Для предотвращения отложения солей жесткости на поверхности мембран могут быть рекомендованы следующие методы:

• умягчение;

• корректировка рН воды в кислую сторону; дозирование ингибиторов;

• нанофильтрация.

Наиболее эффективный способ предотвращения образования осадков солей жесткости на мембранах - питание установки умягченной водой. Однако это и самый затратный (как по капитальным вложениям, так и по эксплуатационным расходам) способ, оказывающий к тому же резко отрицательное воздействие на окружающую среду за счет образования солевых регенерационных стоков. Поэтому умягчение является основным методом для установок малой и средней производительности. Для промышленных установок применение этого метода является обоснованным при небольших значениях жесткости исходной воды (до 3-5 мг-экв / л). Для воды более высокой жесткости затраты на реагенты, а также наличие значительного количества солевых стоков делают использование умягчения нерентабельным. В этом случае более предпочтительно использование ингибирования или корректировки рН воды.

Подкисление питающей воды для предотвращения образования осадков солей жесткости раньше широко применялось [51-55, 179, 180]. Доза кислоты, обычно соляной, подбирается с таким расчетом, чтобы индекс Ланжелье (5.4), характеризующий степень насыщенности раствора карбонатом кальция, в концентрате установки был отрицательным. В зависимости от состава исходной воды количество дозируемой кислоты может меняться от 5 до 200 мг/л. Количество введенной кислоты не должно уменьшать рН исходной воды ниже допустимого предела для применяемых мембран (рис.3.10). Подкисление приводит к понижению рН как исходной воды, так и пермеата, что может повлечь за собой рост эксплуатационных затрат на последующих этапах обработки при получении обессоленной воды. Кроме того, применение химически агрессивной кислоты, как правило, соляной, сопряжено с необходимостью применения соответствующего оборудования и соблюдения соответствующих нормативов. Для многих процессов высокая кислотность обессоленной воды является препятствием к ее использованию, а при производстве питьевой воды вообще запрещено добавление веществ, изменяющих рН.

Дозирование ингибиторов, или так называемых антискалантов [177-195], требует существенно меньшего количества реагентов - 2-15 мг/л. Ингибиторы, как правило, замедляют процесс кристаллизации малорастворимых солей из насыщенного раствора. В качестве ингибиторов применяют комплексные соединения высокомолекулярных органических кислот, например, фосфоновых.

Современные ингибиторы способны предотвращать отложения на мембранах:

• карбонатов кальция и магния при значении индекса Ланжелье в концентрате до +2,6;

• сульфата кальция - при превышении его концентрации в растворе над концентрацией насыщения в 2,3 раза;

• сульфатов стронция и бария - при превышении их концентраций над концентрацией насыщения в 60-65 раз;

• двуокиси кремния - при превышении ее концентрации над концентрацией насыщения в 2,5 раза;

• соединений железа и алюминия при их содержании до 1 мг/л.

Ингибиторы могут быть как достаточно широкого спектра действия, так и наиболее эффективными избирательно к тем или иным видам осадкообразующих веществ. При увеличении концентрации осадкообразующих 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.

В процессе мембранного разделения ингибитор полностью задерживается мембраной и выводится с концентратом. Благодаря этому ингибирование широко используется в технологиях мембранного разделения при подготовке питьевой воды. Многие ингибиторы сертифицированы для применения в мембранных установках для целей питьевого водоснабжения.

Несомненным достоинством ингибирования как метода предотвращения образования отложений на поверхности мембран, является универсальность его воздействия на все компоненты, способные формировать отложения за счет фазового перехода - в отличие от умягчения и подкисления, которые способны бороться практически только лишь с отложениями солей жесткости.

Однако применение ингибиторов не является панацеей. Область их использования ограничена допустимыми значениями концентраций малорастворимых соединений.

Кроме того, присутствие в питающей воде железа, марганца и алюминия приводит к необходимости увеличения дозы ингибитора, что может существенно снижать экономическую целесообразность его применения.

