水，防止停机期间结垢。

​定期物理冲洗（Flushing）​​：

​低压冲洗​：每运行24小时或系统启停时，进行短期（2-5分钟）的低压冲洗，去除膜表面的疏松污染物。

​在线清洗（CIP, Clean-In-Place）​​：

当标准化后的产水量下降10%、压差增加15%或脱盐率明显下降时，需进行CIP。

​针对结垢的清洗方案​：

​酸性清洗​：使用pH≈2-3的柠檬酸、盐酸或专用酸性清洗剂，循环浸泡，有效去除碳酸钙垢和金属氧化物/氢氧化物垢。

​碱性清洗​：使用pH≈11-12的NaOH+EDTA/STP等配方，去除有机污堵和部分硅垢。对于顽固硅垢，需使用专有的硅垢清洗剂​（通常含铵氟化物等，但需极其谨慎地控制浓度、pH和温度，以防损坏膜元件）。

​三、 监控与预警体系​

建立完善的监控系统是执行上述方案的眼睛：

​标准化数据监控​：实时监控并标准化产水量、压差、脱盐率，剔除温度、压力、浓度变化的影响，准确判断污染趋势。

​浓水侧结垢预测软件​：利用专业软件实时计算浓水中各难溶盐的饱和度（LSI, SDSI, SO₄²⁻饱和度），实现结垢风险的早期预警。

​定期膜元件检测​：必要时从系统两端取出膜元件进行性能检测和解剖分析，通过电子显微镜（SEM）、能谱分析（EDS）确定垢样成分，为精准调整药剂方案和清洗策略提供依据。

​四、 总结​

处理海水淡化膜的结垢问题，绝非单一措施所能解决，必须采用 ​​“预处理优化 + 加酸调节 + 专用阻垢剂 + 规范运行与定期清洗”​​ 的综合防治体系。该体系以实时监控和预警为基础，通过精细化化学加药和标准化操作维护，形成一个闭环管理，从而最大程度地抑制结垢，保障SWRO系统的高效、稳定和长周期运行，降低全生命周期成本。

来源：道尔顿膜