Как предотвратить загрязнение и масштабирование в системах обратного осмоса? Понимание влияния поляризации концентрации

Концентрационная поляризация (CP)

Поляризация концентрации относится к побочным эффектам, вызванным непрерывным накоплением растворенных веществ на поверхности мембраны, что ухудшает характеристики мембраны. Когда вода проникает через мембрану, раствор подачи (содержащий воду и растворители) транспортируется на поверхность мембраны. Когда очищенная вода проходит через мембрану, растворители накапливаются вблизи поверхности мембраны. ① В мембранной фильтрации частицы контактируют с мембраной и образуют слой фильтра. ② Из-за отчетливого механизма удаления обратного осмоса (RO) растворенные вещества в растворе образуют высокий концентрационный пограничный слой на поверхности мембраны. Это приводит к поляризации концентрации, что делает концентрацию растворенного вещества на поверхности мембраны выше, чем в объемном растворе в канале подачи.

Неблагоприятное влияние поляризации концентрации на производительность RO
① Высокая концентрация растворенного вещества на поверхности мембраны увеличивает градиент осмотического давления, уменьшая поток воды.
② Повышенные градиенты концентрации и снижение потока воды усиливают массоперенос растворенного вещества по мембране, снижая скорость отторжения.
③ Пределы растворимости растворенных веществ могут быть превышены, что приводит к осадкам и масштабированию.

Загрязнение и масштабирование в обратном осмосе

Нанофильтрация (NF) и RO мембраны подвержены загрязнению через различные механизмы. Первичные источники загрязнения и масштабирования включают твердые частицы, осаждение нерастворимых неорганических солей, окисление растворимых металлов и биологические вещества.

1. Партикуляция загрязнения

Операционные циклы RO не включают в себя промывание для удаления накопленных частиц (на самом деле, обратное промывание может привести к расслаиванию активного слоя из опорного слоя в тонкопленочных композитных мембранах). Загрязнение частицами является серьезной проблемой в системах RO. Почти все системы RO требуют предварительной обработки, чтобы минимизировать загрязнение твердых частиц, поскольку остаточные частицы ухудшают эффективность очистки.

Неорганические и органические вещества, включая микробные компоненты и биологический мусор, могут вызвать загрязнение твердых частиц, что приводит к блокированию и формированию фильтров. Закупорка возникает, когда большие частицы в растворе подачи попадают в каналы подачи и трубопроводы. Предварительная обработка кормового раствора с использованием предварительной фильтрации может уменьшить блокировку. Производители мембраны RO рекомендуют использовать 5 мкм фильтров картриджа в качестве минимальной стадии предварительной обработки для защиты модулей мембраны.

Стоящие частицы образуют слой фильтра на поверхности мембраны, увеличивая гидравлическое сопротивление и влияя на производительность системы. Платальная вода, склонная к загрязнению твердых частиц, требует передовой предварительной обработки, чтобы уменьшить концентрации частиц до приемлемых уровней. Коагуляция, фильтрация (с использованием песка, углерода или другой среды), а иногда и микрофильтрация (MF) или ультрафильтрация (UF) используются в качестве методов предварительной обработки.

2. ПРЕДЛОЖЕНИЕ И СВЯЗИ НЕОРГАНИЧЕСКИЕ САЛТЫ
Неорганическое масштабирование происходит, когда соли в растворе превышают их пределы растворимости и осаждение. Осадки случаются, когда ионы, составляющие эти соли, концентрируются за пределами их продуктов растворимости, особенно в зонах высокого концентрации вблизи поверхности мембраны, что обостряет поляризацию концентрации. Неорганическое масштабирование на поверхности мембраны снижает проницаемость воды или вызывает необратимое повреждение мембраны.

При отсутствии предварительной обработки следует избегать осадков путем минимизации поляризации концентрации, ограничивая скорость отторжения соли или скорость восстановления. Поляризация концентрации может быть уменьшена путем усиления турбулентного потока в каналах подачи и поддержания минимальных скоростей потока, указанных производителями оборудования. Ограничение показателей отторжения соли является непрактичным из -за противоречивых инженерных целей, но для предотвращения осадков часто необходимо ограничение показателей восстановления. Максимально допустимая скорость восстановления до того, как произошло осаждение соли, определяется как допустимая скорость восстановления, при этом осаждение, инициирующее соль, называется «критической солью». Общие масштабы в применении для очистки воды включают карбонат кальция (Caco₃) и сульфат кальция (Caso₄).

