Metoder til hæmning af omvendt osmoseskalering og dosisberegning

Omvendt osmose (RO) teknologi er meget udbredt i vandbehandling på grund af dets fordele, såsom stabile afsaltningshastigheder, lille fodaftryk, automatisering og skalerbarhed. Skalering er dog et besværligt problem for vandbehandlingspersonale under membrandrift. Skalering kan føre til et fald i membranflux, øget energiforbrug, lavere afsaltningshastigheder og en reduceret membranlevetid, hvilket øger driftsomkostningerne. Derfor skal der træffes foranstaltninger for at forhindre membranafskalning. ENlmindelige metoder til hæmning af skalering omfatter to hovedtilgange: justering af pH-værdien af ​​RO-fødevandet og tilsætning af kedelstensinhibitorer til fødevandet. Begge metoder kan også bruges sammen. Denne artikel diskuterer skaleringshæmningsmekanismen og giver metoder til at vælge hæmningsmetoden og beregne den nødvendige dosis.

1. Skalainhibitormekanisme
Membranskalering refererer til udfældning af dårligt opløselige stoffer, såsom CaCO3, CaSO4, BaSO4 og Ca3(PO4)2, på membranoverfladen. Når disse stoffer bliver koncentreret i RO-systemet, kan de nå overmætning. For eksempel, ved pH=7,5 og vandtemperatur på 25°C, når calciumhårdhed (målt som CaCO3) er 200 mg/L og total alkalinitet (målt som CaCO3) er 150 mg/L, vil CaCO3 nærme sig overmætning. Tilsvarende vil BaSO4 ved pH=7,5 og vandtemperatur på 25°C, når koncentrationen af ​​bariumioner kun er 0,01 mg/L og sulfationer er 4,5 mg/L, blive overmættet og udfælde.

Skaleringshæmningsmekanismen for inhibitorer af omvendt osmoseskala involverer primært kompleksdannelse, dispersion, gitterforvrængning og tærskeleffekter.

Kompleksdannelse og solubilisering: Skalahæmmere kan danne opløselige komplekser med afskalningskationer i vand, såsom calcium-, magnesium- og bariumioner, hvilket forhindrer dannelsen af ​​CaCO3, CaSO4, BaSO4 og Ca3(PO4)2.
Koagulering og dispersion: ENnionerne frigivet af kedelstensinhibitorerne binder sig til CaCO3-krystaller. Da forurenende stoffer i industrielt spildevand typisk bærer en negativ ladning, frastøder lignende ladninger hinanden, hvilket skaber elektrostatisk frastødning, der forhindrer CaCO3-krystaller i at aggregere og vokse til større partikler. Krystallerne er fordelt ensartet i opløsningen, hvorved dannelsen af ​​CaCO3 skæl hæmmes.
Gitterforvrængning: Under aggregeringen og væksten af ​​CaCO3-mikrokrystaller inkorporeres kedelstensinhibitorer i krystalgitteret eller ved krystalgrænsefladen, hvilket forårsager gitterforvrængning. Dette hæmmer eller forvrænger direkte krystalvækst. For eksempel dannes CaCO3 af positivt ladede calciumioner og negativt ladede bicarbonationer, som vokser i en bestemt retning. Under deres udvikling inkorporeres kedelstensinhibitorer i gitteret, hvilket øger den indre spænding i krystallen. Når spændingen når en vis tærskel, vil krystallen briste, hvilket forhindrer krystaldannelse.
Tærskeleffekt: Skalainhibitorerne forstyrrer aggregerings- og bestillingsprocesserne af CaCO3, CaSO4, BaSO4, Ca3(PO4)2 mikrokrystaller og forhindrer dermed udfældning.

2. Valg af skaleringshæmningsmetoder

Den primære indikator, der bruges til at evaluere risikoen for skalering i omvendt osmose (RO)-systemer, er Langelier Saturation Index (LSI). Når LSI < 0, har vandet ingen tendens til at kalke (selvom det kan være let ætsende). Når LSI ≥ 0, er vandet tilbøjeligt til at aflejre sig. pH-justeringsmetoden forhindrer skældannelse ved at sænke fodervandets pH, og dermed flytte LSI fra større end 0 til mindre end 0. Tilføjelse af kedelstensinhibitorer kan forhindre skældannelse, selv når LSI ≥ 0, da uopløselige mikrokrystaller i vandet ikke kan vokse, aggregere, eller bundfald. Hovedmekanismerne for denne hæmning er de fire ovenfor beskrevne. I øjeblikket kan produkter til inhibitorer af indenlandsk skala sikre, at uopløselige stoffer ikke udfældes, selv når LSI = 3. Internationale topmærkehæmmere kan garantere ingen nedbør ved LSI = 5. Det er dog vigtigt at være forsigtig, når du køber inhibitorer, da nogle indenlandske leverandører importerer koncentrerede internationale mærkehæmmere og fortynde dem med store mængder vand, hvilket fører til betydelige uoverensstemmelser i den faktiske skaleringshæmmende ydeevne, selvom produktet er mærket som LSI = 5.

