Ako zabrániť znečisteniu a škálovaniu v systémoch reverznej osmózy? Pochopenie vplyvu polarizácie koncentrácie

Polarizácia koncentrácie (CP)

Polarizácia koncentrácie sa vzťahuje na nepriaznivé účinky spôsobené kontinuálnou akumuláciou rozpustených látok na povrchu membrány, čo zhoršuje výkon membrány. Keď voda prechádza cez membránu, napájací roztok (obsahujúci vodu a rozpustene) sa transportuje na povrch membrány. Keď purifikovaná voda prechádza cez membránu, rozpustené látky sa hromadia blízko membránového povrchu. ① V membránovej filtrácii sa častice kontaktujú s membránou a tvoria vrstvu filtračného koláča. ② V dôsledku odlišného mechanizmu odstraňovania reverznej osmózy (RO), rozpustené látky v roztoku tvoria hraničnú vrstvu s vysokou koncentráciou na povrchu membrány. To má za následok polarizáciu koncentrácie, čím sa koncentrácia rozpustenej látky na membránovom povrchu vyššia ako koncentrácia v objemovom roztoku v napájacom kanáli.

Nepriaznivé účinky polarizácie koncentrácie na výkon RO
① Vysoká koncentrácia rozpustenej látky na povrchu membrány zvyšuje gradient osmotického tlaku, čím sa znižuje tok vody.
② Zvýšené koncentračné gradienty a znížený tok vody zvyšujú prenos hmoty rozpustenej látky cez membránu, čím znižuje rýchlosť odmietnutia.
③ Limity rozpustnosti rozpustených látok môžu byť prekročené, čo vedie k zrážaniu a škálovaniu.

Znečistenie a škálovanie reverznej osmózy

Nanofiltrácia (NF) a RO membrány sú citlivé na znečistenie rôznymi mechanizmami. Primárne zdroje znečistenia a škálovania zahŕňajú častice, zrážanie nerozpustných anorganických solí, oxidáciu rozpustných kovov a biologické látky.

1.Partikulujte znečistenie

Cykly prevádzky RO nezahŕňajú spätné preplachovanie na odstránenie akumulovaných častíc (v skutočnosti môže spätné preplachovanie spôsobiť delamináciu aktívnej vrstvy z podpornej vrstvy v kompozitných membránach s tenkými filmami). Zavádzanie častíc je hlavným problémom v systémoch RO. Takmer všetky systémy RO vyžadujú predbežné ošetrenie, aby sa minimalizovalo znečistenie častíc, pretože zvyškové častice zhoršujú účinnosť čistenia.

Anorganické a organické látky, vrátane mikrobiálnych zložiek a biologických zvyškov, môžu spôsobiť znečistenie častíc, čo vedie k tvorbe blokovania a filtrovaného filtra. Blokovanie sa vyskytuje, keď sa v kŕmnych kanáloch a potrubí zachytia veľké častice v podávanom roztoku. Predbežné ošetrenie napájacieho roztoku pomocou predbežnej filtrácie môže znížiť blokovanie. Výrobcovia membrány RO odporúčajú používať 5 μm filtre kazety ako minimálny krok predúpravy na ochranu membránových modulov.

Častice tvoria vrstvu filtračného koláča na povrchu membrány, zvyšuje hydraulický odpor a ovplyvňuje výkon systému. Kŕmená voda náchylná na znečistenie častíc vyžaduje pokročilú predúpravu na zníženie koncentrácií častíc na prijateľné úrovne. Ako metódy predbežnej liečby sa používajú koagulácia, filtrácia (s použitím piesku, uhlíka alebo iného média) a niekedy mikrofiltrácia (MF) alebo ultrafiltrácia (UF).

2.Precitácia a škálovanie anorganických solí
Anorganické škálovanie sa vyskytuje, keď soli v roztoku presahujú ich limity rozpustnosti a zrážajú sa. Zrážanie sa stane, keď sú ióny tvoriace tieto solí koncentrované za ich produkty rozpustnosti, najmä v oblastiach s vysokou koncentráciou v blízkosti povrchu membrány, čo zhoršuje polarizáciu koncentrácie. Anorganické škálovanie na povrchu membrány znižuje priepustnosť vody alebo spôsobuje ireverzibilné poškodenie membrány.

Pri absencii predbežného ošetrenia sa musí zrážky vyhnúť minimalizácii polarizácie koncentrácie, obmedzením rýchlosti odmietnutia soli alebo rýchlosti zotavenia. Polarizácia koncentrácie sa môže znížiť zvýšením turbulentného prietoku v kŕmení kanálov a udržiavaním minimálnych rýchlostí toku špecifikovaných výrobcami zariadení. Obmedzenie miery zamietnutia soli je nepraktické v dôsledku protichodných cieľov inžinierstva, ale na zabránenie zrážkam je často potrebné obmedzenie miery zotavenia. Maximálna prípustná rýchlosť zotavenia pred zrážaním soli je definovaná ako povolená rýchlosť zotavenia, pričom soľ začala zrážky nazývané „kritická soľ“. Bežné stupnice v aplikáciách na úpravu vody zahŕňajú uhličitan vápenatý (CaCO₃) a síran vápnika (CASO₄).

