【導讀】在過去5年，用於水處理的膜，特別是反滲透(RO) 膜的使用量幾乎翻了一番。如今
，RO膜技術廣泛用於多種行業
，從市政用水和廢水處理到各種工業應用中的超純水(UPW)生產。多項研究表明，如果反滲透膜長期暴露於氯濃度38 ppb（基於三年以上的1000 ppm-hr）會hui危wei害hai到dao膜mo的de結jie構gou和he完wan整zheng性xing，但dan如ru果guo不bu使shi用yong消xiao毒du劑ji
，則ze會hui導dao致zhi生sheng物wu汙wu染ran且qie無wu法fa恢hui複fu。為wei了le保bao持chi這zhe種zhong微wei妙miao的de平ping衡heng
，膜mo操cao作zuo人ren員yuan必bi須xu準zhun確que監jian測ce氧yang化hua劑ji濃nong度du和he脫tuo氯lv劑ji的de添tian加jia量liang
，特te別bie是shi對dui於yuROgeishui。ciwai，haixuyaojiancemoleijijiechudeyanghuaxiaodujideliang，yilejieqiduimoxiaolvheshoumingdeyingxiang。weilekongzhilvcanliu，gongyongshiyegongsishiyongxianyoudefangfaheyiqijinxingjiance
，danyinweitigongdeceliangpindudi、不直接

、不準確，所以可能無法提供足夠的結果。

表1.現有可用於控製氯化和脫氯過程的技術的優缺點。

表1和圖1（基於汙水處理廠(WWTP)進行的一項比較試驗，在排放前對最終廢水進行了氯化/脫氯處理）1表明
，ORP對氯泄露提供了相對較快的反應。但是，它對過量還原劑（例如亞硫酸氫鈉(SBS)）的響應可能較慢。此外，由於該技術的局限性及其相對性質
，依賴ORP的絕對值可能會產生誤導。因為ORP是替代測量指標，所以，無論使用哪種傳感器進行監測，將ORP水平與氯濃度相關聯以量化反應可能導致嚴重的問題。

圖1.WW脫氯應用中比色傳感器和ORP傳感器對氯（存在/不存在）的反應的比較試驗。

一些公用事業公司使用另一種電化學方法來控製氯化/脫氯，也就是電流分析法，同時還使用基於這一原理構建的傳感器（表1）。與ORP不bu同tong，電dian流liu測ce定ding技ji術shu與yu氯lv濃nong度du的de相xiang關guan性xing更geng高gao
，更geng具ju可ke選xuan性xing。但dan是shi，要yao成cheng功gong采cai用yong該gai技ji術shu也ye麵mian臨lin著zhe其qi他ta潛qian在zai問wen題ti，特te別bie是shi對dui不bu含han氯lv或huo氯lv含han量liang極ji低di情qing況kuang的de管guan控kong。在zai間jian歇xie性xing應ying用yong中zhong
，這zhe一yi點dian尤you其qi突tu出chu，因yin為wei電dian流liu式shi傳chuan感gan器qi必bi須xu檢jian測ce到dao樣yang本ben中zhong的de氯lv，才cai能neng提ti供gong可ke持chi續xu運yun行xing。因yin此ci

，在zai樣yang本ben間jian歇xie流liu動dong或huo持chi續xu不bu含han氯lv的de情qing況kuang下xia
，電dian流liu探tan針zhen可ke能neng會hui失shi去qu對dui氯lv的de靈ling敏min度du，需xu要yao更geng頻pin繁fan的de相xiang互hu作zuo用yong。這zhe是shi由you多duo種zhong因yin素su造zao成cheng的de
，從cong簡jian單dan的de探tan針zhen表biao麵mian汙wu染ran，到dao電dian極ji上shang形xing成cheng有you機ji或huo無wu機ji塗tu層ceng，都dou會hui阻zu礙ai產chan生sheng必bi要yao的de電dian化hua學xue反fan應ying發fa生sheng。 

當ORP或電流式傳感器功能正常時，其性能和精度取決於樣本的其他參數，例如pH值、流量、yalideng。dianhuaxuechuanganqideyoudianzaiyuwushijicaozuo，yijijiyuceliangdelianxuxingduilvnongdushangshengdekuaisufanyingnengli。tongguoduilvnongdushangshengdexiangyingjinxingzhiguanbijiao（圖2），可以看出連續分析和批量分析之間的差異。後者用比色技術來表示，基於該方法的循環性質進行，即取樣、添加化學試劑、測量光線吸收率
，通常可以在1到2分鍾內完成。 

