Metody inhibice reverzní osmózy a výpočet dávkování

Technologie reverzní osmózy (RO). je široce používán při úpravě vody díky svým výhodám, jako je stabilní rychlost odsolování, malé rozměry, automatizace a škálovatelnost. Usazování vodního kamene je však problematický problém pro personál úpravy vody během provozu membrány. Usazování vodního kamene může vést ke snížení toku membrány, zvýšené spotřebě energie, nižší rychlosti odsolování a zkrácení životnosti membrány, což zvyšuje provozní náklady. Proto je třeba přijmout opatření, která zabrání usazování vodního kamene na membráně. Běžné metody inhibice tvorby vodního kamene zahrnují dva hlavní přístupy: úpravu pH napájecí vody RO a přidání inhibitorů vodního kamene do napájecí vody. Obě metody lze použít i společně. Tento článek pojednává o mechanismu inhibice škálování a poskytuje metody pro výběr metody inhibice a výpočet požadované dávky.

1. Mechanismus inhibitoru vodního kamene
Odlupování membrány se týká srážení špatně rozpustných látek, jako je CaCO3, CaSO4, BaSO4 a Ca3(PO4)2, na povrchu membrány. Když se tyto látky koncentrují v systému RO, mohou dosáhnout přesycení. Například při pH=7,5 a teplotě vody 25°C, kdy tvrdost vápníku (měřeno jako CaCO3) je 200 mg/l a celková alkalita (měřeno jako CaCO3) je 150 mg/l, se CaCO3 přiblíží k přesycení. Podobně při pH=7,5 a teplotě vody 25°C, kdy je koncentrace baryových iontů pouze 0,01 mg/l a síranových iontů 4,5 mg/l, dojde k přesycení BaSO4 a jeho vysrážení.

Mechanismus inhibice škálování inhibitorů reverzní osmózy primárně zahrnuje komplexaci, disperzi, deformaci mřížky a prahové efekty.

Komplexace a solubilizace: Inhibitory vodního kamene mohou tvořit rozpustné komplexy s kationty vodního kamene ve vodě, jako jsou ionty vápníku, hořčíku a barya, čímž zabraňují tvorbě CaCO3, CaSO4, BaSO4 a Ca3(PO4)2.
Koagulace a disperze: Anionty uvolněné inhibitory vodního kamene se vážou na krystaly CaCO3. Protože kontaminanty v průmyslových odpadních vodách obvykle nesou záporný náboj, podobné náboje se navzájem odpuzují, což vytváří elektrostatické odpuzování, které brání krystalům CaCO3 v agregaci a růstu do větších částic. Krystaly jsou v roztoku rovnoměrně dispergovány, čímž se inhibuje tvorba šupin CaCO3.
Deformace mřížky: Během agregace a růstu mikrokrystalů CaCO3 se do krystalové mřížky nebo na rozhraní krystalu zabudovávají inhibitory vodního kamene, což způsobuje deformaci mřížky. To přímo inhibuje nebo narušuje růst krystalů. Například CaCO3 je tvořen kladně nabitými ionty vápníku a záporně nabitými hydrogenuhličitanovými ionty, které rostou určitým směrem. Během jejich vývoje jsou do mřížky zabudovány inhibitory vodního kamene, které zvyšují vnitřní napětí uvnitř krystalu. Když napětí dosáhne určité prahové hodnoty, krystal praskne, což zabrání tvorbě krystalu.
Prahový efekt: Inhibitory vodního kamene narušují procesy agregace a uspořádání mikrokrystalů CaCO3, CaSO4, BaSO4, Ca3(PO4)2, čímž zabraňují srážení.

