Technológia reverznej osmózy (RO). je široko používaný pri úprave vody vďaka svojim výhodám, ako sú stabilné rýchlosti odsoľovania, malé rozmery, automatizácia a škálovateľnosť. Usadzovanie vodného kameňa je však problematický problém pre personál na úpravu vody počas prevádzky membrány. Tvorba vodného kameňa môže viesť k zníženiu toku membrány, zvýšenej spotrebe energie, nižším rýchlostiam odsoľovania a zníženiu životnosti membrány, čo zvyšuje prevádzkové náklady. Preto je potrebné prijať opatrenia, aby sa zabránilo usadzovaniu membrány. Bežné metódy inhibície tvorby vodného kameňa zahŕňajú dva hlavné prístupy: úpravu pH napájacej vody RO a pridávanie inhibítorov vodného kameňa do napájacej vody. Oba spôsoby je možné použiť aj súčasne. Tento článok pojednáva o mechanizme inhibície škálovania a poskytuje metódy na výber metódy inhibície a na výpočet požadovanej dávky.
1. Mechanizmus inhibítora vodného kameňa
Odlupovanie membrány sa týka precipitácie slabo rozpustných látok, ako sú CaC03, CaS04, BaSO4 a Ca3(PO4)2, na povrchu membrány. Keď sa tieto látky koncentrujú v systéme RO, môžu dosiahnuť presýtenie. Napríklad pri pH=7,5 a teplote vody 25°C, keď je tvrdosť vápnika (meraná ako CaCO3) 200 mg/l a celková alkalita (meraná ako CaCO3) je 150 mg/l, CaCO3 sa priblíži k presýteniu. Podobne pri pH=7,5 a teplote vody 25°C, keď je koncentrácia iónov bária len 0,01 mg/l a síranových iónov 4,5 mg/l, BaSO4 sa presýti a vyzráža sa.
Mechanizmus inhibície škálovania inhibítorov reverznej osmózy primárne zahŕňa komplexáciu, disperziu, deformáciu mriežky a prahové efekty.
Komplexizácia a solubilizácia: Inhibítory vodného kameňa môžu tvoriť rozpustné komplexy s katiónmi vodného kameňa vo vode, ako sú ióny vápnika, horčíka a bária, čím zabraňujú tvorbe CaCO3, CaSO4, BaSO4 a Ca3(PO4)2.
Koagulácia a disperzia: Anióny uvoľňované inhibítormi vodného kameňa sa viažu na kryštály CaCO3. Keďže kontaminanty v priemyselných odpadových vodách zvyčajne nesú záporný náboj, podobne ako náboje sa navzájom odpudzujú, vytvárajú elektrostatické odpudzovanie, ktoré bráni kryštálom CaCO3 zhlukovať sa a rásť do väčších častíc. Kryštály sú rovnomerne rozptýlené v roztoku, čím sa inhibuje tvorba šupín CaCO3.
Deformácia mriežky: Počas agregácie a rastu mikrokryštálov CaCO3 sa do kryštálovej mriežky alebo na kryštálovom rozhraní zabudovávajú inhibítory vodného kameňa, čo spôsobuje skreslenie mriežky. To priamo inhibuje alebo skresľuje rast kryštálov. Napríklad CaCO3 je tvorený kladne nabitými iónmi vápnika a záporne nabitými iónmi hydrogénuhličitanu, ktoré rastú v určitom smere. Počas ich vývoja sa do mriežky zabudovávajú inhibítory vodného kameňa, čím sa zvyšuje vnútorné napätie v kryštáli. Keď napätie dosiahne určitú hranicu, kryštál praskne, čím sa zabráni tvorbe kryštálov.
Prahový efekt: Inhibítory vodného kameňa narúšajú procesy agregácie a usporiadania mikrokryštálov CaCO3, CaSO4, BaSO4, Ca3(PO4)2, čím zabraňujú precipitácii.
