روش‌های مهار جرم‌گیری اسمز معکوس و محاسبه دوز

تکنولوژی اسمز معکوس (RO) به دلیل مزایایی که دارد، مانند نرخ پایدار نمک زدایی، ردپای کوچک، اتوماسیون و مقیاس پذیری، به طور گسترده در تصفیه آب استفاده می شود. با این حال، پوسته پوسته شدن برای پرسنل تصفیه آب در طول عملیات غشاء مشکل ساز است. جرم گیری می تواند منجر به کاهش شار غشا، افزایش مصرف انرژی، کاهش نرخ نمک زدایی و کاهش طول عمر غشا شود که هزینه های عملیاتی را افزایش می دهد. بنابراین باید اقداماتی برای جلوگیری از پوسته پوسته شدن غشاء انجام شود. روش‌های رایج بازدارندگی رسوب‌گذاری شامل دو رویکرد اصلی است: تنظیم pH آب تغذیه RO و افزودن بازدارنده‌های رسوب به آب تغذیه. هر دو روش را می توان با هم استفاده کرد. این مقاله مکانیسم بازدارندگی پوسته پوسته شدن را مورد بحث قرار می دهد و روش هایی را برای انتخاب روش مهار و محاسبه دوز مورد نیاز ارائه می دهد.

1. مکانیسم بازدارنده مقیاس
پوسته پوسته شدن غشایی به رسوب مواد کم محلول مانند سیaسیO3، CaSO4، بaSO4، و Ca3(PO4)2 بر روی سطح غشاء اشاره دارد. هنگامی که این مواد در سیستم RO متمرکز می شوند، می توانند به حالت فوق اشباع برسند. به عنوان مثال، در pH=7.5 و دمای آب 25 درجه سانتی گراد، زمانی که سختی کلسیم (اندازه گیری شده با CaCO3) 200 میلی گرم در لیتر و قلیائیت کل (با اندازه گیری CaCO3) 150 میلی گرم در لیتر باشد، CaCO3 به حالت فوق اشباع نزدیک می شود. به همین ترتیب، در pH=7.5 و دمای آب 25 درجه سانتی گراد، زمانی که غلظت یون های باریم تنها 0.01 میلی گرم در لیتر و یون های سولفات 4.5 میلی گرم در لیتر باشد، بaSO4 فوق اشباع شده و رسوب می کند.

مکانیسم بازدارندگی پوسته پوسته شدن بازدارنده های مقیاس اسمز معکوس در درجه اول شامل کمپلکس شدن، پراکندگی، اعوجاج شبکه و اثرات آستانه است.

کمپلکس شدن و حل شدن: بازدارنده های رسوب می توانند کمپلکس های محلول با کاتیون های پوسته پوسته شدن در آب مانند یون های کلسیم، منیزیم و باریم تشکیل دهند و از تشکیل CaCO3، CaSO4، BaSO4 و Ca3(PO4)2 جلوگیری کنند.
انعقاد و پراکندگی: آنیون های آزاد شده توسط بازدارنده های مقیاس به کریستال های CaCO3 متصل می شوند. از آنجایی که آلاینده‌ها در فاضلاب صنعتی معمولاً دارای بار منفی هستند، مانند بارهایی که یکدیگر را دفع می‌کنند و دافعه الکترواستاتیکی ایجاد می‌کنند که از تجمع و رشد بلورهای CaCO3 به ذرات بزرگ‌تر جلوگیری می‌کند. کریستال ها به طور یکنواخت در محلول پراکنده می شوند و در نتیجه از تشکیل فلس های CaCO3 جلوگیری می کنند.
اعوجاج شبکه: در طول تجمع و رشد میکروکریستال‌های CaCO3، بازدارنده‌های رسوب در شبکه بلوری یا در سطح مشترک کریستال قرار می‌گیرند و باعث اعوجاج شبکه می‌شوند. این به طور مستقیم رشد کریستال را مهار یا مخدوش می کند. به عنوان مثال، CaCO3 توسط یون های کلسیم با بار مثبت و یون های بی کربنات با بار منفی تشکیل می شود که در جهت خاصی رشد می کنند. در طول توسعه خود، بازدارنده های مقیاس در شبکه گنجانده می شوند و استرس داخلی را در کریستال افزایش می دهند. هنگامی که تنش به آستانه معینی می رسد، کریستال پاره می شود و از تشکیل کریستال جلوگیری می کند.
اثر آستانه: بازدارنده‌های رسوب فرآیندهای تجمع و سفارش ریزبلورهای CaCO3، CaSO4، BaSO4، Ca3(PO4)2 را مختل می‌کنند، بنابراین از بارش جلوگیری می‌کنند.

