Fordított ozmózis (RO) technológia széles körben használják a vízkezelésben olyan előnyei miatt, mint a stabil sótalanítási arány, a kis helyigény, az automatizálás és a méretezhetőség. A vízkőképződés azonban problémás probléma a vízkezelő személyzet számára a membrán működése során. A lerakódás a membránfluxus csökkenéséhez, megnövekedett energiafogyasztáshoz, alacsonyabb sótalanítási sebességhez és a membrán élettartamának csökkenéséhez vezethet, ami növeli a működési költségeket. Ezért intézkedéseket kell tenni a membránok lerakódásának megakadályozására. Az elterjedt vízkőképződés-gátló módszerek két fő megközelítést foglalnak magukban: az RO tápvíz pH-értékének beállítását és a vízkőgátlók hozzáadását a tápvízhez. Mindkét módszer együtt is használható. Ez a cikk a skálázás gátlási mechanizmusát tárgyalja, és módszereket kínál a gátlási módszer kiválasztására és a szükséges dózis kiszámítására.
1. Skálainhibitor-mechanizmus
A membrán lerakódás a rosszul oldódó anyagok, például a CaCO3, CaSO4, BaSO4 és Ca3(PO4)2 membrán felületére történő kicsapódását jelenti. Amikor ezek az anyagok az RO rendszerben koncentrálódnak, túltelítettséget érhetnek el. Például pH=7,5 és 25°C-os vízhőmérséklet mellett, amikor a kalcium keménysége (CaCO3-ban mérve) 200 mg/l és a teljes lúgosság (CaCO3-ban mérve) 150 mg/L, a CaCO3 megközelíti a túltelítettséget. Hasonlóképpen pH=7,5 és 25°C-os vízhőmérséklet mellett, amikor a báriumionok koncentrációja csak 0,01 mg/l, a szulfátionok pedig 4,5 mg/l, a BaSO4 túltelített lesz és kicsapódik.
A fordított ozmózis lépték-inhibitorok skálázást gátló mechanizmusa elsősorban a komplexképzést, a diszperziót, a rácstorzítást és a küszöbhatásokat foglalja magában.
Komplexáció és szolubilizáció: A lerakódásgátlók oldható komplexeket képezhetnek vízkőképző kationokkal, például kalcium-, magnézium- és báriumionokkal, megakadályozva a CaCO3, CaSO4, BaSO4 és Ca3(PO4)2 képződését.
Koaguláció és diszperzió: A vízkőgátlók által felszabaduló anionok a CaCO3 kristályokhoz kötődnek. Mivel az ipari szennyvízben lévő szennyeződések általában negatív töltést hordoznak, a töltésekhez hasonlóan taszítják egymást, elektrosztatikus taszítást hozva létre, amely megakadályozza, hogy a CaCO3 kristályok aggregálódjanak és nagyobb részecskékké nőjenek. A kristályok egyenletesen oszlanak el az oldatban, ezáltal gátolják a CaCO3 lerakódások képződését.
Rácstorzulás: A CaCO3 mikrokristályok aggregációja és növekedése során a kristályrácsba vagy a kristály határfelületére vízkőgátló anyagok épülnek be, ami rácstorzulást okoz. Ez közvetlenül gátolja vagy torzítja a kristálynövekedést. Például a CaCO3-t pozitív töltésű kalciumionok és negatív töltésű bikarbonát ionok képezik, amelyek meghatározott irányban növekednek. Fejlődésük során vízkőgátlókat építenek be a rácsba, növelve ezzel a kristályon belüli belső feszültséget. Amikor a feszültség elér egy bizonyos küszöböt, a kristály megreped, ami megakadályozza a kristályképződést.
Küszöbhatás: A vízkőgátlók megzavarják a CaCO3, CaSO4, BaSO4, Ca3(PO4)2 mikrokristályok aggregációs és rendeződési folyamatait, így megakadályozzák a kicsapódást.