2. Výber metód inhibície škálovania
Primárnym ukazovateľom používaným na vyhodnotenie rizika tvorby vodného kameňa v systémoch reverznej osmózy (RO) je Langelierov index nasýtenia (LSI). Keď je LSI < 0, voda nemá tendenciu k usadzovaniu vodného kameňa (hoci môže byť mierne korozívna). Keď je LSI ≥ 0, voda je náchylná na tvorbu vodného kameňa. Metóda úpravy pH zabraňuje tvorbe vodného kameňa znížením pH napájacej vody, čím sa LSI posunie z hodnoty vyššej ako 0 na hodnotu nižšiu ako 0. Pridanie inhibítorov vodného kameňa môže zabrániť tvorbe vodného kameňa, aj keď je LSI ≥ 0, pretože nerozpustné mikrokryštály vo vode nemôžu rásť, agregovať, alebo zrazenina. Hlavné mechanizmy tejto inhibície sú štyri opísané vyššie. V súčasnosti môžu domáce produkty inhibítorov vodného kameňa zabezpečiť, aby sa nerozpustné látky nezrážali, aj keď LSI = 3. Medzinárodné inhibítory najvyššej značky môžu zaručiť žiadne zrážanie pri LSI = 5. Pri nákupe inhibítorov je však dôležité byť opatrný, pretože niektorí domáci predajcovia dovážajú koncentrované inhibítory medzinárodnej značky a riediť ich veľkým množstvom vody, čo vedie k významným nezrovnalostiam v skutočnej účinnosti inhibície tvorby vodného kameňa, aj keď je produkt označený ako LSI = 5.
1. Metóda úpravy pH
Aby sa zabezpečila výroba kvalifikovanej permeátovej vody, pH napájacej vody RO sa zvyčajne reguluje medzi 6 a 9, pričom niektoré spoločnosti implementujú precíznejšiu kontrolu v užšom rozsahu, napríklad 7,0 až 8,5. Extrémne nízke alebo vysoké hodnoty pH v napájacej vode môžu zabrániť tomu, aby permeát RO spĺňal požadované normy kvality vody. Preto metóda úpravy pH na inhibíciu tvorby vodného kameňa predpokladá, že pH permeátu RO bude v požadovanom rozsahu. Je dôležité poznamenať, že metóda úpravy pH sa primárne zameriava na tvorbu vodného kameňa CaCO3 a je neúčinná proti iným typom látok na usadzovanie vodného kameňa.
2. Metóda pridávania inhibítora vodného kameňa
Ako už bolo spomenuté, pridanie inhibítorov vodného kameňa môže umožniť membránam RO tolerovať vyššie hodnoty LSI. Inhibítory vodného kameňa RO majú však tendenciu byť drahé, s domácimi produktmi v rozmedzí od 0,008 do 0,012 RMB/g a medzinárodné koncentrované produkty najvyššej značky stoja medzi 0,055 a 0,075 RMB/g, čo vedie k vysokým prevádzkovým nákladom.
Okrem toho je na trhu množstvo typov inhibítorov vodného kameňa a niektorí výrobcovia neustále propagujú nové, neoverené koncepty, čo vedie k zmätku pri výbere inhibítora vodného kameňa. Vo všeobecnosti možno zrelé komerčné inhibítory vodného kameňa rozdeliť do troch kategórií: inhibítory vodného kameňa na báze fosforu, inhibítory vodného kameňa na báze polymérov a inhibítory vodného kameňa šetrné k životnému prostrediu.
-
Inhibítory vodného kameňa na báze fosforu: Tieto zahŕňajú anorganické fosfátové inhibítory (ako je tripolyfosfát sodný alebo hexametafosfát sodný) a organické fosfonátové inhibítory (ako je kyselina hydroxyetylidéndifosfónová, kyselina aminotrimetylénfosfónová a deriváty kyseliny fosfónovej). Anorganické fosfátové inhibítory obsahujú anióny s dlhým reťazcom a sú náchylné na hydrolýzu, najmä pri vyšších teplotách. Pri hydrolýze vytvárajú soli kyseliny fosforečnej, ktoré môžu reagovať s iónmi vápnika za vzniku Ca3(PO4)2, vodného kameňa s nižšou rozpustnosťou ako CaCO3. Preto sú anorganické fosfátové inhibítory nevhodné pre vodu s vysokou teplotou alebo vysokou koncentráciou vápenatých iónov.
