Tehnologia de osmoză inversă (RO). este utilizat pe scară largă în tratarea apei datorită avantajelor sale, cum ar fi rate stabile de desalinizare, amprentă mică, automatizare și scalabilitate. Cu toate acestea, detartrarea este o problemă supărătoare pentru personalul de tratare a apei în timpul funcționării membranei. Scalare poate duce la o scădere a fluxului membranei, la creșterea consumului de energie, la rate mai mici de desalinizare și la o durată de viață redusă a membranei, ceea ce crește costurile operaționale. Prin urmare, trebuie luate măsuri pentru a preveni descuamarea membranei. Metodele obișnuite de inhibare a detartrajului includ două abordări principale: ajustarea pH-ului apei de alimentare cu RO și adăugarea inhibitorilor de detartrare la apa de alimentare. Ombele metode pot fi utilizate și împreună. Ocest articol discută mecanismul de inhibare a scalei și oferă metode pentru selectarea metodei de inhibare și calcularea dozei necesare.
1. Mecanismul inhibitor al calmului
Scalarea membranei se referă la precipitarea substanțelor slab solubile, cum ar fi CaCO3, CaSO4, BaSO4 și Ca3(PO4)2, pe suprafața membranei. Când aceste substanțe devin concentrate în sistemul RO, ele pot ajunge la suprasaturare. De exemplu, la pH=7,5 și la temperatura apei de 25°C, când duritatea calciului (măsurată ca CaCO3) este de 200 mg/L și alcalinitatea totală (măsurată ca CaCO3) este de 150 mg/L, CaCO3 se va apropia de suprasaturare. În mod similar, la pH=7,5 și la temperatura apei de 25°C, când concentrația ionilor de bariu este de numai 0,01 mg/L și ionii sulfat sunt de 4,5 mg/L, BaSO4 va deveni suprasaturat și va precipita.
Mecanismul de inhibare a detartrajului inhibitorilor de osmoză inversă implică în primul rând efecte de complexare, dispersie, deformare a rețelei și efecte de prag.
Complexarea și solubilizarea: Inhibitorii de detartrare pot forma complexe solubile cu cationi de detartrare din apă, cum ar fi ionii de calciu, magneziu și bariu, prevenind formarea de CaCO3, CaSO4, BaSO4 și Ca3(PO4)2.
Coagulare și dispersie: anionii eliberați de inhibitorii de calcar se atașează la cristalele de CaCO3. Deoarece contaminanții din apele uzate industriale poartă în mod obișnuit o sarcină negativă, precum sarcinile se resping reciproc, creând repulsie electrostatică care împiedică agregarea cristalelor de CaCO3 și creșterea în particule mai mari. Cristalele sunt dispersate uniform în soluție, inhibând astfel formarea de solzi de CaCO3.
Distorsiunea rețelei: în timpul agregării și creșterii microcristalelor de CaCO3, inhibitorii de scară sunt încorporați în rețeaua cristalină sau la interfața cristalină, provocând distorsiunea rețelei. Acest lucru inhibă sau distorsionează direct creșterea cristalelor. De exemplu, CaCO3 este format din ioni de calciu încărcați pozitiv și ioni de bicarbonat încărcați negativ, care cresc într-o direcție specifică. În timpul dezvoltării lor, inhibitorii de calcar sunt încorporați în rețea, crescând stresul intern din cristal. Când stresul atinge un anumit prag, cristalul se va rupe, prevenind formarea cristalului.
Efect de prag: Inhibitorii de calcar perturbă procesele de agregare și ordonare a microcristalelor de CaCO3, CaSO4, BaSO4, Ca3(PO4)2, prevenind astfel precipitarea.
