Hur förhindrar man fouling och skalning i omvända osmossystem? Förstå effekterna av koncentrationspolarisering

Koncentrationspolarisation (CP)

Koncentrationspolarisering avser de negativa effekterna orsakade av kontinuerlig ansamling av lösta ämnen på membranytan, vilket försämrar membranprestanda. När vatten genomsyrar genom membranet transporteras matningslösningen (som innehåller vatten och lösta ämnen) till membranytan. När renat vatten passerar genom membranet ackumuleras lösta ämnen nära membranytan. ① I membranfiltrering kontaktar partiklar membranet och bildar ett filterkakeskikt. ② På grund av den distinkta borttagningsmekanismen för omvänd osmos (RO), formar lösningar i lösningen ett högkoncentrationsbegränsningsskikt på membranytan. Detta resulterar i koncentrationspolarisering, vilket gör den lösta koncentrationen vid membranytan högre än i bulklösningen inom matningskanalen.

Negativa effekter av koncentrationspolarisering på RO -prestanda
① Den höga lösta koncentrationen vid membranytan ökar den osmotiska tryckgradienten, vilket minskar vattenflödet.
② Förhöjda koncentrationsgradienter och reducerat vattenflödet förbättrar överföring av lösta massor över membranet och sänker avstötningshastigheterna.
③ Löslighetsgränser för lösta ämnen kan överskridas, vilket leder till nederbörd och skalning.

Fouling och skalning i omvänd osmos

Nanofiltrering (NF) och RO -membran är mottagliga för fouling genom olika mekanismer. Primära källor till fouling och skalning inkluderar partiklar, utfällning av olösliga oorganiska salter, oxidation av lösliga metaller och biologiska ämnen.

1. Partikulering av fouling

RO-driftscykler inkluderar inte backtvätt för att avlägsna ackumulerat partikelformigt material (i själva verket kan backtvätt orsaka delaminering av det aktiva skiktet från stödskiktet i tunnfilmkompositmembran). Partikelformigt fouling är ett stort problem i RO -system. Nästan alla RO -system kräver förbehandling för att minimera partikelformigt förebyggande, eftersom återstående partiklar försämrar rengöringseffektiviteten.

Oorganiska och organiska ämnen, inklusive mikrobiella komponenter och biologiskt skräp, kan orsaka partikelformigt förebyggande, vilket leder till blockering och filterkakasbildning. Blockering inträffar när stora partiklar i foderlösningen fångas i foderkanalerna och rörledningen. Förbehandling av foderlösningen med användning av förfiltrering kan minska blockeringen. RO -membrantillverkare rekommenderar att du använder 5μM patronfilter som ett minimum förbehandlingssteg för att skydda membranmoduler.

Partiklar bildar ett filterkakeskikt på membranytan, vilket ökar hydraulisk motstånd och påverkar systemets prestanda. Fodervatten som är benägna att partikelformiga fouling kräver avancerad förbehandling för att minska partikelkoncentrationer till acceptabla nivåer. Koagulation, filtrering (med användning av sand, kol eller andra medier) och ibland används mikrofiltrering (MF) eller ultrafiltrering (UF) som förbehandlingsmetoder.

2. Begärning och skalning av oorganiska salter
Oorganisk skalning inträffar när salter i lösningen överskrider deras löslighetsgränser och utfällning. Utfällning inträffar när joner som utgör dessa salter är koncentrerade utöver deras löslighetsprodukter, särskilt i högkoncentrationsområden nära membranytan, vilket förvärrar koncentrationspolarisering. Oorganisk skalning på membranytan minskar vattenpermeabiliteten eller orsakar irreversibel membranskador.

I avsaknad av förbehandling måste nederbörd undvikas genom att minimera koncentrationspolarisering, begränsa saltavstötningshastigheten eller återhämtningsgraden. Koncentrationspolarisering kan minskas genom att förbättra turbulent flöde i foderkanalerna och bibehålla minsta flödeshastigheter som anges av utrustningstillverkare. Att begränsa saltavstötningshastigheterna är opraktiskt på grund av motstridiga tekniska mål, men att begränsa återhämtningsgraden är ofta nödvändig för att förhindra nederbörd. Den maximala tillåtna återvinningshastigheten innan saltutfällning inträffar definieras som den tillåtna återvinningshastigheten, med den salt som initierar nederbörd benämnde "kritiskt salt." Vanliga skalor i vattenbehandlingsapplikationer inkluderar kalciumkarbonat (Caco₃) och kalciumsulfat (caso₄).