-
Inhibítory organického fosfonátu: Tieto inhibítory obsahujú organické fosfonáty, typicky charakterizované väzbou C-O-P. Pri vystavení vysokým teplotám a alkalickému prostrediu môžu organické fosfonáty hydrolyzovať na estery kyseliny fosforečnej a alkoholy, čo výrazne znižuje ich účinnosť inhibície tvorby vodného kameňa. V dôsledku toho nie sú organické fosfonáty vhodné na použitie vo vode s vysokými teplotami alebo vysokými hodnotami pH.
Inhibítory vodného kameňa na báze polymérov sa primárne delia na inhibítory aniónových a katiónových polymérov. Prvý sa používa hlavne na zabránenie usadzovania kovových iónov, zatiaľ čo druhý sa používa predovšetkým na inhibíciu usadzovania oxidu kremičitého. Hlavnými zložkami inhibítorov na báze polymérov sú kyselina akrylová a kyselina maleínová a počas formulácie sa do molekúl zavádzajú rôzne funkčné skupiny. Výsledkom je, že inhibítory usadenín polymérov prichádzajú v rôznych formuláciách. Pri používaní týchto inhibítorov je dôležité vziať do úvahy nielen podmienky kvality vody, ale aj typy prítomných usadenín. Napríklad polymérne inhibítory s karboxylovými skupinami sa primárne zameriavajú na odlupovanie vápnika, polymérne inhibítory na báze kyseliny sulfónovej sa používajú hlavne na odlupovanie oxidov kovov a polymérne inhibítory na báze amínov sú účinné na odlupovanie oxidu kremičitého. Preto inhibítory polymérneho kameňa nie sú širokospektrálne činidlá; sú určené na riešenie nedostatkov širokospektrálnych inhibítorov. Okrem toho, keďže primárnou zložkou inhibítorov na báze polymérov je polymér, sú náchylné na oxidáciu chlórom a inými oxidačnými biocídmi, čo môže spôsobiť ich neúčinnosť. Preto je potrebné pred pridaním týchto inhibítorov najskôr zneutralizovať prípadný zvyškový chlór vo vode pridaním redukčného činidla.
Inhibítory životného prostredia typicky obsahujú aktívne zložky, ako je kyselina polyasparágová, kyselina polyepoxyjantárová a ich deriváty. Tieto inhibítory sa používajú hlavne na riešenie šupín na báze vápnika, ako sú CaCO3, CaSO4 a CaF2. Výhodou týchto inhibítorov je, že môžu tolerovať relatívne vysoké koncentrácie iónov vápnika. Napríklad, aj keď koncentrácia iónov vápnika dosiahne 500 mg/l, stále môžu dosiahnuť viac ako 80% inhibíciu usadzovania vápnika. Tieto inhibítory však vyžadujú vyššie dávky, spôsobujú významné zmeny pH vody a sú menej účinné pri teplotách pod 40 °C. Pretože maximálna povolená teplota napájacej vody pre membrány reverznej osmózy je 35-40 °C, tieto inhibítory vo všeobecnosti nie sú vhodné na použitie v systémoch reverznej osmózy, ale častejšie sa používajú v systémoch chladiacej vody.
3. Výpočet dávky
Ako už bolo spomenuté, to, či je voda náchylná na tvorbu vodného kameňa, závisí od hodnoty Langelierovho indexu nasýtenia (LSI). Preto, či už používate dávkovanie kyseliny na úpravu pH alebo pridávanie inhibítorov vodného kameňa, aby sa zabránilo usadzovaniu membrány reverznej osmózy, podstatou je kontrola LSI vody. Výpočet LSI je nasledovný:
Vo vzorci:
- pH je nameraná hodnota pH koncentrátu reverznej osmózy.
- pH_s je hodnota pH nasýtenia zodpovedajúca systému uhličitanu vo vode pri skutočnej teplote vody, známa ako pH nasýtenia.
The pH koncentrátu reverznej osmózy možno ľahko získať pomocou online prístrojov alebo manuálneho merania. Preto je kľúčom k výpočtu LSI určenie pH_s . Podľa Štandardné metódy skúmania vôd a odpadových vôd , pH_s možno vypočítať pomocou nasledujúceho vzorca.
Vo vzorci:
- A je koeficient celkových rozpustených pevných látok (TDS).