圖2顯(xian)示(shi)了(le)立(li)即(ji)報(bao)告(gao)的(de)電(dian)流(liu)式(shi)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)初(chu)始(shi)反(fan)應(ying)
，有(you)助(zhu)於(yu)反(fan)映(ying)早(zao)期(qi)氯(lv)濃(nong)度(du)的(de)變(bian)化(hua)。盡(jin)管(guan)如(ru)此(ci)，兩(liang)種(zhong)方(fang)法(fa)會(hui)在(zai)實(shi)現(xian)完(wan)整(zheng)的(de)測(ce)量(liang)精(jing)度(du)所(suo)需(xu)時(shi)間(jian)大(da)致(zhi)相(xiang)同(tong)。任(ren)何(he)連(lian)續(xu)測(ce)量(liang)由(you)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)反(fan)應(ying)時(shi)間(jian)進(jin)行(xing)表(biao)征(zheng)，例(li)如(ru)，T90或T95，表示達到90%或95%最大信號水平或精度所用的時間。這一特征的指定值一般在60到120秒之間，因傳感器而異
，並取決於傳感器和樣本條件。作為對比
，基於標準二乙基對苯二胺(DPD)方法的氯批量分析在100到150秒內達到約100%的精度

，且不受樣本的pH值影響。樣本流量應在規定的範圍內，且需要考量對DPD比色法的已知幹擾。

圖2.比色（批量）和電流（連續）分析儀對氯濃度上升的反應。

表1中列出的方法在實施時可以使用不同技術
，這些技術可以通過工藝或實驗室儀器來表示。後者通常用於測量隨機樣本（表2）。亞硫酸試劑的監測和按比例添加大多采用基於DPD的隨機樣本分析

，或結合連續ORP測量來完成。間歇性隨機樣本分析在監測中留下了很大的空白，並可能受到用戶技術的影響，而ORP的相對性質使其無法作為可選方法。 

表2.用於監測氯殘留的主要技術和相應的驗證期望結果。

從cong技ji術shu的de角jiao度du來lai看kan
，由you於yu可ke以yi利li用yong不bu同tong的de化hua學xue或huo電dian化hua學xue方fang法fa
，隨sui機ji樣yang本ben分fen析xi具ju有you更geng高gao的de通tong用yong性xing。但dan是shi，這zhe種zhong技ji術shu的de主zhu要yao和he明ming顯xian缺que陷xian在zai於yu其qi間jian歇xie性xing質zhi
，無wu法fa提ti供gong連lian續xu測ce量liang
，因yin此ci無wu法fa有you效xiao控kong製zhi過guo程cheng，無wu論lun是shi靜jing態tai的de還hai是shi動dong態tai的de。因yin此ci
，隨sui機ji樣yang本ben分fen析xi的de主zhu要yao目mu的de是shi基ji於yu連lian續xu或huo批pi量liang分fen析xi方fang法fa，驗yan證zheng過guo程cheng分fen析xi儀yi的de性xing能neng。表biao2概述了這種驗證的標準和期望。綜上所述
，目前用於監測和控製汙水處理中的氯化/脫氯問題的所有方法都有其優點和缺點，公用事業單位應仔細分析這些特點
，以選擇適合應用和期望值的方法。 

youxiesheshishiyongguochenglvjianceyiqi，gaiyiqibunenggenjuxianyoudejishuzhuangtaitigongyuqidejieguo。womenxuyaoyizhongjiandankekaodeyiqi，nenggouyijibenlianxudefangshiceliangqifanweididuandelvcanliu，qiejuyouzugoudejingdu。gaifangfadezhunqueduyingzai30 ppb以下
，以確保消毒劑的濃度足以控製生物汙染，並避免脫氯劑使用不足/過量。這種儀器可以通過較低成本的清洗和脫氯，維持膜的狀態和使用壽命。 

測試設置、結果和討論

一種使用DPD技術的在線分析儀已開發出來，並在多個使用膜過濾的設施中進行測試
，可用於準確檢測和量化RO給水中低於30 ppb的氯濃度。這款新儀器可以連接到SCADA係統，每150秒自動報告一次結果，並計算累積接觸的氯含量。該分析儀在RO應用場景中進行了測試，包括飲用水、再利用
、電力和煉油、海水淡化和飲料生產等領域。 

