Omgekeerde osmose (RO)-Technologie wordT veel gebruikt in de waterbehandeling vanwege de voordelen ervan, zoals stabiele ontziltingspercentages, kleine voetafdruk, automatisering en schaalbaarheid. Kalkaanslag is echter een lastig probleem voor waterbehandelingspersoneel tijdens de werking van het membraan. Schaalvergroting kan leiden tot een afname van de membraanflux, een verhoogd energieverbruik, lagere ontziltingspercentages en een kortere levensduur van het membraan, waardoor de operationele kosten stijgen. Daarom moeten maatregelen worden genomen om membraanaanslag te voorkomen. Veel voorkomende methoden voor het remmen van kalkaanslag omvatten twee hoofdbenaderingen: het aanpassen van de pH van het RO-voedingswater en het toevoegen van kalkremmers aan het voedingswater. Beide methoden kunnen ook samen worden gebruikt. Dit artikel bespreekt het opschalingsremmingsmechanisme en biedt methoden voor het selecteren van de remmingsmethode en het berekenen van de vereiste dosering.
1. Schaalremmermechanisme
Membraanaanslag verwijst naar de precipitatie van slecht oplosbare stoffen, zoals CaCO3, CaSO4, BaSO4 en Ca3(PO4)2, op het membraanoppervlak. Wanneer deze stoffen geconcentreerd raken in het RO-systeem, kunnen ze oververzadiging bereiken. Bij een pH=7,5 en een watertemperatuur van 25°C, wanneer de calciumhardheid (gemeten als CaCO3) 200 mg/l is en de totale alkaliteit (gemeten als CaCO3) 150 mg/l bedraagt, zal CaCO3 bijvoorbeeld de oververzadiging benaderen. Op dezelfde manier zal BaSO4 bij een pH=7,5 en een watertemperatuur van 25°C, wanneer de concentratie bariumionen slechts 0,01 mg/l en de sulfaationen 4,5 mg/l bedraagt, oververzadigd raken en neerslaan.
Het schaalremmingsmechanisme van omgekeerde osmose-schaalremmers omvat voornamelijk complexering, dispersie, roostervervorming en drempeleffecten.
Complexering en oplosbaarheid: Kalkremmers kunnen oplosbare complexen vormen met kationen in water, zoals calcium-, magnesium- en bariumionen, waardoor de vorming van CaCO3, CaSO4, BaSO4 en Ca3(PO4)2 wordt voorkomen.
Coagulatie en dispersie: De anionen die vrijkomen door de kalkremmers hechten zich aan CaCO3-kristallen. Omdat verontreinigingen in industrieel afvalwater doorgaans een negatieve lading hebben, stoten ladingen elkaar af, waardoor elektrostatische afstoting ontstaat die voorkomt dat CaCO3-kristallen zich ophopen en uitgroeien tot grotere deeltjes. De kristallen worden gelijkmatig in de oplossing verspreid, waardoor de vorming van CaCO3-aanslag wordt geremd.
Roostervervorming: Tijdens de aggregatie en groei van CaCO3-microkristallen worden kalkremmers in het kristalrooster of op het kristalgrensvlak opgenomen, waardoor roostervervorming ontstaat. Dit remt of verstoort de kristalgroei direct. CaCO3 wordt bijvoorbeeld gevormd door positief geladen calciumionen en negatief geladen bicarbonaationen, die in een specifieke richting groeien. Tijdens hun ontwikkeling worden kalkremmers in het rooster opgenomen, waardoor de interne spanning in het kristal toeneemt. Wanneer de spanning een bepaalde drempel bereikt, zal het kristal scheuren, waardoor kristalvorming wordt voorkomen.
Drempeleffect: De kalkremmers verstoren de aggregatie- en ordeningsprocessen van CaCO3-, CaSO4-, BaSO4-, Ca3(PO4)2-microkristallen en voorkomen zo neerslag.
