วิธีการยับยั้งมาตราส่วนรีเวิร์สออสโมซิสและการคำนวณปริมาณ

เทคโนโลยีรีเวอร์สออสโมซิส (RO) มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการบำบัดน้ำเนื่องจากมีข้อดี เช่น อัตราการกรองน้ำทะเลที่เสถียร รอยเท้าขนาดเล็ก ระบบอัตโนมัติ และความสามารถในการขยายขนาด อย่างไรก็ตาม การปรับขนาดเป็นปัญหาที่ยุ่งยากสำหรับบุคลากรด้านการบำบัดน้ำในระหว่างการทำงานของเมมเบรน การปรับสเกลสามารถส่งผลให้ฟลักซ์ของเมมเบรนลดลง การใช้พลังงานเพิ่มขึ้น อัตราการแยกเกลือออกจากน้ำลดลง และอายุการใช้งานของเมมเบรนลดลง ซึ่งส่งผลให้ต้นทุนการดำเนินงานเพิ่มขึ้น ดังนั้นจึงต้องมีมาตรการป้องกันการปรับขนาดของเมมเบรน วิธีการยับยั้งตะกรันทั่วไปประกอบด้วยสองวิธีหลัก: การปรับ ค่า ค่า pH ของน้ำป้อน RO และการเพิ่มตัวยับยั้งตะกรันลงในน้ำป้อน ทั้งสองวิธีสามารถใช้ร่วมกันได้ บทความนี้กล่าวถึงกลไกการยับยั้งมาตราส่วนและจัดเตรียมวิธีการในการเลือกวิธีการยับยั้งและการคำนวณขนาดยาที่ต้องการ

1. กลไกการยับยั้งตะกรัน
มาตราส่วนเมมเบรนหมายถึงการตกตะกอนของสารที่ละลายได้ไม่ดี เช่น คaคO3- CaSO4- บีaSO4 และ Ca3(PO4)2 บนพื้นผิวเมมเบรน เมื่อสารเหล่านี้มีความเข้มข้นในระบบ RO พวกมันจะมีความอิ่มตัวยิ่งยวดได้ ตัวอย่างเช่น ที่ pH=7.5 และอุณหภูมิของน้ำ 25°C เมื่อความกระด้างของแคลเซียม (วัดเป็น CaCO3) เท่ากับ 200 มก./ลิตร และความเป็นด่างทั้งหมด (วัดเป็น CaCO3) เท่ากับ 150 มก./ลิตร CaCO3 จะเข้าใกล้ความอิ่มตัวยิ่งยวด ในทำนองเดียวกัน ที่ pH=7.5 และอุณหภูมิของน้ำ 25°C เมื่อความเข้มข้นของแบเรียมไอออนเพียง 0.01 มก./ลิตร และซัลเฟตไอออนอยู่ที่ 4.5 มก./ลิตร บีaSO4 จะอิ่มตัวยิ่งยวดและตกตะกอน

กลไกการยับยั้งการปรับขนาดของสารยับยั้งระดับรีเวิร์สออสโมซิสเกี่ยวข้องกับการทำให้เกิดภาวะเชิงซ้อน การกระจายตัว การบิดเบือนของโครงตาข่าย และผลกระทบของขีดจำกัด