1. pH-justeringsmetode

For at sikre produktionen af ​​kvalificeret permeatvand styres RO fødevands pH typisk mellem 6 og 9, hvor nogle virksomheder implementerer mere raffineret kontrol inden for et snævrere område, såsom 7,0 til 8,5. Ekstremt lave eller høje pH-niveauer i fødevandet kan forhindre RO-permeatet i at opfylde de påkrævede vandkvalitetsstandarder. Derfor antager pH-justeringsmetoden til skaleringshæmning, at RO-permeatets pH vil være inden for det ønskede område. Det er vigtigt at bemærke, at pH-justeringsmetoden primært er rettet mod CaCO3-skalering og er ineffektiv over for andre typer af skaleringsstoffer.

2. Metode til tilsætning af skælhæmmer

Som tidligere nævnt kan tilføjelse af kedelstensinhibitorer tillade RO-membraner at tolerere højere LSI-værdier. RO-skala-hæmmere har dog en tendens til at være dyre, med indenlandske produkter, der spænder fra 0,008 til 0,012 RMB/g og internationale topmærkede koncentrerede produkter, der koster mellem 0,055 og 0,075 RMB/g, hvilket resulterer i høje driftsomkostninger.

Derudover er der talrige typer af kedelstenshæmmere på markedet, og nogle producenter fremmer konstant nye, uprøvede koncepter, hvilket fører til forvirring, når de skal vælge en kedelstenshæmmer. Generelt kan modne kommerciel skala-inhibitorer klassificeres i tre kategorier: fosforbaserede skala-inhibitorer, polymer-baserede skala-inhibitorer og miljøvenlige skala-inhibitorer.

• Fosforbaserede kedelstensinhibitorer: Disse omfatter uorganiske phosphatinhibitorer (såsom natriumtripolyphosphat eller natriumhexametaphosphat) og organiske phosphonatinhibitorer (såsom hydroxyethylidendiphosphonsyre, amino-trimethylenphosphonsyre og phosphonsyrederivater). Uorganiske fosfathæmmere indeholder langkædede anioner og er tilbøjelige til hydrolyse, især ved højere temperaturer. Når de hydrolyseres, danner de phosphorsyresalte, som kan reagere med calciumioner og danne Ca3(PO4)2, en skala med et lavere opløselighedsprodukt end CaCO3. Derfor er uorganiske fosfathæmmere uegnede til vand med høje temperaturer eller høje calciumionkoncentrationer.

• Organiske fosfonatskalahæmmere: Disse inhibitorer indeholder organiske fosfonater, typisk karakteriseret ved C-O-P-bindingen. Når de udsættes for høje temperaturer og alkaliske miljøer, kan organiske fosfonater hydrolyseres til fosforsyreestere og alkoholer, hvilket væsentligt reducerer deres afskalningshæmningseffektivitet. Organiske fosfonater er derfor ikke egnede til brug i vand med høje temperaturer eller høje pH-værdier.

Polymerbaserede kedelstensinhibitorer er primært opdelt i anioniske og kationiske polymerhæmmere. Førstnævnte bruges hovedsageligt til at forhindre metalionskalning, mens sidstnævnte primært bruges til at hæmme silicaskalering. Hovedingredienserne i polymerbaserede inhibitorer er akrylsyre og maleinsyre, og under formuleringen indføres forskellige funktionelle grupper i molekylerne. Som et resultat kommer polymerskala-inhibitorer i forskellige formuleringer. Når du bruger disse inhibitorer, er det vigtigt ikke kun at tage hensyn til vandkvalitetsforholdene, men også de tilstedeværende typer skæl. For eksempel er polymerinhibitorer med carboxylgrupper primært rettet mod calciumskalning, sulfonsyrebaserede polymerinhibitorer bruges hovedsageligt til metaloxidskalning, og aminbaserede polymerinhibitorer er effektive til silicaskalering. Derfor er polymerskala-inhibitorer ikke bredspektrede midler; de er designet til at afhjælpe manglerne ved bredspektrede inhibitorer. Da den primære komponent i polymerbaserede inhibitorer er en polymer, er de desuden modtagelige for oxidation af klor og andre oxidative biocider, hvilket kan gøre dem ineffektive. Før tilsætning af disse inhibitorer er det derfor nødvendigt først at neutralisere eventuelt resterende klor i vandet ved at tilsætte et reduktionsmiddel.

Miljøskalahæmmere indeholder typisk aktive ingredienser såsom polyasparaginsyre, polyepoxyravsyre og deres derivater. Disse inhibitorer bruges hovedsageligt til at adressere calciumbaserede skalaer som CaCO3, CaSO4 og CaF2. Fordelen ved disse inhibitorer er, at de kan tåle relativt høje calciumionkoncentrationer. For eksempel, selv når calciumionkoncentrationen når 500 mg/L, kan de stadig opnå over 80 % hæmning af calciumaflejring. Disse inhibitorer kræver dog højere doser, forårsager betydelige ændringer i vandets pH og er mindre effektive ved temperaturer under 40°C. Da den maksimalt tilladte fødevandstemperatur for omvendt osmosemembraner er 35-40°C, er disse inhibitorer generelt ikke egnede til brug i omvendt osmosesystemer, men er mere almindeligt anvendte i kølevandssystemer.

