Kako spriječiti obrađivanje i skaliranje u sustavima reverzne osmoze? Razumijevanje utjecaja polarizacije koncentracije

Polarizacija koncentracije (CP)

Polarizacija koncentracije odnosi se na štetne učinke uzrokovane kontinuiranim akumulacijom otopljenih tvari na površini membrane, što narušava performanse membrane. Kako voda prožima kroz membranu, otopina dovoda (koja sadrže vodu i otopljene tvari) transportira se na površinu membrane. Kada pročišćena voda prođe kroz membranu, rastvore se nakupljaju u blizini površine membrane. ① U filtraciji membrane, čestice kontaktiraju membranu i formiraju sloj kolača filtra. ② Zbog različitog mehanizma uklanjanja reverzne osmoze (RO), rastvore u otopini tvore granični sloj visoke koncentracije na površini membrane. To rezultira polarizacijom koncentracije, čineći koncentraciju rastvora na površini membrane većim od one u rasutom otopini unutar dovodnog kanala.

Štetni učinci polarizacije koncentracije na performanse RO
① Visoka koncentracija rastvora na površini membrane povećava gradijent osmotskog tlaka, smanjujući tok vode.
② Povišeni gradijenti koncentracije i smanjeni tok vode Povećavaju prijenos mase mase na membrani, smanjujući stopu odbacivanja.
③ Granice topljivosti rastvora mogu se premašiti, što dovodi do oborina i skaliranja.

Izbacivanje i skaliranje reverznom osmozom

Nanofiltracija (NF) i RO membrane osjetljive su na probijanje kroz različite mehanizme. Primarni izvori zabrane i skaliranja uključuju čestice, oborine netopljivih anorganskih soli, oksidaciju topljivih metala i biološke tvari.

1. PARTIKULITI OBRAZOVANJE

CICHERS RO ne uključuje ispiranje leđa radi uklanjanja akumuliranih čestica (u stvari, ispiranje leđa može uzrokovati odvajanje aktivnog sloja iz potpornog sloja u kompozitnim membranama tankog filma). Obražavanje čestica glavna je briga u RO sustavima. Gotovo svi RO sustavi zahtijevaju prethodnu obradu kako bi se umanjili čestice, jer zaostale čestice narušavaju učinkovitost čišćenja.

Anorganske i organske tvari, uključujući mikrobne komponente i biološke nečistoće, mogu uzrokovati odbacivanje čestica, što dovodi do začepljenja i stvaranja filtra kolača. Blokiranje se događa kada su velike čestice u otopini dovoda zarobljene u dovodnim kanalima i cjevovodima. Prethodna obrada otopine dovoda pomoću prije filtracije može smanjiti začepljenje. Proizvođači RO membrane preporučuju korištenje 5 μM filtera za uloške kao minimalni korak prethodne obrade za zaštitu membranskih modula.

Čestice formiraju sloj filtra kolača na površini membrane, povećavajući hidraulički otpor i utječu na performanse sustava. Dovodna voda sklona česticama za obradu čestica zahtijeva naprednu obradu kako bi se smanjila koncentracija čestica na prihvatljive razine. Koagulacija, filtracija (pomoću pijeska, ugljika ili drugog medija), a ponekad se koriste kao metode prethodne obrade, a ponekad i mikrofiltracija (MF) ili ultrafiltracija (UF).

2. Precipitacija i skaliranje anorganskih soli
Anorgansko skaliranje nastaje kada soli u otopini premašuju ograničenja topljivosti i talože. Oborine se događa kada su ioni koji čine ove soli koncentrirani izvan njihovih proizvoda topljivosti, posebno u područjima visoke koncentracije u blizini površine membrane, pogoršavajući polarizaciju koncentracije. Neorgansko skaliranje na površini membrane smanjuje propusnost vode ili uzrokuje nepovratno oštećenje membrane.

U nedostatku prethodne obrade, oborine se moraju izbjeći minimiziranjem polarizacije koncentracije, ograničavanjem brzine odbacivanja soli ili brzine oporavka. Polarizacija koncentracije može se smanjiti povećanjem turbulentnog protoka u dovodnim kanalima i održavanjem minimalnih brzina protoka koji su navedeni proizvođači opreme. Ograničavanje stope odbacivanja soli je nepraktično zbog sukobljenih inženjerskih ciljeva, ali ograničavanje stope oporavka često je potrebno kako bi se spriječile oborine. Maksimalna dopuštena brzina oporavka prije nego što se dogodi oborine soli definira se kao dopuštena brzina oporavka, pri čemu je oborina soli nazvana "kritičnom soli". Uobičajene ljestvice u primjeni za obradu vode uključuju kalcijev karbonat (CACO₃) i kalcijev sulfat (CASO₄).