Förbehandling är avgörande för alla praktiska RO -system för att förhindra skalning från att sparsamt lösliga salter. Kalciumkarbonatutfällning är utbredd, så de flesta system kräver förbehandling för denna förening. Försurning av foderlösningen för att justera pH -konverterar karbonatjoner till bikarbonat och koldioxid, vilket förhindrar caco₃ -nederbörd. Svavelsyror och saltsyror används vanligtvis, även om svavelsyra kan öka sulfatkoncentrationerna, vilket leder till sulfatskalning. De flesta RO -matningslösningar justeras till pH 5,5–6,0, där de flesta karbonater finns som CO₂ och genomsyrar genom membranet.

Skalning av andra kritiska salter förhindras vanligtvis med hjälp av skalhämmare. Dessa hämmare förhindrar kristallbildning och tillväxt, undertrycker nederbörd även under övermättade förhållanden. Den tillåtna graden av övermättnad beror på hämmarens egenskaper, ofta äganderätt och specifika för utrustningskonfigurationer. Val av lämpliga hämmare bör följa rekommendationer om utrustning och hämmarstillverkar, med platsspecifik fodervattenanalys och återhämtningshastighetsdesign.

Utöver försurning och hämmare innehåller moderna installationer åtgärder för att minska koncentrerade avloppsvolymer och förbättra vattenåtervinningen, vilket ytterligare mildrar skalningen.

3. Metalloxidfouling
Grundvatten, en vanlig RO/NF -matningskälla, är ofta anaerob. Lösta järn- och manganföreningar oxideras och fälls ut när oxidanter kommer in i foderlösningen och fouling membran. Järnbesvär är vanligare och förekommer snabbt vid luftinträngning. Oxidation eller avlägsnande av oxiderat järn/mangan kan förhindra fouling. För låga järnkoncentrationer räcker det att förhindra luftinträngning; Skalahämmare inkluderar ofta tillsatser för att mildra inbördes med låg koncentration. Järnförbehandling innebär oxidation med syre eller klor, följt av blandning, adekvat hydraulisk retentionstid och oxidationsfiltrering i granulära media eller membranfilter. När du använder oxidanter måste kontakt med membran-särskilt polyamid eller oxidationskänsliga material-undvikas. Kommersiella städare och rengöringsprotokoll kan ta bort järnavlagringar från RO -membran.

En annan komponent i anaerobt grundvatten är vätesulfid (H₂S). Luftinträngning oxiderar H₂s till kolloidalt svavel, fouling membran. Liksom med järnoxidation är att förhindra luftinträngning avgörande för att undvika svavelfouling. Svavelavlagringar på membran är ofta irreversibla.

4. Biologisk fouling
Biologisk fouling avser fästning eller tillväxt av mikroorganismer eller extracellulära lösliga ämnen på membranytan eller i foderkanaler. Vanligt i RO -system försämrar det prestanda genom att minska flödet, sänka avstötningshastigheterna, öka tryckfallet över moduler, förorena permeat, förnedra membranmaterial och förkorta membranens livslängd.

Biologisk fouling kan förhindras genom att bibehålla optimala driftsförhållanden, tillämpa biocider och regelbundet spola tomgångsmembranmoduler. Många RO/NF -foderlösningar (vanligtvis grundvatten) har låga mikrobiella belastningar. Korrekt drift säkerställer skjuvkrafter i foderkanaler förhindrar överdriven bakteriell ackumulering. Mikrober sprider sig dock snabbt under tomgångsperioder. För att mildra detta är periodisk spolning med permeat eller tillsats av biocider nödvändigt under avstängningar. Klorlösningar inom rekommenderade gränser fungerar som biocider för cellulosaacetatmembran, men polyamidmembran - mottagliga för klornedbrytning - krävs alternativ som natriumbisulfit.

För cellulosaacetatmembran kan kontinuerlig klorering vid kontrollerade koncentrationer. För polyamidmembran kan ultraviolett bestrålning, kloraminering eller deklorering efter klorering användas.

Slutsats
Förbehandling är avgörande för att förebygga skalning och fouling. Vanliga metoder inkluderar försurning och skalhämmare för att förhindra saltutfällning och filtrering för att blockera partiklar. Rena fodervattenkällor (t.ex. grundvatten) kan endast kräva patronfiltrering före membranenheter, medan ytvattenintag kräver avancerade filtreringsmetoder, inklusive koagulering, flockning, sedimentation och granulärt eller membranfiltrering. Eftersom membranprestanda beror på förbehandlingseffektivitet är korrekt urval och design av förbehandlingståg väsentliga.