Предварительная обработка необходима для всех практических систем RO, чтобы предотвратить масштабирование от растворимых солей. Распространено осаждение карбоната кальция, поэтому большинство систем требуют предварительной обработки для этого соединения. Подкисление кормового раствора для регулировки pH преобразует карбонатные ионы в бикарбонат и углекислый газ, предотвращая осаждение како. Обычно используются серная и соляная кислота, хотя серная кислота может увеличивать концентрации сульфата, что приводит к масштабированию сульфата. Большинство растворов корма RO регулируются до pH 5,5–6,0, где большинство карбонатов существуют в качестве Co₂ и проникают через мембрану.

Масштабирование других критических солей обычно предотвращается с использованием масштабных ингибиторов. Эти ингибиторы предотвращают образование кристаллов и рост, подавляя осадки даже в перенасыщенных условиях. Допустимая степень перенасыщения зависит от свойств ингибитора, часто проприетарного и специфического для конфигураций оборудования. Выбор соответствующих ингибиторов должен следовать рекомендациям производителя оборудования и ингибиторов, а также анализ питательных вод и конструкцию скорости восстановления, специфичные для конкретного участка.

Помимо подкисления и ингибиторов, современные инсталляции включают меры по уменьшению объемов сточных вод концентрата и усиления восстановления воды, а также дальнейшее уменьшение масштабирования.

3. Загрязнение оксида металла
Подземные воды, общий источник подачи RO/NF, часто анаэробный. Растворенные соединения железа и марганца окисляются и осаждаются, когда окислители попадают в кормочный раствор, загрязняющие мембраны. Железное загрязнение чаще и происходит быстро при входе воздуха. Окисление или удаление окисленного железа/марганца могут предотвратить загрязнение. Для низких концентраций железа достаточно предотвращения входа воздуха; Масштабные ингибиторы часто включают добавки, чтобы смягчить низкокцентрационное загрязнение железа. Предварительная обработка железа включает в себя окисление кислородом или хлором с последующим смешиванием, адекватным временем удержания гидравлического удержания и фильтрацией окисления в гранулярных средах или мембранных фильтрах. При использовании окислителей контакт с мембранами, особенно полиамидными или чувствительными к окислению материалов, нельзя избежать. Коммерческие чистящие средства и протоколы очистки могут удалять отложения железа с мембран RO.

Другим компонентом в анаэробных подземных водах является сероводород (H₂S). Вход воздуха окисляет H₂s в коллоидную серу, загрязненные мембраны. Как и при окислении железа, предотвращение проникновения воздуха имеет решающее значение, чтобы избежать загрязнения серы. Местные отложения на мембранах часто необратимы.

4. Биологическое загрязнение
Биологическое загрязнение относится к прикреплению или росту микроорганизмов или внеклеточных растворимых веществ на поверхности мембраны или внутри каналов подачи. Распространенный в системах RO, он снижает производительность за счет снижения потока, снижения скорости отторжения, увеличения падения давления в модулях, загрязнения пермеата, разложения мембранных материалов и сокращения срока службы мембраны.

Биологическое загрязнение может быть предотвращено путем поддержания оптимальных условий работы, применения биоцидов и периодически промывания простоя мембранных модулей. Многие растворы подачи RO/NF (обычно подземные воды) имеют низкие микробные нагрузки. Правильная работа гарантирует, что силы сдвига в каналах подачи предотвращают чрезмерное накопление бактерий. Тем не менее, микробы быстро размножаются в течение периодов холостого хода. Чтобы смягчить это, периодическая промывка с помощью пермеата или добавление биоцидов необходимо во время отключения. Растворы хлора в рекомендуемых пределах служат биоцидами для ацетатных мембран целлюлозы, но полиамидные мембраны, что является уступающим деградации хлора, альтернативы, такие как бисульфит натрия.

Для ацетатных мембран целлюлозы можно непрерывное хлорирование в контролируемых концентрациях. Для полиамидных мембран может использоваться ультрафиолетовое облучение, хлораминация или постхлорирование.

Заключение
Предварительная обработка имеет решающее значение для предотвращения масштабирования и загрязнения. Общие методы включают подкисление и масштабные ингибиторы для предотвращения осаждения соли и фильтрации для блокировки твердых частиц. Источники чистой питательной воды (например, подземные воды) могут требовать фильтрации картриджа только перед мембранными единицами, в то время как потребление поверхностных вод требуют продвинутых методов фильтрации, включая коагуляцию, флокуляцию, седиментацию и гранулярную или мембранную фильтрацию. Поскольку производительность мембраны зависит от эффективности предварительной обработки, необходимы правильный выбор и дизайн поездов предварительной обработки.