2. A skálázásgátlási módszerek kiválasztása
A fordított ozmózisos (RO) rendszerekben a méretezés kockázatának értékelésére használt elsődleges mutató a Langelier Saturation Index (LSI). Ha LSI < 0, a víz nem hajlamos vízkőképződésre (bár lehet, hogy enyhén korrozív). Ha az LSI ≥ 0, a víz hajlamos a vízkőképződésre. A pH-beállítási módszer megakadályozza a vízkőképződést azáltal, hogy csökkenti a tápvíz pH-ját, így az LSI értéke 0-nál nagyobbról 0 alá tolódik. A vízkőgátlók hozzáadásával még akkor is megelőzhető a vízkőképződés, ha az LSI ≥ 0, mivel a vízben lévő oldhatatlan mikrokristályok nem tudnak növekedni, aggregálódni, vagy csapadékot. Ennek a gátlásnak a fő mechanizmusa a fent leírt négy. Jelenleg a hazai lerakódásgátló termékek biztosítják, hogy az oldhatatlan anyagok még akkor se váljanak ki, ha LSI = 3. A nemzetközi csúcsmárkájú inhibitorok garantálják, hogy LSI = 5 esetén nem csapódik ki. Azonban fontos, hogy legyen óvatos az inhibitorok vásárlásakor, mivel egyes hazai szállítók importálnak koncentrált nemzetközi márkájú inhibitorokat, és nagy mennyiségű vízzel hígítsa fel, ami jelentős eltérésekhez vezet a tényleges vízkőképződés-gátló teljesítményben, még akkor is, ha a termék feliratozott mint LSI = 5.
1. pH beállítási módszer
A minősített permeátumvíz előállításának biztosítása érdekében az RO tápvíz pH-értékét jellemzően 6 és 9 között szabályozzák, egyes vállalatok pedig finomabb szabályozást hajtanak végre egy szűkebb tartományon belül, például 7,0 és 8,5 között. A tápvíz rendkívül alacsony vagy magas pH-értéke megakadályozhatja, hogy az RO permeátum megfeleljen a szükséges vízminőségi előírásoknak. Ezért a skálázásgátlás pH-beállítási módszere feltételezi, hogy az RO permeátum pH-ja a kívánt tartományon belül lesz. Fontos megjegyezni, hogy a pH beállítási módszer elsősorban a CaCO3 lerakódást célozza meg, és nem hatékony más típusú vízkőképző anyagokkal szemben.
2. Scale Inhibitor Addition Method
Amint korábban említettük, a lerakódásgátlók hozzáadása lehetővé teheti az RO membránok számára, hogy elviseljék a magasabb LSI értékeket. Az RO lerakódásgátlók azonban általában drágák, a hazai termékek 0,008-0,012 RMB/g, a nemzetközi csúcsmárkájú koncentrált termékek pedig 0,055 és 0,075 RMB/g között vannak, ami magas működési költségeket eredményez.
Ezenkívül számos típusú vízkőgátló található a piacon, és egyes gyártók folyamatosan új, nem bizonyított koncepciókat hirdetnek, ami zavart okoz a vízkőgátló kiválasztásakor. Általában az érett kereskedelmi lerakódásgátlók három kategóriába sorolhatók: foszforalapú lerakódásgátlók, polimer alapú lerakódásgátlók és környezetbarát lerakódásgátlók.
-
Foszfor alapú lerakódásgátlók: Ezek közé tartoznak a szervetlen foszfát inhibitorok (például nátrium-tripolifoszfát vagy nátrium-hexametafoszfát) és a szerves foszfonát inhibitorok (például hidroxi-etilidén-difoszfonsav, amino-trimetilén-foszfonsav és foszfonsav-származékok). A szervetlen foszfát inhibitorok hosszú láncú anionokat tartalmaznak, és hajlamosak a hidrolízisre, különösen magasabb hőmérsékleten. Hidrolizálva foszforsavas sókat képeznek, amelyek kalciumionokkal reagálva Ca3(PO4)2-t képeznek, amely a CaCO3-nál gyengébb oldhatóságú termék. Ezért a szervetlen foszfát inhibitorok nem alkalmasak magas hőmérsékletű vagy magas kalciumionkoncentrációjú vízhez.