2. Selectie van methoden voor schaalremming
De belangrijkste indicator die wordt gebruikt om het risico op schaalvergroting in omgekeerde osmose (RO)-systemen te evalueren, is de Langelier Saturation Index (LSI). Wanneer LSI < 0 heeft het water geen neiging tot kalkaanslag (hoewel het enigszins corrosief kan zijn). Wanneer LSI ≥ 0 is het water gevoelig voor kalkaanslag. De pH-aanpassingsmethode voorkomt kalkaanslag door de pH van het voedingswater te verlagen, waardoor de LSI van groter dan 0 naar minder dan 0 verschuift. Het toevoegen van kalkremmers kan kalkaanslag voorkomen, zelfs als de LSI ≥ 0 is, omdat onoplosbare microkristallen in het water niet kunnen groeien of aggregeren. of neerslag. De belangrijkste mechanismen voor deze remming zijn de vier hierboven beschreven. Momenteel kunnen binnenlandse kalkremmers ervoor zorgen dat onoplosbare stoffen niet neerslaan, zelfs niet als LSI = 3. Internationale topmerkremmers kunnen geen neerslag garanderen bij LSI = 5. Het is echter belangrijk om voorzichtig te zijn bij het kopen van remmers, aangezien sommige binnenlandse leveranciers concentreerde internationale merkremmers en verdun ze met grote hoeveelheden water, wat leidde tot aanzienlijke discrepanties in de daadwerkelijke remmingsprestaties, ook al wordt het product geëtiketteerd als LSI = 5.
1. Methode voor pH-aanpassing
Om de productie van gekwalificeerd permeaatwater te garanderen, wordt de pH van het RO-voedingswater doorgaans tussen 6 en 9 geregeld, waarbij sommige bedrijven een meer verfijnde controle implementeren binnen een smaller bereik, zoals 7,0 tot 8,5. Extreem lage of hoge pH-waarden in het voedingswater kunnen ervoor zorgen dat het RO-permeaat niet aan de vereiste waterkwaliteitsnormen voldoet. Daarom gaat de pH-aanpassingsmethode voor schaalremming ervan uit dat de pH van het RO-permeaat binnen het gewenste bereik zal liggen. Het is belangrijk op te merken dat de pH-aanpassingsmethode primair gericht is op CaCO3-aanslag en niet effectief is tegen andere soorten aanslagstoffen.
2. Methode voor het toevoegen van kalkremmers
Zoals eerder vermeld, kan het toevoegen van kalkremmers ervoor zorgen dat RO-membranen hogere LSI-waarden tolereren. RO-aanslagremmers zijn echter meestal duur, met binnenlandse producten variërend van 0,008 tot 0,012 RMB/g en geconcentreerde producten van internationale topmerken die tussen 0,055 en 0,075 RMB/g kosten, wat resulteert in hoge bedrijfskosten.
Bovendien zijn er talloze soorten kalkremmers op de markt, en sommige fabrikanten promoten voortdurend nieuwe, onbewezen concepten, wat tot verwarring leidt bij het selecteren van een kalkremmer. In het algemeen kunnen volwassen commerciële aanslagremmers in drie categorieën worden ingedeeld: op fosfor gebaseerde aanslagremmers, op polymeer gebaseerde aanslagremmers en milieuvriendelijke aanslagremmers.
-
Op fosfor gebaseerde kalkremmers: Deze omvatten anorganische fosfaatremmers (zoals natriumtripolyfosfaat of natriumhexametafosfaat) en organische fosfonaatremmers (zoals hydroxyethylideendifosfonzuur, amino-trimethyleenfosfonzuur en fosfonzuurderivaten). Anorganische fosfaatremmers bevatten anionen met lange keten en zijn gevoelig voor hydrolyse, vooral bij hogere temperaturen. Wanneer ze worden gehydrolyseerd, vormen ze fosforzuurzouten, die kunnen reageren met calciumionen om Ca3(PO4)2 te vormen, een aanslag met een lager oplosbaar product dan CaCO3. Daarom zijn anorganische fosfaatremmers niet geschikt voor water met hoge temperaturen of hoge calciumionenconcentraties.
-
Organische fosfonaatschaalremmers: Deze remmers bevatten organische fosfonaten, doorgaans gekenmerkt door de C-O-P-binding. Bij blootstelling aan hoge temperaturen en alkalische omgevingen kunnen organische fosfonaten hydrolyseren tot fosforesters en alcoholen, waardoor de efficiëntie van het remmen van kalkaanslag aanzienlijk wordt verminderd. Daarom zijn organische fosfonaten niet geschikt voor gebruik in water met hoge temperaturen of hoge pH-waarden.