Prethodna obrada ključna je za sve praktične RO sustave kako bi se spriječilo skaliranje od štedljivo topljivih soli. Prevladavajuće oborine kalcijevog karbonata, tako da većina sustava zahtijeva prethodnu obradu za ovaj spoj. Zakiseljavanje otopine dovoda za podešavanje pH pretvara karbonatne ione u bikarbonat i ugljični dioksid, sprječavajući taloženje Caco₃. Sumporne i klorovodične kiseline obično se koriste, iako sumporna kiselina može povećati koncentracije sulfata, što dovodi do skaliranja sulfata. Većina otopina za dovođenje RO prilagođena je pH 5,5–6,0, gdje većina karbonata postoji kao CO₂ i prožima kroz membranu.

Skaliranje drugih kritičnih soli obično se sprečava pomoću inhibitora skale. Ovi inhibitori sprječavaju stvaranje i rast kristala, suzbijajući oborine čak i u prenasićenim uvjetima. Dopušteni stupanj prenasičenosti ovisi o svojstvima inhibitora, često vlasničkim i specifičnim za konfiguracije opreme. Odabir odgovarajućih inhibitora trebao bi slijediti preporuke proizvođača opreme i inhibitora, s analizom vodene vode za dovod vode i dizajniranjem brzine oporavka.

Osim zakiseljavanja i inhibitora, suvremene instalacije sadrže mjere za smanjenje količine otpadnih voda koncentrata i poboljšanje oporavka vode, dodatno ublažavajuće skaliranje.

3. Metalno oksid zalijevanje
Podzemna voda, uobičajeni izvor dovoda RO/NF, često je anaerobna. Otopljeni spojevi željeza i mangana oksidiraju i talože se kada oksidanti uđu u otopinu dovoda, zabrane membrane. Obražavanje željeza je češće i događa se brzo nakon ulaska zraka. Oksidacija ili uklanjanje oksidiranog željeza/mangana može spriječiti probijanje. Za niske koncentracije željeza, sprječavanje uranjanja zraka dovoljno je; Inhibitori skale često uključuju aditive za ublažavanje niskokoncentracije željeza. Prethodna obrada željeza uključuje oksidaciju s kisikom ili klorom, nakon čega slijedi miješanje, odgovarajuće vrijeme hidrauličkog zadržavanja i oksidacijska-filtracija u zrnatim medijima ili membranskim filtrima. Kada koristite oksidante, kontakt s membranama-posebno poliamidom ili materijalima osjetljivim na oksidaciju-treba izbjegavati. Komercijalna sredstva za čišćenje i protokoli za čišćenje mogu ukloniti naslage željeza iz RO membrane.

Druga komponenta u anaerobnoj podzemnoj vodi je vodikov sulfid (H₂S). Ulazak zraka oksidira H₂s na koloidni sumpor, membrane. Kao i kod oksidacije željeza, sprječavanje uranjanja zraka je kritično kako bi se izbjeglo uklanjanje sumpora. Depoziti sumpora na membrane često su nepovratne.

4. Biološko obrađivanje
Biološko obrađivanje odnosi se na vezanost ili rast mikroorganizama ili izvanćelijske topljive tvari na površini membrane ili unutar dovodnih kanala. Uobičajeno u RO sustavima, on degradira performanse smanjujući tok, smanjujući brzinu odbacivanja, povećavajući pad tlaka preko modula, kontaminirajući permeat, degradirajući materijale membrane i skraćivanje vijek trajanja membrane.

Biološko obrađivanje može se spriječiti održavanjem optimalnih radnih uvjeta, primjenom biocida i povremeno ispiranjem modula membrane u praznom hodu. Mnoge RO/NF otopine za dovod (obično podzemna voda) imaju niska mikrobna opterećenja. Pravilan rad osigurava da sile smicanja u dovodnim kanalima sprječavaju prekomjernu akumulaciju bakterija. Međutim, mikrobi se brzo razmnožavaju tijekom razdoblja praznog hoda. Da bi se to ublažilo, tijekom gašenja potrebno je periodično ispiranje s permeatom ili dodavanjem biocida. Otopine klora unutar preporučenih granica služe kao biocidi za membrane celuloze acetata, ali poliamidne membrane - osjetljive na razgradnju klora - zahtijevaju alternative poput natrijevog bisulfita.

Za membrane celuloze acetata, kontinuirano kloriranje u kontroliranim koncentracijama može. Za poliamidne membrane mogu se upotrijebiti ultraljubičasto zračenje, kloraminaciju ili dekloriranje nakon kloriranja.

Zaključak
Prehrana je presudna za sprječavanje skaliranja i obrađivanja. Uobičajene metode uključuju zakiseljavanje i inhibitore skale kako bi se spriječilo oborinu i filtraciju soli kako bi se blokirali čestica. Izvori čiste dovodne vode (npr. Podzemne vode) mogu zahtijevati filtraciju patrone samo prije membranskih jedinica, dok unos površinskih voda zahtijeva napredne metode filtracije, uključujući koagulaciju, flokulaciju, sedimentaciju i filtraciju zrna ili membrane. Budući da performanse membrane ovise o učinkovitosti prethodne obrade, pravilan odabir i dizajn vlakova za prethodnu obradu su neophodni.