Jak zabránit znečištění a škálování v systémech reverzní osmózy? Pochopení dopadu polarizace koncentrace

Polarizace koncentrace (CP)

Polarizace koncentrace označuje nepříznivé účinky způsobené kontinuální akumulací solutů na povrchu membrány, což narušuje výkon membrány. Jak voda prostupuje membránou, je roztok krmiva (obsahující vodu a soluty) transportován na povrch membrány. Když čištěná voda prochází membránou, soluty se hromadí poblíž povrchu membrány. ① Při filtraci membrány částice kontaktují membránu a tvoří vrstvu filtru. ② Vzhledem k výraznému odstranění mechanismu reverzní osmózy (RO) tvoří soluty v roztoku na povrchu membrány vysokokontrační okrajovou vrstvu. To má za následek polarizaci koncentrace, díky čemuž je koncentrace solutu na povrchu membrány vyšší než v objemovém roztoku v kanálu krmiva.

Nežádoucí účinky polarizace koncentrace na výkon RO
① Vysoká koncentrace solutu na povrchu membrány zvyšuje gradient osmotického tlaku a snižuje tok vody.
② Zvýšené gradienty koncentrace a snížený tok vody zvyšují přenos hmoty solutu přes membránu a snižují rychlost odmítnutí.
③ Limity rozpustnosti rozpustností mohou být překročeny, což vede k srážení a škálování.

Znečištění a škálování v reverzní osmóze

Nanofiltrace (NF) a RO membrány jsou citlivé na znečištění různými mechanismy. Mezi primární zdroje znečištění a škálování patří částice, srážení nerozpustných anorganických solí, oxidace rozpustných kovů a biologické látky.

1.Partikulace znečištění

Provozní cykly RO nezahrnují zpětné proplachování, aby se odstranily akumulované částice (ve skutečnosti může proplachování zpětného proplachování způsobit delaminaci aktivní vrstvy z podpůrné vrstvy v tenkovrstvých kompozitních membránách). Znečištění částic je hlavním problémem v RO systémech. Téměř všechny systémy RO vyžadují předběžné ošetření, aby se minimalizovalo znečištění částic, protože zbytkové částice narušují účinnost čištění.

Anorganické a organické látky, včetně mikrobiálních složek a biologických zbytků, mohou způsobit znečištění částic, což vede k blokování a tvorbě filtru. Blokování nastává, když jsou velké částice v roztoku krmiva zachyceny v kanálech a potrubí. Předběžné ošetření roztoku krmiva pomocí předfiltrace může snížit zablokování. Výrobci membrány RO doporučují používat 5 μm filtrů kazety jako minimální krok předúpravy k ochraně membránových modulů.

Částice tvoří vrstvu filtračního koláče na povrchu membrány, zvyšují hydraulickou odolnost a ovlivňují výkon systému. Nakrmená voda náchylná k znečištění částic vyžaduje pokročilé předběžné ošetření, aby se snížila koncentrace částic na přijatelné úrovně. Jako metody předúpravy se používají koagulace, filtrace (pomocí písku, uhlíku nebo jiných médií) a někdy mikrofiltrace (MF) nebo ultrafiltrace (UF).

2. Precipitace a škálování anorganických solí
K anorganické škálování dochází, když soli v roztoku přesahují jejich rozpustnost a sraženinu. Srážky dochází, když jsou ionty, které tvoří tyto soli, koncentrovány nad jejich produkty rozpustnosti, zejména ve vysoce koncentračních oblastech poblíž povrchu membrány, což zhoršuje polarizaci koncentrace. Anorganické škálování na povrchu membrány snižuje propustnost vody nebo způsobuje nevratné poškození membrány.

Při absenci předběžného ošetření musí být srážení zabráněno minimalizací polarizace koncentrace, omezením míry odmítnutí soli nebo rychlosti zotavení. Polarizace koncentrace může být snížena zvýšením turbulentního toku v krmných kanálech a udržováním minimálních rychlostí toku určených výrobci zařízení. Omezení míry odmítnutí soli je nepraktické kvůli konfliktním inženýrským cílům, ale k zabránění srážení je často nutné omezovat míru zotavení. Maximální přípustná míra zotavení před dojde k srážení soli je definována jako přípustná rychlost zotavení, přičemž srážení snižující soli nazývá „kritická sůl“. Mezi běžné stupnice v aplikacích pro úpravu vody patří uhličitan vápenatý (Caco₃) a síran vápenatý (caso₄).

