Como evitar incrustações e escala nos sistemas de osmose reversa? Compreendendo o impacto da polarização da concentração

Polarização de concentração (CP)

A polarização da concentração refere -se aos efeitos adversos causados ​​pelo acúmulo contínuo de solutos na superfície da membrana, o que prejudica o desempenho da membrana. À medida que a água permeia através da membrana, a solução de alimentação (contendo água e solutos) é transportada para a superfície da membrana. Quando a água purificada passa pela membrana, os solutos se acumulam perto da superfície da membrana. ① Na filtração da membrana, as partículas entram em contato com a membrana e formam uma camada de bolo de filtro. ② Devido ao mecanismo de remoção distinto de osmose reversa (RO), os solutos na solução formam uma camada limite de alta concentração na superfície da membrana. Isso resulta em polarização da concentração, tornando a concentração de soluto na superfície da membrana mais alta do que a da solução a granel dentro do canal de alimentação.

Efeitos adversos da polarização da concentração no desempenho de RO
① A alta concentração de soluto na superfície da membrana aumenta o gradiente de pressão osmótica, reduzindo o fluxo de água.
② Gradientes elevados de concentração e fluxo de água reduzido aumentam a transferência de massa de soluto através da membrana, diminuindo as taxas de rejeição.
③ Os limites de solubilidade dos solutos podem ser excedidos, levando à precipitação e escala.

Incrustação e escala em osmose inversa

As membranas de nanofiltração (NF) e RO são suscetíveis a incrustação por vários mecanismos. As fontes primárias de incrustação e escala incluem material particulado, precipitação de sais inorgânicos insolúveis, oxidação de metais solúveis e substâncias biológicas.

1. Filtração particulada

Os ciclos de operação de RO não incluem retrolavagem para remover matéria de partículas acumuladas (de fato, a lavagem pode causar a delaminação da camada ativa da camada de suporte em membranas compostas de filmão fino). A incrustação de partículas é uma grande preocupação nos sistemas de RO. Quase todos os sistemas de RO exigem pré -tratamento para minimizar a incrustação de partículas, pois as partículas residuais prejudicam a eficiência da limpeza.

Substâncias inorgânicas e orgânicas, incluindo componentes microbianos e detritos biológicos, podem causar incrustações de partículas, levando à formação de bloqueio e filtro. O bloqueio ocorre quando partículas grandes na solução de alimentação estão presas nos canais de alimentação e na tubulação. O pré-tratamento da solução de alimentação usando pré-filtração pode reduzir o bloqueio. Os fabricantes de membranas RO recomendam o uso de filtros de cartucho de 5μM como uma etapa mínima de pré -tratamento para proteger os módulos de membrana.

O material particulado forma uma camada de bolo de filtro na superfície da membrana, aumentando a resistência hidráulica e afetando o desempenho do sistema. Alimentar a água propensa a participar de incrustação requer pré -tratamento avançado para reduzir as concentrações de partículas a níveis aceitáveis. Coagulação, filtração (usando areia, carbono ou outro meio) e, às vezes, microfiltração (MF) ou ultrafiltração (UF) são empregados como métodos de pré -tratamento.

2.precipitação e escala de sais inorgânicos
A escala inorgânica ocorre quando os sais na solução excedem seus limites de solubilidade e precipitam. A precipitação ocorre quando os íons que constituem esses sais estão concentrados além de seus produtos de solubilidade, particularmente em áreas de alta concentração perto da superfície da membrana, exacerbando a polarização da concentração. A escala inorgânica na superfície da membrana reduz a permeabilidade à água ou causa danos irreversíveis à membrana.

Na ausência de pré -tratamento, a precipitação deve ser evitada minimizando a polarização da concentração, limitando a taxa de rejeição de sal ou a taxa de recuperação. A polarização da concentração pode ser reduzida aumentando o fluxo turbulento nos canais de alimentação e mantendo as velocidades mínimas de fluxo especificadas pelos fabricantes de equipamentos. A limitação das taxas de rejeição de sal é impraticável devido a metas de engenharia conflitantes, mas geralmente é necessário restringir as taxas de recuperação para evitar a precipitação. A taxa máxima de recuperação permitida antes que a precipitação do sal ocorra seja definida como a taxa de recuperação permitida, com a precipitação iniciando o sal denominada "sal crítico". As escalas comuns nas aplicações de tratamento de água incluem carbonato de cálcio (caco₃) e sulfato de cálcio (caso₄).

