Применение ингибиторов в системах водоподготовки на основе обратноосмотических установок
Михаил Войтик, технолог, канд. физ.-мат. наук,
Татьяна Ломая, заместитель генерального директора по маркетингу,
ЗАО «НПК Медиана - фильтр»
Использование обратноосмотических установок в системах водоподготовки - это наиболее прогрессивная технология получения воды. В мировой практике появляется тенденция к постепенному переходу в ряде случаев к так называемым интегрированным мембранным технологиям, когда каждая ступень цепочки водоподготовки - от водозабора до получения чистой воды на выходе, основывается на водоподготовительных устройствах с полупроницае мыми мембранами.
Обратноосмотические мембранные установки водоподготовки исключительно эффективны для получения деминерализованной воды. В зависимости от условий (температуры и солесодержания исходной воды и в малой степени от ее рН) селективность по соли мембранных элементов обычно составляет для разных типов от 95,0 до 99,5%. Полупроницаемые мембраны элементов для обратного осмоса свободно пропускают воду, задерживая 90-99% всех растворенных в воде неорганических соединений, 95-99% органических веществ (в том числе 100% органических молекул с молекулярным весом более 200) и 100% коллоидных примесей (коллоидная кремниевая кислота, бактерии, вирусы и т.п.). Соответственно, устраняются все привкусы, цветность и запах воды. При использовании данной технологии водоподготовки желаемый солевой состав на выходе достигается последующей корректировкой, благодаря чему он полностью соответствует требованиям производителя.
Однако для обеспечения нормальной эксплуатации установок водоподготовки на основе обратного осмоса необходимо, чтобы вода, поступающая на обратноосмотические мембраны, соответствовала определенным нормам. Достаточно жесткие требования к исходной воде вызывают необходимость проведения ее предподготовки. Система фильтров должна предотвратить попадание на обратноосмотическую мембрану загрязнителей или в достаточной степени уменьшить их количество.
Образование осадков на мембранах обратного осмоса может происходить также вследствие повышения концентрации малораство римых солей в концентрате и в слое жидкости над мембраной. Содержание солей в концентрате определяется конверсией обратноосмотической установки, то есть соотношением потоков фильтрата и исходной воды. При обычной величине конверсии 60-75% содержание солей в концентрате увеличивается в 2,5-4,0 раза. Кроме того, над поверхностью мембраны обратного осмоса при ее работе возникает тонкий слой жидкости, в котором концентрация солей существенно выше, чем в питающей установку водоподготовки воде или концентрате. Именно в этом слое может происходить образование и выпадение осадка и его осаждение на мембрану обратного осмоса. Перечислим наиболее распространенные вещества, участвующие в этом процессе.
Карбонат кальция - наиболее широко распространенное мембранное осадкообразующее вещество. Граница его выпадения в осадок четко определяется по индексу насыщения Ланжелье ( Langelier Saturation Index ~ LSI ). Отложения легко предотвратить путем использования эффективных ингибиторов, также они легко удаляются с обратноосмотических мембран с помощью кислотной химической мойки.
Сульфат кальция является распространенным осадкообразующим веществом. Высокие уровни кальция и/или сульфата кальция могут естественным образом присут ствовать в исходной воде или наблюдаться при работе в режиме с высокой конверсией. Сульфат кальция трудно удалять, и потенциально его отложения на мембранах обратного осмоса являются большей проблемой, чем отложения карбоната кальция. Для предотвращения выпадения осадка требуется специфический ингибитор.
Сульфат бария/стронция мало распространен за исключением нескольких районов в мире, где наблюдается высокий уровень этих веществ. Чтобы предотвратить выпадение осадка на обратноосмотических мембранах, также требуется специальный ингибитор. Кремневка SiO2 часто оказывается связанной с трехвалентными ионами, такими как алюминий и железо, что способствует отложению на обратноосмотические мембраны осадка, чаще всего в виде ила и дрожжей. Эти отложения могут быть трудноудаляемыми. Железо является распространенным загрязнителем. Мелкие частицы этого вещества или коллоидное железо могут проходить через фильтры предподготовки. Железо часто присутствует в форме растворимых солей Fe2+, которые окисляются до нерастворимых солей Fe3+. Загрязнения железом легко удаляются.
Соли марганца менее распространены, чем соли железа, и обладают лучшей растворимостью, чем эквивалентные им соли железа, но удалять их труднее.
Фосфат кальция играет все большую роль по мере того, как обратный осмос все чаще применяется для повторного использования воды. Когда растворимость вещества превышена, образуется быстро формирующийся осадок (часто он имеет микроскопические размеры и невидим невооруженным глазом). Для предотвращения этого процесса требуется специальный ингибитор. Фосфат кальция легко удаляется кислотной химической мойкой.
