Bagaimana cara mencegah pengotoran dan penskalaan dalam sistem osmosis terbalik? Memahami dampak polarisasi konsentrasi

Polarisasi Konsentrasi (CP)

Polarisasi konsentrasi mengacu pada efek samping yang disebabkan oleh akumulasi zat terlarut pada permukaan membran, yang merusak kinerja membran. Saat air meresap melalui membran, larutan umpan (mengandung air dan zat terlarut) diangkut ke permukaan membran. Ketika air murni melewati membran, zat terlarut menumpuk di dekat permukaan membran. ① Dalam filtrasi membran, partikel menghubungi membran dan membentuk lapisan kue filter. ② Karena mekanisme penghilangan osmosis terbalik (RO) yang berbeda, zat terlarut dalam larutan membentuk lapisan batas konsentrasi tinggi pada permukaan membran. Ini menghasilkan polarisasi konsentrasi, membuat konsentrasi zat terlarut pada permukaan membran lebih tinggi dari pada larutan curah dalam saluran umpan.

Efek samping polarisasi konsentrasi pada kinerja RO
① Konsentrasi zat terlarut yang tinggi pada permukaan membran meningkatkan gradien tekanan osmotik, mengurangi fluks air.
② Peningkatan gradien konsentrasi dan mengurangi fluks air meningkatkan transfer massa terlarut melintasi membran, menurunkan laju penolakan.
③ Batas kelarutan zat terlarut dapat dilampaui, yang mengarah ke presipitasi dan penskalaan.

Fouling dan penskalaan dalam osmosis terbalik

Nanofiltrasi (NF) dan membran RO rentan terhadap pengotoran melalui berbagai mekanisme. Sumber primer fouling dan penskalaan meliputi materi partikulat, presipitasi garam anorganik yang tidak larut, oksidasi logam terlarut, dan zat biologis.

1. Partikulasi fouling

Siklus operasi RO tidak termasuk backwashing untuk menghilangkan akumulasi materi partikel (pada kenyataannya, backwashing dapat menyebabkan delaminasi lapisan aktif dari lapisan pendukung dalam membran komposit film tipis). Partikel fouling adalah perhatian utama dalam sistem RO. Hampir semua sistem RO membutuhkan pretreatment untuk meminimalkan fouling partikulat, karena partikel residu mengganggu efisiensi pembersihan.

Zat anorganik dan organik, termasuk komponen mikroba dan puing -puing biologis, dapat menyebabkan fouling partikel, yang mengarah ke penyumbatan dan pembentukan kue filter. Penyumbatan terjadi ketika partikel besar dalam larutan umpan terperangkap dalam saluran umpan dan perpipaan. Pretreatment dari solusi umpan menggunakan pra-filtrasi dapat mengurangi penyumbatan. Produsen membran RO merekomendasikan menggunakan filter kartrid 5μm sebagai langkah pretreatment minimum untuk melindungi modul membran.

Partikulat materi membentuk lapisan kue filter pada permukaan membran, meningkatkan resistensi hidrolik dan mempengaruhi kinerja sistem. Air umpan yang rentan terhadap fouling partikulat membutuhkan pretreatment canggih untuk mengurangi konsentrasi partikulat ke tingkat yang dapat diterima. Koagulasi, filtrasi (menggunakan pasir, karbon, atau media lain), dan kadang -kadang mikrofiltrasi (MF) atau ultrafiltrasi (UF) digunakan sebagai metode pretreatment.

2. Presipitasi dan penskalaan garam anorganik
Penskalaan anorganik terjadi ketika garam dalam larutan melebihi batas kelarutan dan endapannya. Curah hujan terjadi ketika ion yang membentuk garam-garam ini terkonsentrasi di luar produk kelarutannya, terutama di daerah konsentrasi tinggi di dekat permukaan membran, memperburuk polarisasi konsentrasi. Penskalaan anorganik pada permukaan membran mengurangi permeabilitas air atau menyebabkan kerusakan membran yang tidak dapat diubah.

Dengan tidak adanya pretreatment, presipitasi harus dihindari dengan meminimalkan polarisasi konsentrasi, membatasi tingkat penolakan garam, atau tingkat pemulihan. Polarisasi konsentrasi dapat dikurangi dengan meningkatkan aliran turbulen di saluran umpan dan mempertahankan kecepatan aliran minimum yang ditentukan oleh produsen peralatan. Membatasi tingkat penolakan garam tidak praktis karena tujuan teknik yang bertentangan, tetapi membatasi tingkat pemulihan seringkali diperlukan untuk mencegah curah hujan. Tingkat pemulihan maksimum yang diijinkan sebelum curah hujan garam terjadi didefinisikan sebagai tingkat pemulihan yang diizinkan, dengan curah hujan yang memulai garam disebut "garam kritis." Timbangan umum dalam aplikasi pengolahan air termasuk kalsium karbonat (CACO₃) dan kalsium sulfat (CASO₄).