การสร้างสารเชิงซ้อนและการละลาย: สารยับยั้งตะกรันสามารถสร้างสารเชิงซ้อนที่ละลายได้โดยมีแคตไอออนที่เป็นตะกรันในน้ำ เช่น แคลเซียม แมกนีเซียม และแบเรียมไอออน ซึ่งป้องกันการเกิด CaCO3- CaSO4- BaSO4 และ Ca3(PO4)2
การแข็งตัวและการกระจายตัว: แอนไอออนที่ปล่อยออกมาจากสารยับยั้งตะกรันจะเกาะติดกับผลึก CaCO3 เนื่องจากสารปนเปื้อนในน้ำเสียอุตสาหกรรมมักจะมีประจุลบ เหมือนกับประจุที่ผลักกัน ทำให้เกิดแรงผลักกันไฟฟ้าสถิตที่ป้องกันไม่ให้ผลึก CaCO3 รวมตัวกันและเติบโตเป็นอนุภาคขนาดใหญ่ขึ้น ผลึกจะกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอในสารละลาย ดังนั้นจึงยับยั้งการก่อตัวของเกล็ด CaCO3
การบิดเบือนของโครงตาข่าย: ในระหว่างการรวมตัวและการเติบโตของไมโครคริสตัล CaCO3 สารยับยั้งตะกรันจะถูกรวมเข้าไปในโครงตาข่ายคริสตัลหรือที่ส่วนต่อประสานของคริสตัล ทำให้เกิดการบิดเบือนของโครงตาข่าย สิ่งนี้จะยับยั้งหรือบิดเบือนการเติบโตของผลึกโดยตรง ตัวอย่างเช่น CaCO3 เกิดขึ้นจากแคลเซียมไอออนที่มีประจุบวกและไอออนไบคาร์บอเนตที่มีประจุลบ ซึ่งจะเติบโตในทิศทางที่เฉพาะเจาะจง ในระหว่างการพัฒนา สารยับยั้งตะกรันจะถูกรวมเข้าไปในโครงตาข่าย ซึ่งจะเพิ่มความเค้นภายในภายในคริสตัล เมื่อความเครียดถึงเกณฑ์ที่กำหนด คริสตัลจะแตกออก ป้องกันไม่ให้เกิดผลึก
ผลกระทบของเกณฑ์: สารยับยั้งตะกรันขัดขวางกระบวนการรวมตัวและการจัดลำดับของไมโครคริสตัล CaCO3- CaSO4- BaSO4, Ca3(PO4)2 จึงป้องกันการตกตะกอน

2. การเลือกวิธีการยับยั้งตะกรัน

ตัวบ่งชี้หลักที่ใช้ในการประเมินความเสี่ยงของการเกิดตะกรันในระบบรีเวอร์สออสโมซิส (RO) คือ Langelier Saทีuraทีion Index (LSI) เมื่อ LSI < 0 น้ำไม่มีแนวโน้มเป็นตะกรัน (ถึงแม้อาจมีการกัดกร่อนเล็กน้อยก็ตาม) เมื่อ LSI ≥ 0 น้ำมีแนวโน้มที่จะเกิดตะกรัน วิธีการปรับ pH ป้องกันการเกิดตะกรันโดยการลด pH ของน้ำป้อน ดังนั้นการเปลี่ยน LSI จากมากกว่า 0 ไปเป็นน้อยกว่า 0 การเพิ่มสารยับยั้งตะกรันสามารถป้องกันการปรับขนาดได้แม้ว่า LSI ≥ 0 เนื่องจากไมโครคริสตัลที่ไม่ละลายน้ำในน้ำไม่สามารถเติบโต รวมตัว หรือตกตะกอน กลไกหลักสำหรับการยับยั้งนี้มีสี่กลไกที่อธิบายไว้ข้างต้น ในปัจจุบัน ผลิตภัณฑ์สารยับยั้งตะกรันในประเทศสามารถมั่นใจได้ว่าสารที่ไม่ละลายน้ำจะไม่ตกตะกอน แม้ว่า LSI = 3 สารยับยั้งแบรนด์ชั้นนำระดับสากลสามารถรับประกันว่าไม่มีการตกตะกอนที่ LSI = 5 อย่างไรก็ตาม สิ่งสำคัญคือต้องระมัดระวังในการซื้อสารยับยั้ง เนื่องจากผู้ขายในประเทศบางรายนำเข้า นำสารยับยั้งแบรนด์ต่างประเทศเข้มข้นมาเจือจางด้วยน้ำปริมาณมาก ซึ่งนำไปสู่ความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในประสิทธิภาพการยับยั้งการเกิดตะกรันที่แท้จริง แม้ว่าผลิตภัณฑ์จะมีป้ายกำกับว่า LSI = 5 ก็ตาม

