Công nghệ thẩm thấu ngược (RO) được sử dụng rộng rãi trong xử lý nước do những ưu điểm của nó, chẳng hạn như tốc độ khử muối ổn định, dấu chân nhỏ, tự động hóa và khả năng mở rộng. Tuy nhiên, việc đóng cặn là một vấn đề rắc rối đối với nhân viên xử lý nước trong quá trình vận hành màng. Việc thu nhỏ cặn có thể dẫn đến giảm thông lượng màng, tăng mức tiêu thụ năng lượng, tốc độ khử muối thấp hơn và giảm tuổi thọ màng, từ đó làm tăng chi phí vận hành. Vì vậy cần phải có biện pháp ngăn chặn sự co giãn của màng. Các phương pháp ức chế cặn phổ biến bao gồm hai phương pháp chính: điều chỉnh độ độ độ pH của nước cấp RO và thêm chất ức chế cặn vào nước cấp. Cả hai phương pháp cũng có thể được sử dụng cùng nhau. Bài viết này thảo luận về cơ chế ức chế mở rộng và cung cấp các phương pháp để lựa chọn phương pháp ức chế và tính toán liều lượng cần thiết.
1. Cơ chế ức chế cặn
Tỉ lệ màng là sự kết tủa của các chất hòa tan kém, chẳng hạn như CaCO3, CaSO4, BaSO4 và Ca3(PO4)2 trên bề mặt màng. Khi các chất này tập trung trong hệ thống RO, chúng có thể đạt đến mức siêu bão hòa. Ví dụ, ở pH=7,5 và nhiệt độ nước 25°C, khi độ cứng canxi (được đo bằng CaCO3) là 200 mg/L và tổng độ kiềm (được đo bằng CaCO3) là 150 mg/L, CaCO3 sẽ đạt đến mức siêu bão hòa. Tương tự, ở pH=7,5 và nhiệt độ nước 25°C, khi nồng độ ion bari chỉ là 0,01 mg/L và ion sunfat là 4,5 mg/L, BaSO4 sẽ trở nên siêu bão hòa và kết tủa.
Cơ chế ức chế tỉ lệ của các chất ức chế tỉ lệ thẩm thấu ngược chủ yếu liên quan đến sự tạo phức, phân tán, biến dạng mạng và hiệu ứng ngưỡng.
Tạo phức và hòa tan: Chất ức chế cặn có thể tạo thành phức chất hòa tan với các cation cặn trong nước như ion canxi, magie và bari, ngăn chặn sự hình thành CaCO3, CaSO4, BaSO4 và Ca3(PO4)2.
Đông tụ và phân tán: Các anion được giải phóng bởi chất ức chế cặn bám vào tinh thể CaCO3. Do các chất gây ô nhiễm trong nước thải công nghiệp thường mang điện tích âm, các điện tích cùng dấu đẩy nhau, tạo ra lực đẩy tĩnh điện ngăn cản các tinh thể CaCO3 kết tụ và phát triển thành các hạt lớn hơn. Các tinh thể được phân tán đồng đều trong dung dịch, do đó ức chế sự hình thành cặn CaCO3.
Biến dạng mạng: Trong quá trình kết tụ và phát triển của vi tinh thể CaCO3, chất ức chế cặn được tích hợp vào mạng tinh thể hoặc tại mặt phân cách tinh thể, gây ra biến dạng mạng. Điều này trực tiếp ức chế hoặc làm biến dạng sự phát triển của tinh thể. Ví dụ, CaCO3 được hình thành bởi các ion canxi tích điện dương và các ion bicarbonate tích điện âm, chúng phát triển theo một hướng cụ thể. Trong quá trình phát triển của chúng, chất ức chế cáu cặn được tích hợp vào mạng tinh thể, làm tăng ứng suất bên trong tinh thể. Khi lực căng đạt đến một ngưỡng nhất định, tinh thể sẽ vỡ, ngăn cản sự hình thành tinh thể.
Hiệu ứng ngưỡng: Các chất ức chế cáu cặn làm gián đoạn quá trình kết tụ và sắp xếp của các vi tinh thể CaCO3, CaSO4, BaSO4, Ca3(PO4)2, do đó ngăn chặn sự kết tủa.
