[آب و تصفیه آب] - جلوگیری از تشکیل رسوب در سیستم اسمز معکوس

[P O U R I A]

جلوگيري از تشكيل رسوب
در اثر عبور آب خالص از غشاء، آب دور ريز با غلظت زياد (كه قادر به عبور از غشاء نيست) در پشت غشاء باقي مي‌ماند. همزمان با عبور آب از ميان هر المنت، غلظت املاح آب تغليظ شده در غشاء افزايش مي‌يابد و با انجام اين كار امكان دارد كه غلظت بعضي از نمكهاي حل شده به حد حلاليتشان برسد و رسوب تشكيل شود. مقدار زیاد ترسیب بر روی سطح غشاء می­تواند سبب از بین رفتن کامل غشاء گردد. شستشوی شيميايي به موقع و مناسب و جلوگیری از فوق اشباع شدن نمکها، دو راه حل مطلوب در جلوگیری از ترسیب می باشند.


محاسبه پتانسيل تشكيل رسوب
نمكها در اثر يونيزه شدن در آب به اجزاي آنيوني و كاتيوني خود تبديل مي‌شوند. اگر غلظت نمك یعنی كاتيونها و آنيونهاي آن از میزان حلالیت آن نمك افزون شود، كريستال آن نمک تشکیل شده و ته نشین خواهد شد. اين كار در سيستم RO كه نمكها در سيستم تغليظ شده‌اند، به راحتي اتفاق مي‌افتد.
حلاليت يك نمك به غلظت اجزاي تشكيل دهنده آن نمك، pH آب، دما و غلظت ساير نمكها در محلول بستگي دارد، روش‌هاي مختلفي وجود دارد تا حلاليت هر نمك به طور جداگانه مشخص شود. pH آب، دما و منابع آب جبراني موجب تغيير در حلاليت نمكهاي مخصوص مي‌شوند.
هنگام تحلیل و ارزیابی یک منبع آب خوراک از نظر احتمال تشکیل رسوب باید غلظت نمکهای کم محلول در جریان غلیظ یا دفعی سیستم RO مورد ارزیابی دقیق قرار گیرد. در صورت وجود یکی از آنها در شرایط فوق اشباع روشهای مناسب جلوگیری از ترسیب نمکها بکار گرفته شوند. معمولترین نمکهای کم محلول در آب عبارتند از:

CaCo3 كربنات كلسيم​	CaSO4 سولفات كلسيم​	SrSO4 سولفات استرانسيوم​
BaSO4 سولفات باريم​	CaF2 فلورايد كلسيم​	Si(OH)4 سيليس​
CaSiO3 سيليكات كلسيم​	MgSiO3 سيليكات منيزيم​	FeSiO3 سيليكات آهن ​

فلزاتي نظير آهن (Fe+3) ، منیزیم (Mg+2) يا آلومينيم (Al+3) در لیست فوق آورده نشده اند. زیرا عملاً در همه موارد نمکهایشان غیر محلول هستند و چنانچه در آب خوراک یک سیستم RO وجود داشته باشد، بايد توسط فيلتر حذف شود تا از ته‌نشيني آنها برروي المنت غشاء جلوگيري شود.


محاسبه غلظت نمك در آب تغليظ شده RO
بيشترين پتانسيل تشكيل رسوب در بخشهایی از سیستم قرار دارد که غلظت نمکها در جریان تغليظ مقدار حداکثر خود را داشته باشد. با توجه به میزان بازدهی یک سیستم RO ، میزان تغلیظ از رابطه زیر محاسبه می­شود:

بازدهی = نرخ جریان محصول / نرخ جریان خوراک
(بازدهي – 1) ÷ 1 = فاکتور تغليظ​

غلظت نمکها یا TDS در جریان غلیظ سیستم از حاصل ضرب فاکتور تغلیظ در TDS یا غلظت نمکها در خوراک محاسبه مي‌شود. در حقیقت، غلظت نمكها در سطح غشاء تا چندین برابر غلظت آنها در جریان خوراک سیستم می­باشد. با عبور جریان یا گذر جریان محصول از عرض غشاء یک غلظت بالاتر از نمکها (نسبت به غلظت نمکها در خوراک) روی سطح غشاء باقی می­ماند. چگونگی و میزان برگشت این نمکها به توده جریان آب خوراک با توجه به نسبت غلظت نمکها روی سطح غشاء به غلظت نمکها توده جریان تعیین خواهد شد. اين پديده، پلاريزاسيون غلظت ناميده مي‌شود. اين پارامتر مبین گراديان غلظت از سطح غشاء تا توده جریان بوده و علت آن سرعت کم نفوذ نمکهای جریان غلیظ از سطح غشاء به توده جریان می باشد.

