Teknik för omvänd osmos (RO). används ofta i vattenrening på grund av dess fördelar, såsom stabila avsaltningshastigheter, litet fotavtryck, automatisering och skalbarhet. Skalning är dock en besvärlig fråga för vattenbehandlingspersonal under membrandrift. Skalning kan leda till ett minskat membranflöde, ökad energiförbrukning, lägre avsaltningshastigheter och en minskad membranlivslängd, vilket ökar driftskostnaderna. Därför måste åtgärder vidtas för att förhindra membranavlagringar. Vanliga skalningsinhiberingsmetoder inkluderar två huvudsakliga tillvägagångssätt: justering av pH-värdet för RO-matarvattnet och tillsats av skalinhibitorer till matarvattnet. Båda metoderna kan också användas tillsammans. Den här artikeln diskuterar skalningshämningsmekanismen och tillhandahåller metoder för att välja hämningsmetod och beräkna den nödvändiga dosen.
1. Skalinhibitormekanism
Membranskalning avser utfällning av svårlösliga ämnen, såsom CaCO3, CaSO4, BaSO4 och Ca3(PO4)2, på membranytan. När dessa ämnen koncentreras i RO-systemet kan de nå övermättnad. Till exempel, vid pH=7,5 och vattentemperatur på 25°C, när kalciumhårdheten (mätt som CaCO3) är 200 mg/L och total alkalinitet (mätt som CaCO3) är 150 mg/L, kommer CaCO3 att närma sig övermättnad. På liknande sätt, vid pH=7,5 och vattentemperatur på 25°C, när koncentrationen av bariumjoner endast är 0,01 mg/L och sulfatjoner är 4,5 mg/L, kommer BaSO4 att bli övermättad och fällas ut.
Skalningsinhiberingsmekanismen för inhibitorer av omvänd osmosskala involverar primärt komplexbildning, dispersion, gitterdistorsion och tröskeleffekter.
Komplexbildning och solubilisering: Fjällhämmare kan bilda lösliga komplex med fjällande katjoner i vatten, såsom kalcium-, magnesium- och bariumjoner, vilket förhindrar bildningen av CaCO3, CaSO4, BaSO4 och Ca3(PO4)2.
Koagulering och dispersion: Anjonerna som frigörs av skalinhibitorerna fäster vid CaCO3-kristaller. Eftersom föroreningar i industriellt avloppsvatten vanligtvis har en negativ laddning, stöter liknande laddningar bort varandra, vilket skapar elektrostatisk repulsion som förhindrar CaCO3-kristaller från att aggregera och växa till större partiklar. Kristallerna dispergeras likformigt i lösningen, vilket inhiberar bildningen av CaCO3-fjäll.
Gitterdistorsion: Under aggregationen och tillväxten av CaCO3-mikrokristaller, inkorporeras skalinhibitorer i kristallgittret eller vid kristallgränsytan, vilket orsakar gitterdistorsion. Detta hämmar eller förvränger direkt kristalltillväxt. CaCO3 bildas till exempel av positivt laddade kalciumjoner och negativt laddade bikarbonatjoner, som växer i en specifik riktning. Under deras utveckling införlivas skalinhibitorer i gittret, vilket ökar den inre stressen i kristallen. När spänningen når en viss tröskel kommer kristallen att brista, vilket förhindrar kristallbildning.
Tröskeleffekt: Beläggningshämmarna stör aggregations- och ordningsprocesserna av CaCO3, CaSO4, BaSO4, Ca3(PO4)2 mikrokristaller och förhindrar därmed utfällning.
2. Val av skalningsinhiberingsmetoder
Den primära indikatorn som används för att utvärdera risken för skalning i system med omvänd osmos (RO) är Langelier Saturation Index (LSI). När LSI < 0 har vattnet ingen tendens att beläggas (även om det kan vara lätt frätande). När LSI ≥ 0 är vattnet benäget att fjälla. pH-justeringsmetoden förhindrar skalning genom att sänka pH i matarvattnet, och på så sätt skiftar LSI från större än 0 till mindre än 0. Tillsats av beläggningshämmare kan förhindra skalning även när LSI ≥ 0, eftersom olösliga mikrokristaller i vattnet inte kan växa, aggregera, eller fällning. Huvudmekanismerna för denna hämning är de fyra som beskrivs ovan. För närvarande kan produkter med inhemsk skalahämmare säkerställa att olösliga ämnen inte fälls ut även när LSI = 3. Internationella toppmärkeshämmare kan garantera ingen utfällning vid LSI = 5. Det är dock viktigt att vara försiktig när du köper inhibitorer, eftersom vissa inhemska leverantörer importerar koncentrerade internationella varumärkeshämmare och späd ut dem med stora mängder vatten, vilket leder till betydande skillnader i den faktiska skalningshämmande prestanda, även om produkten är märkt som LSI = 5.