2. Selectarea metodelor de inhibare a detartrajului
Indicatorul principal utilizat pentru a evalua riscul de scalare în sistemele cu osmoză inversă (RO) este indicele de saturație Langelier (LSI). Când LSI < 0, apa nu are tendința de a se depune (deși poate fi ușor corozivă). Când LSI ≥ 0, apa este predispusă la detartrare. Metoda de ajustare a pH-ului previne detartrajul prin scăderea pH-ului apei de alimentare, schimbând astfel LSI de la mai mult de 0 la mai puțin de 0. Adăugarea de inhibitori de detartrare poate preveni detartrarea chiar și atunci când LSI ≥ 0, deoarece microcristalele insolubile din apă nu pot crește, se pot agrega, sau precipitat. Principalele mecanisme pentru această inhibiție sunt cele patru descrise mai sus. În prezent, produsele inhibitoare la scară autohtonă pot asigura că substanțele insolubile nu precipită chiar și atunci când LSI = 3. Inhibitorii internaționali de marcă de top pot garanta că nu există precipitații la LSI = 5. Cu toate acestea, este important să fiți precaut atunci când cumpărați inhibitori, deoarece unii vânzători autohtoni importă inhibitori concentrați de marcă internațională și diluați-i cu cantități mari de apă, ceea ce duce la discrepanțe semnificative în performanța reală a inhibării detartrajului, chiar dacă produsul este etichetat ca LSI = 5.
1. Metoda de ajustare a pH-ului
Pentru a asigura producția de apă permeată calificată, pH-ul apei de alimentare RO este de obicei controlat între 6 și 9, unele companii implementând un control mai rafinat într-un interval mai restrâns, cum ar fi 7,0 până la 8,5. Nivelurile de pH extrem de scăzute sau ridicate în apa de alimentare pot împiedica permeatul de RO să îndeplinească standardele de calitate a apei cerute. Prin urmare, metoda de ajustare a pH-ului pentru inhibarea scalarii presupune că pH-ul permeatului de RO va fi în intervalul dorit. Este important de remarcat faptul că metoda de ajustare a pH-ului vizează în primul rând scalarea CaCO3 și este ineficientă împotriva altor tipuri de substanțe de detartrare.
2. Metoda de adăugare a inhibitorului de scară
După cum sa menționat mai devreme, adăugarea de inhibitori ai calcarului poate permite membranelor RO să tolereze valori LSI mai mari. Cu toate acestea, inhibitorii de scară RO tind să fie scumpi, produsele interne variind de la 0,008 la 0,012 RMB/g și produsele internaționale concentrate de top brand costând între 0,055 și 0,075 RMB/g, rezultând costuri de operare ridicate.
În plus, pe piață există numeroase tipuri de inhibitori de detartrare, iar unii producători promovează în mod constant concepte noi, nedovedite, ceea ce duce la confuzie atunci când selectează un inhibitor de detartrare. În general, inhibitorii de detartrare comerciali maturi pot fi clasificați în trei categorii: inhibitori de calcar pe bază de fosfor, inhibitori de calcar pe bază de polimer și inhibitori de detartrare ecologici.
-
Inhibitori de detartrare pe baza de fosfor: Aceștia includ inhibitori anorganici de fosfat (cum ar fi tripolifosfat de sodiu sau hexametafosfat de sodiu) și inhibitori de fosfonați organici (cum ar fi acid hidroxietiliden difosfonic, acid amino-trimetilenfosfonic și derivați ai acidului fosfonic). Inhibitorii anorganici de fosfat conțin anioni cu lanț lung și sunt predispuși la hidroliză, în special la temperaturi mai ridicate. Când sunt hidrolizate, formează săruri de acid fosforic, care pot reacționa cu ionii de calciu pentru a forma Ca3(PO4)2, o scală cu un produs de solubilitate mai scăzut decât CaCO3. Prin urmare, inhibitorii anorganici de fosfat sunt nepotriviți pentru apa cu temperaturi ridicate sau concentrații mari de ioni de calciu.
-
Inhibitori organici ai depunerilor de fosfonat: Acești inhibitori conțin fosfonați organici, caracterizați de obicei prin legătura C-O-P. Când sunt expuși la temperaturi ridicate și medii alcaline, fosfonații organici se pot hidroliza în esteri fosforici și alcooli, reducând semnificativ eficiența lor de inhibare a detartrajului. În consecință, fosfonații organici nu sunt potriviți pentru utilizare în apă cu temperaturi ridicate sau cu valori ridicate ale pH-ului.