2. Výběr metod inhibice škálování

Primárním ukazatelem používaným k hodnocení rizika tvorby vodního kamene v systémech reverzní osmózy (RO) je Langelierův index saturace (LSI). Když LSI < 0, voda nemá tendenci se usazovat (ačkoli může být mírně korozivní). Když je LSI ≥ 0, voda je náchylná k usazování vodního kamene. Metoda úpravy pH zabraňuje tvorbě vodního kamene snížením pH napájecí vody, čímž se LSI posune z více než 0 na méně než 0. Přidání inhibitorů vodního kamene může zabránit tvorbě vodního kamene, i když LSI ≥ 0, protože nerozpustné mikrokrystaly ve vodě nemohou růst, agregovat, nebo sraženina. Hlavní mechanismy této inhibice jsou čtyři popsané výše. V současné době mohou domácí přípravky inhibitorů vodního kamene zajistit, aby se nerozpustné látky nesrážely, i když LSI = 3. Mezinárodní inhibitory nejvyšší značky mohou zaručit, že nedojde k srážení při LSI = 5. Je však důležité být při nákupu inhibitorů obezřetný, protože někteří domácí prodejci dovážejí koncentrované inhibitory mezinárodní značky a řeďte je velkým množstvím vody, což vede k významným nesrovnalostem ve skutečné účinnosti inhibice tvorby vodního kamene, i když je produkt označen jako LSI = 5.

1. Metoda úpravy pH

Aby byla zajištěna výroba kvalifikované permeátové vody, je pH napájecí vody RO obvykle kontrolováno mezi 6 a 9, přičemž některé společnosti zavádějí jemnější kontrolu v užším rozsahu, jako je 7,0 až 8,5. Extrémně nízké nebo vysoké hodnoty pH v napájecí vodě mohou zabránit tomu, aby permeát RO splňoval požadované normy kvality vody. Proto metoda úpravy pH pro inhibici tvorby vodního kamene předpokládá, že pH permeátu RO bude v požadovaném rozmezí. Je důležité poznamenat, že metoda úpravy pH se primárně zaměřuje na usazování CaCO3 a je neúčinná proti jiným typům usazovacích látek.

2. Metoda přidávání inhibitoru vodního kamene

Jak již bylo zmíněno dříve, přidání inhibitorů vodního kamene může umožnit RO membránám tolerovat vyšší hodnoty LSI. Inhibitory tvorby kotelního kamene však bývají drahé, domácí produkty se pohybují v rozmezí od 0,008 do 0,012 RMB/ga mezinárodní koncentrované produkty nejvyšší značky stojí mezi 0,055 a 0,075 RMB/g, což vede k vysokým provozním nákladům.

Kromě toho je na trhu mnoho typů inhibitorů vodního kamene a někteří výrobci neustále propagují nové, neověřené koncepty, což vede k nejasnostem při výběru inhibitoru vodního kamene. Obecně lze zralé komerční inhibitory kotelního kamene rozdělit do tří kategorií: inhibitory kotelního kamene na bázi fosforu, inhibitory kotelního kamene na bázi polymerů a inhibitory kotelního kamene šetrné k životnímu prostředí.

• Inhibitory vodního kamene na bázi fosforu: Tyto zahrnují anorganické fosfátové inhibitory (jako je tripolyfosfát sodný nebo hexametafosfát sodný) a organické fosfonátové inhibitory (jako je kyselina hydroxyethylidendifosfonová, kyselina aminotrimethylenfosfonová a deriváty kyseliny fosfonové). Anorganické fosfátové inhibitory obsahují anionty s dlouhým řetězcem a jsou náchylné k hydrolýze, zejména při vyšších teplotách. Při hydrolýze tvoří soli kyseliny fosforečné, které mohou reagovat s vápenatými ionty za vzniku Ca3(PO4)2, což je vodní kámen s nižší rozpustností než CaCO3. Proto jsou anorganické fosfátové inhibitory nevhodné pro vodu s vysokou teplotou nebo vysokou koncentrací vápenatých iontů.

