Metodi di inibizione del ridimensionamento dell'osmosi inversa e calcolo del dosaggio

Tecnologia dell'osmosi inversa (RO). è ampiamenTe uTilizzato nel trattamento dell'acqua grazie ai suoi vantaggi, come tassi di desalinizzazione stabili, ingombro ridotto, automazione e scalabilità. Tuttavia, le incrostazioni rappresentano un problema problematico per il personale addetto al trattamento dell'acqua durante il funzionamento della membrana. Il ridimensionamento può portare a una diminuzione del flusso della membrana, a un aumento del consumo di energia, a tassi di desalinizzazione inferiori e a una durata di vita ridotta della membrana, con un conseguente aumento dei costi operativi. Pertanto, è necessario adottare misure per prevenire il ridimensionamento della membrana. I metodi comuni di inibizione del calcare comprendono due approcci principali: la regolazione del pH dell'acqua di alimentazione RO e l'aggiunta di inibitori del calcare all'acqua di alimentazione. Entrambi i metodi possono essere utilizzati anche insieme. Questo articolo discute il meccanismo di inibizione del ridimensionamento e fornisce metodi per selezionare il metodo di inibizione e calcolare il dosaggio richiesto.

1. Meccanismo inibitore delle incrostazioni
Il ridimensionamento della membrana si riferisce alla precipitazione di sostanze scarsamente solubili, come CaCO3, CaSO4, BaSO4 e Ca3(PO4)2, sulla superficie della membrana. Quando queste sostanze si concentrano nel sistema RO, possono raggiungere la sovrasaturazione. UNd esempio, a pH=7,5 e una temperatura dell'acqua di 25°C, quando la durezza del calcio (misurata come CaCO3) è 200 mg/L e l'alcalinità totale (misurata come CaCO3) è 150 mg/L, CaCO3 si avvicinerà alla supersaturazione. UNllo stesso modo, a pH=7,5 e una temperatura dell'acqua di 25°C, quando la concentrazione di ioni bario è solo 0,01 mg/L e gli ioni solfato sono 4,5 mg/L, BaSO4 diventerà sovrasaturo e precipiterà.

Il meccanismo di inibizione della scala degli inibitori della scala dell'osmosi inversa coinvolge principalmente la complessazione, la dispersione, la distorsione del reticolo e gli effetti di soglia.

Complessazione e solubilizzazione: gli inibitori delle incrostazioni possono formare complessi solubili con cationi incrostanti nell'acqua, come ioni calcio, magnesio e bario, prevenendo la formazione di CaCO3, CaSO4, BaSO4 e Ca3(PO4)2.
Coagulazione e dispersione: gli anioni rilasciati dagli inibitori delle incrostazioni si attaccano ai cristalli di CaCO3. Poiché i contaminanti nelle acque reflue industriali in genere trasportano una carica negativa, cariche simili si respingono a vicenda, creando una repulsione elettrostatica che impedisce ai cristalli di CaCO3 di aggregarsi e crescere in particelle più grandi. I cristalli sono dispersi uniformemente nella soluzione, inibendo così la formazione di scaglie di CaCO3.
Distorsione del reticolo: durante l'aggregazione e la crescita dei microcristalli di CaCO3, gli inibitori delle incrostazioni vengono incorporati nel reticolo cristallino o nell'interfaccia del cristallo, causando la distorsione del reticolo. Ciò inibisce o distorce direttamente la crescita dei cristalli. Ad esempio, CaCO3 è formato da ioni calcio caricati positivamente e ioni bicarbonato caricati negativamente, che crescono in una direzione specifica. Durante il loro sviluppo, gli inibitori delle incrostazioni vengono incorporati nel reticolo, aumentando lo stress interno al cristallo. Quando lo stress raggiunge una certa soglia, il cristallo si rompe, impedendone la formazione.
Effetto soglia: gli inibitori delle incrostazioni interrompono i processi di aggregazione e ordinamento dei microcristalli di CaCO3, CaSO4, BaSO4, Ca3(PO4)2, prevenendo così la precipitazione.

