Omvendt osmose (RO) teknologi er mye brukt i vannbehandling på grunn av fordelene, som stabile avsaltningshastigheter, lite fotavtrykk, automatisering og skalerbarhet. Skalering er imidlertid et plagsomt problem for vannbehandlingspersonell under membrandrift. Skalering kan føre til reduksjon i membranfluks, økt energiforbruk, lavere avsaltningshastighet og redusert membranlevetid, noe som øker driftskostnadene. Derfor må det iverksettes tiltak for å hindre membranavleiring. Vanlige skaleringshemmingsmetoder inkluderer to hovedtilnærminger: justering av pH i RO-matevannet og tilsetning av skaleringshemmere til matevannet. Begge metodene kan også brukes sammen. Denne artikkelen diskuterer skaleringshemmingsmekanismen og gir metoder for å velge hemmingsmetoden og beregne den nødvendige dosen.
1. Skala-inhibitor-mekanisme
Membranskalering refererer til utfelling av dårlig løselige stoffer, som CaCO3, CaSO4, BaSO4 og Ca3(PO4)2, på membranoverflaten. Når disse stoffene blir konsentrert i RO-systemet, kan de nå overmetning. For eksempel, ved pH=7,5 og vanntemperatur på 25°C, når kalsiumhardhet (målt som CaCO3) er 200 mg/L og total alkalitet (målt som CaCO3) er 150 mg/L, vil CaCO3 nærme seg overmetning. Tilsvarende, ved pH=7,5 og vanntemperatur på 25°C, når konsentrasjonen av bariumioner bare er 0,01 mg/L og sulfationer er 4,5 mg/L, vil BaSO4 bli overmettet og utfelles.
Skaleringshemmingsmekanismen til inhibitorer av omvendt osmoseskala involverer primært kompleksdannelse, dispersjon, gitterforvrengning og terskeleffekter.
Kompleksdannelse og oppløseliggjøring: ENvleiringshemmere kan danne løselige komplekser med avleiring av kationer i vann, slik som kalsium-, magnesium- og bariumioner, og forhindrer dannelsen av CaCO3, CaSO4, BaSO4 og Ca3(PO4)2.
Koagulering og dispersjon: ENnionene som frigjøres av avleiringshemmere fester seg til CaCO3-krystaller. Siden forurensninger i industrielt avløpsvann vanligvis har en negativ ladning, frastøter som ladninger hverandre, og skaper elektrostatisk frastøtning som hindrer CaCO3-krystaller i å samle seg og vokse til større partikler. Krystallene er dispergert jevnt i løsningen, og hindrer derved dannelsen av CaCO3-skjell.
Gitterforvrengning: Under aggregeringen og veksten av CaCO3-mikrokrystaller, blir avleiringshemmere inkorporert i krystallgitteret eller ved krystallgrensesnittet, noe som forårsaker gitterforvrengning. Dette hemmer eller forvrenger direkte krystallvekst. For eksempel dannes CaCO3 av positivt ladede kalsiumioner og negativt ladede bikarbonationer, som vokser i en bestemt retning. Under utviklingen innlemmes skalahemmere i gitteret, noe som øker indre stress i krystallen. Når spenningen når en viss terskel, vil krystallen briste, og forhindre krystalldannelse.
Terskeleffekt: Avleiringshemmerne forstyrrer aggregerings- og bestillingsprosessene til CaCO3, CaSO4, BaSO4, Ca3(PO4)2 mikrokrystaller, og forhindrer dermed utfelling.
2. Valg av skaleringshemmingsmetoder
Den primære indikatoren som brukes til å evaluere risikoen for skalering i omvendt osmose (RO)-systemer er Langelier Saturation Index (LSI). Når LSI < 0, har vannet ingen tendens til å avleire (selv om det kan være lett etsende). Når LSI ≥ 0, er vannet utsatt for avleiring. pH-justeringsmetoden forhindrer avleiring ved å senke pH i matevannet, og dermed skifte LSI fra større enn 0 til mindre enn 0. Tilsetning av avleiringshemmere kan forhindre avleiring selv når LSI ≥ 0, da uløselige mikrokrystaller i vannet ikke kan vokse, aggregere, eller bunnfall. Hovedmekanismene for denne hemmingen er de fire beskrevet ovenfor. Foreløpig kan innenlandsskalahemmerprodukter sikre at uløselige stoffer ikke utfelles selv når LSI = 3. Internasjonale toppmerkehemmere kan garantere ingen nedbør ved LSI = 5. Det er imidlertid viktig å være forsiktig når du kjøper inhibitorer, siden noen innenlandske leverandører importerer konsentrerte internasjonale merkehemmere og fortynne dem med store mengder vann, noe som fører til betydelige avvik i den faktiske skaleringshemmende ytelse, selv om produktet er merket som LSI = 5.