• Inhibitory organického fosfonátu: Tyto inhibitory obsahují organické fosfonáty, typicky charakterizované vazbou C-O-P. Při vystavení vysokým teplotám a alkalickému prostředí mohou organické fosfonáty hydrolyzovat na estery kyseliny fosforečné a alkoholy, což významně snižuje jejich účinnost inhibice tvorby kotelního kamene. V důsledku toho nejsou organické fosfonáty vhodné pro použití ve vodě s vysokými teplotami nebo vysokými hodnotami pH.

Inhibitory vodního kamene na bázi polymerů se primárně dělí na inhibitory aniontových a kationtových polymerů. První se používá hlavně k zabránění usazování kovových iontů, zatímco druhý se primárně používá k inhibici usazování oxidu křemičitého. Hlavními složkami inhibitorů na bázi polymerů jsou kyselina akrylová a kyselina maleinová a během formulace se do molekul zavádějí různé funkční skupiny. Výsledkem je, že inhibitory usazování polymerů přicházejí v různých formulacích. Při použití těchto inhibitorů je důležité vzít v úvahu nejen podmínky kvality vody, ale také typy přítomného vodního kamene. Například polymerní inhibitory s karboxylovými skupinami se primárně zaměřují na usazování vápníku, inhibitory polymerů na bázi kyseliny sulfonové se používají hlavně pro usazování oxidů kovů a inhibitory polymerů na bázi aminů jsou účinné pro usazování oxidu křemičitého. Inhibitory polymerních usazenin proto nejsou širokospektrálními činidly; jsou navrženy tak, aby řešily nedostatky širokospektrých inhibitorů. Navíc, protože primární složkou inhibitorů na bázi polymerů je polymer, jsou náchylné k oxidaci chlorem a jinými oxidačními biocidy, což je může učinit neúčinnými. Před přidáním těchto inhibitorů je proto nutné nejprve zneutralizovat případný zbytkový chlór ve vodě přidáním redukčního činidla.

Inhibitory životního prostředí typicky obsahují aktivní složky, jako je kyselina polyasparagová, kyselina polyepoxyjantarová a jejich deriváty. Tyto inhibitory se používají hlavně k řešení kalciových šupin, jako je CaCO3, CaSO4 a CaF2. Výhodou těchto inhibitorů je, že mohou tolerovat relativně vysoké koncentrace vápenatých iontů. Například, i když koncentrace vápenatých iontů dosáhne 500 mg/l, mohou stále dosáhnout více než 80% inhibice usazování vápníku. Tyto inhibitory však vyžadují vyšší dávkování, způsobují významné změny pH vody a jsou méně účinné při teplotách pod 40 °C. Protože maximální povolená teplota napájecí vody pro membrány reverzní osmózy je 35-40 °C, tyto inhibitory obecně nejsou vhodné pro použití v systémech reverzní osmózy, ale jsou běžněji používány v systémech chladicí vody.

3. Výpočet dávkování

Jak již bylo zmíněno dříve, to, zda je voda náchylná k tvorbě vodního kamene, závisí na hodnotě Langelierova indexu nasycení (LSI). Proto, ať už používáte dávkování kyseliny k úpravě pH nebo přidávání inhibitorů vodního kamene, aby se zabránilo usazování vodního kamene na membráně reverzní osmózy, podstatou je kontrola LSI vody. Výpočet LSI je následující:

Ve vzorci:

• pH je naměřená hodnota pH koncentrátu reverzní osmózy.
• pH_s je hodnota pH nasycení odpovídající systému uhličitanu ve vodě při skutečné teplotě vody, známá jako pH nasycení.

The pH koncentrátu reverzní osmózy lze snadno získat pomocí online přístrojů nebo ručního měření. Proto je klíčem k výpočtu LSI určení pH_s . Podle Standardní metody pro zkoumání vod a odpadních vod , pH_s lze vypočítat pomocí následujícího vzorce.

Ve vzorci:

• A je koeficient celkových rozpuštěných pevných látek (TDS).
• B je teplotní koeficient vody.
• C je koeficient vápenaté tvrdosti.
• D je celkový koeficient alkality.