O pré -tratamento é essencial para todos os sistemas práticos de RO para impedir que a escala de sais com moderação solúvel. A precipitação de carbonato de cálcio é predominante; portanto, a maioria dos sistemas requer pré -tratamento para este composto. A acidificação da solução de alimentação para ajustar o pH converte íons carbonatos em bicarbonato e dióxido de carbono, impedindo a precipitação de caco₃. Os ácidos sulfúrico e clorídrico são comumente usados, embora o ácido sulfúrico possa aumentar as concentrações de sulfato, levando à escala de sulfato. A maioria das soluções de alimentação RO é ajustada para pH 5,5-6,0, onde a maioria dos carbonatos existe como CO₂ e permeia através da membrana.

A escala de outros sais críticos é tipicamente evitada usando inibidores de escala. Esses inibidores impedem a formação e o crescimento do cristal, suprimindo a precipitação mesmo em condições supersaturadas. O grau permitido de supersaturação depende das propriedades do inibidor, geralmente proprietárias e específicas para configurações de equipamentos. A seleção de inibidores apropriados deve seguir as recomendações do fabricante de equipamentos e inibidores, com análise de água de alimentação específica do local e projeto da taxa de recuperação.

Além da acidificação e dos inibidores, as instalações modernas incorporam medidas para reduzir o volume de águas residuais concentradas e aumentar a recuperação da água, atenuando ainda mais a escala.

3. Incrustação de óxido de metal
A água subterrânea, uma fonte de alimentação RO/NF comum, é frequentemente anaeróbica. Os compostos dissolvidos de ferro e manganês são oxidados e precipitados quando os oxidantes entram na solução de alimentação, incrustando membranas. A incrustação de ferro é mais frequente e ocorre rapidamente na entrada aérea. A oxidação ou remoção de ferro/manganês oxidado pode evitar incrustações. Para baixas concentrações de ferro, a prevenção de entrada de ar é suficiente; Os inibidores da escala geralmente incluem aditivos para mitigar incrustações de ferro de baixa concentração. O pré-tratamento de ferro envolve oxidação com oxigênio ou cloro, seguido de mistura, tempo de retenção hidráulica adequada e filtração de oxidação em meios granulares ou filtros de membrana. Ao usar oxidantes, o contato com membranas-especialmente poliamida ou materiais sensíveis à oxidação-deve ser evitado. Limpadores comerciais e protocolos de limpeza podem remover depósitos de ferro das membranas RO.

Outro componente nas águas subterrâneas anaeróbicas é o sulfeto de hidrogênio (H₂S). A entrada de ar oxida H₂s em enxofre coloidal, incrustando membranas. Como na oxidação do ferro, a prevenção de entrada de ar é fundamental para evitar incrustações de enxofre. Depósitos de enxofre em membranas são frequentemente irreversíveis.

4. Incrustação biológica
A incrustação biológica refere -se à ligação ou crescimento de microorganismos ou substâncias solúveis extracelulares na superfície da membrana ou nos canais de alimentação. Comum nos sistemas de RO, ele degrada o desempenho reduzindo o fluxo, reduzindo as taxas de rejeição, aumentando a queda de pressão nos módulos, contaminando o permeado, degradando materiais de membrana e a vida útil da membrana.

A incrustação biológica pode ser evitada mantendo as condições operacionais ideais, aplicando biocidas e lavando periodicamente os módulos de membrana ociosa. Muitas soluções de alimentação RO/NF (normalmente águas subterrâneas) têm baixas cargas microbianas. A operação adequada garante forças de cisalhamento nos canais de alimentação impedem o acúmulo bacteriano excessivo. No entanto, os micróbios proliferam rapidamente durante os períodos ociosos. Para mitigar isso, é necessária uma descarga periódica com permeado ou adição de biocidas durante os desligamentos. As soluções de cloro dentro dos limites recomendadas servem como biocidas para as membranas de acetato de celulose, mas as membranas de poliamida - suscetíveis à degradação do cloro - alternativas de solicitação como bissulfito de sódio.

Para membranas de acetato de celulose, a cloração contínua em concentrações controladas pode. Para membranas de poliamida, a irradiação ultravioleta, cloraminação ou descloração pós-cloração pode ser empregada.

Conclusão
O pré -tratamento é fundamental para evitar escala e incrustação. Os métodos comuns incluem acidificação e inibidores de escala para evitar precipitação e filtração do sal para bloquear a matéria particulada. As fontes de água de alimentação limpa (por exemplo, água subterrânea) podem exigir apenas a filtração do cartucho antes das unidades de membrana, enquanto a ingestão de água superficial exige métodos avançados de filtração, incluindo coagulação, floculação, sedimentação e filtração granular ou de membrana. Como o desempenho da membrana depende da eficácia do pré -tratamento, a seleção e o design adequados dos trens de pré -tratamento são essenciais.