Cum să preveniți murdărirea și scalarea în sistemele de osmoză inversă? Înțelegerea impactului polarizării concentrației

Polarizarea concentrației (CP)

Polarizarea concentrației se referă la efectele adverse cauzate de acumularea continuă de soluții pe suprafața membranei, care afectează performanța membranei. Pe măsură ce apa pătrunde prin membrană, soluția de alimentare (care conține apă și soluții) este transportată pe suprafața membranei. Când apa purificată trece prin membrană, soluțiile se acumulează lângă suprafața membranei. ① În filtrarea membranei, particulele contactează membrana și formează un strat de tort de filtru. ② Datorită mecanismului de îndepărtare distinct al osmozei inverse (RO), soluția din soluție formează un strat de graniță cu concentrare ridicată pe suprafața membranei. Aceasta duce la polarizarea concentrației, ceea ce face ca concentrația de solut să fie mai mare decât cea din soluția în vrac din canalul de alimentare.

Efecte adverse ale polarizării concentrației asupra performanței RO
Concentrația ridicată de solut la suprafața membranei crește gradientul de presiune osmotică, reducând fluxul de apă.
② Gradienți de concentrație crescuți și fluxul de apă redus îmbunătățesc transferul de masă de solut pe membrană, scăzând ratele de respingere.
③ Limitele de solubilitate ale soluțiilor pot fi depășite, ceea ce duce la precipitații și scalare.

Înfundarea și scalarea în osmoză inversă

Nanofiltrarea (NF) și membranele RO sunt susceptibile de a se murdări prin diferite mecanisme. Sursele primare de murdărire și scalare includ particule, precipitații de săruri anorganice insolubile, oxidarea metalelor solubile și substanțe biologice.

1.Particulat Fat

Ciclurile de funcționare RO nu includ spălarea din spate pentru a elimina particulele acumulate (de fapt, spălarea din spate poate provoca delaminarea stratului activ din stratul de sprijin în membranele compozite cu film subțire). Îndepărtarea particulelor este o preocupare majoră în sistemele RO. Aproape toate sistemele RO necesită pretratare pentru a minimiza murdăria de particule, deoarece particulele reziduale afectează eficiența de curățare.

Substanțele anorganice și organice, inclusiv componentele microbiene și resturile biologice, pot provoca combaterea particulelor, ceea ce duce la blocare și formare a tortului de filtrare. Blocarea apare atunci când particule mari din soluția de alimentare sunt prinse în canalele de alimentare și conducte. Pretratarea soluției de alimentare folosind pre-filtrarea poate reduce blocajul. Producătorii de membrană RO recomandă utilizarea filtrelor de cartuș de 5 μM ca etapă minimă de pretratare pentru a proteja modulele de membrană.

Particulele formează un strat de tort de filtru pe suprafața membranei, crescând rezistența hidraulică și afectând performanța sistemului. Apa de alimentare predispusă la murdărirea particulelor necesită o pretratare avansată pentru a reduce concentrațiile de particule la niveluri acceptabile. Coagularea, filtrarea (folosind nisip, carbon sau alte medii) și uneori microfiltrare (MF) sau ultrafiltrare (UF) sunt utilizate ca metode de pretratare.

2. Precipitarea și scalarea sărurilor anorganice
Scalarea anorganică apare atunci când sărurile din soluție depășesc limitele de solubilitate și se precipită. Precipitațiile se întâmplă atunci când ionii care constituie aceste săruri sunt concentrate dincolo de produsele lor de solubilitate, în special în zonele de concentrare ridicată în apropierea suprafeței membranei, exacerbând polarizarea concentrației. Scalarea anorganică pe suprafața membranei reduce permeabilitatea apei sau provoacă leziuni ireversibile ale membranei.

În absența pretratării, precipitațiile trebuie evitate prin minimizarea polarizării concentrației, limitând rata de respingere a sării sau rata de recuperare. Polarizarea concentrației poate fi redusă prin îmbunătățirea fluxului turbulent în canalele de alimentare și menținerea vitezei minime de curgere specificate de producătorii de echipamente. Limitarea ratelor de respingere a sării este nepractică din cauza obiectivelor de inginerie conflictuale, dar restricționarea ratelor de recuperare este adesea necesară pentru a preveni precipitațiile. Rata maximă de recuperare admisă înainte de precipitația cu sare este definită ca rata de recuperare admisibilă, cu precipitațiile care inițiează sare denumite „sarea critică”. Scalele obișnuite în aplicațiile de tratare a apei includ carbonatul de calciu (Caco₃) și sulfat de calciu (Caso₄).