-
Szerves foszfonát lerakódásgátlók: Ezek az inhibitorok szerves foszfonátokat tartalmaznak, amelyeket jellemzően a C-O-P kötés jellemez. Magas hőmérsékletnek és lúgos környezetnek kitéve a szerves foszfonátok foszforsav-észterekké és alkoholokká hidrolizálhatnak, jelentősen csökkentve a vízkőképződés-gátló hatékonyságukat. Következésképpen a szerves foszfonátok nem alkalmasak magas hőmérsékletű vagy magas pH-értékű vízben való használatra.
A polimer alapú lerakódásgátlókat elsősorban anionos és kationos polimer inhibitorokra osztják. Az előbbi elsősorban a fémionok lerakódásának megelőzésére szolgál, míg az utóbbi elsősorban a szilícium-dioxid lerakódás gátlására szolgál. A polimer alapú inhibitorok fő összetevői az akrilsav és a maleinsav, a formálás során különféle funkciós csoportokat visznek be a molekulákba. Ennek eredményeként a polimer lerakódást gátló szerek különféle kiszerelésekben kaphatók. Ezen inhibitorok alkalmazásakor nem csak a vízminőségi viszonyokat kell figyelembe venni, hanem a jelenlévő pikkelyek típusait is. Például a karboxilcsoportokkal rendelkező polimer inhibitorok elsősorban a kalcium lerakódást célozzák, a szulfonsav alapú polimer inhibitorokat főként fém-oxid-lerakódáshoz, az amin alapú polimer inhibitorokat pedig a szilícium-dioxid lerakódáshoz. Ezért a polimer lerakódást gátló szerek nem széles spektrumú szerek; a széles spektrumú inhibitorok hiányosságait hivatottak orvosolni. Ezenkívül, mivel a polimer alapú inhibitorok elsődleges komponense egy polimer, érzékenyek a klór és más oxidatív biocidek általi oxidációra, ami hatástalanná teheti őket. Ezért ezeknek az inhibitoroknak a hozzáadása előtt először semlegesíteni kell a vízben maradt klórt redukálószer hozzáadásával.
A környezeti lerakódásgátlók jellemzően olyan hatóanyagokat tartalmaznak, mint a poliaszparaginsav, poliepoxi-borostyánkősav és származékaik. Ezeket az inhibitorokat főként a kalcium alapú pikkelyek, például a CaCO3, CaSO4 és CaF2 kezelésére használják. Ezen inhibitorok előnye, hogy viszonylag magas kalciumion-koncentrációt is elviselnek. Például még akkor is, ha a kalciumion-koncentráció eléri az 500 mg/l-t, akkor is több mint 80%-os gátlást tudnak elérni a kalcium lerakódásban. Ezek az inhibitorok azonban nagyobb dózisokat igényelnek, jelentős változásokat okoznak a víz pH-értékében, és kevésbé hatékonyak 40 °C alatti hőmérsékleten. Mivel a fordított ozmózisos membránok maximális megengedett tápvízhőmérséklete 35-40°C, ezek az inhibitorok általában nem alkalmasak fordított ozmózisos rendszerekben való használatra, de gyakrabban használják hűtővizes rendszerekben.
3. Adagolás kiszámítása
Amint azt korábban említettük, a Langelier Saturation Index (LSI) értékétől függ, hogy a víz hajlamos-e a vízkőképződésre. Ezért akár savadagolással állítjuk be a pH-t, akár vízkőgátlókat adunk hozzá a fordított ozmózisos membránok lerakódásának megakadályozására, a lényeg a víz LSI-jének szabályozása. Az LSI számítása a következő:
A képletben:
- pH a fordított ozmózis koncentrátum mért pH-értéke.
- pH_s a vízben lévő karbonátrendszernek megfelelő telítési pH-érték az aktuális vízhőmérsékleten, amelyet telítési pH-nak neveznek.
A pH A fordított ozmózis koncentrátumból könnyen beszerezhető online műszerekkel vagy kézi méréssel. Ezért az LSI kiszámításának kulcsa a meghatározás pH_s . szerint a Szabványos víz- és szennyvízvizsgálati módszerek , pH_s a következő képlettel lehet kiszámítani.
A képletben:
- A az összes oldott szilárdanyag (TDS) együtthatója.