Inhibitorii de calcar pe bază de polimeri sunt împărțiți în principal în inhibitori polimerici anionici și cationici. Primul este utilizat în principal pentru a preveni detartrarea ionilor metalici, în timp ce cel din urmă este folosit în principal pentru a inhiba detartrarea cu silice. Principalele ingrediente din inhibitorii pe bază de polimeri sunt acidul acrilic și acidul maleic, iar în timpul formulării, diferite grupe funcționale sunt introduse în molecule. Ca rezultat, inhibitorii de calcar polimeric vin în diferite formulări. Atunci când utilizați acești inhibitori, este important să luați în considerare nu numai condițiile de calitate a apei, ci și tipurile de solzi prezente. De exemplu, inhibitorii polimerici cu grupări carboxil vizează în primul rând detartrajul cu calciu, inhibitorii polimerici pe bază de acid sulfonic sunt utilizați în principal pentru detartrajul cu oxid de metal, iar inhibitorii polimerici pe bază de amină sunt eficienți pentru detartrajul pe silice. Prin urmare, inhibitorii de scară polimerică nu sunt agenți cu spectru larg; sunt concepute pentru a aborda deficiențele inhibitorilor cu spectru larg. În plus, deoarece componenta principală a inhibitorilor pe bază de polimer este un polimer, aceștia sunt susceptibili la oxidare de către clor și alte biocide oxidative, ceea ce îi poate face ineficienți. Prin urmare, înainte de adăugarea acestor inhibitori, este necesar să se neutralizeze mai întâi orice clor rezidual din apă prin adăugarea unui agent reducător.
Inhibitorii la scară de mediu conțin în mod obișnuit ingrediente active cum ar fi acidul poliaspartic, acidul poliepoxisuccinic și derivații acestora. Acești inhibitori sunt utilizați în principal pentru a aborda scalele pe bază de calciu, cum ar fi CaCO3, CaSO4 și CaF2. Avantajul acestor inhibitori este că pot tolera concentrații relativ mari de ioni de calciu. De exemplu, chiar și atunci când concentrația ionilor de calciu ajunge la 500 mg/L, aceștia pot atinge totuși peste 80% inhibarea detartrajului de calciu. Cu toate acestea, acești inhibitori necesită doze mai mari, provoacă modificări semnificative ale pH-ului apei și sunt mai puțin eficienți la temperaturi sub 40°C. Deoarece temperatura maximă admisă a apei de alimentare pentru membranele cu osmoză inversă este de 35-40°C, acești inhibitori nu sunt, în general, potriviți pentru utilizarea în sistemele de osmoză inversă, dar sunt utilizați mai frecvent în sistemele de apă de răcire.
3. Calculul dozei
După cum am menționat mai devreme, dacă apa este predispusă la detartrare depinde de valoarea indicelui de saturație Langelier (LSI). Prin urmare, indiferent dacă folosiți dozarea acidului pentru a ajusta pH-ul sau adăugați inhibitori de calcar pentru a preveni detartrarea membranei cu osmoză inversă, esența este controlul LSI al apei. Calculul LSI este următorul:
In formula:
- pH este valoarea pH-ului măsurată a concentratului de osmoză inversă.
- pH_s este valoarea pH-ului de saturație corespunzătoare sistemului de carbonați din apă la temperatura reală a apei, cunoscută sub numele de pH de saturație.
The pH a concentratului de osmoză inversă poate fi obținut cu ușurință prin instrumente online sau măsurare manuală. Prin urmare, cheia pentru calcularea LSI este determinarea pH_s . Potrivit Metode standard pentru examinarea apei și a apelor uzate , pH_s poate fi calculat folosind următoarea formulă.
In formula:
- A este coeficientul solidelor totale dizolvate (TDS).
