1 概述

膜元件的故障通常表現(xiàn)為膜性能的下降、物理破損和化學(xué)劣化等現(xiàn)象。比較具有代表性的現(xiàn)象是膜元件的脫鹽率下降（產(chǎn)水電導(dǎo)率上升）、產(chǎn)水量的變化（運(yùn)行壓力的增加或者減少）和壓力損失（壓差）的增加等。

膜元件自身以外的原因表現(xiàn)出的故障癥狀往往也呈現(xiàn)在膜元件上。因此調(diào)查原因時(shí)，往往總是把注意力集中在對(duì)膜性能分析上。在發(fā)現(xiàn)膜系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，通過對(duì)運(yùn)行記錄的查閱和原水水質(zhì)的分析，對(duì)取得正確判斷是不可缺少的。

對(duì)故障的診斷可以按照下列順序進(jìn)行：

① 查閱運(yùn)行記錄。在有日常運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄被保存的前提下，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀況、條件進(jìn)行確認(rèn)，調(diào)查是否有異常的運(yùn)行條件；

② 追加必要的數(shù)據(jù)。把握系統(tǒng)是整體性能下降還是部分性能下降。若是系統(tǒng)部分性能下降，可以拆卸發(fā)生問題的膜元件，檢查其外觀及連接件的密封圈等狀況；

③ 原水的特性狀態(tài)調(diào)查和分析；

④ 對(duì)裝置卸下的膜元件進(jìn)行性能檢測(cè)，膜元件解體檢查（膜的分析、清洗測(cè)試）。

2 故障診斷

2.1 系統(tǒng)的診斷

2.1.1 數(shù)據(jù)的記錄和標(biāo)準(zhǔn)化

系統(tǒng)整體的故障由于故障原因的不同，表征出來的現(xiàn)象也不盡相同。當(dāng)出現(xiàn)性能下降的征兆時(shí)，迅速及時(shí)的采取對(duì)策尤為關(guān)鍵，這樣可以避免故障擴(kuò)大。因此在日常通過記錄數(shù)據(jù)，用圖表的形式將參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，會(huì)起到事半功倍的效果，至于標(biāo)準(zhǔn)化方式則由各個(gè)反滲透廠家提出（美國(guó)海德能公司提供標(biāo)準(zhǔn)化軟件ROData^®供用戶免費(fèi)下載，詳情請(qǐng)登錄www.membranes.com）。

2.1.2 系統(tǒng)的診斷和原因的推定

膜元件的故障原因多種多樣，比較具有代表性的是膜劣化和污染。以下介紹根據(jù)造成污染原因物質(zhì)的種類，就性能隨時(shí)間變化的一般模型作簡(jiǎn)單介紹。

  圖1 物質(zhì)的種類不同造成系統(tǒng)性能變化污染

2.2 各個(gè)壓力容器的診斷

觀察每支壓力容器的性能數(shù)據(jù)，對(duì)于探明系統(tǒng)故障原因是非常重要的。連接件和密封圈的密封不良或者膜元件的破損等故障都會(huì)造成以壓力容器為單位的性能下降。系統(tǒng)在第一段和第二段的膜元件是否有類似的性能下降也說明不同的故障原因。由于膜劣化或者污染的原因引起的故障也是可能的。若無法分段取得性能數(shù)據(jù)，則對(duì)每個(gè)壓力容器進(jìn)行測(cè)試。通常是測(cè)試每個(gè)壓力容器中的產(chǎn)水電導(dǎo)。取樣時(shí)要注意調(diào)查配管設(shè)置方法，被測(cè)定的壓力容器的產(chǎn)水是否受到其他的壓力容器的產(chǎn)水影響。一般對(duì)每個(gè)壓力容器測(cè)量其產(chǎn)水水量是非常困難的。

2.3 壓力容器內(nèi)各個(gè)膜元件的診斷

檢查各個(gè)壓力容器內(nèi)填裝的膜元件的哪個(gè)部分發(fā)生了脫鹽率下降，可以采用探針法（在線檢測(cè)）或抽出檢測(cè)法（離線檢測(cè)）。這里我們將著重介紹探針法的使用。