1. pH-justeringsmetod
För att säkerställa produktionen av kvalificerat permeatvatten kontrolleras RO-matarvattnets pH-värde vanligtvis mellan 6 och 9, med vissa företag som implementerar mer förfinad kontroll inom ett smalare intervall, såsom 7,0 till 8,5. Extremt låga eller höga pH-nivåer i matarvattnet kan förhindra att RO-permeatet uppfyller de erforderliga vattenkvalitetsnormerna. Därför antar pH-justeringsmetoden för skalningsinhibering att RO-permeatets pH kommer att ligga inom det önskade området. Det är viktigt att notera att pH-justeringsmetoden i första hand är inriktad på CaCO3-skalning och är ineffektiv mot andra typer av skalningsämnen.
2. Metod för tillsats av skalinhibitor
Som tidigare nämnts kan tillägg av skalinhibitorer tillåta RO-membran att tolerera högre LSI-värden. Hämmare av RO-skala tenderar dock att vara dyra, med inhemska produkter som sträcker sig från 0,008 till 0,012 RMB/g och koncentrerade produkter från internationella toppmärken kostar mellan 0,055 och 0,075 RMB/g, vilket resulterar i höga driftskostnader.
Dessutom finns det många typer av avlagringshämmare på marknaden, och vissa tillverkare främjar ständigt nya, oprövade koncept, vilket leder till förvirring vid val av avlagringshämmare. I allmänhet kan mogna kommersiella skalinhibitorer klassificeras i tre kategorier: fosforbaserade skalinhibitorer, polymerbaserade skalinhibitorer och miljövänliga skalinhibitorer.
-
Fosforbaserade skalinhibitorer: Dessa inkluderar oorganiska fosfatinhibitorer (såsom natriumtripolyfosfat eller natriumhexametafosfat) och organiska fosfonatinhibitorer (såsom hydroxietylidendifosfonsyra, aminotrimetylenfosfonsyra och fosfonsyraderivat). Oorganiska fosfatinhibitorer innehåller långkedjiga anjoner och är benägna att hydrolyseras, särskilt vid högre temperaturer. När de hydrolyseras bildar de fosforsyrasalter, som kan reagera med kalciumjoner och bilda Ca3(PO4)2, en skala med lägre löslighetsprodukt än CaCO3. Därför är oorganiska fosfatinhibitorer olämpliga för vatten med höga temperaturer eller höga kalciumjonkoncentrationer.
-
Organiska fosfonatavlagringshämmare: Dessa inhibitorer innehåller organiska fosfonater, typiskt kännetecknade av C-O-P-bindningen. När de utsätts för höga temperaturer och alkaliska miljöer kan organiska fosfonater hydrolysera till fosforsyraestrar och alkoholer, vilket avsevärt minskar deras avlagringshämmande effektivitet. Följaktligen är organiska fosfonater inte lämpliga för användning i vatten med höga temperaturer eller höga pH-värden.
Polymerbaserade skalinhibitorer är primärt uppdelade i anjoniska och katjoniska polymerinhibitorer. Den förra används främst för att förhindra avlagring av metalljoner, medan den senare främst används för att förhindra kiselavlagring. Huvudingredienserna i polymerbaserade inhibitorer är akrylsyra och maleinsyra, och under formuleringen införs olika funktionella grupper i molekylerna. Som ett resultat kommer polymeravlagringshämmare i olika formuleringar. När du använder dessa inhibitorer är det viktigt att inte bara beakta vattenkvalitetsförhållandena utan även vilka typer av fjäll som finns. Till exempel är polymerinhibitorer med karboxylgrupper främst inriktade på kalciumavlagring, sulfonsyrabaserade polymerinhibitorer används huvudsakligen för metalloxidavlagring och aminbaserade polymerinhibitorer är effektiva för kiseldioxidavlagring. Därför är polymerskalehämmare inte bredspektrummedel; de är utformade för att åtgärda bristerna hos bredspektrumhämmare. Dessutom, eftersom den primära komponenten i polymerbaserade inhibitorer är en polymer, är de känsliga för oxidation av klor och andra oxidativa biocider, vilket kan göra dem ineffektiva. Därför, innan du tillsätter dessa inhibitorer, är det nödvändigt att först neutralisera eventuellt kvarvarande klor i vattnet genom att tillsätta ett reduktionsmedel.
Miljöavlagringshämmare innehåller vanligtvis aktiva ingredienser såsom polyasparaginsyra, polyepoxibärnstenssyra och deras derivat. Dessa hämmare används främst för att ta itu med kalciumbaserade skalor som CaCO3, CaSO4 och CaF2. Fördelen med dessa inhibitorer är att de kan tolerera relativt höga kalciumjonkoncentrationer. Till exempel, även när kalciumjonkoncentrationen når 500 mg/L, kan de fortfarande uppnå över 80 % hämning av kalciumavlagringar. Dessa inhibitorer kräver dock högre doser, orsakar betydande förändringar av vattnets pH och är mindre effektiva vid temperaturer under 40°C. Eftersom den maximalt tillåtna matarvattentemperaturen för omvänd osmos-membran är 35-40°C är dessa inhibitorer i allmänhet inte lämpliga för användning i omvänd osmos-system utan används oftare i kylvattensystem.