2. انتخاب روش های بازداری پوسته پوسته شدن

شاخص اولیه مورد استفاده برای ارزیابی خطر پوسته پوسته شدن در سیستم های اسمز معکوس (RO) شاخص اشباع Langelier (LSI) است. وقتی LSI <0 باشد، آب تمایلی به جرم گیری ندارد (اگرچه ممکن است کمی خورنده باشد). وقتی LSI ≥ 0 باشد، آب مستعد پوسته پوسته شدن است. روش تنظیم pH با کاهش pH آب تغذیه از پوسته پوسته شدن جلوگیری می کند، بنابراین LSI را از بیشتر از 0 به کمتر از 0 تغییر می دهد. یا رسوب کند. مکانیسم های اصلی برای این مهار چهار موردی است که در بالا توضیح داده شد. در حال حاضر، محصولات بازدارنده مقیاس داخلی می توانند اطمینان حاصل کنند که مواد نامحلول حتی زمانی که LSI = 3 است، رسوب نمی کنند. بازدارنده های با نام تجاری برتر بین المللی می توانند عدم بارش در LSI = 5 را تضمین کنند. با این حال، مهم است که هنگام خرید بازدارنده ها محتاط باشید، زیرا برخی از فروشندگان داخلی وارد می کنند. مهارکننده های برند بین المللی غلیظ شده و آنها را با مقادیر زیادی آب رقیق می کند، که منجر به اختلاف قابل توجهی در واقعی می شود. عملکرد بازداری پوسته پوسته شدن، حتی اگر محصول با برچسب LSI = 5 باشد.

1. روش تنظیم pH

برای اطمینان از تولید آب تراوش واجد شرایط، pH آب تغذیه RO معمولاً بین 6 تا 9 کنترل می‌شود، با برخی از شرکت‌ها کنترل تصفیه‌شده‌تر در محدوده باریک‌تری، مانند 7.0 تا 8.5. سطوح pH بسیار پایین یا بالا در آب تغذیه می‌تواند مانع از برآوردن استانداردهای کیفی آب مورد نیاز RO نفوذ کند. بنابراین، روش تنظیم pH برای مهار پوسته پوسته شدن فرض می کند که pH نفوذ RO در محدوده مورد نظر خواهد بود. توجه به این نکته حائز اهمیت است که روش تنظیم pH اساساً پوسته‌گذاری CaCO3 را هدف قرار می‌دهد و در برابر سایر انواع مواد پوسته‌دار بی‌اثر است.

2. روش افزودن بازدارنده مقیاس

همانطور که قبلا ذکر شد، افزودن بازدارنده های مقیاس می تواند به غشاهای RO اجازه دهد تا مقادیر LSI بالاتری را تحمل کنند. با این حال، بازدارنده‌های مقیاس RO معمولاً گران هستند، با محصولات داخلی از 0.008 تا 0.012 RMB/g و محصولات متمرکز با برندهای بین‌المللی بین 0.055 تا 0.075 RMB/g هزینه دارند که منجر به هزینه‌های عملیاتی بالا می‌شود.

علاوه بر این، انواع متعددی از بازدارنده‌های رسوب در بازار وجود دارد، و برخی از تولیدکنندگان دائماً مفاهیم جدید و اثبات‌نشده‌ای را ترویج می‌کنند که منجر به سردرگمی در انتخاب یک بازدارنده مقیاس می‌شود. به طور کلی، بازدارنده‌های مقیاس تجاری بالغ را می‌توان به سه دسته طبقه‌بندی کرد: بازدارنده‌های مقیاس مبتنی بر فسفر، بازدارنده‌های مقیاس مبتنی بر پلیمر، و بازدارنده‌های مقیاس سازگار با محیط زیست.

• مهارکننده های مقیاس بر پایه فسفر: اینها شامل بازدارنده های فسفات معدنی (مانند تری پلی فسفات سدیم یا هگزامتافسفات سدیم) و مهارکننده های فسفونات آلی (مانند هیدروکسی اتیلیدین دی فسفونیک اسید، آمینو تری متیلن فسفونیک اسید و مشتقات اسید فسفونیک) می شود. مهارکننده های غیر آلی فسفات حاوی آنیون های با زنجیره بلند هستند و به خصوص در دماهای بالاتر مستعد هیدرولیز هستند. هنگامی که هیدرولیز می شوند، نمک های اسید فسفریک را تشکیل می دهند که می توانند با یون های کلسیم واکنش داده و Ca3(PO4)2 را تشکیل دهند، مقیاسی با حلالیت کمتر از CaCO3. بنابراین، مهارکننده‌های فسفات معدنی برای آب با دمای بالا یا غلظت یون کلسیم بالا نامناسب هستند.