1. วิธีการปรับ pH

เพื่อให้แน่ใจว่าการผลิตน้ำเพอร์มีเอตที่มีคุณสมบัติเหมาะสม โดยทั่วไป pH ของน้ำป้อน RO จะถูกควบคุมระหว่าง 6 ถึง 9 โดยบางบริษัทใช้การควบคุมที่ละเอียดยิ่งขึ้นภายในช่วงที่แคบกว่า เช่น 7.0 ถึง 8.5 ระดับ pH ที่ต่ำหรือสูงมากในน้ำป้อนสามารถป้องกันไม่ให้ RO ซึมผ่านตามมาตรฐานคุณภาพน้ำที่ต้องการ ดังนั้น วิธีการปรับ pH สำหรับการยับยั้งตะกรันจะถือว่า pH ของ RO แทรกซึมจะอยู่ในช่วงที่ต้องการ สิ่งสำคัญที่ควรทราบก็คือ วิธีการปรับ pH มีเป้าหมายหลักอยู่ที่การปรับสเกล CaCO3 และไม่มีประสิทธิผลกับสารปรับสเกลประเภทอื่นๆ

2. วิธีการเติมสารยับยั้งตะกรัน

ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น การเพิ่มสารยับยั้งตะกรันสามารถช่วยให้เมมเบรน RO สามารถทนต่อค่า LSI ที่สูงขึ้นได้ อย่างไรก็ตาม สารยับยั้งตะกรัน RO มีแนวโน้มที่จะมีราคาแพง โดยผลิตภัณฑ์ในประเทศมีราคาตั้งแต่ 0.008 ถึง 0.012 หยวน/กรัม และผลิตภัณฑ์เข้มข้นแบรนด์ชั้นนำระดับสากลซึ่งมีราคาอยู่ระหว่าง 0.055 ถึง 0.075 หยวน/กรัม ส่งผลให้ต้นทุนการดำเนินงานสูง

นอกจากนี้ ยังมีสารยับยั้งตะกรันหลายประเภทในท้องตลาด และผู้ผลิตบางรายก็ส่งเสริมแนวคิดใหม่ๆ ที่ยังไม่ผ่านการพิสูจน์อย่างต่อเนื่อง ซึ่งนำไปสู่ความสับสนเมื่อเลือกสารยับยั้งตะกรัน โดยทั่วไป สารยับยั้งขนาดเชิงพาณิชย์ที่เจริญเต็มที่สามารถจำแนกได้เป็นสามประเภท: สารยับยั้งขนาดที่มีฟอสฟอรัสเป็นพื้นฐาน สารยับยั้งขนาดที่มีโพลีเมอร์เป็นหลัก และสารยับยั้งขนาดที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม

• สารยับยั้งตะกรันที่มีฟอสฟอรัสเป็นพื้นฐาน: สิ่งเหล่านี้รวมถึงสารยับยั้งอนินทรีย์ฟอสเฟต (เช่น โซเดียม ไตรโพลีฟอสเฟต หรือ โซเดียม เฮกซาเมตาฟอสเฟต) และสารยับยั้งฟอสโฟเนตอินทรีย์ (เช่น กรดไฮดรอกซีเอทิลลิดีน ไดฟอสโฟนิก, กรดอะมิโน-ไตรเอทิลีนฟอสโฟนิก และอนุพันธ์ของกรดฟอสโฟนิก) สารยับยั้งอนินทรีย์ฟอสเฟตประกอบด้วยแอนไอออนสายยาวและมีแนวโน้มที่จะเกิดไฮโดรไลซิส โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่อุณหภูมิสูงกว่า เมื่อไฮโดรไลซ์ จะเกิดเกลือของกรดฟอสฟอริก ซึ่งสามารถทำปฏิกิริยากับแคลเซียมไอออนจนเกิดเป็น Ca3(PO4)2 ซึ่งเป็นสเกลที่มีผลิตภัณฑ์ที่สามารถละลายได้ต่ำกว่า CaCO3 ดังนั้นสารยับยั้งอนินทรีย์ฟอสเฟตจึงไม่เหมาะกับน้ำที่มีอุณหภูมิสูงหรือมีความเข้มข้นของแคลเซียมไอออนสูง