2. Lựa chọn phương pháp ức chế mở rộng quy mô
Chỉ số chính được sử dụng để đánh giá nguy cơ co giãn trong hệ thống thẩm thấu ngược (RO) là Chỉ số bão hòa Langelier (LSI). Khi LSI < 0, nước không có xu hướng đóng cặn (mặc dù nó có thể bị ăn mòn nhẹ). Khi LSI ≥ 0, nước dễ bị đóng cặn. Phương pháp điều chỉnh độ pH ngăn ngừa sự đóng cặn bằng cách hạ thấp độ pH của nước cấp, do đó chuyển LSI từ lớn hơn 0 xuống dưới 0. Việc bổ sung chất ức chế cặn có thể ngăn ngừa sự đóng cặn ngay cả khi LSI ≥ 0, vì các vi tinh thể không hòa tan trong nước không thể phát triển, kết tụ, hoặc kết tủa. Cơ chế chính của sự ức chế này là bốn cơ chế được mô tả ở trên. Hiện tại, các sản phẩm chất ức chế cặn trong nước có thể đảm bảo rằng các chất không hòa tan không kết tủa ngay cả khi LSI = 3. Các chất ức chế thương hiệu hàng đầu quốc tế có thể đảm bảo không có kết tủa ở LSI = 5. Tuy nhiên, điều quan trọng là phải thận trọng khi mua chất ức chế, vì một số nhà cung cấp trong nước nhập khẩu tập trung các chất ức chế thương hiệu quốc tế và pha loãng chúng với một lượng lớn nước, dẫn đến sự khác biệt đáng kể về hiệu suất ức chế cặn thực tế, ngay cả khi sản phẩm được dán nhãn LSI = 5.
1. Phương pháp điều chỉnh pH
Để đảm bảo sản xuất nước thấm đủ tiêu chuẩn, độ pH của nước cấp RO thường được kiểm soát trong khoảng từ 6 đến 9, với một số công ty thực hiện kiểm soát tinh tế hơn trong phạm vi hẹp hơn, chẳng hạn như 7,0 đến 8,5. Độ pH cực thấp hoặc cao trong nước cấp có thể ngăn cản màng RO thấm vào đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng nước cần thiết. Do đó, phương pháp điều chỉnh độ pH để ức chế đóng cặn giả định rằng độ pH thấm qua RO sẽ nằm trong phạm vi mong muốn. Điều quan trọng cần lưu ý là phương pháp điều chỉnh độ pH chủ yếu nhằm mục đích tạo cặn CaCO3 và không hiệu quả đối với các loại chất cặn khác.
2. Phương pháp bổ sung chất ức chế cặn
Như đã đề cập trước đó, việc bổ sung chất ức chế cặn có thể cho phép màng RO chịu được giá trị LSI cao hơn. Tuy nhiên, chất ức chế cặn RO có xu hướng đắt tiền, với các sản phẩm trong nước dao động từ 0,008 đến 0,012 RMB/g và các sản phẩm đậm đặc thương hiệu hàng đầu quốc tế có giá từ 0,055 đến 0,075 RMB/g, dẫn đến chi phí vận hành cao.
Ngoài ra, trên thị trường có rất nhiều loại chất ức chế cặn và một số nhà sản xuất liên tục quảng bá các khái niệm mới, chưa được chứng minh, dẫn đến nhầm lẫn khi lựa chọn chất ức chế cặn. Nói chung, chất ức chế cặn thương mại trưởng thành có thể được phân thành ba loại: chất ức chế cặn phốt pho, chất ức chế cặn gốc polymer và chất ức chế cặn thân thiện với môi trường.
-
Chất ức chế cặn phốt pho: Chúng bao gồm các chất ức chế phốt phát vô cơ (như natri tripolyphosphate hoặc natri hexametaphosphate) và các chất ức chế phosphonate hữu cơ (như axit hydroxyethylidene diphosphonic, axit amino-trimethylenephosphonic và các dẫn xuất của axit photphonic). Các chất ức chế photphat vô cơ chứa các anion chuỗi dài và dễ bị thủy phân, đặc biệt ở nhiệt độ cao hơn. Khi bị thủy phân, chúng tạo thành muối axit photphoric, có thể phản ứng với các ion canxi để tạo thành Ca3(PO4)2, chất có độ hòa tan thấp hơn CaCO3. Vì vậy, chất ức chế photphat vô cơ không phù hợp với nước có nhiệt độ cao hoặc nồng độ ion canxi cao.