• مهارکننده های مقیاس فسفونات آلی: این مهارکننده‌ها حاوی فسفونات‌های آلی هستند که معمولاً با پیوند C-O-P مشخص می‌شوند. هنگامی که در معرض دماهای بالا و محیط‌های قلیایی قرار می‌گیرند، فسفونات‌های آلی می‌توانند به استرها و الکل‌های فسفریک هیدرولیز شوند و به طور قابل‌توجهی کارایی بازدارندگی پوسته‌شدن آنها را کاهش دهند. در نتیجه، فسفونات های آلی برای استفاده در آب هایی با دمای بالا یا مقادیر pH بالا مناسب نیستند.

بازدارنده های مقیاس مبتنی بر پلیمر در درجه اول به بازدارنده های پلیمری آنیونی و کاتیونی تقسیم می شوند. اولی عمدتا برای جلوگیری از پوسته پوسته شدن یون های فلزی استفاده می شود، در حالی که دومی در درجه اول برای جلوگیری از پوسته پوسته شدن سیلیس استفاده می شود. مواد اصلی در مهارکننده های مبتنی بر پلیمر، اسید اکریلیک و اسید مالئیک هستند و در طول فرمولاسیون، گروه های عاملی مختلفی به مولکول ها وارد می شوند. در نتیجه، بازدارنده‌های مقیاس پلیمری در فرمول‌های مختلفی تولید می‌شوند. هنگام استفاده از این بازدارنده ها، مهم است که نه تنها شرایط کیفیت آب، بلکه انواع فلس های موجود را نیز در نظر بگیرید. برای مثال، بازدارنده‌های پلیمری با گروه‌های کربوکسیل عمدتاً پوسته‌گیری کلسیم را هدف قرار می‌دهند، بازدارنده‌های پلیمری مبتنی بر اسید سولفونیک عمدتاً برای پوسته‌گیری اکسید فلز استفاده می‌شوند و بازدارنده‌های پلیمری مبتنی بر آمین برای پوسته‌گیری سیلیس مؤثر هستند. بنابراین، بازدارنده های مقیاس پلیمری عوامل طیف گسترده ای نیستند. آنها برای رفع کاستی های بازدارنده های طیف گسترده طراحی شده اند. علاوه بر این، از آنجایی که جزء اصلی بازدارنده های مبتنی بر پلیمر یک پلیمر است، آنها در معرض اکسیداسیون توسط کلر و سایر بیوسیدهای اکسیداتیو هستند که می تواند آنها را بی اثر کند. بنابراین، قبل از افزودن این بازدارنده ها، لازم است ابتدا کلر باقی مانده در آب را با افزودن یک عامل کاهنده خنثی کنیم.

مهارکننده های مقیاس محیطی معمولاً حاوی مواد فعالی مانند اسید پلی اسپارتیک، اسید پلی اپوکسی سوسینیک و مشتقات آنها هستند. این مهارکننده‌ها عمدتاً برای رسیدگی به مقیاس‌های مبتنی بر کلسیم مانند CaCO3، CaSO4 و CaF2 استفاده می‌شوند. مزیت این مهارکننده ها این است که می توانند غلظت نسبتاً بالای یون کلسیم را تحمل کنند. به عنوان مثال، حتی زمانی که غلظت یون کلسیم به 500 میلی‌گرم در لیتر می‌رسد، باز هم می‌توانند بیش از 80 درصد از پوسته‌گیری کلسیم را مهار کنند. با این حال، این مهارکننده‌ها به دوزهای بالاتری نیاز دارند، تغییرات قابل توجهی در pH آب ایجاد می‌کنند و در دمای کمتر از 40 درجه سانتی‌گراد تأثیر کمتری دارند. از آنجایی که حداکثر دمای مجاز آب تغذیه برای غشاهای اسمز معکوس 35-40 درجه سانتی گراد است، این بازدارنده ها عموماً برای استفاده در سیستم های اسمز معکوس مناسب نیستند اما بیشتر در سیستم های آب خنک کننده استفاده می شوند.

3. محاسبه دوز

همانطور که قبلا ذکر شد، این که آیا آب مستعد پوسته شدن است یا خیر به مقدار شاخص اشباع Langelier (LSI) بستگی دارد. بنابراین، چه استفاده از دوز اسید برای تنظیم pH یا افزودن بازدارنده های رسوب برای جلوگیری از پوسته پوسته شدن غشای اسمز معکوس، اصل کنترل LSI آب است. محاسبه LSI به شرح زیر است:

در فرمول:

• pH مقدار pH اندازه گیری شده کنسانتره اسمز معکوس است.
• pH_s مقدار pH اشباع مربوط به سیستم کربنات در آب در دمای واقعی آب است که به عنوان pH اشباع شناخته می شود.

این pH کنسانتره اسمز معکوس را می توان به راحتی از طریق ابزارهای آنلاین یا اندازه گیری دستی بدست آورد. بنابراین، کلید محاسبه LSI تعیین است pH_s . با توجه به روشهای استاندارد برای بررسی آب و فاضلاب ، pH_s با استفاده از فرمول زیر قابل محاسبه است.

