مبدأ العمل للجرعات في كل مرحلة من مراحل عملية التناضح العكسي
أثناء عملية التناضح العكسي، عندما يتجاوز الملح غير القابل للذوبان حد التشبع، فإنه سوف يترسب من الماء المركز، ويشكل قشورًا على سطح الغشاء، ويقلل تدفق غشاء RO، ويزيد من ضغط التشغيل وانخفاض الضغط، ويسبب المنتج نوعية المياه إلى التدهور. وتسمى هذه الظاهرة المتمثلة في تكوين طبقة رسوبية على سطح الغشاء بالتلوث الغشائي، ونتيجة للتلوث الغشائي هو تدهور أداء النظام.
من الضروري المعالجة المسبقة للمياه الخام قبل دخولها إلى نظام غشاء التناضح العكسي لإزالة المواد الصلبة العالقة والمواد العضوية القابلة للذوبان ومكونات الملح غير القابلة للذوبان الزائدة التي قد تسبب تلوث غشاء التناضح العكسي وتقليل ميل تلوث الغشاء. الغرض من المعالجة المسبقة للمياه المتدفقة هو تحسين جودة المياه المتدفقة وضمان التشغيل الموثوق لغشاء RO.
ينعكس تأثير المعالجة المسبقة للمياه الخام في تخفيض القيمة المطلقة لمؤشرات جودة المياه مثل TSS وTOC وCOD وBOD وLSI والملوثات مثل الحديد والمنغنيز والألمنيوم والسيليكون والباريوم والسترونتيوم.
هناك مؤشر مهم آخر لجودة المياه يميز ميل تلوث الأغشية وهو SDI. بالإضافة إلى تقليل المؤشرات المذكورة أعلاه إلى النطاق المطلوب من قبل نظام غشاء التناضح العكسي الذي يدخل المياه من خلال المعالجة المسبقة، من المهم أيضًا تقليل SDI قدر الإمكان. يجب أن تكون قيمة SDI المثالية (15 دقيقة) أقل من 3.
من أجل تحسين الأداء التشغيلي لنظام التناضح العكسي، يمكن إضافة العوامل التالية إلى الماء الداخل: الحمض، القلوي، مبيد الجراثيم، مثبط القشور والمشتت.
يمكن إضافة حمض الهيدروكلوريك وحمض الكبريتيك إلى الماء الداخل لتقليل الرقم الهيدروجيني. حمض الكبريتيك رخيص الثمن، ولا يدخن ويؤدي إلى تآكل المكونات المعدنية المحيطة به، كما أن الغشاء لديه معدل إزالة لأيونات الكبريتات أعلى من أيونات الكلوريد، لذلك يستخدم حمض الكبريتيك أكثر شيوعًا من حمض الهيدروكلوريك.
حمض الكبريتيك الصناعي بدون إضافات أخرى مناسب للتناضح العكسي. يحتوي حمض الكبريتيك التجاري على مواصفتين للتركيز هما 20% و93%. 93% حمض الكبريتيك ويسمى أيضا 66 درجة بوم حمض الكبريتيك. كن حذرًا عند تخفيف حمض الكبريتيك بنسبة 93%. عند تخفيفه إلى 66%، يمكن للحرارة رفع درجة حرارة المحلول إلى 138 درجة. ويجب إضافة الحمض إلى الماء ببطء مع التحريك لمنع المحلول المائي من التسخين والغليان محلياً.
يستخدم حمض الهيدروكلوريك في المقام الأول عندما يكون من المحتمل تقشر كبريتات الكالسيوم أو كبريتات السترونتيوم. يؤدي استخدام حامض الكبريتيك إلى زيادة تركيز أيون الكبريتات في مياه التغذية RO، مما يؤدي بشكل مباشر إلى زيادة الميل إلى تكوّن كبريتات الكالسيوم. من السهل جدًا شراء حمض الهيدروكلوريك الصناعي (بدون إضافات)، ويحتوي حمض الهيدروكلوريك التجاري بشكل عام على 30-37%.
الغرض الأساسي من خفض الرقم الهيدروجيني هو تقليل ميل تقشر كربونات الكالسيوم في تركيز RO، أي تقليل مؤشر لانجيلير (LSI). LSI هو تشبع كربونات الكالسيوم في المياه قليلة الملوحة، مما يشير إلى احتمالية تقشر كربونات الكالسيوم أو تآكلها.
في كيمياء المياه بالتناضح العكسي، يعد LSI مؤشرًا مهمًا لتحديد ما إذا كان سيحدث تقشر كربونات الكالسيوم. عندما يكون LSI سلبيًا، فإن الماء سوف يؤدي إلى تآكل الأنابيب المعدنية، ولكن لن تتشكل قشور كربونات الكالسيوم.
إذا كانت نتيجة LSI إيجابية، فإن الماء لا يسبب التآكل، ولكن سيحدث تقشر بكربونات الكالسيوم. LSI هو الرقم الهيدروجيني لتشبع كربونات الكالسيوم مطروحًا منه الرقم الهيدروجيني الفعلي للماء.