- B este coeficientul de temperatură a apei.
- C este coeficientul de duritate a calciului.
- D este coeficientul de alcalinitate totală.
Metodele de calcul pentru A , B , C , și D sunt după cum urmează.
- TDS este conținutul total de solide dizolvate în concentratul de osmoză inversă, în mg/L.
- t este temperatura concentratului de osmoză inversă, în °C.
- Cca este duritatea calciului a concentratului de osmoză inversă, exprimată ca CaCO3, în mg/L.
- C_alcalinitate totală este alcalinitatea totală a concentratului de osmoză inversă, exprimată ca CaCO3, în mg/L.
Folosind exemplul menționat mai devreme, unde pH = 7,5 , TDS = 2000 mg/L , temperatura t = 25°C , duritatea calciului Cca = 200 mg/L , și alcalinitate totală C_alcalinitate totală = 150 mg/L , procesul de calcul al LSI este următorul:
Acest lucru se aliniază cu afirmația anterioară, unde în aceste condiții, CaCO3 este aproape saturat. Mai mult, putem observa că calculul dozei poate fi exprimat prin următoarele trei formule.
Metoda de aplicare specifică este următoarea:
În primul rând, măsurăm TDS, temperatura t , duritatea calciului Cca și alcalinitatea totală C_alcalinitate totală a concentratului de osmoză inversă. Apoi, folosind formula, calculăm pH_s .
- Dacă pH_s ≥ pH , nu sunt necesare alte ajustări sau inhibitori de detartrare pentru a preveni detartrajul cu calciu.
- Dacă pH_s < pH , ne asigurăm că după ajustarea pH-ului, pH-ul apei de alimentare cu osmoză inversă nu scade sub 6,5 (deoarece un pH mai scăzut poate duce la apă produsă cu osmoză inversă acidă). În acest caz, putem ajusta pH-ul adăugând acid până la pH_s ≥ pH . Acest lucru se aplică numai atunci când pH_s ≥ 6,5 . Dacă pH_s < 6,5 , trebuie să ajustam pH-ul cu acid până când ajunge la 6,5 sau chiar mai mic, ceea ce va face ca apa produsă de osmoză inversă să devină acidă.
- Dacă pH_s < 6,5 , trebuie adăugați inhibitori de calcar.
Este important de reținut că, așa cum sa menționat mai devreme, dozarea acidului pentru ajustarea pH-ului vizează în primul rând CaCO3 scalare și este ineficientă pentru alte tipuri de scalare. Pentru alte substanțe detartrante, este necesar un inhibitor de detartrare pentru control.
Pentru ca dozarea acidului să ajusteze pH-ul, doza poate fi controlată prin pH-ul măsurat efectiv. În ceea ce privește doza de inhibitor de scară, cercetări ample efectuate de cercetători interni și internaționali au arătat că:
- Când doza de inhibitor de detartrare este mai mică 2,5 g/m³ , eficiența inhibiției este relativ scăzută.
- Când doza depășește 3,0 g/m³ , eficiența inhibiției nu se mai îmbunătățește semnificativ.
Astfel, doza optimă de inhibitor de calcar este între 2,5-3,0 g/m³ , după cum se arată în graficul următor.
În rezumat, atunci când prevenim detartrarea membranei de osmoză inversă, ar trebui mai întâi să calculăm LSI al concentratului de osmoză inversă utilizând formulele furnizate în acest articol pentru a evalua dacă este probabil să apară detartraj. În al doilea rând, trebuie să analizăm principalele substanțe de detartrare din permeat, care pot fi determinate prin testarea unor indicatori precum Ca²⁺, Mg²⁺, HCO₃⁻, Ba²⁺, SiO₂ etc. Această analiză ne permite să luăm decizii țintite cu privire la ajustați pH-ul cu acid sau adăugați inhibitori de calcar. Dacă este necesar un inhibitor de calcar, ar trebui să stabilim tipul și doza adecvate de inhibitor de utilizat.