1. pH-justeringsmetode
For å sikre produksjonen av kvalifisert permeatvann, kontrolleres RO-fødevannets pH vanligvis mellom 6 og 9, med noen selskaper som implementerer mer raffinert kontroll innenfor et smalere område, for eksempel 7,0 til 8,5. Ekstremt lave eller høye pH-nivåer i matevannet kan forhindre at RO-permeatet oppfyller de nødvendige vannkvalitetsstandardene. Derfor antar pH-justeringsmetoden for skaleringshemming at RO-permeatets pH vil være innenfor ønsket område. Det er viktig å merke seg at pH-justeringsmetoden først og fremst retter seg mot CaCO3-skalering og er ineffektiv mot andre typer avskallingsstoffer.
2. Tilsetningsmetode for avleiringshemmere
Som nevnt tidligere kan tilsetning av skalahemmere tillate RO-membraner å tolerere høyere LSI-verdier. Imidlertid har RO-skalahemmere en tendens til å være dyre, med innenlandske produkter fra 0,008 til 0,012 RMB/g og internasjonale toppmerkekonsentrerte produkter som koster mellom 0,055 og 0,075 RMB/g, noe som resulterer i høye driftskostnader.
I tillegg finnes det mange typer avleiringshemmere på markedet, og noen produsenter fremmer stadig nye, uprøvde konsepter, noe som fører til forvirring når de velger en avleiringshemmer. Generelt kan modne kommersielle skalahemmere klassifiseres i tre kategorier: fosforbaserte skalahemmere, polymerbaserte skalahemmere og miljøvennlige skalahemmere.
-
Fosforbaserte avleiringshemmere: Disse inkluderer uorganiske fosfatinhibitorer (som natriumtripolyfosfat eller natriumheksametafosfat) og organiske fosfonathemmere (som hydroksyetylidendifosfonsyre, aminotrimetylenfosfonsyre og fosfonsyrederivater). Uorganiske fosfathemmere inneholder langkjedede anioner og er utsatt for hydrolyse, spesielt ved høyere temperaturer. Når de hydrolyseres, danner de fosforsyresalter, som kan reagere med kalsiumioner for å danne Ca3(PO4)2, en skala med et lavere løselighetsprodukt enn CaCO3. Derfor er uorganiske fosfatinhibitorer uegnet for vann med høye temperaturer eller høye kalsiumionekonsentrasjoner.
-
Organiske fosfonatskalahemmere: Disse inhibitorene inneholder organiske fosfonater, typisk karakterisert ved C-O-P-bindingen. Når de utsettes for høye temperaturer og alkaliske miljøer, kan organiske fosfonater hydrolysere til fosforsyreestere og alkoholer, noe som reduserer deres avleiringshemmingseffektivitet betydelig. Organiske fosfonater er derfor ikke egnet for bruk i vann med høye temperaturer eller høye pH-verdier.
Polymerbaserte avleiringshemmere er primært delt inn i anioniske og kationiske polymerhemmere. Førstnevnte brukes hovedsakelig for å forhindre avleiring av metallioner, mens sistnevnte primært brukes til å hemme avleiring av silika. Hovedingrediensene i polymerbaserte inhibitorer er akrylsyre og maleinsyre, og under formuleringen introduseres ulike funksjonelle grupper i molekylene. Som et resultat kommer polymerskala-inhibitorer i forskjellige formuleringer. Når du bruker disse inhibitorene, er det viktig å vurdere ikke bare vannkvalitetsforholdene, men også hvilke typer skjell som finnes. For eksempel er polymerhemmere med karboksylgrupper primært rettet mot kalsiumskalering, sulfonsyrebaserte polymerhemmere brukes hovedsakelig for metalloksidavleiring, og aminbaserte polymerhemmere er effektive for silikaskalering. Derfor er polymerskala-inhibitorer ikke bredspektrede midler; de er utformet for å adressere manglene til bredspektrede inhibitorer. I tillegg, siden den primære komponenten av polymerbaserte inhibitorer er en polymer, er de mottakelige for oksidasjon av klor og andre oksidative biocider, noe som kan gjøre dem ineffektive. Derfor, før du tilsetter disse inhibitorene, er det nødvendig å først nøytralisere eventuell gjenværende klor i vannet ved å tilsette et reduksjonsmiddel.
Inhibitorer av miljøskala inneholder vanligvis aktive ingredienser som polyasparaginsyre, polyepoksyravsyre og deres derivater. Disse hemmere brukes hovedsakelig til å adressere kalsiumbaserte skalaer som CaCO3, CaSO4 og CaF2. Fordelen med disse inhibitorene er at de tåler relativt høye kalsiumionekonsentrasjoner. For eksempel, selv når kalsiumionekonsentrasjonen når 500 mg/L, kan de fortsatt oppnå over 80 % hemming av kalsiumavleiring. Disse inhibitorene krever imidlertid høyere doser, forårsaker betydelige endringer i vannets pH og er mindre effektive ved temperaturer under 40°C. Siden den maksimalt tillatte matevannstemperaturen for omvendt osmosemembraner er 35-40°C, er disse inhibitorene generelt ikke egnet for bruk i omvendt osmosesystemer, men er mer vanlig brukt i kjølevannssystemer.