تتناقص قابلية ذوبان كربونات الكالسيوم مع زيادة درجة الحرارة (هذه هي الطريقة التي يتشكل بها الترسبات في الغلايات) ومع زيادة الرقم الهيدروجيني وتركيز أيونات الكالسيوم، أي القلوية.
يمكن خفض قيمة LSI عن طريق حقن حمض (عادة حمض الكبريتيك أو حمض الهيدروكلوريك) في مياه التغذية RO، أي خفض الرقم الهيدروجيني. قيمة LSI الموصى بها لتركيز RO هي {{0}}.2 (تشير إلى تركيز بمقدار 0.2 وحدة أس هيدروجيني أقل من تركيز تشبع كربونات الكالسيوم). يمكن أيضًا استخدام مضادات التكلس البوليمرية لمنع ترسيب كربونات الكالسيوم، ويدعي بعض موردي مضادات التكلس أن منتجاتهم يمكنها تحقيق LSI يصل إلى +2.5 لتركيز RO (التصميم الأكثر تحفظًا هو LSI لـ {{6} }.8).
نادرًا ما يتم استخدام القلويات في التناضح العكسي الأولي، ويتم حقن القلويات في مياه تغذية التناضح العكسي لزيادة الرقم الهيدروجيني. والعامل القلوي الوحيد الشائع الاستخدام هو هيدروكسيد الصوديوم، وهو سهل الشراء وقابل للذوبان في الماء بسهولة. يمكن لهيدروكسيد الصوديوم الصناعي بدون إضافات أخرى أن يلبي الاحتياجات بشكل عام.
يتوفر هيدروكسيد الصوديوم التجاري في شكل رقائق 100%، وسوائل بنسبة 20% و50%. عند إضافة القلويات لرفع الرقم الهيدروجيني، انتبه إلى أن زيادة الرقم الهيدروجيني ستؤدي إلى زيادة LSI وتقليل قابلية ذوبان كربونات الكالسيوم والحديد والمنغنيز.
التطبيق الأكثر شيوعًا لإضافة القلويات هو نظام RO ذو مرحلتين. في نظام التناضح العكسي على مرحلتين، يتم توفير مياه منتج التناضح العكسي الأساسي إلى التناضح العكسي الثانوي كمياه خام. يقوم التناضح العكسي الثانوي "بتلميع" الماء الناتج عن التناضح العكسي الأساسي، ويمكن أن تصل جودة الماء في الماء الناتج عن التناضح العكسي الثانوي إلى 4 ميغا أوم.
هناك أربعة أسباب لإضافة القلويات إلى مياه التغذية الثانوية RO:
أ. فوق الرقم الهيدروجيني 8.2، يتحول كل ثاني أكسيد الكربون إلى أيونات كربونات، والتي يمكن إزالتها عن طريق التناضح العكسي. ثاني أكسيد الكربون في حد ذاته عبارة عن غاز وسيدخل بحرية إلى ماء منتج التناضح العكسي مع المادة المتخللة، مما يتسبب في حمل غير ضروري على معالجة تلميع طبقة التبادل الأيوني النهائية.
ب. تتم إزالة بعض مكونات TOC بسهولة أكبر عند درجة الحموضة العالية.
ج. تكون قابلية ذوبان السيليكا ومعدل إزالتها أعلى عند درجة الحموضة العالية (خاصة فوق 9).
د. يكون معدل إزالة البورون أعلى أيضًا عند درجة الحموضة العالية (خاصة فوق 9). هناك حالة خاصة لتطبيق القلويات، تسمى عادة عملية HERO (نظام التناضح العكسي عالي الكفاءة)، والتي تعمل على ضبط درجة حموضة المياه الداخلة إلى 9 أو 10. يتم استخدام التناضح العكسي الأولي لمعالجة المياه قليلة الملوحة، التي تعاني من مشاكل التلوث (مثل العسر). والقلوية والحديد والمنغنيز وغيرها) عند درجة الحموضة العالية. تستخدم المعالجة المسبقة عادةً نظام راتنجات كاتيونية حمضية ضعيفة وجهاز تفريغ لإزالة هذه الملوثات.
يجب تقليل الكلور الحر في مياه مدخل RO وNF إلى أقل من 0.05 جزء في المليون لتلبية متطلبات الغشاء المركب من مادة البولي أميد. هناك طريقتان للمعالجة المسبقة لإزالة الكلور، وامتزاز الكربون المنشط الحبيبي واستخدام عوامل الاختزال مثل كبريتيت الصوديوم.
في الأنظمة الصغيرة (50-100gpm)، يتم استخدام مرشحات الكربون المنشط بشكل عام، وتكون تكلفة الاستثمار معقولة أكثر. يوصى باستخدام الكربون المنشط عالي الجودة الذي تم غسله بالأحماض لإزالة الصلابة والأيونات المعدنية، ويجب أن يكون محتوى الدقائق منخفضًا جدًا، وإلا فسوف يتسبب في تلوث الغشاء.