-
Chất ức chế cặn Phosphonate hữu cơ: Những chất ức chế này chứa phosphonate hữu cơ, thường được đặc trưng bởi liên kết C-O-P. Khi tiếp xúc với nhiệt độ cao và môi trường kiềm, phosphonate hữu cơ có thể thủy phân thành este photphoric và rượu, làm giảm đáng kể hiệu quả ức chế đóng cặn của chúng. Do đó, phosphonate hữu cơ không thích hợp để sử dụng trong nước có nhiệt độ cao hoặc giá trị pH cao.
Các chất ức chế cặn dựa trên polyme chủ yếu được chia thành các chất ức chế polyme anion và cation. Loại thứ nhất chủ yếu được sử dụng để ngăn chặn sự đóng cặn của ion kim loại, trong khi loại thứ hai chủ yếu được sử dụng để ức chế sự đóng cặn của silica. Thành phần chính trong chất ức chế gốc polyme là axit acrylic và axit maleic, và trong quá trình tạo công thức, nhiều nhóm chức năng khác nhau được đưa vào phân tử. Kết quả là chất ức chế cặn polyme có nhiều công thức khác nhau. Khi sử dụng các chất ức chế này, điều quan trọng là phải xem xét không chỉ điều kiện chất lượng nước mà còn cả các loại cặn hiện có. Ví dụ, chất ức chế polyme có nhóm cacboxyl chủ yếu nhắm vào việc đánh cặn canxi, chất ức chế polyme gốc axit sulfonic chủ yếu được sử dụng để đánh cặn oxit kim loại và chất ức chế polyme gốc amin có hiệu quả để đánh cặn silica. Do đó, chất ức chế cặn polyme không phải là tác nhân có phổ rộng; chúng được thiết kế để giải quyết những thiếu sót của các chất ức chế phổ rộng. Ngoài ra, do thành phần chính của chất ức chế gốc polyme là polyme nên chúng dễ bị oxy hóa bởi clo và các chất diệt khuẩn oxy hóa khác, có thể khiến chúng không hiệu quả. Vì vậy, trước khi thêm các chất ức chế này, trước tiên cần phải trung hòa lượng clo dư trong nước bằng cách thêm chất khử.
Các chất ức chế cặn môi trường thường chứa các hoạt chất như axit polyaspartic, axit polyepoxysuccinic và các dẫn xuất của chúng. Các chất ức chế này chủ yếu được sử dụng để xử lý các cặn canxi như CaCO3, CaSO4 và CaF2. Ưu điểm của các chất ức chế này là chúng có thể chịu được nồng độ ion canxi tương đối cao. Ví dụ, ngay cả khi nồng độ ion canxi đạt tới 500 mg/L, chúng vẫn có thể ức chế hơn 80% sự đóng cặn canxi. Tuy nhiên, những chất ức chế này đòi hỏi liều lượng cao hơn, gây ra những thay đổi đáng kể về độ pH của nước và kém hiệu quả hơn ở nhiệt độ dưới 40°C. Vì nhiệt độ nước cấp tối đa cho phép đối với màng thẩm thấu ngược là 35-40°C nên các chất ức chế này thường không thích hợp để sử dụng trong hệ thống thẩm thấu ngược nhưng được sử dụng phổ biến hơn trong hệ thống nước làm mát.
3. Tính liều lượng
Như đã đề cập trước đó, nước có dễ bị đóng cặn hay không phụ thuộc vào giá trị Chỉ số bão hòa Langelier (LSI). Do đó, cho dù sử dụng liều lượng axit để điều chỉnh độ pH hay thêm chất ức chế cặn để ngăn ngừa cặn màng thẩm thấu ngược, bản chất là kiểm soát LSI của nước. Việc tính toán LSI như sau:
Trong công thức:
- pH là giá trị pH đo được của chất cô đặc thẩm thấu ngược.
- pH_s là giá trị pH bão hòa tương ứng với hệ cacbonat trong nước ở nhiệt độ nước thực tế, gọi là pH bão hòa.
các pH của chất cô đặc thẩm thấu ngược có thể dễ dàng thu được thông qua các công cụ trực tuyến hoặc đo thủ công. Vì vậy, mấu chốt để tính LSI là xác định pH_s . Theo Phương pháp tiêu chuẩn để kiểm tra nước và nước thải , pH_s có thể được tính bằng công thức sau.
Trong công thức:
- MỘT là hệ số tổng chất rắn hòa tan (TDS).
- B là hệ số nhiệt độ nước.
- C là hệ số độ cứng canxi.
- D là hệ số kiềm tổng cộng.
Các phương pháp tính toán cho MỘT , B , C , Và D như sau.