• สารยับยั้งตะกรันฟอสโฟเนตอินทรีย์: สารยับยั้งเหล่านี้ประกอบด้วยฟอสโฟเนตอินทรีย์ ซึ่งโดยทั่วไปมีลักษณะพิเศษคือพันธะ C-O-P เมื่อสัมผัสกับอุณหภูมิสูงและสภาพแวดล้อมที่เป็นด่าง ฟอสโฟเนตอินทรีย์สามารถไฮโดรไลซ์เป็นฟอสฟอริกเอสเทอร์และแอลกอฮอล์ ซึ่งลดประสิทธิภาพการยับยั้งตะกรันลงอย่างมาก ด้วยเหตุนี้ ฟอสโฟเนตอินทรีย์จึงไม่เหมาะสำหรับใช้ในน้ำที่มีอุณหภูมิสูงหรือค่า pH สูง

สารยับยั้งตะกรันที่มีโพลีเมอร์เป็นหลักแบ่งออกเป็นสารยับยั้งโพลีเมอร์ประจุลบและประจุบวกเป็นหลัก แบบแรกใช้เพื่อป้องกันการเกิดตะกรันของไอออนโลหะเป็นหลัก ในขณะที่แบบหลังใช้เพื่อยับยั้งการเกิดตะกรันของซิลิกาเป็นหลัก ส่วนผสมหลักในตัวยับยั้งที่ใช้โพลีเมอร์คือกรดอะคริลิกและกรดมาเลอิก และในระหว่างการผสมสูตร กลุ่มฟังก์ชันต่างๆ จะถูกนำเข้าสู่โมเลกุล ด้วยเหตุนี้ สารยับยั้งตะกรันโพลีเมอร์จึงมีหลายสูตร เมื่อใช้สารยับยั้งเหล่านี้ สิ่งสำคัญคือต้องพิจารณาไม่เพียงแต่สภาพคุณภาพน้ำเท่านั้น แต่ยังรวมถึงประเภทของตะกรันที่มีอยู่ด้วย ตัวอย่างเช่น สารยับยั้งโพลีเมอร์ที่มีหมู่คาร์บอกซิลมุ่งเป้าไปที่การปรับสเกลแคลเซียมเป็นหลัก สารยับยั้งโพลีเมอร์ที่มีกรดซัลโฟนิกส่วนใหญ่ใช้สำหรับการปรับสเกลโลหะออกไซด์ และสารยับยั้งโพลีเมอร์ที่มีเอมีนมีประสิทธิผลสำหรับการปรับสเกลซิลิกา ดังนั้นสารยับยั้งระดับโพลีเมอร์จึงไม่ใช่สารในวงกว้าง ได้รับการออกแบบมาเพื่อแก้ไขข้อบกพร่องของสารยับยั้งในวงกว้าง นอกจากนี้ เนื่องจากส่วนประกอบหลักของสารยับยั้งที่ใช้โพลีเมอร์คือโพลีเมอร์ สารเหล่านี้จึงไวต่อการเกิดออกซิเดชันโดยคลอรีนและไบโอไซด์ออกซิเดชันอื่นๆ ซึ่งทำให้สารยับยั้งเหล่านี้ไม่ได้ผล ดังนั้น ก่อนที่จะเติมสารยับยั้งเหล่านี้ จำเป็นต้องทำให้คลอรีนที่ตกค้างอยู่ในน้ำเป็นกลางก่อนโดยการเติมตัวรีดิวซ์

สารยับยั้งระดับสิ่งแวดล้อมโดยทั่วไปประกอบด้วยส่วนผสมออกฤทธิ์ เช่น กรดโพลีแอสปาร์ติก กรดโพลีอีพอกซีซัคซินิก และอนุพันธ์ของพวกมัน สารยับยั้งเหล่านี้ส่วนใหญ่ใช้เพื่อจัดการกับเกล็ดที่มีแคลเซียมเป็นหลัก เช่น CaCO3, CaSO4 และ CaF2 ข้อดีของสารยับยั้งเหล่านี้คือสามารถทนต่อความเข้มข้นของแคลเซียมไอออนที่ค่อนข้างสูงได้ ตัวอย่างเช่น แม้ว่าความเข้มข้นของแคลเซียมไอออนจะสูงถึง 500 มก./ลิตร ก็ยังสามารถยับยั้งการเกิดตะกรันแคลเซียมได้มากกว่า 80% อย่างไรก็ตาม สารยับยั้งเหล่านี้ต้องการปริมาณที่สูงกว่า ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงค่า pH ของน้ำอย่างมีนัยสำคัญ และมีประสิทธิภาพน้อยกว่าที่อุณหภูมิต่ำกว่า 40°C เนื่องจากอุณหภูมิน้ำป้อนสูงสุดที่อนุญาตสำหรับเมมเบรนรีเวิร์สออสโมซิสคือ 35-40°C โดยทั่วไปสารยับยั้งเหล่านี้จึงไม่เหมาะสำหรับใช้ในระบบรีเวิร์สออสโมซิส แต่มักใช้ในระบบน้ำหล่อเย็น