يجب شطف وسائط مرشح الكربون المثبتة حديثًا بالكامل حتى تتم إزالة غرامات الكربون بالكامل، وهو ما يستغرق عادةً عدة ساعات أو حتى أيام. لا يمكن الاعتماد على مرشحات الأمان مقاس 5 ميكرومتر لحماية غشاء التناضح العكسي من التلوث بغبار الكربون.
يعد ثاني كبريتيت الصوديوم (SBS) عامل اختزال نموذجي تم اختياره لوحدات RO الأكبر حجمًا. يذوب ميتابيسلفيت الصوديوم الصلب في الماء لتحضير المحلول. تبلغ درجة نقاء ميتابيسلفيت الصوديوم التجاري 97.5-99%، ومدة التخزين الجاف 6 أشهر.
محلول SBS غير مستقر في الهواء وسوف يتفاعل مع الأكسجين، وبالتالي فإن عمر الخدمة الموصى به لمحلول 2% هو 3-7 يوم، وعمر الخدمة الأقل من 10% محلول هو {{3} } أيام. من الناحية النظرية، 1.47 جزء في المليون SBS (أو 0.70 جزء في المليون ميتابيسلفيت الصوديوم) يمكن أن يقلل 1.0 جزء في المليون من الكلور.
يتم أخذ عامل الأمان لنظام المياه قليلة الملوحة الصناعي في الاعتبار أثناء التصميم، ويتم ضبط كمية SBS المضافة على 1.8-3.0جزء في المليون لكل 1.0جزء في المليون كلور. يجب أن يكون منفذ حقن SBS أعلى عنصر الغشاء، ويجب ضبط المسافة لضمان زمن رد فعل قدره 29 ثانية قبل دخول عنصر الغشاء. يوصى باستخدام جهاز التحريك المناسب (خلاط ثابت).
معظم مثبطات القشور هي بعض البوليمرات الاصطناعية العضوية الخاصة (مثل حمض البولي أكريليك، وحمض الكربوكسيل، وحمض البوليماليك، والفوسفات العضوي، والبولي فوسفونات، والفوسفونات، والبوليمرات الأنيونية، وغيرها)، ويتراوح الوزن الجزيئي لهذه البوليمرات من 2000 إلى 10000 دالتون.
كن حذرًا بشكل خاص عند استخدام مثبطات مقياس حمض البولي أكريليك. عندما يكون محتوى الحديد مرتفعا، فإنه قد يسبب تلوث الغشاء. سيؤدي هذا التلوث إلى زيادة ضغط التشغيل للغشاء. مطلوب غسل الحمض لإزالة هذا النوع من القاذورات بشكل فعال.
إذا تم استخدام مواد التخثر الكاتيونية أو مساعدات الترشيح في المعالجة المسبقة، فيجب إيلاء اهتمام خاص عند استخدام مثبطات القشور الأنيونية. سيتم إنتاج مادة ملوثة لزجة ولزجة، مما سيزيد من ضغط التشغيل ويكون من الصعب جدًا تنظيفها.
سداسي ميتافوسفات الصوديوم (SHMP) هو مثبط شائع الاستخدام في التناضح العكسي في الأيام الأولى، ولكن مع ظهور مثبطات الحجم الخاصة، تم تقليل الجرعة بشكل كبير، وهناك بعض القيود على استخدام SHMP. يجب تحضير المحلول كل 2-3 يوم لأنه سوف يتحلل مائيًا عند تعرضه للهواء. لن يؤدي التحلل المائي إلى تقليل التأثير المضاد للتقشر فحسب، بل يتسبب أيضًا في احتمالية تقشر فوسفات الكالسيوم.
يمكن أن يؤدي استخدام SHMP إلى تقليل تحجيم كربونات الكالسيوم ويمكن أن يصل LSI إلى {{0}}.0. تعمل مضادات التكلس على إعاقة نمو بلورات الملح في مياه التغذية RO والتركيز، مما يسمح للأملاح قليلة الذوبان بتجاوز قابلية الذوبان المشبعة في التركيز. يمكن استخدام مضادات التكلس بدلاً من إضافة الحمض أو بالاشتراك مع إضافة الحمض. هناك العديد من العوامل التي تؤثر على تكوين النطاق المعدني. ستؤدي درجة الحرارة المنخفضة إلى تقليل قابلية ذوبان المعادن القشورية (باستثناء كربونات الكالسيوم، التي تتناقص مع زيادة درجة الحرارة، على عكس معظم المواد)، كما أن ارتفاع TDS سيزيد من قابلية ذوبان الأملاح قليلة الذوبان (وهذا لأن القوة الأيونية العالية تتداخل مع تكوين بلورات البذور).