Come prevenire il sottrazione e il ridimensionamento nei sistemi di osmosi inversa? Comprensione dell'impatto della polarizzazione della concentrazione

Polarizzazione della concentrazione (CP)

La polarizzazione della concentrazione si riferisce agli effetti avversi causati dall'accumulo continuo di soluti sulla superficie della membrana, che compromette le prestazioni della membrana. Man mano che l'acqua permea attraverso la membrana, la soluzione di alimentazione (contenente acqua e soluti) viene trasportata sulla superficie della membrana. Quando l'acqua purificata passa attraverso la membrana, i soluti si accumulano vicino alla superficie della membrana. ① Nella filtrazione della membrana, le particelle contattano la membrana e formano uno strato di torta al filtro. ② A causa del distinto meccanismo di rimozione dell'osmosi inversa (RO), i soluti nella soluzione formano uno strato limite ad alta concentrazione sulla superficie della membrana. Ciò si traduce in polarizzazione della concentrazione, rendendo la concentrazione di soluto sulla superficie della membrana superiore a quella nella soluzione di massa all'interno del canale di alimentazione.

Effetti avversi della polarizzazione della concentrazione sulle prestazioni di RO
① L'elevata concentrazione di soluto sulla superficie della membrana aumenta il gradiente di pressione osmotica, riducendo il flusso d'acqua.
② Gradienti di concentrazione elevati e ridotto flusso d'acqua migliorano il trasferimento di massa del soluto attraverso la membrana, abbassando i tassi di rifiuto.
③ I limiti di solubilità dei soluti possono essere superati, portando a precipitazioni e ridimensionamento.

Fouling e ridimensionamento nell'osmosi inversa

Le membrane di nanofiltrazione (NF) e RO sono suscettibili di sporcare attraverso vari meccanismi. Le fonti primarie di sporcizia e ridimensionamento comprendono il particolato, la precipitazione di sali inorganici insolubili, l'ossidazione dei metalli solubili e le sostanze biologiche.

1. Particolare sporcizia

I cicli di funzionamento RO non includono il retrowashing per rimuovere il particolato accumulato (in effetti, il retrowashing può causare la delaminazione dello strato attivo dallo strato di supporto nelle membrane composite a film sottile). Il fallo di particolato è una delle principali preoccupazioni nei sistemi RO. Quasi tutti i sistemi RO richiedono un pretrattamento per ridurre al minimo il fouling del particolato, poiché le particelle residue compromettono l'efficienza di pulizia.

Le sostanze inorganiche e organiche, compresi i componenti microbici e i detriti biologici, possono causare fouling di particolato, portando a blocco e formazione di torte al filtro. Il blocco si verifica quando le particelle di grandi dimensioni nella soluzione di alimentazione sono intrappolate nei canali di alimentazione e nelle tubazioni. Il pretrattamento della soluzione di alimentazione usando la pre-filtrazione può ridurre il blocco. I produttori di membrana RO raccomandano l'uso di filtri a cartuccia da 5μm come fase minima di pretrattamento per proteggere i moduli di membrana.

Il particolato forma uno strato di torta al filtro sulla superficie della membrana, aumentando la resistenza idraulica e le prestazioni del sistema influiscono. L'alimentazione dell'acqua per alimentazione al fallo di particolato richiede un pretrattamento avanzato per ridurre le concentrazioni di particolato a livelli accettabili. La coagulazione, la filtrazione (usando sabbia, carbonio o altri media) e talvolta la microfiltrazione (MF) o l'ultrafiltrazione (UF) sono impiegate come metodi di pretrattamento.

2. Precipitazione e ridimensionamento dei sali inorganici
Il ridimensionamento inorganico si verifica quando i sali nella soluzione superano i limiti di solubilità e il precipitato. Le precipitazioni si verificano quando gli ioni che costituiscono questi sali sono concentrati oltre i loro prodotti di solubilità, in particolare nelle aree ad alta concentrazione vicino alla superficie della membrana, esacerbando la polarizzazione della concentrazione. Il ridimensionamento inorganico sulla superficie della membrana riduce la permeabilità all'acqua o provoca danni irreversibili alla membrana.

In assenza di pretrattamento, le precipitazioni devono essere evitate minimizzando la polarizzazione della concentrazione, limitando il tasso di rigetto del sale o il tasso di recupero. La polarizzazione della concentrazione può essere ridotta migliorando il flusso turbolento nei canali di alimentazione e mantenendo velocità di flusso minimo specificate dai produttori di apparecchiature. Limitare i tassi di rifiuto del sale non è pratico a causa di obiettivi ingegneristici contrastanti, ma è spesso necessaria una limitazione dei tassi di recupero per prevenire le precipitazioni. Il tasso di recupero massimo consentito prima della precipitazione del sale è definito come tasso di recupero consentito, con il sale che inizia la precipitazione definita il "sale critico". Le scale comuni nelle applicazioni di trattamento delle acque comprendono il carbonato di calcio (Caco₃) e il solfato di calcio (Caso₄).