Předběžné ošetření je nezbytné pro všechny praktické RO systémy, aby se zabránilo škálování z střídmě rozpustných solí. Srážení uhličitanu vápenatého je převládající, takže většina systémů vyžaduje pro tuto sloučeninu předběžné ošetření. Akycifikace roztoku krmiva pro upravení pH přeměňuje uhličitanové ionty na hydrogenuhličitan a oxid uhličitý, čímž se zabrání srážení Caco₃. Obyčejně se používají kyselina sírová a kyselina chlorovodíková, ačkoli kyselina sírová může zvýšit koncentrace síranu, což vede k škálování síranu. Většina roztoků RO je upravena na pH 5,5–6,0, kde většina uhličitanů existuje jako CO₂ a prostupuje membránou.

Měřítko jiných kritických solí je obvykle zabráněno pomocí inhibitorů měřítka. Tyto inhibitory zabraňují tvorbě krystalů a růstu a potlačují srážení i za přesunovaných podmínek. Přípustný stupeň supersaturace závisí na vlastnostech inhibitoru, často proprietární a specifické pro konfigurace zařízení. Výběr příslušných inhibitorů by měl dodržovat doporučení výrobce zařízení a inhibitorů s analýzou a konstrukcí míry obnovy v rámci lokality.

Kromě okyselení a inhibitorů moderní instalace zahrnují opatření ke snížení koncentrací objemu odpadních vod a zvyšování regenerace vody, což dále zmírňuje škálování.

3. Znečištění oxidu kovů
Podzemní voda, běžný zdroj krmiva RO/NF, je často anaerobní. Sloučeniny rozpuštěného železa a manganu jsou oxidovány a sraží, když oxidanty vstupují do roztoku krmiva, což znečišťuje membrány. Znečištění železa je častější a při vniknutí do vzduchu se rychle vyskytuje. Oxidace nebo odstranění oxidovaného železa/manganu může zabránit znečištění. Pro nízké koncentrace železa stačí zabránit vniknutí vzduchu; Inhibitory měřítka často zahrnují aditivy ke zmírnění znečištění železa s nízkým koncentrací. Předběžné ošetření železa zahrnuje oxidaci kyslíkem nebo chlorem, následuje míchání, adekvátní doba hydraulické retenční doby a oxidační filtrace v granulárním nebo membránovém filtrech. Při použití oxidantů se musí vyhnout kontaktu s membránami-zejména materiály citlivými na polyamid nebo oxidace. Komerční čisticí prostředky a protokoly čištění mohou odstranit usazeniny železa z membrán RO.

Další složkou anaerobní podzemní vody je sirovodík (H₂S). Vzduchový vstup oxiduje H₂s na koloidní síru, znečišťující membrány. Stejně jako u oxidace železa je zabránění vnikání vzduchu rozhodující, aby se zabránilo znečištění síry. Usazeniny síry na membránách jsou často nevratné.

4. Biologické znečištění
Biologické znečištění se týká připojení nebo růstu mikroorganismů nebo extracelulárních rozpustných látek na povrchu membrány nebo v kanálech krmiv. Běžný v RO systémech degraduje výkon snížením toku, snižováním rychlosti odmítnutí, zvyšováním poklesu tlaku napříč moduly, kontaminováním permeátu, degradujícími membránovými materiály a zkrácením životnosti membrány.

Biologické znečištění lze zabránit udržováním optimálních provozních podmínek, použitím biocidů a pravidelným proplachováním modulů volnoběhu. Mnoho roztoků krmiva RO/NF (obvykle podzemní voda) má nízké mikrobiální zatížení. Správný provoz zajišťuje, že smykové síly v krmných kanálech zabraňují nadměrné akumulaci bakterií. Mikroby se však během nečinných období rychle proliferují. Abychom to zmírnili, během vypnutí je nutné periodické spláchnutí s permeátem nebo přidáváním biocidů. Roztoky chloru v rámci doporučených limitů slouží jako biocidy pro celulózové acetátové membrány, ale polyamidové membrány - viditelné pro degradaci chloru - vyžadují alternativy, jako je bisulfit sodný.

U celulózových acetátových membrán může kontinuální chlorace při kontrolovaných koncentracích. U polyamidových membrán může být použita ultrafialové ozáření, chloraminaci nebo po chloraci.

Závěr
Předběžné ošetření je rozhodující pro prevenci škálování a znečištění. Mezi běžné metody patří inhibitory acidifikace a měřítko, aby se zabránilo srážení soli a filtrace pro blokování částic. Čisté zdroje vody (např. Podzemní voda) mohou vyžadovat filtraci kazety pouze před membránovými jednotkami, zatímco příjem povrchové vody vyžaduje pokročilé filtrační metody, včetně koagulace, flokulace, sedimentace a granulární nebo membránové filtrace. Protože výkon membrány závisí na účinnosti předběžného ošetření, je nezbytný správný výběr a návrh vlaků před léčbou.