3. Dosisberegning

Som tidligere nævnt afhænger om vandet er tilbøjelig til at skælve af Langelier Saturation Index (LSI) værdien. Derfor, uanset om du bruger syredosering til at justere pH-værdien eller tilføjer kedelstensinhibitorer for at forhindre omvendt osmose-membranskalering, er essensen at kontrollere vandets LSI. Beregningen af ​​LSI er som følger:

I formlen:

• pH er den målte pH-værdi af omvendt osmosekoncentratet.
• pH_s er den mætnings-pH-værdi, der svarer til karbonatsystemet i vandet ved den aktuelle vandtemperatur, kendt som mætnings-pH.

De pH af omvendt osmose-koncentratet kan nemt opnås gennem online-instrumenter eller manuel måling. Derfor er nøglen til at beregne LSI bestemmende pH_s . Hvisølge Standardmetoder til undersøgelse af vand og spildevand , pH_s kan beregnes ved hjælp af følgende formel.

I formlen:

• A er den totale opløste faste stoffer (TDS) koefficient.
• B er vandtemperaturkoefficienten.
• C er calciumhårdhedskoefficienten.
• D er den totale alkalinitetskoefficient.

Beregningsmetoderne vedr A , B , C , og D er som følger.

• TDS er det totale indhold af opløste faste stoffer i omvendt osmosekoncentratet, i mg/L.
• t er temperaturen af ​​omvendt osmose-koncentratet i °C.
• Cca er calciumhårdheden af ​​omvendt osmosekoncentratet, udtrykt som CaCO3, i mg/L.
• C_total alkalinitet er den totale alkalinitet af omvendt osmosekoncentratet, udtrykt som CaCO3, i mg/L.

Ved at bruge det tidligere nævnte eksempel, hvor pH = 7,5 , TDS = 2000 mg/L , temperatur t = 25°C , calcium hårdhed Cca = 200 mg/L , og total alkalinitet C_total alkalinitet = 150 mg/L , processen med at beregne LSI er som følger:

Dette stemmer overens med den tidligere erklæring, hvor CaCO3 under disse forhold er næsten mættet. Desuden kan vi observere, at dosisberegningen kan udtrykkes med følgende tre formler.

Den specifikke påføringsmetode er som følger:

Først måler vi TDS, temperatur t , calcium hårdhed Cca og total alkalinitet C_total alkalinitet af omvendt osmosekoncentratet. Derefter beregner vi ved hjælp af formlen pH_s .

• Hvis pH_s ≥ pH , er der ikke behov for yderligere justeringer eller kedelstensinhibitorer for at forhindre kalkaflejringer.
• Hvis pH_s < pH , sikrer vi, at efter justering af pH-værdien, falder fodervandets pH-værdi for omvendt osmose ikke under 6,5 (da en lavere pH-værdi kan resultere i surt omvendt osmose-produktvand). I dette tilfælde kan vi justere pH ved at tilsætte syre indtil pH_s ≥ pH . Dette gælder kun når pH_s ≥ 6,5 . Hvis pH_s < 6,5 , skal vi justere pH med syre, indtil den når 6,5 eller endnu lavere, hvilket vil medføre, at omvendt osmoseproduktet vand bliver surt.
• If pH_s < 6,5 , skal der tilsættes kedelstenshæmmere.

Det er vigtigt at bemærke, at som tidligere nævnt er syredosering til pH-justering primært mål CaCO3 skalering og er ineffektiv til andre typer skalering. For andre kedelstensstoffer kræves en kedelstenshæmmer til bekæmpelse.

For at syredoseringen kan justere pH, kan doseringen styres gennem den faktisk målte pH. Hvad angår doseringen af ​​skælhæmmer, har omfattende forskning udført af indenlandske og internationale forskere vist, at:

• Når skalahæmmerdosis er under 2,5 g/m³ , er inhiberingseffektiviteten relativt lav.
• Når dosis overstiger 3,0 g/m³ , forbedres inhiberingseffektiviteten ikke længere væsentligt.

Den optimale dosis af kedelstensinhibitor er således mellem 2,5-3,0 g/m³ , som vist i følgende diagram.

Sammenfattende, når vi forhindrer omvendt osmose-membranskalering, bør vi først beregne LSI for omvendt osmose-koncentratet ved hjælp af formlerne i denne artikel for at vurdere, om der sandsynligvis vil forekomme skalering. For det andet skal vi analysere de vigtigste afskalningsstoffer i permeatet, hvilket kan bestemmes ved at teste indikatorer som Ca²⁺, Mg²⁺, HCO₃⁻, Ba²⁺, SiO₂ osv. Denne analyse giver os mulighed for at træffe målrettede beslutninger om, hvorvidt vi skal juster pH med syre eller for at tilføje kedelstenshæmmere. Hvis en kedelstensinhibitor er påkrævet, bør vi bestemme den passende type og dosis af hæmmeren, der skal bruges.