2. Selezione dei metodi di inibizione del ridimensionamento

L'indicatore principale utilizzato per valutare il rischio di incrostazioni nei sistemi ad osmosi inversa (RO) è l'indice di saturazione di Langelier (LSI). Quando LSI < 0, l'acqua non ha tendenza a incrostarsi (anche se può essere leggermente corrosiva). Quando LSI ≥ 0, l'acqua tende a incrostarsi. Il metodo di regolazione del pH previene le incrostazioni abbassando il pH dell'acqua di alimentazione, spostando così l'LSI da maggiore di 0 a inferiore a 0. L'aggiunta di inibitori delle incrostazioni può prevenire le incrostazioni anche quando LSI ≥ 0, poiché i microcristalli insolubili nell'acqua non possono crescere, aggregarsi, o precipitare. I principali meccanismi di questa inibizione sono i quattro sopra descritti. Attualmente, i prodotti inibitori dell'incrostazione domestica possono garantire che le sostanze insolubili non precipitino anche quando LSI = 3. Gli inibitori internazionali delle migliori marche possono garantire l'assenza di precipitazione con LSI = 5. Tuttavia, è importante essere cauti quando si acquistano inibitori, poiché alcuni fornitori nazionali importano concentrare inibitori di marca internazionale e diluirli con grandi quantità di acqua, portando a discrepanze significative nelle effettive prestazioni di inibizione del ridimensionamento, anche se il prodotto è etichettato come LSI = 5.

1. Metodo di regolazione del pH

Per garantire la produzione di acqua permeata qualificata, il pH dell'acqua di alimentazione RO è generalmente controllato tra 6 e 9, con alcune aziende che implementano un controllo più raffinato entro un intervallo più ristretto, ad esempio tra 7,0 e 8,5. Livelli di pH estremamente bassi o elevati nell’acqua di alimentazione possono impedire al permeato RO di soddisfare gli standard di qualità dell’acqua richiesti. Pertanto, il metodo di regolazione del pH per l'inibizione del ridimensionamento presuppone che il pH del permeato RO rientri nell'intervallo desiderato. È importante notare che il metodo di regolazione del pH mira principalmente all’incrostazione del CaCO3 ed è inefficace contro altri tipi di sostanze incrostanti.

2. Metodo di aggiunta degli inibitori di scala

Come accennato in precedenza, l'aggiunta di inibitori del calcare può consentire alle membrane RO di tollerare valori LSI più elevati. Tuttavia, gli inibitori dell’incrostazione RO tendono ad essere costosi, con prodotti nazionali che vanno da 0,008 a 0,012 RMB/g e prodotti concentrati di marca internazionale che costano tra 0,055 e 0,075 RMB/g, con conseguenti costi operativi elevati.

Inoltre, sul mercato esistono numerosi tipi di inibitori delle incrostazioni e alcuni produttori promuovono costantemente concetti nuovi e non provati, creando confusione nella scelta di un inibitore delle incrostazioni. Generalmente, gli inibitori di incrostazione commerciali maturi possono essere classificati in tre categorie: inibitori di incrostazione a base di fosforo, inibitori di incrostazione a base di polimeri e inibitori di incrostazione rispettosi dell'ambiente.

• Inibitori delle incrostazioni a base di fosforo: Questi includono inibitori di fosfati inorganici (come tripolifosfato di sodio o esametafosfato di sodio) e inibitori di fosfonati organici (come acido idrossietilidendifosfonico, acido ammino-trimetilenfosfonico e derivati ​​dell'acido fosfonico). Gli inibitori inorganici del fosfato contengono anioni a catena lunga e sono soggetti all'idrolisi, soprattutto a temperature più elevate. Quando idrolizzati, formano sali di acido fosforico, che possono reagire con gli ioni calcio per formare Ca3(PO4)2, una scaglia con un prodotto di solubilità inferiore rispetto a CaCO3. Pertanto gli inibitori inorganici dei fosfati non sono adatti per l'acqua con temperature elevate o con elevate concentrazioni di ioni calcio.