2.3.1 探針法的目的

探針法是采用塑料管插入中心集水管且貫穿全長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)試不同位置膜元件產(chǎn)水電導(dǎo)率的方法。被采樣的產(chǎn)水來自軟管前端位置上游的產(chǎn)水，表示軟管前端位置的水質(zhì)。

圖2 探針法示意圖

2.3.2 探針法測(cè)定的位置

圖3 六芯裝壓力容器探針測(cè)試的位置

各個(gè)膜元件性能的測(cè)定和連接管密封處是否有泄漏的檢測(cè)點(diǎn)的位置如下：

- 膜元件上游：連接管密封處的確認(rèn)（O型密封圈下流處20毫米處，超過60毫米以上的地方，會(huì)和中心集水管的開孔相通，結(jié)果受膜性能的影響）。

- 膜元件中央：膜元件性能測(cè)定。

- 膜元件下游：連接管密封處的確認(rèn)。

2.3.3 探針法的連接方式

探針法使用的測(cè)試工具如圖4所示分端板連接部分（①）和插入用軟管部分（②）這兩部分組成。在連接端板和產(chǎn)水出口之間安裝T型三通（T字A），使不經(jīng)由軟管流過的產(chǎn)水回流至原水水箱。

 圖4 探針法連接方式

2.3.4 探針法的實(shí)施方法

① 端板連接部分（①）的管線安裝并固定在產(chǎn)水出口上（端板連接部分和集水管必須保持在一直線上）。端板連接部和產(chǎn)水集之間加入T型三通（T字A），為了使不從探針法軟管中通過的產(chǎn)水回流至原水水箱。

② 把插入用的軟管部分從軟管適配器A處插入，并打開閥門A。

③ 把軟管插入集水管內(nèi)部深處。

④ 軟管遇到阻礙，無法再向前的地方就停住。遇到阻礙的位置就是軟管和保護(hù)帽的接頭處（集水管的最前端），可以把那里作為起點(diǎn)（標(biāo)記為0毫米）。建議在進(jìn)行測(cè)試前可以把軟管插入，事先確認(rèn)軟管前端到保護(hù)帽位置的長(zhǎng)度位置。

⑤ 在起點(diǎn)位置，把閥門B打開開始采樣。采樣前需要把軟管內(nèi)已有的液體置換出來，因此在先排出300毫升左右以后開始采樣。

⑥ 在采樣結(jié)束后，把軟管向外拉出一定間隔，繼續(xù)下一個(gè)位置的采樣。若事先能在軟管上注上間隔標(biāo)記，則采樣時(shí)更易操作。

⑦ 對(duì)壓力容器內(nèi)的膜元件按照一定間隔對(duì)全長(zhǎng)度取樣直至結(jié)束。一支膜元件的長(zhǎng)度是1 016毫米。

2.3.5 使用探針法的注意事項(xiàng)

① 被抽樣的產(chǎn)水水質(zhì)是采集的測(cè)量點(diǎn)上游制造的產(chǎn)水的平均值，無法表示測(cè)量點(diǎn)產(chǎn)水的水質(zhì)性能。

② 調(diào)換膜元件的方向，進(jìn)行正、反兩方向的測(cè)試，對(duì)于測(cè)量點(diǎn)（采樣位置）的產(chǎn)品水性能可以做到更準(zhǔn)確的掌握。

③ 壓力容器中若是單支膜或者是多支膜的情況，對(duì)測(cè)量點(diǎn)的選擇是不一樣的，對(duì)這一點(diǎn)需要注意。

3 故障現(xiàn)象、原因以及解決方法

查看運(yùn)行條件以及數(shù)據(jù)，若發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行已超出可運(yùn)行范圍，向用戶提出改善要求。但往往因?yàn)樵虿幻鞔_采取對(duì)膜元件進(jìn)行分析的方法比較多。

以下敘述的按照現(xiàn)象不同，分別就原因和解決方法的歸納總結(jié)。

表1 故障現(xiàn)象和原因推斷總結(jié)