3. Dosberäkning
Som nämnts tidigare, om vattnet är benäget att skalning beror på Langelier Saturation Index (LSI) värdet. Därför, oavsett om man använder syradosering för att justera pH eller tillsätter skalinhibitorer för att förhindra skalning av omvänd osmos membran, är essensen att kontrollera vattnets LSI. Beräkningen av LSI är som följer:
I formeln:
- pH är det uppmätta pH-värdet för omvänd osmoskoncentratet.
- pH_s är mättnads-pH-värdet som motsvarar karbonatsystemet i vattnet vid den faktiska vattentemperaturen, känt som mättnads-pH.
De pH av omvänd osmoskoncentratet kan enkelt erhållas genom onlineinstrument eller manuell mätning. Därför är nyckeln till att beräkna LSI avgörande pH_s . Enligt Standardmetoder för undersökning av vatten och avloppsvatten , pH_s kan beräknas med följande formel.
I formeln:
- A är koefficienten för totala lösta fasta ämnen (TDS).
- B är vattentemperaturkoefficienten.
- C är kalciumhårdhetskoefficienten.
- D är den totala alkalinitetskoefficienten.
Beräkningsmetoderna för A , B , C , och D är följande.
- TDS är den totala halten lösta fasta ämnen i omvänd osmoskoncentratet, i mg/L.
- t är temperaturen för omvänd osmoskoncentratet, i °C.
- Cca är kalciumhårdheten för omvänd osmoskoncentratet, uttryckt som CaCO3, i mg/L.
- C_total alkalinitet är den totala alkaliniteten för omvänd osmoskoncentratet, uttryckt som CaCO3, i mg/L.
Med hjälp av exemplet som nämnts tidigare, där pH = 7,5 , TDS = 2000 mg/L , temperatur t = 25°C , kalciumhårdhet Cca = 200 mg/L , och total alkalinitet C_total alkalinitet = 150 mg/L , processen för att beräkna LSI är som följer:
Detta överensstämmer med det tidigare uttalandet, där CaCO3 under dessa förhållanden är nästan mättad. Dessutom kan vi observera att doseringsberäkningen kan uttryckas med följande tre formler.
Den specifika applikationsmetoden är som följer:
Först mäter vi TDS, temperatur t , kalciumhårdhet Cca och total alkalinitet C_total alkalinitet av omvänd osmoskoncentratet. Sedan, med hjälp av formeln, beräknar vi pH_s .
- Om pH_s ≥ pH , inga ytterligare justeringar eller skalinhibitorer behövs för att förhindra kalciumavlagring.
- Om pH_s < pH , ser vi till att efter justering av pH-värdet, sjunker pH-värdet för matarvattnet för omvänd osmos inte under 6,5 (eftersom ett lägre pH kan resultera i surt omvänd osmos-produktvatten). I det här fallet kan vi justera pH genom att tillsätta syra tills pH_s ≥ pH . Detta gäller endast när pH_s ≥ 6,5 . Om pH_s < 6,5 , måste vi justera pH med syra tills det når 6,5 eller ännu lägre, vilket kommer att göra att omvänd osmosprodukten vatten blir sur.
- Om pH_s < 6,5 , skalhämmare måste tillsättas.
Det är viktigt att notera att, som tidigare nämnts, syradosering för pH-justering främst är mål CaCO3 skalning och är ineffektiv för andra typer av skalning. För andra avlagringsämnen krävs en avlagringshämmare för kontroll.
För att syradoseringen ska justera pH, kan doseringen styras genom det faktiska uppmätta pH-värdet. När det gäller skalinhibitordosen har omfattande forskning av inhemska och internationella forskare visat att:
- När skalinhibitordosen är under 2,5 g/m³ , är hämningseffektiviteten relativt låg.
- När dosen överstiger 3,0 g/m³ , förbättras inte längre hämningseffektiviteten avsevärt.
Således är den optimala dosen av skalinhibitor mellan 2,5-3,0 g/m³ , som visas i följande diagram.
Sammanfattningsvis, när vi förhindrar skalning av omvänd osmos membran, bör vi först beräkna LSI för omvänd osmos koncentratet med hjälp av formlerna i den här artikeln för att bedöma om skalning sannolikt kommer att inträffa. För det andra måste vi analysera de huvudsakliga avlagringsämnena i permeatet, vilket kan bestämmas genom att testa indikatorer som Ca²⁺, Mg²⁺, HCO₃⁻, Ba²⁺, SiO₂ etc. Denna analys gör att vi kan fatta riktade beslut om huruvida vi ska justera pH med syra eller för att lägga till avlagringshämmare. Om en skalhämmare krävs bör vi bestämma vilken typ och dos av hämmaren som ska användas.