كربنات كلسيم
یون بي‌كربنات (HCO3-) تقریباً در اكثر منابع آب طبيعي وجود دارد و این امر به دلیل توانايي آب در انحلال كربنات­كلسيم از زمين و يا جذب CO2 از هوا می­باشد. از آنجا که منابع آب طبيعي از لحاظ بي‌كربنات محلول در حد اشباع هستند، در نتيجه در سيستم RO به محض تغليظ آب، كربنات كلسيم از اولين نمكهايي خواهد بود كه رسوب مي‌كند.

شاخص اشباع لانجلير
پتانسيل رسوب‌دهي كربنات كلسيم با استفاده از ضريب اشباع لاِنجلير LSI قابل محاسبه است.

LSI = pH – pHs​

كه در آن pHs عبارت از pH آب در حالتي است كه از كربنات كلسيم اشباع شده است و طبق رابطه‌ زير محاسبه مي‌شود.

(pHs = (9.3 + A + B) – (C + D
A = (log [TDS] – 1)/10
B= -13.12 Log10 (0C + 273) + 34.55
C = log10 [Ca+2 as Caco3] -0.4
[D = Log10 [Alkalinity as CaCo3

​

مقادير داخل كروشه برحسب غلظت مولي (moles/lit) است، به جز TDS كه برحسب (mg/lit) بيان مي‌شود. (مقادير A,B,C از شكل 2 نيز قابل محاسبه است). اگر ضريب لنجلير منفي باشد، نشان دهنده آن است كه آب، تمايلي به رسوب دهي ندارد. هرقدر ضريب لنجلير، عدد مثبت بزرگتري باشد پتانسيل رسوب‌دهي افزايش مي‌يابد. با استفاده از ضريب لنجلير مي‌توان حد مجاز غلظت نمك‌هاي آب تغليظ شده را (قبل از تشكيل رسوب) محاسبه كرد. از ضريب لنجلير براي تعيين قابليت خوردگي آب نيز مي‌توان استفاده كرد. به عنوان مثال، هر چقدر ضريب لنجلير منفي­تر شود، قابليت خورندگي آب بيشتر مي‌شود. pH آب تغليظ شده RO ، تابعي از قليائيت و غلظت CO2 در آن است؛ براي محاسبه pH در آب تغليظ شده، ابتدا لازم است غلظت CO2 در آب خوراك محاسبه شود. به خاطر اينكه گازهاي محلول نظير CO2 به راحتي از غشاء RO عبور مي‌كنند، غلظت گاز در آب تغليظ شده با غلظت آن در آب خوراك، يكسان است. pH اشباع با استفاده از غلظت CO2 و قليائيت آب تغليظ شده قابل محاسبه است. رابطه‌ بين pH و نسبت قليائيت به CO2 در شكل 3 نشان داده شده است و توسط فرمول زير قابل محاسبه است.

{[pH = 6.3 + Log10{[Alkalinity as CaCO3]/[CO2​

مقادير شاخص لنجلير​

براي تعيين غلظت CO2 در آب خوراك، رابطه بالا را مي‌توان طبق فرمول زير بيان كرد.

(CO2] = [Alkalinity as CaCO3] ÷ 10(pH-6.3]​

در pH هاي بالاتر از 3/8 ، غلظت CO2 محلول، ناچيز است. در pH بالا يون كربنات از بي‌كربنات تشكيل مي‌شود. نسبت بين غلظت بي‌كربنات (قليائيت متيل اورانژ) و غلظت كربنات (قليائيت فنل فنالين)، تابعي از pH است كه در شكل 4 نشان داده شده است.

رابطه بين قلياييت بي‌كربنات، دي‌اكسيد كربن و pH​

 

[P O U R I A]

تأثير كربنات و قليائيت بي‌كربنات بر pH​

شاخص پايداري استيف و ديويس
ضريب لنجلير دقت زيادي در نشان دادن حلاليت كربنات كلسيم براي آبهايي كه غلظت املاح آنها بیش ازmg/l 4000 مي­باشد، ندارد. رابطه‌ استيف و ديويس، اصلاح شده رابطه‌ لانجلير است كه براي آب با مقادير TDS بالا در نظر گرفته شده است. در اين رابطه از مقادير تجربي استفاده مي‌شود و طبق فرمول زير محاسبه مي‌شود.

ضريب پايداري استيف و ديويس = pH – Pca – PAl – K​

به طوري كه:
Pca : منفي لگاريتم غلظت كلسيم است. (برحسب مولاريته)
PAl : منفي لگاريتم غلظت قليائيت محلول است. (برحسب مولاريته)
K : ثابتي است كه مقدار آن به دما و قدرت يوني آب بستگي دارد. (غلظت يوني به غلظت كلي نمك اطلاق مي‌شود.)
مثبت بودن ضريب استيف و ديويس معرف رسوب‌دهي كربنات كلسيم و منفي بودن ضريب نشانه‌ خوردگي است.