- TDS là tổng hàm lượng chất rắn hòa tan trong chất cô đặc thẩm thấu ngược, tính bằng mg/L.
- t là nhiệt độ của chất cô đặc thẩm thấu ngược, tính bằng °C.
- Cca là độ cứng canxi của chất cô đặc thẩm thấu ngược, biểu thị bằng CaCO3, tính bằng mg/L.
- C_tổng độ kiềm là tổng độ kiềm của chất cô đặc thẩm thấu ngược, biểu thị bằng CaCO3, tính bằng mg/L.
Sử dụng ví dụ được đề cập trước đó, trong đó pH = 7,5 , TDS = 2000 mg/L , nhiệt độ t = 25°C , độ cứng canxi Cca = 200 mg/L , Và tổng độ kiềm C_tổng độ kiềm = 150 mg/L , quá trình tính toán LSI như sau:
Điều này phù hợp với tuyên bố trước đó, trong đó ở những điều kiện này, CaCO3 gần như bão hòa. Hơn nữa, chúng ta có thể quan sát thấy rằng việc tính toán liều lượng có thể được biểu thị bằng ba công thức sau.
Cách áp dụng cụ thể như sau:
Đầu tiên, chúng tôi đo TDS, nhiệt độ t , độ cứng canxi Cca , và tổng độ kiềm C_tổng độ kiềm của cô đặc thẩm thấu ngược. Sau đó, sử dụng công thức, chúng tôi tính toán pH_s .
- Nếu như pH_s ≥ pH , không cần điều chỉnh thêm hoặc ức chế cặn để ngăn ngừa cặn canxi.
- Nếu như pH_s < pH , chúng tôi đảm bảo rằng sau khi điều chỉnh độ pH, độ pH của nước cấp thẩm thấu ngược không giảm xuống dưới 6,5 (vì độ pH thấp hơn có thể dẫn đến nước sản phẩm thẩm thấu ngược có tính axit). Trong trường hợp này, chúng ta có thể điều chỉnh độ pH bằng cách thêm axit cho đến khi pH_s ≥ pH . Điều này chỉ được áp dụng khi pH_s ≥ 6,5 . Nếu như pH_s < 6,5 , chúng ta cần điều chỉnh độ pH bằng axit cho đến khi đạt 6,5 hoặc thậm chí thấp hơn sẽ khiến nước sản phẩm thẩm thấu ngược trở nên có tính axit.
- Nếu như pH_s < 6,5 , chất ức chế cặn phải được thêm vào.
Điều quan trọng cần lưu ý là, như đã đề cập trước đó, liều lượng axit để điều chỉnh độ pH chủ yếu nhằm vào mục tiêu CaCO3 chia tỷ lệ và không hiệu quả đối với các kiểu chia tỷ lệ khác. Đối với các chất tạo cặn khác, cần có chất ức chế cặn để kiểm soát.
Để điều chỉnh liều lượng axit, liều lượng có thể được kiểm soát thông qua độ pH đo thực tế. Về liều lượng thuốc ức chế cặn, nghiên cứu sâu rộng của các học giả trong nước và quốc tế đã chỉ ra rằng:
- Khi liều lượng chất ức chế quy mô thấp hơn 2,5 g/m³ , hiệu quả ức chế tương đối thấp.
- Khi vượt quá liều lượng 3,0 g/m³ , hiệu quả ức chế không còn được cải thiện đáng kể.
Vì vậy, liều lượng tối ưu của chất ức chế cặn là giữa 2,5-3,0 g/m³ , như thể hiện trong biểu đồ sau.
Tóm lại, khi ngăn chặn sự co giãn của màng thẩm thấu ngược, trước tiên chúng ta nên tính toán LSI của chất cô đặc thẩm thấu ngược bằng cách sử dụng các công thức được cung cấp trong bài viết này để đánh giá xem liệu có khả năng xảy ra sự co giãn hay không. Thứ hai, chúng ta cần phân tích các chất đóng cặn chính trong nước thấm, có thể được xác định bằng các chỉ số thử nghiệm như Ca²⁺, Mg²⁺, HCO₃⁻, Ba²⁺, SiO₂, v.v. Phân tích này cho phép chúng ta đưa ra quyết định có chủ đích về việc có nên điều chỉnh pH bằng axit hoặc thêm chất ức chế cặn. Nếu cần chất ức chế cặn, chúng ta nên xác định loại và liều lượng thích hợp của chất ức chế sẽ sử dụng.