3. การคำนวณปริมาณ

ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น ไม่ว่าน้ำจะมีแนวโน้มที่จะเป็นตะกรันหรือไม่นั้นขึ้นอยู่กับค่าดัชนีความอิ่มตัวของ Langelier (LSI) ดังนั้น ไม่ว่าจะใช้การเติมกรดเพื่อปรับ pH หรือเพิ่มสารยับยั้งตะกรันเพื่อป้องกันการเกิดตะกรันของเยื่อกรองรีเวอร์สออสโมซิส สิ่งสำคัญคือการควบคุม LSI ของน้ำ การคำนวณ LSI มีดังนี้:

ในสูตร:

• pH คือค่า pH ที่วัดได้ของรีเวิร์สออสโมซิสเข้มข้น
• pH_s คือค่า pH อิ่มตัวที่สอดคล้องกับระบบคาร์บอเนตในน้ำที่อุณหภูมิของน้ำจริงหรือที่เรียกว่า pH อิ่มตัว

ที่ pH ของรีเวิร์สออสโมซิสเข้มข้นสามารถหาได้อย่างง่ายดายผ่านเครื่องมือออนไลน์หรือการวัดด้วยตนเอง ดังนั้นกุญแจสำคัญในการคำนวณ LSI ก็คือการกำหนด pH_s - ตามที่ วิธีมาตรฐานในการตรวจสอบน้ำและน้ำเสีย , pH_s สามารถคำนวณได้โดยใช้สูตรต่อไปนี้

ในสูตร:

• ก คือค่าสัมประสิทธิ์ของแข็งที่ละลายทั้งหมด (TดีS)
• B คือค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของน้ำ
• C คือค่าสัมประสิทธิ์ความแข็งของแคลเซียม
• ดี คือค่าสัมประสิทธิ์ความเป็นด่างทั้งหมด

วิธีการคำนวณสำหรับ ก , B , C , และ D มีดังต่อไปนี้

• ทีดีเอส คือปริมาณของแข็งที่ละลายได้ทั้งหมดในรีเวิร์สออสโมซิสเข้มข้น มีหน่วยเป็น มก./ลิตร
• t คืออุณหภูมิของความเข้มข้นรีเวิร์สออสโมซิส มีหน่วยเป็น °C
• ซีซีเอ คือความกระด้างของแคลเซียมของรีเวิร์สออสโมซิสเข้มข้น แสดงเป็น CaCO3 มีหน่วยเป็น มก./ลิตร
• C_ความเป็นด่างทั้งหมด คือค่าความเป็นด่างรวมของสารรีเวอร์สออสโมซิสเข้มข้น แสดงเป็น CaCO3 มีหน่วยเป็น มก./ลิตร

โดยใช้ตัวอย่างที่กล่าวมาข้างต้น โดยที่ ค่าพีเอช = 7.5 , TDS = 2000 มก./ลิตร , อุณหภูมิ t = 25°C , ความกระด้างของแคลเซียม ซีซีเอ = 200 มก./ลิตร , และ ความเป็นด่างทั้งหมด C_ความเป็นด่างทั้งหมด = 150 มก./ลิตร กระบวนการคำนวณ LSI มีดังนี้

ซึ่งสอดคล้องกับข้อความก่อนหน้า โดยที่ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ CaCO3 เกือบจะอิ่มตัว นอกจากนี้ เราสามารถสังเกตได้ว่าการคำนวณขนาดยาสามารถแสดงได้ด้วยสูตรสามสูตรต่อไปนี้

วิธีการสมัครเฉพาะมีดังนี้:

ขั้นแรก เราทำการตรวจวัด TDS อุณหภูมิ t ,ความกระด้างของแคลเซียม Cca และความเป็นด่างรวม C_ความเป็นด่างทั้งหมด ของรีเวิร์สออสโมซิสเข้มข้น จากนั้นเราคำนวณโดยใช้สูตร pH_s .