مقادير K در قدرت يوني مختلف و ضرايب لازم براي تبديل آناليز آب به قدرت يوني




​

 

[P O U R I A]

ممانعت از ترسیب كربنات كلسيم
جلوگيري از تشكيل كربنات كلسيم در اکثر سیستمهای RO یک امر ضروری می­باشد. در اكثر سيستم‌هاي كوچك RO ، براي جلوگيري از رسوب كربنات كلسيم، بازدهي سيستم را كاهش مي‌دهند. در صنايع بزرگ، به خاطر اقتصادي بودن سيستم، بازدهي بايد بالا باشد. به منظور جلوگيري از ترسیب كربنات كلسيم در بازدهي بالا، روشهای ذیل بکار گرفته می­شوند:

• تزریق اسيد به جریان خوراک RO به منظور تبدیل بیشتر بي‌كربنات به دي‌اكسيد كربن بهمراه افزایش حلالیت کربنات کلسیم در pH پایینتر.
• تزریق ماده بازدارنده ترسیب به جریان خوراک RO جهت به حداقل رساندن احتمال تشكيل رسوب.
• جداسازی سختی از آب خوراک با عبور آن از رزینهای نرم کننده مدار سدیمی در بالادست RO .

---

حلاليت سيليس
سیلیکای محلول در pH پايين‌تر از 8 بصورت اسيد سيليسك Si(OH)4 یا H2(SiO)4 مي‌باشد و با افزایش غلظت سیلیکا، اسيد سيليسك به فرم زیر رسوب خواهد کرد.

Si(OH)4 →2H2O + SiO2​

ثابت حاصل ضرب حلاليت براي سيليس در حالت اشباع بصورت زير است:

[KSP = [Si(OH)4​

به طوري كه:
[Si(OH)4]‍ ، غلظت اسيد سيليسك است برحسب SiO2 و واحد آن mg/l ليتر می­باشد.

در25ºC و pH خنثي، ثابت حاصل ضرب حلاليت براي سيليس حدود mg/l 96 است (برحسب SiO2 ). اگر غلظت اسيد سيليسك بيش از mg/l 96 باشد، امكان تشکیل رسوب سيليس وجود دارد. البته سیلیکا بسیار آرام تشکیل کریستال می­دهد و اکثر سيستم‌هاي RO تا غلظت mg/l 140 اسید سیلیسیک را بدون خطر تشکیل رسوب تحمل می­کنند.
حلاليت سيليس تابع شديدي از دما مي‌باشد. در دماي نزديك به انجماد (32ºF )، سيليس نامحلول است. تأثير دما بر حلاليت سيليس را مي‌توان بصورت يك رابطه‌ خطي رسم كرد. در يك دماي مشخص مي‌توان حاصل ضرب حلاليت را با استفاده از شكل 6 مشخص نمود.

اگر pH آب به بيش از 8 افزايش يابد، اسيد سيليسك به آنيون سيليكات تجزيه مي‌شود. این کار سبب افزایش حلاليت سیلیکات در آب می­شود مگر اینکه یونهای کاتیونی چند ظرفیتی با غلظت زیاد در آب حضور داشته و در pH های بالا نمکهای نامحلول سیلیکات را تشکیل دهند.
در pH بالاتر از 8، وجود آهن با آلومينيوم بهمراه سیلیکا سبب ترسیب نمکهای کم محلول سیلیکا می­شود. ساير كاتيونهاي چند ظرفيتي نیز در pH بيشتر از 8 تمايل به تشکیل رسوب با سيليكات دارند. اين رسوب در محدوده pH یکی دو واحد کمتر از pH فوق اشباع هیدروکسید این نمکها انجام می گیرد.

تأثير دما بر حلاليت SiO2​

معمولاً اطلاعات تشکیل و ترسیب نمکهای هیدروکسید کاتیونهای چند ظرفیتی موجود است. از فرایند تشکیل نمکهای هیدروکسید کاتیونهای چند ظرفیتی در واحدهای تصفیه پساب برای جداسازی فلزات از پساب استفاده می­شود. از آنجائیکه عموماً pH جریان دفعی سیستم RO یک واحد از pH جریان خوراک آن بالاتر است، باید از کارکرد سیستم با جراین خوراک با pH بالاتر از 5/7 پرهیز نمود. در pH های پایین ذرات سیلیکا نظیر آنچه در اغلب خاکهای رس وجود دارد، در حضور کاتیونهای چند ظرفیتی مانند آلومینیوم یا آهن منعقد می­شود. آهن يا آلومينيوم ممكن است از بقاياي سيستم‌هاي تصفيه‌ي شهري به صورت اضافه باقي بمانند.

ضريب تصحيح pH سيليس SiO2​

غلظت فلز در محدوده‌اي كه رسوب سيليكات اتفاق مي‌افتد​