- B je teplotný koeficient vody.
- C je koeficient vápenatej tvrdosti.
- D je celkový koeficient alkality.
Metódy výpočtu pre A , B , C , a D sú nasledovné.
- TDS je celkový obsah rozpustených pevných látok v koncentráte reverznej osmózy v mg/l.
- t je teplota koncentrátu reverznej osmózy v °C.
- Cca je tvrdosť vápnika koncentrátu reverznej osmózy, vyjadrená ako CaCO3, v mg/l.
- C_celková alkalita je celková alkalita koncentrátu reverznej osmózy, vyjadrená ako CaCO3, v mg/l.
Pomocou vyššie uvedeného príkladu, kde pH = 7,5 , TDS = 2000 mg/l , teplota t = 25 °C , tvrdosť vápnika Cca = 200 mg/l , a celková alkalita C_celková alkalita = 150 mg/l , proces výpočtu LSI je nasledovný:
To je v súlade s predchádzajúcim tvrdením, kde za týchto podmienok je CaCO3 takmer nasýtený. Ďalej môžeme pozorovať, že výpočet dávky možno vyjadriť nasledujúcimi tromi vzorcami.
Špecifický spôsob aplikácie je nasledujúci:
Najprv zmeriame TDS, teplotu t , tvrdosť vápnika Cca a celková alkalita C_celková alkalita koncentrátu reverznej osmózy. Potom pomocou vzorca vypočítame pH_s .
- Ak pH_s ≥ pH nie sú potrebné žiadne ďalšie úpravy ani inhibítory vodného kameňa, aby sa zabránilo usadzovaniu vápnika.
- Ak pH_s < pH zabezpečíme, aby po úprave pH nekleslo pH napájacej vody reverznej osmózy pod 6,5 (pretože nižšie pH môže mať za následok kyslú vodu ako produkt reverznej osmózy). V tomto prípade môžeme upraviť pH pridaním kyseliny až pH_s ≥ pH . To platí len vtedy, keď pH_s ≥ 6,5 . Ak pH_s < 6,5 , musíme upraviť pH kyselinou, kým nedosiahne 6,5 alebo ešte nižšie, čo spôsobí, že sa voda z produktu reverznej osmózy stane kyslou.
- Ak pH_s < 6,5 , musia sa pridať inhibítory vodného kameňa.
Je dôležité poznamenať, že ako už bolo spomenuté, dávkovanie kyseliny na úpravu pH je primárne zamerané CaCO3 škálovanie a je neúčinné pre iné typy škálovania. V prípade iných látok na usadzovanie vodného kameňa je na kontrolu potrebný inhibítor vodného kameňa.
Pri dávkovaní kyseliny na úpravu pH je možné dávkovanie kontrolovať prostredníctvom aktuálne nameraného pH. Pokiaľ ide o dávkovanie inhibítora vodného kameňa, rozsiahly výskum domácich a medzinárodných vedcov ukázal, že:
- Keď je dávka inhibítora vodného kameňa nižšia 2,5 g/m³ účinnosť inhibície je relatívne nízka.
- Keď dávka prekročí 3,0 g/m³ účinnosť inhibície sa už výrazne nezlepšuje.
Optimálna dávka inhibítora vodného kameňa je teda medzi 2,5-3,0 g/m³ , ako je znázornené v nasledujúcej tabuľke.
Stručne povedané, pri prevencii tvorby vodného kameňa na membráne reverznej osmózy by sme mali najprv vypočítať LSI koncentrátu reverznej osmózy pomocou vzorcov uvedených v tomto článku, aby sme posúdili, či je pravdepodobné, že dôjde k tvorbe vodného kameňa. Po druhé, musíme analyzovať hlavné usadzovacie látky v permeáte, ktoré možno určiť testovaním ukazovateľov, ako sú Ca²⁺, Mg²⁺, HCO₃⁻, Ba²⁺, SiO₂ atď. Táto analýza nám umožňuje robiť cielené rozhodnutia o tom, či upravte pH kyselinou alebo pridajte inhibítory vodného kameňa. Ak je potrebný inhibítor vodného kameňa, mali by sme určiť vhodný typ a dávkovanie inhibítora na použitie.
