Влиянието на мембраната за обратна осмоза върху ефекта на пречистване на вода с различно качество

При приложенията с обратна осмоза (RO), качеството на захранващата вода оказва основно влияние върху работата на мембраната, определяйки потока, отхвърлянето на соли, склонността към замърсяване, консумацията на енергия и честотата на почистване. Повърхностните води, богати на частици и естествени органични вещества (NOM), насърчават органичното и биозамърсяването, докато подземните води или солените източници, характеризиращи се с твърдост, силициев диоксид и метални йони, създават предизвикателства пред неорганичното замърсяване и образуването на котлен камък. Високата соленост на морската вода изисква повишено работно налягане, което изостря образуването на котлен камък и биофилм. Отпадъчните води, натоварени с разтворени органични вещества и микрозамърсители, могат бързо да замърсят мембраните, което изисква строга предварителна обработка и надеждни протоколи за почистване. В тези контексти, съобразената предварителна обработка, разумният избор на мембрана и оптимизираният оперативен контрол са от съществено значение за поддържане на ефективността и дълготрайността на RO.

Въведение
Обратната осмоза (RO) отделя водата от разтворените вещества чрез прилагане на хидравлично налягане върху полупропусклива мембрана. RO понастоящем представлява над 65% от световния капацитет за обезсоляване, което подчертава централната му роля в пречистването на водата и повторната ѝ употреба. Въпреки това, производителността на мембраната е силно чувствителна към характеристиките на захранващата вода – органично натоварване, йонен състав, твърди частици и биологична активност – всички от които могат да намалят потока на пермеата, да намалят отхвърлянето на сол, да повишат консумацията на енергия и да съкратят експлоатационния живот на мембраната.

Видове захранваща вода и тяхното въздействие
Повърхностни води
Повърхностните източници (реки, езера) често съдържат високи нива на суспендирани твърди вещества, мътност и неорганични вещества (NOM), което води до бързо замърсяване на мембраните и запушване на разделителните елементи, ако не са адекватно предварително обработени. Минималното предварително третиране на повърхностните води не успява да стабилизира работата на RO, тъй като частици и органични вещества се натрупват по повърхностите на мембраните, което предизвиква концентрационна поляризация и замърсяване.

Подземни води / Солена вода
Солените подземни води се характеризират с умерена соленост и твърдост, което намалява осмотичното налягане в сравнение с морската вода, но повишава риска от образуване на калциев карбонат и силициев диоксид. Отлагането на силициев диоксид, по-специално, е трудно за предотвратяване с конвенционални антискаланти, което изисква специализирани стратегии за контрол, за да се запази потокът и да се избегне необратимо замърсяване.

Морска вода
Морската обратна осмотична система (SWRO) работи при високо налягане (обикновено 55–80 бара), за да преодолее осмотично налягане от ~25–30 бара, което увеличава енергийните нужди и засилва уплътняването и замърсяването на мембраната. Неорганичното образуване на котлен камък (калциев сулфат, карбонат) и биозамърсяването са широко разпространени и изискват стриктно дозиране на антискаланти, контрол на биофилма и често почистване.

Отпадъчни води
RO третирането на битови или промишлени отпадъчни води се справя с големи количества разтворени органични вещества, микрозамърсители и остатъчни дезинфектанти, което води до тежко органично и биологично замърсяване. Отпадъчните води от болнични пречиствателни станции, третирани с полиамидни RO мембрани, показват значително намаляване на общите разтворени вещества (TDS) и химическия потребление (COD), но претърпяват бърз спад на потока без предварителна RO филтрация и контролирани работни условия.

Влияние върху мембранната производителност
Механизми за замърсяване
Органичното замърсяване възниква от адсорбцията на нискомолекулни органични съединения (НМОС) върху повърхностите на мембраните и в порите, което възпрепятства водопропускливостта. Неорганичното замърсяване включва утаяване на трудноразтворими соли (напр. калциев карбонат, сулфат) върху повърхността на мембраната, създавайки твърди люспи, които блокират порите и увреждат активния слой. Биологичното замърсяване, причинено от микробно прикрепване и растеж на биофилм, допълнително намалява потока и насърчава локализираното образуване на люспи.

