Мембранное масштабирование

Рисунок 1: СЭМ-изображение первичной (новой) мембраны обратного осмоса, которая не подвергалась масштабированию.

Рисунок 2: СЭМ-изображение мембраны обратного осмоса, которая была масштабирована.

Отложения на мембране – это когда одна или несколько труднорастворимых солей (например, карбонат кальция, фосфат кальция и т. д.) выпадают в осадок и образуют плотный слой на поверхности мембраны при использовании обратного осмоса (RO). На рисунках 1 и 2 показаны полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии изображения поверхности мембраны обратного осмоса без и с масштабированием, (СЭМ) соответственно. Образование накипи на мембране, как и другие виды мембранного загрязнения , увеличивает затраты на электроэнергию из-за более высокого рабочего давления и снижает образование пермеата. Кроме того, накипь может повредить и сократить срок службы мембран из-за частой чистки мембран. и поэтому это серьезная эксплуатационная проблема в приложениях RO.

Образование отложений на мембране может произойти, когда труднорастворимые соли в концентрате обратного осмоса становятся перенасыщенными , то есть их концентрации превышают их равновесные ( растворимые ) уровни. В процессах обратного осмоса повышенная концентрация труднорастворимых солей в концентрате обусловлена, прежде всего, отбором пермеата из питательной воды. Соотношение пермеата и питательной воды известно как рекуперация, которая напрямую связана с образованием накипи на мембране. В установках обратного осмоса рекуперация должна быть как можно более высокой, чтобы минимизировать удельное потребление энергии. Однако при высоких скоростях извлечения концентрация труднорастворимых солей в концентрате может резко возрасти. Например, при степени извлечения 80 и 90 % концентрация солей в концентрате может достигать 5 и 10 раз их концентрации в питательной воде соответственно. Если концентрации кальция и фосфата в питательной воде обратного осмоса составляют 200 мг/л и 5 мг/л соответственно, концентрации в концентрате обратного осмоса будут составлять 1000 мг/л и 50 мг/л при извлечении 90%, что превышает растворимость фосфата кальция. ограничивают и приводят к отложению фосфата кальция.

Важно отметить, что образование накипи на мембране зависит не только от пересыщения, но и от кинетики кристаллизации , т. е. образования зародышей и роста кристаллов .

Соединения, образующие накипь, встречающиеся в RO

Наиболее распространенными солями, вызывающими образование накипи в процессах обратного осмоса, являются:

• Карбонат кальция
• Сульфат кальция
• Кремнезем/ силикаты металлов
• Сульфат бария
• Фосфат кальция

Методы прогнозирования масштабирования

Существует ряд показателей, позволяющих определить склонность к отложению труднорастворимых солей в водном растворе. Эти индексы предоставляют информацию о том, является ли данный накипеобразующий компонент недонасыщенным , насыщенным или перенасыщенным. Масштабирование не происходит, когда соединение недонасыщено, но рано или поздно оно произойдет, когда соединение перенасыщено.

Наиболее часто используемые индексы для прогнозирования масштабирования в приложениях RO:

• Индекс насыщения (SI)

$SI=\log {\frac {IAP}{K_{sp}}}$

где IAP и K _sp – произведение ионной активности и произведение растворимости труднорастворимой соли соответственно. Например, SI для сульфата кальция можно рассчитать следующим образом:

$SI=\log {\frac {\gamma [Ca^{2+}]\gamma [SO_{4}^{2-}]}{Ksp}}$

где γ – коэффициент активности . [Ка ²⁺ ] и [SO ₄ ²⁻ ] — концентрации кальция и сульфата в моль/л соответственно.

• Коэффициент пересыщения (S _r )

$S_{r}=\surd {\frac {IAP}{K_{sp}}}$

где IAP и Ksp — произведение ионной активности и произведение растворимости труднорастворимой соли соответственно. Например, S _r для сульфата кальция можно рассчитать следующим образом:

$S_{r}=\surd {\frac {\gamma [Ca^{2+}]\gamma [SO_{4}^{2-}]}{Ksp}}$

где γ – коэффициент активности. [Ка ²⁺ ] и [SO ₄ ²⁻ ] — концентрации кальция и сульфата в моль/л соответственно.

• Индекс насыщения Ланжелье (LSI)

LSI используется только для удаления отложений карбоната кальция. С другой стороны, SI и S _r применимы для всех соединений.

Положительное значение для каждого SI и LSI указывает на то, что масштабирование может произойти в RO, тогда как отрицательное значение означает, что масштабирование не произойдет. Аналогично, масштабирование может происходить, когда S _r >1, но не когда S _r <1.

Управление масштабированием в приложениях RO

Существует несколько методов предотвращения образования накипи в системах обратного осмоса, включая подкисление подачи обратного осмоса, снижение степени восстановления системы обратного осмоса и добавление антинакипина. Подкисление питательной воды обратного осмоса было одним из первых методов борьбы с отложениями карбоната кальция в процессах обратного осмоса. Однако из-за рисков, связанных с использованием кислоты, этот метод становится все менее распространенным. Кроме того, подкисление может быть неэффективным для всех типов масштабов; например, он очень эффективен в предотвращении отложения карбоната кальция, но не отложения сульфата кальция.

Другим методом предотвращения образования отложений является использование обратного осмоса при низком коэффициенте извлечения (соотношение пермеата и питательной воды). При таком подходе рекуперация RO-приложения снижается, чтобы снизить уровень перенасыщения концентратной воды до недонасыщенных условий. Низкое извлечение снижает неблагоприятное воздействие концентрационной поляризации, поскольку концентрация растворенного вещества на поверхности мембраны меньше, что снижает вероятность образования накипи. Однако этот подход не очень привлекателен и неэкономичен, поскольку приводит к высокому удельному энергопотреблению. Кроме того, проблемой является утилизация большого количества концентрата.

Добавление антинакипинов в подачу обратного осмоса является одной из наиболее широко применяемых стратегий контроля накипи. Антинакипины могут использоваться для увеличения степени восстановления в процессе обратного осмоса и в основном содержат органические соединения, такие как сульфонатные , фосфонатные или карбоновой кислоты функциональные группы . Добавление антискалантов препятствует процессу кристаллизации, т.е. фазе зародышеобразования и/или роста отложений. Антискалант предотвращает образование накипи тремя механизмами, а именно пороговым ингибированием, модификацией кристаллов и дисперсией. Пороговое ингибирование – это когда молекулы антискаланта адсорбируются на ядрах кристаллов и останавливают процесс их зародышеобразования, тогда как модификация кристаллов и дисперсия – это способность антискалантов останавливать рост и/или агломерацию кристаллов и частиц. Для накипи кремнезема также существует дополнительная функция, заключающаяся в предотвращении полимеризации мономеров кремнезема и, следовательно, предотвращении роста полимеров кремнезема. На рынке представлены различные коммерческие антискаланты, такие как Kurita, Avista, BASF и т. д. В системах обратного осмоса антискаланты выбираются в зависимости от состава питательной воды, а их дозы обычно рассчитываются с использованием компьютерных программ, созданных производителями антискалантов. Например, у Avista есть программное обеспечение для дозирования химикатов под названием AdvisorCI™. который используется для расчета точного дозирования химикатов в системах обратного осмоса.