這項研究是在生產微電子（半導體）的Maxim Integrated®工廠進行的。該工廠有多個RO機架，200多個獨立的濾筒
，用於進行顆粒活性炭(GAC)預處理和添加焦亞硫酸鈉
，以消除RO給水中多餘的氯殘留。RO膜用在一階和二階RO過濾係統中。它們的健康狀況通常使用流速、總溶解固體(TDS)
，以及滲透和排出物中的二氧化矽濃度來監測。膜的預期使用壽命一般是3到5年。但是，它們通常比預期提前6個月更換。通常一年要更換大約30個膜濾筒，費用大約為$10,000
，包括膜成本、人工成本和收入損失。平均每兩到三年，RO膜用戶必須對出現故障的膜進行檢測，該檢測通常由合約商完成，可能需要額外花費幾千美元。因此，由於氯滲透導致的RO膜提早失效是一個成本頗高的問題。從經濟角度來說
，延長膜的使用壽命
、降低操作成本具有顯著意義。

基於這些考量
，工廠可能會選擇使用新型在線分析儀，該分析儀使用DPD技術，可以準確檢測和量化RO給水中低於30 ppb的氯濃度。人們認為，新儀器在安裝之後，應至少進行為期三周的測試。該分析儀於2020年6月安裝到一階RO係統進水端
，在經過GAC床和焦亞硫酸鈉(MBS)注入後，源水為城市自來水，在進入 GAC 前，氯濃度為 3 至 4 ppm（見圖 3）。

圖3.分析儀安裝點（一階RO給水）。

在進行MBS反應測試（圖4）後，工廠人員進行了第一次觀察、計算並得出初步結論，之後決定擴大測試範圍
，以更深入地了解分析儀及其功能。

圖4.MBS給水反應測試。

前三周測試的主要結果顯示，該分析儀的讀數穩定、準確，對MBS給水的變化反應迅速（圖4）。 

該設備通常根據製造商的建議來計算膜的使用壽命，以保持氯濃度< 100 ppb
，並試圖將其保持在80 ppb以下，目標則設置為30 ppb。現有的隨機樣本分析方法 檢測和測量高於20 ppb的氯濃度，用於在擴展試驗中進行的對比試驗中驗證ULR分析儀的性能（圖5）。 

樣本流量不足會影響過程分析儀的性能，因此，RO的間歇操作（常規情況）會帶來很大的挑戰。新型ULRfenxiyideneizhiliuliangjikeyibangzhukefuzheyitiaozhan，zaiyangbenliuliangbuzushijiangfenxiyizhiyudaijizhuangtai，zailiulianghuifushizidongzhongxinqidongfenxiyi，congershiyiqibaochiyunxing。zhequebaoleneiburizhizhongjiludefenxiyidushudezhunquexing，womenduizhexierizhijinxingchedifenxi，congerdechuzhengquedejielun。

圖5.比較精度測試：ULR分析儀與氯總含量隨機樣本（哈希法8167）。對(dui)於(yu)通(tong)過(guo)分(fen)析(xi)儀(yi)的(de)流(liu)量(liang)，也(ye)會(hui)使(shi)用(yong)內(nei)置(zhi)流(liu)量(liang)計(ji)進(jin)行(xing)測(ce)量(liang)並(bing)記(ji)錄(lu)在(zai)數(shu)據(ju)日(ri)誌(zhi)中(zhong)。進(jin)行(xing)比(bi)較(jiao)的(de)三(san)個(ge)隨(sui)機(ji)樣(yang)本(ben)分(fen)析(xi)並(bing)沒(mei)有(you)顯(xian)示(shi)出(chu)預(yu)期(qi)的(de)匹(pi)配(pei)

，甚(shen)至(zhi)用(yong)豎(shu)直(zhi)誤(wu)差(cha)條(tiao)表(biao)示(shi)隨(sui)機(ji)樣(yang)本(ben)的(de)精(jing)度(du)差(cha)異(yi)也(ye)是(shi)如(ru)此(ci)。參(can)見(jian)表(biao)3查看詳情。

從氯和流量數據分析（如圖5所示）可以清楚看出，一旦根據隨機樣本結果將MBS給水調整到較低的速率，隨機樣本和在線分析儀讀數之間的差異會超出預期的容差範圍（表2）。關於這一點，可以通過比較兩種方法的隨機樣本分析細節和規格來進行說明（表3）。

表3.精度測試結果，ppb。隻有三對超出預期的容差範圍。

a讀數與隨機樣本采樣時間對應。 

b參見表2查看匹配標準。 

C隨機樣本是在記錄時間內采集的
，或者是使用相同樣本連續執行兩三次分析。

表3顯示
，每次比較都有幾個隨機樣本超出預期的容差範圍，且相同樣本的結果之間的差異非常顯著，高達40 ppb。這表明要麼樣本存在差異，要麼實驗室分析的準確性存在差異
，或者兩者兼有。因此
，ULR氯讀數(LOD = 8 ppb)與實驗室結果(LOD = 20 ppb)之zhi間jian的de比bi較jiao應ying視shi為wei勉mian強qiang匹pi配pei。這zhe種zhong差cha異yi主zhu要yao是shi由you於yu在zai進jin行xing隨sui機ji樣yang本ben分fen析xi時shi出chu現xian偏pian差cha的de可ke能neng性xing較jiao高gao，因yin為wei任ren何he涉she及ji人ren為wei操cao作zuo的de測ce試shi出chu現xian隨sui機ji錯cuo誤wu的de幾ji率lv都dou更geng高gao。基ji於yu這zhe種zhong邏luo輯ji
、統計和規範，我們發現ULR過程分析儀可以得出精確的結果，幾乎可以媲美參考隨機樣本分析。