Výpočtové metody pro A , B , C a D jsou následující.

• TDS je celkový obsah rozpuštěných pevných látek v koncentrátu reverzní osmózy v mg/l.
• t je teplota koncentrátu reverzní osmózy ve °C.
• Cca je tvrdost vápníku koncentrátu reverzní osmózy, vyjádřená jako CaCO3, v mg/l.
• C_celková alkalita je celková alkalita koncentrátu reverzní osmózy, vyjádřená jako CaCO3, v mg/l.

Pomocí výše uvedeného příkladu, kde pH = 7,5 , TDS = 2000 mg/l , teplota t = 25 °C , tvrdost vápníku Cca = 200 mg/L a celková alkalita C_celková alkalita = 150 mg/L , proces výpočtu LSI je následující:

To je v souladu s předchozím tvrzením, kde je za těchto podmínek CaCO3 téměř nasycen. Dále můžeme pozorovat, že výpočet dávkování lze vyjádřit následujícími třemi vzorci.

Konkrétní způsob aplikace je následující:

Nejprve změříme TDS, teplotu t , tvrdost vápníku Cca a celkovou alkalitou C_celková alkalita koncentrátu reverzní osmózy. Poté pomocí vzorce vypočítáme pH_s .

• Li pH_s ≥ pH nejsou potřeba žádné další úpravy nebo inhibitory vodního kamene, aby se zabránilo usazování vápníku.
• Li pH_s < pH zajistíme, aby po úpravě pH nekleslo pH napájecí vody pro reverzní osmózu pod 6,5 (protože nižší pH může mít za následek kyselou vodu jako produkt reverzní osmózy). V tomto případě můžeme upravit pH přidáním kyseliny až pH_s ≥ pH . To platí pouze tehdy, když pH_s ≥ 6,5 . Li pH_s < 6,5 , musíme upravit pH kyselinou, dokud nedosáhne 6,5 nebo dokonce nižší, což způsobí, že se voda z produktu reverzní osmózy stane kyselou.
• Li pH_s < 6,5 , musí být přidány inhibitory vodního kamene.

Je důležité poznamenat, že, jak již bylo zmíněno dříve, dávkování kyseliny pro úpravu pH je primárně zaměřeno CaCO3 škálování a je neúčinné pro jiné typy škálování. U ostatních látek usazujících se vodního kamene je pro kontrolu vyžadován inhibitor vodního kamene.

Pro dávkování kyseliny k úpravě pH může být dávkování řízeno prostřednictvím aktuálně naměřeného pH. Pokud jde o dávkování inhibitoru vodního kamene, rozsáhlý výzkum domácích a mezinárodních vědců ukázal, že:

• Když je dávka inhibitoru vodního kamene nižší 2,5 g/m³ účinnost inhibice je relativně nízká.
• Když dávka překročí 3,0 g/m³ účinnost inhibice se již výrazně nezlepšuje.

Optimální dávka inhibitoru vodního kamene je tedy mezi 2,5-3,0 g/m³ , jak ukazuje následující tabulka.

Stručně řečeno, když předcházíme usazování vodního kamene na membráně reverzní osmózy, měli bychom nejprve vypočítat LSI koncentrátu reverzní osmózy pomocí vzorců uvedených v tomto článku, abychom posoudili, zda je pravděpodobné, že dojde k usazování vodního kamene. Zadruhé potřebujeme analyzovat hlavní usazovací látky v permeátu, které lze určit testováním ukazatelů, jako jsou Ca²⁺, Mg²⁺, HCO₃⁻, Ba²⁺, SiO₂ atd. Tato analýza nám umožňuje činit cílená rozhodnutí, zda upravte pH kyselinou nebo přidejte inhibitory vodního kamene. Pokud je vyžadován inhibitor vodního kamene, měli bychom určit vhodný typ a dávkování inhibitoru, který se má použít.