Гидроксид магния обычно не является проблемой для мембран обратного осмоса за исключением случаев, когда перед второй ступенью двухступенчатой обратноосмотической установки водоподготовки повышают рН для увеличения сброса бора в канализацию. Отложения можно предотвратить с помощью специального ингибитора.
Рис. 1. Зависимость дозы ингибитора от концентрации примеси кальция
Наиболее эффективный способ, позволяющий предотвратить образование осадка солей жесткости на мембранах обратного осмоса, - питание установки водоподготовки умягченной водой. Однако это и самый дорогой способ, поскольку в процессе такой предподготовки исходная вода должна быть подвергнута серьезной обработке. Чтобы удешевить процесс, можно отказаться от использования в системе предподготовки фильтров-умягчителей воды, фильтрующей средой которых являются ионнообменные смолы. Эти фильтры достаточно дорогие и нуждаются в расходных материалах для периодической регенерации (как правило, это таблетированная соль). Правда, вместо фильтров-умягчителей в системе предподготовки появляется дозирующий насос, но во многих случаях такая замена безусловно экономически целесообразна, а для систем водоподготовки с высокой производительностью это единственный разумный вариант. При отказе от умягчителей воды иногда используется подкисление воды (в наиболее распространенном случае, когда основным источником отложений на мембранах обратного осмоса являются соли жесткости в исходной воде). При этом упрощают систему предварительной фильтрации воды, но дополнительно обеспечивают дозирование кислоты в поток. Однако для борьбы с осадкообразующими веществами более эффективно и экономически выгодно при менение ингибиторов, особенно в случае, если загрязнителей несколько. Ингибиторы - это вещества, которые замедляют или предотвращают кристаллизацию малорастворимых солей из раствора. В качестве ингибиторов применяют комплексные соединения высокомолекулярных органических кислот, например фосфоновых. В процессе мембранного разделения комплексон полностью задерживается мембраной обратного осмоса и выводится с концентратом. Во многих случаях ингибиторы позволяют отказаться от использования умягчителей воды, фильтров-обезжелезивателей и угольных фильтров. В системе водоподготовки с блоком обратного осмоса угольный фильтр используется для удаления из воды свободного хлора, чтобы уберечь обратноосмотические мембраны от окисления. Даже остаточный хлор, содержащийся в водопроводной воде, опасен для мембран обратного осмоса. Однако с хлором можно бороться не только с помощью активированного угля, но и дозируя в воду метабисульфит натрия или используя некоторые специальные марки ингибитора.
Рис. 2. Зависимость дозы ингибитора от концентрации примеси железа
Ингибиторы могут быть как достаточно широкого спектра действия, так и избирательно наиболее эффективными к тем или иным видам осад кообразующих веществ. При увеличе нии концентрации осадкообразую щих веществ в исходной воде доза ингибитора тоже должна расти. Однако следует понимать, что этот рост допустим только до некоторого предела и дальнейшее повышение дозы ингибитора не приведет к желаемому результату, а в отдельных случаях может даже ухудшить ситуацию.
Требуемая доза ингибитора зависит не только от концентрации осадкообразующих веществ в исходной воде, но и от температуры, рН, общего химического состава воды, конверсии установки водоподготовки. При этом для разных осадкообразующих веществ эти зависимости существенно различаются. Для некоторых из них, например железа и кальция, дозу ингибитора можно рассчитывать отдельно по каждому виду примесей. Полная доза находится при этом суммированием доз по отдельным примесям. Для других примесей, например кремневки и солей жесткости, такая процедура не подходит. Нельзя рассчитать отдельно дозу по кремневке и отдельно по кальцию, а затем их просуммировать: конечный результат получится неверным. Содержание кремневки и кальция при расчетах с помощью компьютерной программы необходимо задавать одновременно. На рис. 1 и 2 приведены графики зависимости необходимой дозы ингибитора « Genesys » от концентрации примесей кальция и железа при некоторых реальных условиях, рассчитанных с помощью компьютерной программы Membrane Master III.
Производством ингибиторов занимается ряд фирм, например « Genesys International » (Великобритания), « Osmodes » (Германия), « Jurby Soft » (США), « Rohm and Haas » (США) и др. Авторы настоящей статьи предпочитают в своей практике использовать ингибиторы марки « Genesys », в том числе и по той немаловажной причине, что для этих ингибиторов имеется разработанная компанией удобная и надежная компьютерная программа Membrane Master III для подбора типа ингибитора и его дозы.
В заключение перечислим основные параметры воды, определяющие выбор ингибитора и объем его дозирования:
- РН воды;
- температура воды;
- конверсия установки водоподготовки;
- химический состав воды.