Op polymeer gebaseerde aanslagremmers worden hoofdzakelijk onderverdeeld in anionische en kationische polymeerremmers. De eerste wordt voornamelijk gebruikt om de vorming van metaalionen te voorkomen, terwijl de laatste voornamelijk wordt gebruikt om de vorming van silica te remmen. De belangrijkste ingrediënten in op polymeer gebaseerde remmers zijn acrylzuur en maleïnezuur, en tijdens de formulering worden verschillende functionele groepen in de moleculen geïntroduceerd. Als gevolg hiervan zijn remmers van polymeeraanslag in verschillende formuleringen verkrijgbaar. Bij het gebruik van deze remmers is het belangrijk om niet alleen rekening te houden met de waterkwaliteit, maar ook met de aanwezige soorten aanslag. Polymeerremmers met carboxylgroepen richten zich bijvoorbeeld primair op calciumafzetting, op sulfonzuur gebaseerde polymeerremmers worden voornamelijk gebruikt voor metaaloxideafzetting en op amine gebaseerde polymeerremmers zijn effectief voor silicaafzetting. Daarom zijn remmers van polymeeraanslag geen middelen met een breed spectrum; ze zijn ontworpen om de tekortkomingen van breedspectrumremmers aan te pakken. Omdat de primaire component van op polymeer gebaseerde remmers een polymeer is, zijn ze bovendien gevoelig voor oxidatie door chloor en andere oxidatieve biociden, waardoor ze ineffectief kunnen worden. Voordat u deze remmers toevoegt, is het daarom noodzakelijk om eerst eventueel achtergebleven chloor in het water te neutraliseren door een reductiemiddel toe te voegen.
Remmers van milieuaanslag bevatten doorgaans actieve ingrediënten zoals polyasparaginezuur, polyepoxybarnsteenzuur en hun derivaten. Deze remmers worden voornamelijk gebruikt om op calcium gebaseerde aanslag zoals CaCO3, CaSO4 en CaF2 aan te pakken. Het voordeel van deze remmers is dat ze relatief hoge calciumionconcentraties kunnen verdragen. Zelfs als de concentratie calciumionen bijvoorbeeld 500 mg/l bereikt, kunnen ze nog steeds een remming van calciumaanslag van meer dan 80% bereiken. Deze remmers vereisen echter hogere doseringen, veroorzaken aanzienlijke veranderingen in de pH van het water en zijn minder effectief bij temperaturen onder 40°C. Omdat de maximaal toegestane voedingswatertemperatuur voor omgekeerde osmosemembranen 35-40°C bedraagt, zijn deze remmers over het algemeen niet geschikt voor gebruik in omgekeerde osmosesystemen, maar worden ze vaker gebruikt in koelwatersystemen.
3. Doseringsberekening
Zoals eerder vermeld, hangt de vraag of het water gevoelig is voor kalkaanslag af van de Langelier Saturation Index (LSI)-waarde. Of het nu gaat om het doseren van zuur om de pH aan te passen of het toevoegen van kalkremmers om aanslag op het membraan van omgekeerde osmose te voorkomen, de essentie is het beheersen van de LSI van het water. De berekening van LSI is als volgt:
In de formule:
- pH is de gemeten pH-waarde van het omgekeerde osmoseconcentraat.
- pH_s is de verzadiging-pH-waarde die overeenkomt met het carbonaatsysteem in het water bij de werkelijke watertemperatuur, ook wel de verzadiging-pH genoemd.
De pH van het omgekeerde osmoseconcentraat kan eenvoudig worden verkregen via online instrumenten of handmatige meting. Daarom is bepalen de sleutel tot het berekenen van LSI pH_s . Volgens de Standaardmethoden voor onderzoek van water en afvalwater , pH_s kan worden berekend met behulp van de volgende formule.
In de formule:
- A is de coëfficiënt van de totale opgeloste vaste stoffen (TDS).
- B is de watertemperatuurcoëfficiënt.