4 膜元件的分析

確認(rèn)好系統(tǒng)的運(yùn)行條件和運(yùn)行記錄后，為了使分析更明確，需要對(duì)膜元件進(jìn)行分析。掌握性能下降的現(xiàn)象，把握污染物究竟是何種物質(zhì)，抓住性能下降的原因?qū)ふ覍?duì)策、確立清洗方法。包含分析的膜元件的確認(rèn)方法請(qǐng)參照表2。

按照表2列出的測(cè)試項(xiàng)目中的分析方法，通過組合分析，可得出較為綜合的判斷結(jié)果，其中又以用膜元件的性能檢查、附著物的外觀、SEM-XMA / FT-IR的組合分析，可以做出比較準(zhǔn)確的判斷為多。

需要分析時(shí)，將膜元件從設(shè)備上取下，須對(duì)膜元件的安裝位置和壓力容器中的膜元件的特定位置進(jìn)行記錄并在返回的樣品上標(biāo)注（希望用戶在取下膜元件的同時(shí)記錄它們的位置）。

對(duì)原水的檢測(cè)要把會(huì)對(duì)膜性能產(chǎn)生影響的物質(zhì)盡量分析出來，關(guān)于SS或者微粒子、結(jié)垢物質(zhì)（鈣、硅、重碳酸鹽和硫酸根離子等）包括氧化劑等等項(xiàng)目請(qǐng)事先和設(shè)備廠商或者膜元件廠商商量以后決定。

表2污染物質(zhì)確認(rèn)方法

4.1 外觀和重量

可以通過對(duì)外觀的觀察，確認(rèn)膜元件是否有物理破損或者存在有機(jī)物附著。測(cè)量重量就可以對(duì)污染物的量做出大致判斷。但僅僅通過一個(gè)重量指標(biāo)是無法得出最終結(jié)論的。

4.2 膜元件性能檢查

膜元件性能的復(fù)查只能在膜元件解體前實(shí)施。即使在已經(jīng)確認(rèn)有污染成分時(shí)，也應(yīng)該先測(cè)試膜元件的性能，然后再解剖膜元件分析污染物的組成，但是復(fù)測(cè)性能時(shí)可能導(dǎo)致污染物發(fā)生變化影響分析結(jié)果。因此我們希望能確保有兩支樣品，一支用于性能檢查，另一支直接解體。

膜元件的性能測(cè)試中包含以下檢測(cè)項(xiàng)目：

- 真空保持檢查和水密檢測(cè)，可以確定平膜的破損和破損位置；

- 用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件復(fù)測(cè)膜元件，對(duì)比脫鹽率、產(chǎn)水量、壓差的變化，可以判斷膜破損、膜性能劣化、污染、流路堵塞和連接件是否接觸不良。

以上的性能檢測(cè)數(shù)據(jù)和出廠數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比以確認(rèn)性能變化狀況。在壓差的測(cè)定中使用壓差檢測(cè)計(jì)，測(cè)試中要達(dá)到0.001 MPa的精度。

4.3 染色試驗(yàn)

想確定膜的性能是否發(fā)生劣化或者想發(fā)現(xiàn)膜元件出現(xiàn)破損的位置時(shí)，可以進(jìn)行染色測(cè)試。若要同時(shí)進(jìn)行污染物分析的話，最好用另外樣品進(jìn)行，以免染色試驗(yàn)影響污染物分析的準(zhǔn)確性。

通常使用染料Direct Blue（分子量約1 000 Daltons）或者 Ultra Violet（分子量約300 Daltons）在膜元件的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下加壓約10分鐘。染色后，對(duì)膜元件進(jìn)行解體就可以確定膜的破損和膜元件密封泄漏等缺陷的位置。

4.4 膜元件的解體

一般按以下步驟進(jìn)行：

① 拍攝膜元件的外觀照片（全體和兩個(gè)端面的特寫）；

② 取下兩端的端板，清晰的注明原水流動(dòng)的方向；

③ 把外層的玻璃鋼取下；

④ 把膜組件打開，調(diào)查每片膜葉，對(duì)膜葉的全體或者必要的部分進(jìn)行拍照。為了讓看照片時(shí)就能明白膜葉上何處為原水側(cè)、何處為濃縮側(cè)，請(qǐng)事先標(biāo)注或作上記號(hào)；