در فرمول:

• الف ضریب کل جامدات محلول (TDS) است.
• B ضریب دمای آب است.
• C ضریب سختی کلسیم است.
• D ضریب قلیایی کل است.

روش های محاسبه برای الف ، B ، C ، و D به شرح زیر هستند.

• TDS مقدار کل مواد جامد محلول در کنسانتره اسمز معکوس، بر حسب میلی گرم در لیتر است.
• تی دمای کنسانتره اسمز معکوس بر حسب درجه سانتیگراد است.
• CCA سختی کلسیم کنسانتره اسمز معکوس است که به صورت CaCO3 بر حسب میلی گرم در لیتر بیان می شود.
• C_قلیایی کل قلیائیت کل کنسانتره اسمز معکوس است که به صورت CaCO3 بر حسب میلی گرم در لیتر بیان می شود.

با استفاده از مثالی که قبلا ذکر شد، جایی که pH = 7.5 ، TDS = 2000 میلی گرم در لیتر ، دما تی = 25 درجه سانتیگراد ، سختی کلسیم CCA = 200 میلی گرم در لیتر ، و قلیایی کل C_ قلیایی کل = 150 میلی گرم در لیتر ، فرآیند محاسبه LSI به شرح زیر است:

این با عبارت قبلی مطابقت دارد که در این شرایط، CaCO3 تقریباً اشباع شده است. علاوه بر این، می توان مشاهده کرد که محاسبه دوز را می توان با سه فرمول زیر بیان کرد.

روش کاربرد خاص به شرح زیر است:

ابتدا TDS، دما را اندازه گیری می کنیم t ، سختی کلسیم Cca و قلیاییت کل C_قلیایی کل کنسانتره اسمز معکوس سپس با استفاده از فرمول محاسبه می کنیم pH_s .

• اگر pH_s ≥ pH ، برای جلوگیری از پوسته پوسته شدن کلسیم نیازی به تنظیمات یا بازدارنده های مقیاس نیست.
• اگر pH_s < pH ، اطمینان حاصل می کنیم که پس از تنظیم pH، pH آب خوراک اسمز معکوس به زیر 6.5 نمی رسد (زیرا pH پایین تر ممکن است منجر به آب محصول اسمز معکوس اسیدی شود). در این صورت می توانیم با افزودن اسید pH را تنظیم کنیم تا pH_s ≥ pH . این فقط زمانی قابل اجرا است که pH_s ≥ 6.5 . اگر pH_s < 6.5 ، باید PH را با اسید تنظیم کنیم تا به 6.5 یا حتی کمتر برسد که باعث اسیدی شدن آب محصول اسمز معکوس می شود.
• اگر pH_s < 6.5 ، بازدارنده های مقیاس باید اضافه شوند.

توجه به این نکته مهم است که همانطور که قبلا ذکر شد، دوز اسید برای تنظیم pH در درجه اول هدف قرار می گیرد CaCO3 پوسته پوسته شدن و برای سایر انواع جرم گیری بی اثر است. برای سایر مواد جرم‌گیر، یک بازدارنده رسوب برای کنترل مورد نیاز است.

برای دوز اسید برای تنظیم pH، دوز را می توان از طریق pH اندازه گیری واقعی کنترل کرد. در مورد دوز بازدارنده مقیاس، تحقیقات گسترده توسط محققان داخلی و بین المللی نشان داده است که:

• هنگامی که دوز بازدارنده مقیاس زیر است 2.5 گرم در متر مکعب ، راندمان مهار نسبتا کم است.
• زمانی که دوز بیش از حد باشد 3.0 گرم در متر مکعب ، کارایی مهار دیگر به طور قابل توجهی بهبود نمی یابد.

بنابراین، دوز بهینه بازدارنده رسوب بین است 2.5-3.0 گرم در متر مکعب ، همانطور که در نمودار زیر نشان داده شده است.

به طور خلاصه، هنگام جلوگیری از پوسته پوسته شدن غشای اسمز معکوس، ابتدا باید LSI کنسانتره اسمز معکوس را با استفاده از فرمول های ارائه شده در این مقاله برای ارزیابی احتمال وقوع جرم گیری محاسبه کنیم. ثانیاً، ما نیاز به تجزیه و تحلیل مواد پوسته پوسته شدن اصلی در تراوا داریم، که می توان با آزمایش شاخص هایی مانند Ca2+، Mg2+، HCO3-، Ba2+، SiO2، و غیره تعیین کرد. pH را با اسید یا برای افزودن بازدارنده های رسوب تنظیم کنید. در صورت نیاز به بازدارنده مقیاس، باید نوع و دوز مناسب مهارکننده را برای استفاده تعیین کنیم.