Pretreatment sangat penting untuk semua sistem RO praktis untuk mencegah penskalaan dari garam yang larut. Pengendapan kalsium karbonat lazim, sehingga sebagian besar sistem membutuhkan pretreatment untuk senyawa ini. Pengasaman larutan pakan untuk menyesuaikan pH mengubah ion karbonat menjadi bikarbonat dan karbon dioksida, mencegah curah hujan Caco₃. Asam sulfat dan hidroklorik umumnya digunakan, meskipun asam sulfat dapat meningkatkan konsentrasi sulfat, yang mengarah ke penskalaan sulfat. Sebagian besar solusi umpan RO disesuaikan dengan pH 5,5-6.0, di mana sebagian besar karbonat ada sebagai CO₂ dan meresap melalui membran.

Penskalaan garam kritis lainnya biasanya dicegah menggunakan inhibitor skala. Inhibitor ini mencegah pembentukan dan pertumbuhan kristal, menekan presipitasi bahkan dalam kondisi yang sangat jenuh. Tingkat supersaturasi yang diijinkan tergantung pada sifat inhibitor, seringkali hak milik dan spesifik untuk konfigurasi peralatan. Pemilihan inhibitor yang sesuai harus mengikuti rekomendasi produsen peralatan dan inhibitor, dengan analisis air umpan khusus situs dan desain laju pemulihan.

Di luar pengasaman dan inhibitor, instalasi modern menggabungkan langkah -langkah untuk mengurangi volume air limbah konsentrat dan meningkatkan pemulihan air, mengurangi penskalaan.

3. Fouling logam oksida
Air tanah, sumber umpan RO/NF yang umum, sering kali anaerob. Besi terlarut dan senyawa mangan teroksidasi dan mengendap ketika oksidan memasuki larutan pakan, membran pengotoran. Fouling besi lebih sering dan terjadi dengan cepat pada masuknya udara. Oksidasi atau penghilangan zat besi/mangan teroksidasi dapat mencegah pengotoran. Untuk konsentrasi zat besi yang rendah, mencegah masuknya udara mencukupi; Inhibitor skala sering termasuk aditif untuk mengurangi fouling besi konsentrasi rendah. Pretreatment besi melibatkan oksidasi dengan oksigen atau klorin, diikuti dengan pencampuran, waktu retensi hidrolik yang memadai, dan filtrasi oksidasi dalam media granular atau filter membran. Saat menggunakan oksidan, kontak dengan membran-terutama poliamida atau bahan yang sensitif terhadap oksidasi-harus dihindari. Pembersih komersial dan protokol pembersih dapat menghilangkan endapan besi dari membran RO.

Komponen lain dalam air tanah anaerob adalah hidrogen sulfida (H₂S). Ingress udara mengoksidasi h₂s menjadi sulfur koloid, membran fouling. Seperti halnya oksidasi besi, mencegah masuknya udara sangat penting untuk menghindari pengotoran belerang. Endfur endapan pada membran seringkali tidak dapat diubah.

4. Pengotoran biologis
Fouling biologis mengacu pada keterikatan atau pertumbuhan mikroorganisme atau zat terlarut ekstraseluler pada permukaan membran atau di dalam saluran umpan. Umum dalam sistem RO, ini menurunkan kinerja dengan mengurangi fluks, menurunkan laju penolakan, meningkatkan penurunan tekanan di seluruh modul, kontaminasi permeat, bahan membran yang merendahkan, dan memperpendek umur membran.

Fouling biologis dapat dicegah dengan mempertahankan kondisi operasi yang optimal, menerapkan biosida, dan secara berkala memerah modul membran idle. Banyak solusi umpan RO/NF (biasanya air tanah) memiliki beban mikroba yang rendah. Operasi yang tepat memastikan gaya geser di saluran umpan mencegah akumulasi bakteri yang berlebihan. Namun, mikroba berkembang pesat selama periode idle. Untuk mengurangi ini, pembilasan berkala dengan meresap atau menambahkan biosida diperlukan selama shutdown. Larutan klorin dalam batas yang direkomendasikan berfungsi sebagai biosida untuk membran selulosa asetat, tetapi membran poliamida - rentan terhadap degradasi klorin - meminta alternatif seperti natrium bisulfit.

Untuk membran selulosa asetat, klorinasi kontinu pada konsentrasi terkontrol mungkin. Untuk membran poliamida, iradiasi ultraviolet, kloraminasi, atau deklorinasi pasca-klorinasi dapat digunakan.

Kesimpulan
Pretreatment sangat penting untuk mencegah penskalaan dan pengotoran. Metode umum termasuk pengasaman dan inhibitor skala untuk mencegah curah hujan garam dan penyaringan untuk memblokir materi partikulat. Sumber air umpan bersih (mis., Air tanah) hanya dapat memerlukan penyaringan kartrid sebelum unit membran, sementara asupan air permukaan memerlukan metode penyaringan lanjutan, termasuk koagulasi, flokulasi, sedimentasi, dan filtrasi granular atau membran. Karena kinerja membran tergantung pada kemanjuran pretreatment, seleksi yang tepat dan desain kereta pretreatment sangat penting.