簡單的數據評估表明
，根據分析儀的讀數，可以正確減少脫氯劑的用量（例如，本例中的MBS），並(bing)在(zai)不(bu)影(ying)響(xiang)操(cao)作(zuo)質(zhi)量(liang)和(he)增(zeng)加(jia)膜(mo)生(sheng)物(wu)汙(wu)染(ran)風(feng)險(xian)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)完(wan)全(quan)不(bu)用(yong)。單(dan)是(shi)節(jie)省(sheng)的(de)化(hua)學(xue)成(cheng)本(ben)這(zhe)一(yi)項(xiang)，就(jiu)可(ke)能(neng)在(zai)三(san)到(dao)五(wu)年(nian)的(de)時(shi)間(jian)內(nei)收(shou)回(hui)對(dui)設(she)備(bei)分(fen)析(xi)儀(yi)的(de)所(suo)有(you)投(tou)資(zi)。但(dan)是(shi)
，再(zai)加(jia)上(shang)其(qi)他(ta)直(zhi)接(jie)和(he)間(jian)接(jie)的(de)節(jie)省(sheng)（例如
，CIP頻率、相關勞動力和化學品
，更長的膜使用壽命
，減少生產損失等）
，ROI周期會變得更短，更有吸引力。

該儀器留在該廠進行長期評估，經過一年多的測試之後，收集到更多的觀測數據。例如
，分析儀對最近與GAC儲罐故障相關的事件作出反應（圖6）。

圖6. GAC儲罐故障。流經分析儀的流量也可以表明間歇操作越來越多，這並不影響儀器的性能。

一階RO給水由所有碳床（GAC儲罐）排出的混合廢水組成。四個碳床中的兩個各占總流量的20%，另外兩個各占總流量的30%。焦亞硫酸鈉（如果在線）注入到碳床下遊和RO膜上遊。圖（圖6）中所示的故障發生在MBS給水停止之後（於2021年6月6日停止）。可以看出，一個GAC儲罐排出的廢水會給組合樣本帶來150 ppb氯，在~50%總流量下再帶來80 ppb。分析儀立即檢測並記錄這一變化，在更換了故障GAC儲罐中的介質（2021年7月9日）之後，氯濃度會下降到要求的水平(< 30 ppb)，2021年7月9日14:58執行的隨機樣本分析確認了這一點（圖6）。

所以，新分析儀有助於為排除GAC介jie質zhi故gu障zhang指zhi明ming正zheng確que的de方fang向xiang，例li如ru介jie質zhi耗hao盡jin，或huo者zhe儲chu罐guan的de碳tan顆ke粒li內nei部bu形xing成cheng氯lv可ke以yi通tong過guo的de通tong道dao。這zhe是shi新xin儀yi器qi的de另ling一yi個ge潛qian在zai優you勢shi，特te別bie是shi當dang其qi輸shu出chu連lian接jie到dao設she施shi的deSCADA係統或DCS時
，其讀數可用於提供決策支持
，盡管它們可能並非用於脫氯控製。。

結論

本ben案an例li研yan究jiu證zheng明ming了le高gao度du準zhun確que的de直zhi接jie氯lv測ce量liang的de價jia值zhi
，所suo需xu的de維wei護hu工gong作zuo量liang極ji小xiao，且qie支zhi持chi該gai儀yi器qi帶dai來lai的de所suo有you化hua學xue品pin和he人ren力li成cheng本ben節jie省sheng，預yu期qi該gai儀yi器qi能neng在zai大da約yue兩liang年nian時shi間jian內nei實shi現xianROI。

作者簡介

Vadim Malkov博士是一名化學家，自2002年以來一直深耕於水處理行業。他參與了多項有關市政和工業應用的水質研究，並參與開發了多種過程分析儀

、試劑和應用。他就職於Hach公司，擔任首席產品應用經理，負責消毒方麵的所有工作及其他事務。

Collin VanderZanden是ADI公司的設施工程師。他畢業於俄勒岡州立大學，獲化學工程學士學位。Collin於2018年加入ADI公司。