Predbežné ošetrenie je nevyhnutné pre všetky praktické systémy RO, aby sa zabránilo škálovaniu striedmo rozpustných soli. Zrážanie uhličitanu vápenatého prevláda, takže väčšina systémov vyžaduje pre túto zlúčeninu predúpravu. Okyslenie roztoku napájacieho roztoku na úpravu pH prevedie uhličitanové ióny na hydrogenuhličitan a oxid uhličitý, čím sa bráni zrážkam CaCO₃. Bežne sa používajú kyseliny sírovej a kyseliny chlorovodíkovej, hoci kyselina sírová môže zvýšiť koncentrácie sulfátu, čo vedie k škálovaniu síranu. Väčšina kŕmnych roztokov RO je upravená na pH 5,5–6,0, kde väčšina uhličitanov existuje ako co₂ a prenikajú cez membránu.

Škálovaniu iných kritických solí sa zvyčajne bráni pomocou inhibítorov mierky. Tieto inhibítory bránia tvorbe kryštálov a rastu, čo potláča zrážky aj za presýtených podmienok. Prípustný stupeň presýtenia závisí od vlastností inhibítora, často patentovaný a špecifický pre konfigurácie zariadenia. Výber vhodných inhibítorov by sa mal riadiť odporúčaniami výrobcu zariadení a inhibítorov, s analýzou kŕmnej vody špecifickej pre danú jednotku a návrhu rýchlosti výťažku.

Okrem okyslenia a inhibítorov moderné zariadenia obsahujú opatrenia na zníženie objemov koncentrátu odpadových vôd a zvýšenie regenerácie vody, čo ďalej zmierňuje škálovanie.

3. Oxid kovu
Podzemná voda, bežný zdroj krmiva RO/NF, je často anaeróbna. Rozpustené zlúčeniny železa a mangánu sú oxidované a zrážajú sa, keď oxidanty vstupujú do roztoku kŕmenia, znečisťujúce membrány. Znečistenie železa je častejšie a pri vstupe vzduchu sa rýchlo vyskytuje. Oxidácia alebo odstránenie oxidovaného železa/mangánu môže zabrániť znečisteniu. Pri nízkych koncentráciách železa postačuje zabránenie vstupu vzduchu; Inhibítory stupnice často zahŕňajú prísady na zmiernenie nízko koncentrácie znečistenia železa. Predbežné ošetrenie železa zahŕňa oxidáciu kyslíkom alebo chlórom, po ktorom nasleduje miešanie, primeraný hydraulický retenčný čas a oxidačná filtrácia v granulovaných médiách alebo membránových filtroch. Pri používaní oxidantov sa musí zabrániť kontaktu s membránami-najmä polyamidovými alebo oxidačnými materiálmi-musí sa vyhnúť. Komerčné čistiace prostriedky a čistiace protokoly môžu odstrániť ložiská železa z Membrán RO.

Ďalšou zložkou anaeróbnej podzemnej vody je sulfid vodíka (H₂S). Viazanie vzduchu oxiduje H₂s na koloidnú síru, znečisťujúce membrány. Rovnako ako pri oxidácii železa, je rozhodujúce prevencia vniknutia vzduchu, aby sa zabránilo znečisteniu síry. Vklady síry na membránach sú často nezvratné.

4. Biologické znečistenie
Biologické znečistenie sa týka pripútania alebo rastu mikroorganizmov alebo extracelulárnych rozpustných látok na povrchu membrány alebo v podávacích kanáloch. V systémoch RO je spoločná, degraduje výkon znížením toku, znížením rýchlosti odmietnutia, zvýšením poklesu tlaku v moduloch, kontaminujúcim permeátom, degradujúcimi membránovými materiálmi a skrátením membránovej životnosti.

Biologickému znečisteniu sa dá zabrániť udržiavaním optimálnych prevádzkových podmienok, aplikovaním biocíd a pravidelným prepláchnutím voľnobežných membránových modulov. Mnoho podávacích roztokov RO/NF (zvyčajne podzemná voda) má nízke mikrobiálne zaťaženie. Správna prevádzka zaisťuje, že šmykové sily v kŕmnych kanáloch bránia nadmernej akumulácii baktérií. Mikróby sa však počas voľnobežných období rýchlo proliferujú. Aby sa to zmiernilo, počas vypínania je potrebné periodické preplachovanie s permeátom alebo pridaním biocídov. Roztoky chlóru v rámci odporúčaných limitov slúžia ako biocídy pre membrány octanu celulózy, ale polyamidové membrány - sú možné na degradáciu chlóru - si vyžadujú alternatívy, ako je bisulfit sodný.

Pre membrány octanu celulózy sa môže kontinuálna chlorácia pri kontrolovaných koncentráciách. Pre polyamidové membrány sa môže použiť ultrafialové ožarovanie, chloraminácia alebo dechlorácia po chlórke.

Záver
Predbežné ošetrenie je rozhodujúce pre zabránenie škálovaniu a znečisteniu. Bežné metódy zahŕňajú okyslenie a inhibítory mierky, aby sa zabránilo zrážaniu soli a filtrácii na blokovanie tuhých znečisťujúcich látok. Zdroje čistej napájania (napr. Podzemná voda) môžu vyžadovať iba filtráciu kazety pred membránovými jednotkami, zatiaľ čo príjmy povrchovej vody si vyžadujú pokročilé metódy filtrácie, vrátane koagulácie, flokulácie, sedimentácie a granulárnej alebo membránovej filtrácie. Pretože výkon membrány závisí od účinnosti predúpravy, je nevyhnutný správny výber a návrh vlakov predúpravy.