Поскольку отработанный ингибитор сбрасывается вместе с концентратом, важна и его токсичность. Например, российский препарат "Аминат-К" имеет ПДК для вод хозяйственнобытового назначения 4,0 мг/л, а для рыбо-хозяйственных водоемов - 0,1 мг/л. Этот аспект применения ингибиторов также необходимо учитывать.

Требуемая доза ингибитора зависит не только от концентрации осадкообразующих веществ в исходной воде, но и от температуры, рН, общего химического состава воды, от гидравлического КПД. При этом для разных сочетаний осадкообразующих веществ эти зависимости существенно различаются. Для некоторых из них, например, для железа и кальция, дозу ингибитора можно рассчитывать отдельно по каждому виду примесей. Полная доза определяется при этом суммированием всех доз. Для других примесей, например, для кремниевой кислоты 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 кремниевой кислоты 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 большое чисто фирм, как за рубежом, так и отечественных, например "Genesys International" (Великобритания), "Osmodes" (Германия), "Rohm and Haas" (США), ООО "НПФ Траверс" (РФ) и др. [190-193].

Рис. 1. Зависимость дозы ингибитора от концентрации солей кальция

Рис.2. Зависимость дозы ингибитора от концентрации солей железа

В то же время следует учитывать, что ГНУ ВНИИ пищевой биотехнологии при использовании воды, очищенной методом обратного осмоса, в процессах производства пищевых продуктов, например водки, рекомендует применять в качестве предварительной обработки только умягчение (Na - катионирование) [181-185]. Это объясняется стремлением сократить количество факторов, способных повлиять на органолептические показатели напитка.

Почти идеальным методом удаления солей жесткости перед обратным осмосом является нанофильтрация, однако в силу значительных капитальных затрат ее применение в настоящее время ограничено.

С целью оценки эффективности различных методов, предотвращающих образование карбонатных отложений на мембранах, "НПК Медиана-Фильтр" проводились эксперименты по применению технологий умягчения, ингибирования и магнитной обработки [129].

В качестве исходной использовалась водопроводная вода с жесткостью 3,3-3,5 мгэкв/л. Карбонаты ионов жесткости, образующиеся из компонентов, присутствующих в исходной воде, были единственным источником формирования отложений.

Для экспериментов использовались мембранные элементы Filmtec TW 30-1812-75 в условиях, когда рабочее давление составляло 3,6 атм, гидравлический КПД - 32-34 %. Необходимо отметить, что температура исходной воды в водопроводной сети колебалась при проведении экспериментов (табл.1).

В качестве критерия для оценки количества отложений, образовавшихся на поверхности мембран, было выбрано время работы, в течение которого происходило снижение производительности на 20 %.

Очевидно, что умягчение исходной воды является наиболее эффективным методом, предотвращающим карбонатные отложения на мембранах, хотя следует отметить, что из-за повышенной температуры воды рабочие условия при применении ингибитора №2 были существенно жестче - т.е. сопряжены со значительно большим риском образования карбонатных отложений, чем при использовании других методов. Несмотря на это эффективность ингибитора №2 оказалась в 2 раза выше, чем ингибитора №1.

1. Сравнение различных методов предварительной обработки воды

* заданный уровень снижения производительности не был достигнут.

Использование в качестве предподготовки для установок обратного осмоса методов предотвращения отложения солей жесткости, основанных на переводе процесса образования кристаллов из примембранного слоя в свободный объем потока путем магнитной или радиочастотной обработки не дают существенного эффекта и не могут быть рекомендованы.

В табл.2 систематизированы различные виды загрязнений и методы борьбы с ними.

2. Эффективность методов предподготовки воды перед установкой обратного осмоса в зависимости от природы загрязнений

0 - удовлетворительный результат; ^ - наиболее эффективно.

Использованные источники

1. http://www.mediana-filter.ru/

2. Пантелеев А.А., Рябчиков Б.Е. и т.д. "Технологии мембранного разделения в промышленной водоподготовке"

Размещено на Allbest.ru