• Inibitori delle incrostazioni di fosfonati organici: Questi inibitori contengono fosfonati organici, tipicamente caratterizzati dal legame C-O-P. Se esposti ad alte temperature e ambienti alcalini, i fosfonati organici possono idrolizzarsi in esteri fosforici e alcoli, riducendo significativamente la loro efficienza di inibizione del ridimensionamento. Di conseguenza, i fosfonati organici non sono adatti per l'uso in acqua con temperature elevate o valori di pH elevati.

Gli inibitori delle incrostazioni a base polimerica sono principalmente suddivisi in inibitori polimerici anionici e cationici. Il primo viene utilizzato principalmente per prevenire la formazione di incrostazioni da parte degli ioni metallici, mentre il secondo viene utilizzato principalmente per inibire la formazione di incrostazioni della silice. Gli ingredienti principali degli inibitori a base polimerica sono l'acido acrilico e l'acido maleico e durante la formulazione nelle molecole vengono introdotti vari gruppi funzionali. Di conseguenza, gli inibitori delle incrostazioni polimeriche sono disponibili in varie formulazioni. Quando si utilizzano questi inibitori è importante considerare non solo le condizioni di qualità dell'acqua ma anche la tipologia di incrostazioni presenti. Ad esempio, gli inibitori polimerici con gruppi carbossilici mirano principalmente al ridimensionamento del calcio, gli inibitori polimerici a base di acido solfonico sono utilizzati principalmente per il ridimensionamento di ossidi metallici e gli inibitori polimerici a base di ammina sono efficaci per il ridimensionamento della silice. Pertanto, gli inibitori delle incrostazioni polimeriche non sono agenti ad ampio spettro; sono progettati per affrontare le carenze degli inibitori ad ampio spettro. Inoltre, poiché il componente principale degli inibitori a base polimerica è un polimero, sono suscettibili all’ossidazione da parte del cloro e di altri biocidi ossidativi, che possono renderli inefficaci. Pertanto, prima di aggiungere questi inibitori, è necessario neutralizzare l'eventuale cloro residuo presente nell'acqua mediante l'aggiunta di un agente riducente.

Gli inibitori dell'incrostazione ambientale contengono tipicamente ingredienti attivi come acido poliaspartico, acido poliepossisuccinico e loro derivati. Questi inibitori vengono utilizzati principalmente per affrontare le incrostazioni a base di calcio come CaCO3, CaSO4 e CaF2. Il vantaggio di questi inibitori è che possono tollerare concentrazioni relativamente elevate di ioni calcio. Ad esempio, anche quando la concentrazione di ioni calcio raggiunge i 500 mg/l, è comunque possibile ottenere un’inibizione superiore all’80% della formazione di calcare. Tuttavia, questi inibitori richiedono dosaggi più elevati, causano cambiamenti significativi nel pH dell'acqua e sono meno efficaci a temperature inferiori a 40°C. Poiché la temperatura massima consentita dell'acqua di alimentazione per le membrane ad osmosi inversa è 35-40°C, questi inibitori generalmente non sono adatti per l'uso nei sistemi ad osmosi inversa ma sono più comunemente utilizzati nei sistemi ad acqua di raffreddamento.

3. Calcolo del dosaggio

Come accennato in precedenza, la tendenza dell'acqua a incrostarsi dipende dal valore dell'indice di saturazione di Langelier (LSI). Pertanto, sia che si utilizzi il dosaggio dell'acido per regolare il pH o si aggiungano inibitori del calcare per prevenire il calcare della membrana ad osmosi inversa, l'essenza è controllare l'LSI dell'acqua. Il calcolo dell’LSI è il seguente:

Nella formula:

• pH è il valore pH misurato del concentrato di osmosi inversa.
• pH_s è il valore del pH di saturazione corrispondente al sistema carbonatico nell'acqua alla temperatura effettiva dell'acqua, noto come pH di saturazione.

IL pH del concentrato di osmosi inversa può essere facilmente ottenuto tramite strumenti online o misurazione manuale. Pertanto, la chiave per calcolare l’LSI è determinante pH_s . Secondo il Metodi standard per l'esame delle acque e delle acque reflue , pH_s può essere calcolato utilizzando la seguente formula.