Pretratarea este esențială pentru toate sistemele RO practice pentru a preveni scalarea sărurilor solubile. Precipitațiile de carbonat de calciu sunt predominante, astfel încât majoritatea sistemelor necesită pretratare pentru acest compus. Acidificarea soluției de alimentare pentru a ajusta pH -ul transformă ionii de carbonat în bicarbonat și dioxid de carbon, prevenind precipitațiile de caco. Acizii sulfuri și clorhidric sunt folosiți în mod obișnuit, deși acidul sulfuric poate crește concentrațiile de sulfat, ceea ce duce la scalarea sulfatului. Majoritatea soluțiilor de alimentare RO sunt ajustate la pH 5,5-6,0, unde majoritatea carbonatelor există ca CO₂ și pătrund prin membrană.

Scalarea altor săruri critice este de obicei prevenită folosind inhibitori de scară. Acești inhibitori împiedică formarea și creșterea cristalului, suprimând precipitațiile chiar și în condiții suprasaturate. Gradul admisibil de suprasaturare depinde de proprietățile inhibitorului, adesea proprietate și specifice configurațiilor echipamentelor. Selectarea inhibitorilor adecvați ar trebui să urmeze recomandările producătorului de echipamente și inhibitori, cu analiza apei de furaje specifice site-ului și proiectarea ratei de recuperare.

Dincolo de acidificare și inhibitori, instalațiile moderne includ măsuri pentru a reduce volumele de ape uzate concentrat și pentru a îmbunătăți recuperarea apei, atenuând în continuare scalarea.

3. Îndepărtarea oxidului de metal
Apele subterane, o sursă comună de alimentare RO/NF, este adesea anaerobă. Compușii de fier dizolvat și mangan sunt oxidați și se precipită atunci când oxidanții intră în soluția de alimentare, înmuierea membranelor. Îndepărtarea fierului este mai frecventă și apare rapid la intrarea în aer. Oxidarea sau îndepărtarea fierului/manganului oxidat poate preveni murdărirea. Pentru concentrații scăzute de fier, prevenirea intrării aerului este suficientă; Inhibitorii la scară includ adesea aditivi pentru atenuarea murdăririi fierului de fier. Pretratarea fierului implică oxidarea cu oxigenul sau clorul, urmată de amestecare, timp de retenție hidraulică adecvat și filtrare de oxidare în medii granulare sau filtre de membrană. Când utilizați oxidanți, contactul cu membranele-în special poliamida sau materialele sensibile la oxidare-trebuie evitată. Curățătorii comerciale și protocoalele de curățare pot elimina depozitele de fier din membranele RO.

O altă componentă în apele subterane anaerobe este sulfura de hidrogen (H₂S). Aerul de aer oxidează H₂s la sulf coloidal, cu membrane care se împlinesc. Ca și în cazul oxidării fierului, prevenirea intrării aerului este esențială pentru a evita murdărirea sulfului. Depozitele de sulf pe membrane sunt adesea ireversibile.

4. Fursa biologică
Îndepărtarea biologică se referă la atașarea sau creșterea microorganismelor sau a substanțelor solubile extracelulare pe suprafața membranei sau în cadrul canalelor de alimentare. Comun în sistemele RO, degradează performanța prin reducerea fluxului, scăderea ratelor de respingere, creșterea scăderii de presiune pe modulele, contaminarea permeatului, degradarea materialelor cu membrană și scurtarea duratei de viață a membranei.

Încărcarea biologică poate fi prevenită prin menținerea condițiilor de operare optime, aplicarea biocidelor și spălarea periodică a modulelor cu membrană inactivă. Multe soluții de alimentare RO/NF (de obicei apele subterane) au sarcini microbiene mici. Funcționarea corectă asigură că forțele de forfecare din canalele de alimentare previn acumularea excesivă de bacterieni. Cu toate acestea, microbii proliferează rapid în perioadele de ralanti. Pentru a atenua acest lucru, este necesară o înroșire periodică cu permeat sau adăugarea biocidelor în timpul opririi. Soluțiile de clor în limitele recomandate servesc ca biocide pentru membranele acetatului de celuloză, dar membranele poliamidelor - susceptibile la degradarea clorului - necesită alternative precum bisulfitul de sodiu.

Pentru membranele de acetat de celuloză, cloruirea continuă la concentrații controlate poate. Pentru membranele de poliamidă, poate fi utilizat iradierea ultravioletelor, cloraminarea sau dechlorarea post-clorură.

Concluzie
Pretratarea este esențială pentru prevenirea scalărilor și a murdăririi. Metodele comune includ acidifierea și inhibitorii de scară pentru a preveni precipitațiile de sare și filtrarea pentru a bloca particule. Sursele de apă curate de alimentare (de exemplu, apele subterane) pot necesita doar filtrarea cartușului înainte de unitățile de membrană, în timp ce aporturile de apă de suprafață necesită metode avansate de filtrare, inclusiv coagulare, floculare, sedimentare și filtrare granulară sau membrană. Deoarece performanța membranei depinde de eficacitatea pretratării, selecția corespunzătoare și proiectarea trenurilor de pretratare sunt esențiale.