Мащабиране
Образуването на калциев сулфат и карбонат обикновено се появява, когато йоните на твърдост надвишават границите на разтворимост на повърхността на мембраната, ускорено от концентрационната поляризация. Силициевият диоксид, присъстващ като колоиден или разтворен материал, образува твърди, упорити отлагания, които са устойчиви на традиционните антискаланти, особено в системи за обратно осмос със солени води.

Образуване на котлен камък върху разделителите на мембрана за обратна осмоза

Пермеатен флюс и отхвърляне на солта
Потокът на пермеата се увеличава с трансмембранното налягане, но се стабилизира поради концентрационната поляризация и ефектите на уплътняването. По-високите налягания незначително подобряват отхвърлянето на солите, но извън оптималните диапазони могат да намалят отхвърлянето поради увеличеното конвективно принуждаване на разтворените вещества през дефекти и слоеве от замърсяване.

Консумация на енергия и работно налягане
Замърсяването и котленият камък повишават хидравличното съпротивление, което налага по-високо налягане на подаване за поддържане на потока, като по този начин се увеличава специфичната консумация на енергия (SEC) и оперативните разходи. Циклите на почистване стават по-чести, което допълнително увеличава употребата на химикали и времето за престой.

Стратегии за смекчаване
Предварителна обработка
Ефективната предварителна обработка – коагулация, медийна филтрация, ултрафилтрация – премахва частици и органични вещества (NOM), ограничавайки потенциала за замърсяване и стабилизирайки производителността на RO. За повърхностни води, двуфилтърните филтри и адсорбцията с активен въглен намаляват органичното натоварване и защитават RO модулите след тях.

Почистване и антискаланти
Физическите (обратно промиване, промиване напред) и химичните (киселини, основи, окислители) протоколи за почистване са насочени към специфични видове замърсители – органични, неорганични, биофилми – за възстановяване на потока и отхвърлянето. Дозирането на антискаланти, регулирането на pH и антипенните агенти помагат за предотвратяване на образуването на котлен камък и биофилм.

Модификация на мембранната повърхност
Последните постижения в повърхностното присаждане (напр. полиакрилова киселина, покрития от графеноксид) доведоха до създаването на мембрани с по-гладки, по-хидрофилни и отрицателно заредени повърхности, което повишава устойчивостта на замърсяване и задържането на флюс.

Казуси

• Обезсоляване на бракична вода в Тунис:Пълномащабна инсталация показа стабилна дългосрочна работа с периодично почистване; характеризирането на замърсяванията разкри смесени органично-неорганични слоеве, изискващи специално разработени режими на почистване.
• Рециклиране на отпадъчни води от болнични пречиствателни станции за отпадъчни води:Полиамидните RO мембрани намалиха TDS от ~1 500 mg/L до 90%, но потокът на пермеата намаля с 25% за 30 дни без разширена предварителна обработка и оптимизирани настройки на налягането.

Заключения
Качеството на захранващата вода е най-важният фактор, определящ работата на RO мембраните. Повърхностните води изискват стабилно отстраняване на частици и органични вещества (NOM); солените източници изискват контрол на силициевия диоксид и твърдостта; пречистването на морската вода трябва да балансира работата под високо налягане с управлението на котления камък; отпадъчните води изискват стриктно предварително третиране и персонализирано почистване. Иновациите в мембранните материали, техниките за предварително третиране и мониторингът на замърсяванията в реално време продължават да повишават устойчивостта и ефективността на RO при различни качества на водата. Последователното прилагане на тези стратегии осигурява устойчиви операции на RO, удължен живот на мембраните и надеждно производство на висококачествен пермеат.