Nella formula:

• A è il coefficiente dei solidi disciolti totali (TDS).
• B è il coefficiente di temperatura dell'acqua.
• C è il coefficiente di durezza del calcio.
• D è il coefficiente di alcalinità totale.

I metodi di calcolo per A , B , C , E D sono i seguenti.

• TDS è il contenuto totale di solidi disciolti nel concentrato di osmosi inversa, in mg/L.
• t è la temperatura del concentrato di osmosi inversa, in °C.
• Ca è la durezza del calcio del concentrato di osmosi inversa, espressa come CaCO3, in mg/L.
• C_alcalinità totale è l'alcalinità totale del concentrato di osmosi inversa, espressa come CaCO3, in mg/L.

Utilizzando l'esempio menzionato in precedenza, dove pH = 7,5 , TDS = 2000 mg/l , temperatura t = 25°C , durezza del calcio Ca = 200 mg/L , E alcalinità totale C_alcalinità totale = 150 mg/L , il processo di calcolo dell’LSI è il seguente:

Ciò è in linea con l’affermazione precedente, dove in queste condizioni CaCO3 è quasi saturo. Inoltre possiamo osservare che il calcolo del dosaggio può essere espresso mediante le tre formule seguenti.

Il metodo di applicazione specifico è il seguente:

Per prima cosa misuriamo il TDS, la temperatura t , durezza del calcio Cca e alcalinità totale C_alcalinità totale del concentrato di osmosi inversa. Quindi, utilizzando la formula, calcoliamo pH_s .

• Se pH_s ≥ pH , non sono necessari ulteriori aggiustamenti o inibitori della scala per prevenire la formazione di calcare.
• Se pH_s < pH , ci assicuriamo che dopo aver regolato il pH, il pH dell'acqua di alimentazione ad osmosi inversa non scenda al di sotto di 6,5 (poiché un pH inferiore può provocare acqua prodotta dall'osmosi inversa acida). In questo caso possiamo regolare il pH aggiungendo acido fino a pH_s ≥ pH . Questo è applicabile solo quando pH_s ≥ 6,5 . Se pH_s < 6,5 , dobbiamo regolare il pH con l'acido finché non raggiunge 6,5 o anche meno, il che farà sì che l'acqua prodotta dall'osmosi inversa diventi acida.
• Se pH_s < 6,5 , devono essere aggiunti inibitori di incrostazione.

È importante notare che, come accennato in precedenza, il dosaggio dell’acido per l’aggiustamento del pH è principalmente mirato CaCO3 ridimensionamento ed è inefficace per altri tipi di ridimensionamento. Per altre sostanze incrostanti è necessario un inibitore del calcare per il controllo.

Affinché il dosaggio dell'acido possa regolare il pH, il dosaggio può essere controllato attraverso il pH effettivamente misurato. Per quanto riguarda il dosaggio degli inibitori dell’incrostazione, ricerche approfondite da parte di studiosi nazionali e internazionali hanno dimostrato che:

• Quando il dosaggio dell'inibitore del calcare è inferiore 2,5 g/m³ , l'efficienza di inibizione è relativamente bassa.
• Quando il dosaggio supera 3,0 g/m³ , l'efficienza dell'inibizione non migliora più in modo significativo.

Pertanto, il dosaggio ottimale dell'inibitore delle incrostazioni è compreso tra 2,5-3,0 g/m³ , come mostrato nel grafico seguente.

In sintesi, quando si prevengono le incrostazioni della membrana ad osmosi inversa, dovremmo prima calcolare l'LSI del concentrato per osmosi inversa utilizzando le formule fornite in questo articolo per valutare se è probabile che si verifichino incrostazioni. In secondo luogo dobbiamo analizzare le principali sostanze incrostanti presenti nel permeato, che possono essere determinate testando indicatori come Ca²⁺, Mg²⁺, HCO₃⁻, Ba²⁺, SiO₂, ecc. Questa analisi ci consente di prendere decisioni mirate sull'opportunità di regolare il pH con acido o aggiungere inibitori del calcare. Se è necessario un inibitore delle incrostazioni, dovremmo determinare il tipo e il dosaggio appropriati dell'inibitore da utilizzare.