Il pretrattamento è essenziale per tutti i sistemi RO pratici per impedire al ridimensionamento di sali con parsimonia. La precipitazione del carbonato di calcio è prevalente, quindi la maggior parte dei sistemi richiede pretrattamento per questo composto. Acidificazione della soluzione di alimentazione per regolare il pH converte ioni carbonatici in bicarbonato e anidride carbonica, prevenendo le precipitazioni di caco₃. Gli acidi solforici e cloridi sono comunemente usati, sebbene l'acido solforico possa aumentare le concentrazioni di solfato, portando al ridimensionamento del solfato. La maggior parte delle soluzioni di alimentazione RO sono regolate a pH 5,5-6,0, dove la maggior parte dei carbonati esiste come CO₂ e permea attraverso la membrana.

Il ridimensionamento di altri sali critici è in genere impedito usando inibitori della scala. Questi inibitori impediscono la formazione e la crescita dei cristalli, sopprimendo le precipitazioni anche in condizioni supersaturate. Il grado consentito di sovrasaturazione dipende dalle proprietà dell'inibitore, spesso proprietarie e specifiche per le configurazioni delle attrezzature. La selezione di inibitori appropriati dovrebbe seguire le raccomandazioni del produttore di attrezzature e degli inibitori, con analisi delle acque alimentari specifiche del sito e progettazione del tasso di recupero.

Al di là dell'acidificazione e degli inibitori, le installazioni moderne incorporano misure per ridurre i volumi di acque reflue del concentrato e migliorare il recupero dell'acqua, mitigando ulteriormente il ridimensionamento.

3. Fouling dell'ossido di metallo
Le acque sotterranee, una fonte di alimentazione RO/NF comune, sono spesso anaerobiche. I composti di ferro e manganese disciolti vengono ossidati e precipitati quando gli ossidanti entrano nella soluzione di alimentazione, membrane sporgenti. L'utilizzo del ferro è più frequente e si verifica rapidamente all'ingresso dell'aria. L'ossidazione o la rimozione di ferro ossidato/manganese può prevenire il sottrazione. Per basse concentrazioni di ferro, prevenire il sufficienza dell'ingresso dell'aria; Gli inibitori della scala includono spesso additivi per mitigare il fallo di ferro a bassa concentrazione. Il pretrattamento del ferro comporta ossidazione con ossigeno o cloro, seguito da miscelazione, tempo di ritenzione idraulica adeguata e filtrazione di ossidazione in mezzi granulari o filtri a membrana. Quando si utilizzano ossidanti, il contatto con le membrane, in particolare la poliammide o i materiali sensibili all'ossidazione, si evitano. I detergenti commerciali e i protocolli di pulizia possono rimuovere i depositi di ferro dalle membrane RO.

Un altro componente nelle acque sotterranee anaerobiche è l'idrogeno solforato (H₂S). L'aria di ingresso ossida gli H₂ allo zolfo colloidale, membrane sporgenti. Come per l'ossidazione del ferro, la prevenzione dell'ingresso d'aria è fondamentale per evitare il coinvolgimento dello zolfo. I depositi di zolfo sulle membrane sono spesso irreversibili.

4. Fouling biologico
L'utilizzo biologico si riferisce all'attaccamento o alla crescita di microrganismi o sostanze solubili extracellulari sulla superficie della membrana o all'interno dei canali di alimentazione. Comune nei sistemi RO, degrada le prestazioni riducendo il flusso, abbassando i tassi di rifiuto, aumentando la caduta di pressione attraverso i moduli, permeato contaminante, materiali di membrana degradante e accorciamento della durata della vita.

L'utilizzo biologico può essere prevenuto mantenendo condizioni operative ottimali, applicando biocidi e lavaggio periodicamente moduli di membrana inattiva. Molte soluzioni di alimentazione RO/NF (in genere acque sotterranee) hanno bassi carichi microbici. Il corretto funzionamento garantisce che le forze di taglio nei canali di alimentazione prevengano un eccessivo accumulo batterico. Tuttavia, i microbi proliferano rapidamente durante i periodi di inattività. Per mitigare questo, è necessario il lavaggio periodico con permeato o l'aggiunta di biocidi. Le soluzioni di cloro all'interno dei limiti raccomandati servono come biocidi per le membrane di acetato di cellulosa, ma le membrane di poliammide - sensibili al degrado del cloro - richiedono alternative come bisolfito di sodio.

Per le membrane acetato di cellulosa, può essere possibile clorazione continua a concentrazioni controllate. Per le membrane di poliammide, possono essere impiegati irradiazione ultravioletta, cloraminazione o declorazione post-clorazione.

Conclusione
Il pretrattamento è fondamentale per prevenire il ridimensionamento e il fouling. I metodi comuni includono acidificazione e inibitori della scala per prevenire le precipitazioni e la filtrazione del sale per bloccare il particolato. Le fonti di acqua di alimentazione pulite (ad es. Acqua sotterranee) possono richiedere solo filtrazione a cartuccia prima delle unità di membrana, mentre l'assunzione di acqua superficiale richiede metodi di filtrazione avanzati, tra cui coagulazione, flocculazione, sedimentazione e filtrazione granulare o di membrana. Poiché le prestazioni della membrana dipendono dall'efficacia del pretrattamento, sono essenziali la corretta selezione e la progettazione dei treni di pretrattamento.