- B a víz hőmérsékleti együtthatója.
- C a kalcium keménységi együtthatója.
- D a teljes lúgossági együttható.
Számítási módszerek a A , B , C , és D a következők.
- TDS a fordított ozmózis koncentrátum összes oldott szilárdanyag-tartalma, mg/l-ben.
- t a fordított ozmózis koncentrátum hőmérséklete °C-ban.
- kb a fordított ozmózis koncentrátum kalcium keménysége, CaCO3-ban kifejezve, mg/l-ben.
- C_teljes lúgosság a fordított ozmózis koncentrátum teljes lúgossága, CaCO3-ban kifejezve, mg/l-ben.
A korábban említett példával élve hol pH = 7,5 , TDS = 2000 mg/L , hőmérséklet t = 25°C , kalcium keménység kb = 200 mg/L , és teljes lúgosság C_teljes lúgosság = 150 mg/L , az LSI kiszámításának folyamata a következő:
Ez összhangban van az előző állítással, ahol ilyen körülmények között a CaCO3 majdnem telített. Megfigyelhetjük továbbá, hogy az adagolás kiszámítása a következő három képlettel fejezhető ki.
A konkrét alkalmazási mód a következő:
Először megmérjük a TDS-t, a hőmérsékletet t , kalcium keménység Cca , és teljes lúgosság C_teljes lúgosság fordított ozmózis koncentrátumból. Ezután a képlet segítségével kiszámítjuk pH_s .
- Ha pH_s ≥ pH , nincs szükség további beállításokra vagy vízkőgátlókra a kalciumhámlás megelőzésére.
- Ha pH_s < pH , biztosítjuk, hogy a pH beállítását követően a fordított ozmózisos tápvíz pH-ja ne csökkenjen 6,5 alá (hiszen az alacsonyabb pH-érték savas, fordított ozmózisos termékvizet eredményezhet). Ebben az esetben a pH-t sav hozzáadásával állíthatjuk be addig pH_s ≥ pH . Ez csak akkor alkalmazható, ha pH_s ≥ 6,5 . Ha pH_s < 6,5 , a pH-t savval kell beállítani, amíg az el nem éri a 6,5-öt vagy még ennél is alacsonyabb értéket, ami a fordított ozmózis termékének víz savasodását okozza.
- Ha pH_s < 6,5 , vízkőgátlókat kell hozzáadni.
Fontos megjegyezni, hogy amint korábban említettük, a pH beállítására szolgáló savadagolás elsősorban a célt szolgálja CaCO3 méretezést, és nem hatékony más típusú méretezéshez. Más vízkőképző anyagoknál a védekezéshez vízkőgátlóra van szükség.
A pH beállításához a sav adagolásával az adagolás a ténylegesen mért pH értékkel szabályozható. Ami a vízkőgátló adagolását illeti, hazai és nemzetközi tudósok kiterjedt kutatása kimutatta, hogy:
- Amikor a vízkőgátló adagja az alatt van 2,5 g/m³ , a gátlási hatékonyság viszonylag alacsony.
- Amikor az adag meghaladja 3,0 g/m³ , a gátlás hatékonysága már nem javul jelentősen.
Így a vízkőgátló optimális dózisa között van 2,5-3,0 g/m³ , ahogy az a következő diagramon látható.
Összefoglalva, a fordított ozmózisos membránok lerakódásának megakadályozásakor először ki kell számítanunk a fordított ozmózis koncentrátum LSI értékét az ebben a cikkben található képletekkel, hogy felmérjük, valószínű-e a lerakódás. Másodszor, elemeznünk kell a permeátumban lévő fő vízkőképző anyagokat, amelyeket olyan mutatók vizsgálatával lehet meghatározni, mint a Ca²+, Mg²+, HCO⁻, Ba²+, SiO₂ stb. Ez az elemzés lehetővé teszi számunkra, hogy célzott döntéseket hozzunk arról, hogy állítsa be a pH-t savval vagy adjon hozzá vízkőgátlókat. Ha vízkőgátlóra van szükség, meg kell határoznunk az inhibitor megfelelő típusát és adagolását.