3. Doseringsberegning
Som nevnt tidligere, om vannet er utsatt for skalering avhenger av Langelier Saturation Index (LSI) verdien. Derfor, enten du bruker syredosering for å justere pH eller legger til avleiringshemmere for å forhindre skalering av omvendt osmosemembran, er essensen å kontrollere LSI til vannet. Beregningen av LSI er som følger:
I formelen:
- pH er den målte pH-verdien til omvendt osmosekonsentratet.
- pH_s er metnings-pH-verdien som tilsvarer karbonatsystemet i vannet ved den faktiske vanntemperaturen, kjent som metnings-pH.
De pH av omvendt osmosekonsentratet kan enkelt skaffes gjennom elektroniske instrumenter eller manuell måling. Derfor er nøkkelen til å beregne LSI bestemmende pH_s . I følge Standardmetoder for undersøkelse av vann og avløpsvann , pH_s kan beregnes ved hjelp av følgende formel.
I formelen:
- A er den totale oppløste faste stoffer (TDS) koeffisienten.
- B er vanntemperaturkoeffisienten.
- C er kalsiumhardhetskoeffisienten.
- D er den totale alkalinitetskoeffisienten.
Beregningsmetodene for A , B , C , og D er som følger.
- TDS er det totale innholdet av oppløste faste stoffer i omvendt osmosekonsentratet, i mg/L.
- t er temperaturen til omvendt osmosekonsentratet, i °C.
- Cca er kalsiumhardheten til omvendt osmosekonsentratet, uttrykt som CaCO3, i mg/L.
- C_total alkalinitet er den totale alkaliniteten til omvendt osmosekonsentratet, uttrykt som CaCO3, i mg/L.
Ved å bruke eksempelet nevnt tidligere, hvor pH = 7,5 , TDS = 2000 mg/L , temperatur t = 25°C , kalsiumhardhet Cca = 200 mg/L , og total alkalinitet C_total alkalinitet = 150 mg/L , prosessen med å beregne LSI er som følger:
Dette stemmer overens med den forrige uttalelsen, der CaCO3 er nesten mettet under disse forholdene. Videre kan vi observere at doseringsberegningen kan uttrykkes med følgende tre formler.
Den spesifikke påføringsmetoden er som følger:
Først måler vi TDS, temperatur t , kalsiumhardhet Cca , og total alkalitet C_total alkalinitet av omvendt osmosekonsentrat. Deretter, ved hjelp av formelen, beregner vi pH_s .
- Hvis pH_s ≥ pH , ingen ytterligere justeringer eller avleiringshemmere er nødvendig for å forhindre kalsiumavleiring.
- Hvis pH_s < pH , sikrer vi at etter justering av pH-verdien, synker ikke pH-verdien for omvendt osmose tilførselsvann under 6,5 (siden en lavere pH kan resultere i surt omvendt osmose-produktvann). I dette tilfellet kan vi justere pH ved å tilsette syre til pH_s ≥ pH . Dette gjelder kun når pH_s ≥ 6,5 . Hvis pH_s < 6,5 , må vi justere pH med syre til den når 6,5 eller enda lavere, noe som vil føre til at omvendt osmoseproduktet vann blir surt.
- Hvis pH_s < 6,5 , skal avleiringshemmere legges til.
Det er viktig å merke seg at, som nevnt tidligere, er syredosering for pH-justering primært mål CaCO3 skalering og er ineffektiv for andre typer skalering. For andre avleiringsstoffer kreves en avleiringshemmer for kontroll.
For at syredoseringen skal justere pH, kan doseringen kontrolleres gjennom den faktisk målte pH. Når det gjelder dosering av skalahemmere, har omfattende forskning av nasjonale og internasjonale forskere vist at:
- Når skalahemmerdosen er under 2,5 g/m³ , er inhiberingseffektiviteten relativt lav.
- Når dosen overskrider 3,0 g/m³ , forbedres ikke lenger inhiberingseffektiviteten vesentlig.
Dermed er den optimale dosen av avleiringshemmer mellom 2,5-3,0 g/m³ , som vist i følgende diagram.
Oppsummert, når vi forhindrer omvendt osmose-membranskalering, bør vi først beregne LSI for omvendt osmosekonsentratet ved å bruke formlene gitt i denne artikkelen for å vurdere om det er sannsynlig at skalering vil forekomme. For det andre må vi analysere hovedavleiringsstoffene i permeatet, som kan bestemmes ved å teste indikatorer som Ca²⁺, Mg²⁺, HCO₃⁻, Ba²⁺, SiO₂ osv. Denne analysen lar oss ta målrettede beslutninger om hvorvidt vi skal juster pH med syre eller for å legge til kalkinhibitorer. Hvis en avleiringshemmer er nødvendig, bør vi bestemme riktig type og dosering av hemmeren som skal brukes.