⑤ 有大量的附著物時(shí)，需要采集附著物樣本。

為了分析膜表面的狀況并滿足FT-IR的分析條件，最少需取40 × 20毫米的平膜樣本。

4.5 FT-IR分析

依據(jù)FT-IR分析所提供的信息，可以對(duì)以下問題作出判斷：

① 由于化學(xué)變化而造成的膜性能劣化情況。根據(jù)與新膜之間的差別，若有膜的官能團(tuán)減少的話，可以判明存在化學(xué)反應(yīng)的影響，但是當(dāng)有較多的污染物附著在膜表面時(shí)則無法進(jìn)行判定。

② 膜片上附著物的鑒別。根據(jù)和新膜的差譜分析，測(cè)定附著物的吸收曲線可以推測(cè)出主成分。與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的吸收光譜作比較可以得出污染物大致所含的組分。若附著物可以采集的話，建議直接用FT-IR對(duì)這些附著物進(jìn)行測(cè)試，也可以判斷出附著物的成分。

③ 可以就附著物的成分進(jìn)行判斷是污染物（金屬氧化物、微生物污染和絮凝劑）或結(jié)垢物質(zhì)（碳酸鈣、硅和硫酸鋇等）。

④ 吸附層一般很薄，由于FT-IR的分析深度是100微米，因此對(duì)很薄的吸附層顯得精度不足。此時(shí)可以用大量的超純水對(duì)這些吸附物進(jìn)行抽取，然后降壓濃縮后再用FT-IR測(cè)試。關(guān)于吸附物質(zhì)的判定請(qǐng)咨詢儀器分析專家。

⑤ 僅用FT-IR是無法單獨(dú)判別詳細(xì)的成分構(gòu)成的，必須結(jié)合XMA等其它測(cè)試才能對(duì)附著物進(jìn)行更詳細(xì)的判斷。

4.6 SEM和XMA射線分析

通過SEM和XMA分析，可以得到以下信息：

① 用SEM可以觀察膜片表面外觀，判斷膜表面的破損狀況，推測(cè)附著物的大小和類型。判斷附著物是屬于結(jié)晶性或非結(jié)晶性物質(zhì)。還可以觀察膜表面的污染程度。但SEM只能對(duì)非常窄小的部分進(jìn)行觀察，因此需要選取多個(gè)樣品才可以做出判斷。

② 用XMA可以對(duì)污染物的無機(jī)元素進(jìn)行推斷。

附著的元素和用FT-IR所得的化合物吸收對(duì)應(yīng)組合，可以推斷附著物。例如通過XMA，看出有Si、Fe的附著，SEM發(fā)現(xiàn)藻類物質(zhì)，用 FT-IR發(fā)現(xiàn)有Si、Fe和藻類的吸收光譜，參考標(biāo)準(zhǔn)的頻譜，可以判定有Si、Fe和藻類污染的存在。參看圖5和6。

圖5 FT-IR分析示意圖

圖6 SEM和XMA射線分析結(jié)果示意圖

4.7 化學(xué)清洗測(cè)試

為了對(duì)污染物質(zhì)進(jìn)行推斷并判斷膜劣化的程度，需要進(jìn)行化學(xué)清洗測(cè)試。從化學(xué)清洗的效果可以反推出污垢的種類。為了選擇恰當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)藥品，可以解體膜元件，取平膜樣品進(jìn)行化學(xué)清洗測(cè)試。膜解體后的平膜樣品可以做成Φ75毫米的樣品，用化學(xué)試劑在常溫下浸泡8小時(shí)，再和空白樣品（純水浸泡的膜片）一起進(jìn)行平膜性能測(cè)試來判斷化學(xué)清洗的效果，最終確定有效的化學(xué)試劑，從而大致推斷污染物的種類，進(jìn)而可以指導(dǎo)被污染膜元件的清洗工作。