- C is de calciumhardheidscoëfficiënt.
- D is de totale alkaliteitscoëfficiënt.
De berekeningsmethoden voor A , B , C , En D zijn als volgt.
- TDS is het totale gehalte aan opgeloste vaste stoffen in het omgekeerde osmoseconcentraat, in mg/l.
- t is de temperatuur van het omgekeerde osmoseconcentraat, in °C.
- Cca is de calciumhardheid van het omgekeerde osmoseconcentraat, uitgedrukt als CaCO3, in mg/l.
- C_totale alkaliteit is de totale alkaliteit van het omgekeerde osmoseconcentraat, uitgedrukt als CaCO3, in mg/l.
Met behulp van het eerder genoemde voorbeeld, waar pH = 7,5 , TDS = 2000 mg/l , temperatuur t = 25°C , calciumhardheid Cca = 200 mg/L , En totale alkaliteit C_totale alkaliteit = 150 mg/L , is het proces voor het berekenen van de LSI als volgt:
Dit komt overeen met de vorige verklaring, waarin CaCO3 onder deze omstandigheden bijna verzadigd is. Verder kunnen we vaststellen dat de doseringsberekening kan worden uitgedrukt door de volgende drie formules.
De specifieke applicatiemethode is als volgt:
Eerst meten we de TDS, temperatuur t , calciumhardheid Cca en totale alkaliteit C_totale alkaliteit van het omgekeerde osmoseconcentraat. Vervolgens berekenen we met behulp van de formule pH_s .
- Als pH_s ≥ pH zijn er geen verdere aanpassingen of kalkremmers nodig om kalkaanslag te voorkomen.
- Als pH_s < pH zorgen wij ervoor dat na het aanpassen van de pH de pH van het voedingswater voor omgekeerde osmose niet onder de 6,5 daalt (aangezien een lagere pH kan resulteren in zuur productwater voor omgekeerde osmose). In dit geval kunnen we de pH aanpassen door zuur toe te voegen tot pH_s ≥ pH . Dit is alleen van toepassing wanneer pH_s ≥ 6,5 . Als pH_s < 6,5 , moeten we de pH met zuur aanpassen totdat deze 6,5 of zelfs lager bereikt, waardoor het water van het omgekeerde osmoseproduct zuur wordt.
- Als pH_s < 6,5 moeten er kalkremmers worden toegevoegd.
Het is belangrijk op te merken dat, zoals eerder vermeld, zuurdosering voor pH-aanpassing primair gericht is op het doel CaCO3 schaalvergroting en is niet effectief voor andere soorten schaalvergroting. Voor andere kalkaanslagstoffen is ter bestrijding een kalkremmer nodig.
Om ervoor te zorgen dat de zuurdosering de pH aanpast, kan de dosering worden geregeld via de daadwerkelijk gemeten pH. Wat de dosering van de kalkremmers betreft, heeft uitgebreid onderzoek door binnenlandse en internationale wetenschappers aangetoond dat:
- Wanneer de dosering van de kalkremmer lager is 2,5 g/m³ is de remmingsefficiëntie relatief laag.
- Wanneer de dosering overschreden wordt 3,0 g/m³ , verbetert de remmingsefficiëntie niet langer significant.
De optimale dosering van de kalkremmer ligt dus tussen 2,5-3,0 g/m³ , zoals weergegeven in het volgende diagram.
Samenvattend moeten we bij het voorkomen van membraanaanslag door omgekeerde osmose eerst de LSI van het omgekeerde osmoseconcentraat berekenen met behulp van de formules in dit artikel om te beoordelen of het waarschijnlijk is dat er aanslag zal optreden. Ten tweede moeten we de belangrijkste kalkaanslagstoffen in het permeaat analyseren, wat kan worden bepaald door het testen van indicatoren zoals Ca²⁺, Mg²⁺, HCO₃⁻, Ba²⁺, SiO₂, enz. Deze analyse stelt ons in staat gerichte beslissingen te nemen over de vraag of we pas de pH aan met zuur of voeg kalkremmers toe. Als een kalkremmer nodig is, moeten we het juiste type en de juiste dosering van de remmer bepalen.