• ถ้า pH_s ≥ pH ไม่จำเป็นต้องปรับเปลี่ยนหรือยับยั้งตะกรันเพิ่มเติมเพื่อป้องกันตะกรันแคลเซียม
• ถ้า pH_s < pH เรามั่นใจว่าหลังจากปรับ pH แล้ว ค่า pH ของน้ำป้อนรีเวอร์สออสโมซิสจะไม่ลดลงต่ำกว่า 6.5 (เนื่องจากค่า pH ที่ต่ำกว่าอาจส่งผลให้น้ำของผลิตภัณฑ์รีเวิร์สออสโมซิสเป็นกรด) ในกรณีนี้เราสามารถปรับ pH ได้โดยการเติมกรดลงไปจนได้ pH_s ≥ pH - ใช้ได้เฉพาะเมื่อเท่านั้น pH_s ≥ 6.5 - ถ้า pH_s < 6.5 เราต้องปรับ pH ด้วยกรดให้ถึง 6.5 หรือต่ำกว่า ซึ่งจะทำให้น้ำของผลิตภัณฑ์รีเวิร์สออสโมซิสมีสภาพเป็นกรด
• ถ้า pH_s < 6.5 ต้องเติมสารยับยั้งตะกรัน

สิ่งสำคัญที่ควรทราบก็คือ ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น การจ่ายกรดสำหรับการปรับ pH เป็นเป้าหมายหลัก CaCO3 การปรับขนาดและไม่มีผลกับการปรับขนาดประเภทอื่น สำหรับสารลดตะกรันอื่นๆ จำเป็นต้องใช้สารยับยั้งตะกรันในการควบคุม

สำหรับการจ่ายกรดเพื่อปรับ pH ปริมาณสามารถควบคุมได้ผ่าน pH ที่วัดได้จริง สำหรับขนาดยายับยั้งขนาด การวิจัยอย่างกว้างขวางโดยนักวิชาการในประเทศและต่างประเทศแสดงให้เห็นว่า:

• เมื่อปริมาณยายับยั้งตะกรันต่ำกว่า 2.5 ก./ลบ.ม ประสิทธิภาพการยับยั้งค่อนข้างต่ำ
• เมื่อปริมาณเกิน 3.0 ก./ลบ.ม ประสิทธิภาพการยับยั้งไม่ดีขึ้นอย่างมีนัยสำคัญอีกต่อไป

ดังนั้น ขนาดยาที่เหมาะสมที่สุดของตัวยับยั้งตะกรันคือระหว่าง 2.5-3.0 ก./ลบ.ม ดังแสดงในแผนภูมิต่อไปนี้

โดยสรุป เมื่อป้องกันการปรับขนาดของเมมเบรนรีเวิร์สออสโมซิส เราควรคำนวณ LSI ของความเข้มข้นของรีเวิร์สออสโมซิสก่อนโดยใช้สูตรที่ให้ไว้ในบทความนี้เพื่อประเมินว่ามีแนวโน้มที่จะเกิดการปรับขนาดหรือไม่ ประการที่สอง เราจำเป็นต้องวิเคราะห์สารปรับตะกรันหลักในเปอร์มีเอต ซึ่งสามารถกำหนดได้โดยตัวบ่งชี้การทดสอบ เช่น Ca²⁺, Mg²⁺, HCO₃⁻, Ba²⁺, SiO₂ เป็นต้น การวิเคราะห์นี้ช่วยให้เราสามารถตัดสินใจได้อย่างตรงเป้าหมายว่าควร ปรับ pH ด้วยกรดหรือเพิ่มสารยับยั้งตะกรัน หากจำเป็นต้องใช้สารยับยั้งตะกรัน เราควรกำหนดชนิดและปริมาณของสารยับยั้งที่เหมาะสมที่จะใช้