طرق تثبيط تحجيم التناضح العكسي وحساب الجرعة

تقنية التناضح العكسي (RO). يستخدم على نطاق واسع في معالجة المياه بسبب مزاياه، مثل معدلات تحلية المياه المستقرة، والبصمة الصغيرة، والأتمتة، وقابلية التوسع. ومع ذلك، يعد التحجيم مشكلة مزعجة للعاملين في معالجة المياه أثناء تشغيل الغشاء. يمكن أن يؤدي القياس إلى انخفاض تدفق الغشاء، وزيادة استهلاك الطاقة، وانخفاض معدلات تحلية المياه، وانخفاض عمر الغشاء، مما يزيد من تكاليف التشغيل. ولذلك، يجب اتخاذ تدابير لمنع تحجيم الغشاء. تتضمن طرق تثبيط القشور الشائعة طريقتين رئيسيتين: ضبط الرقم الهيدروجيني لمياه التغذية RO وإضافة مثبطات القشور إلى مياه التغذية. ويمكن أيضًا استخدام كلتا الطريقتين معًا. تتناول هذه المقالة آلية تثبيط التحجيم وتوفر طرقًا لاختيار طريقة التثبيط وحساب الجرعة المطلوبة.

1. آلية مثبط النطاق
يشير تحجيم الغشاء إلى ترسيب المواد ضعيفة الذوبان، مثل جaجO3، CaSO4، بaSO4، وCa3(PO4)2، على سطح الغشاء. عندما تصبح هذه المواد مركزة في نظام التناضح العكسي، فإنها يمكن أن تصل إلى درجة التشبع الفائق. على سبيل المثال، عند درجة الحموضة = 7.5 ودرجة حرارة الماء 25 درجة مئوية، عندما تكون صلابة الكالسيوم (المقاسة بـ كربونات الكالسيوم 3) 200 مجم/لتر والقلوية الكلية (المقاسة بـ CaCO3) 150 مجم/لتر، فإن CaCO3 سيقترب من التشبع الفائق. وبالمثل، عند درجة الحموضة = 7.5 ودرجة حرارة الماء 25 درجة مئوية، عندما يكون تركيز أيونات الباريوم 0.01 مجم / لتر فقط وأيونات الكبريتات 4.5 مجم / لتر، سوف يصبح بaSO4 مفرط التشبع ويترسب.

تتضمن آلية تثبيط التحجيم لمثبطات مقياس التناضح العكسي في المقام الأول التعقيد والتشتت وتشويه الشبكة وتأثيرات العتبة.

التعقيد والذوبان: يمكن لمثبطات التقشر أن تشكل مجمعات قابلة للذوبان مع الكاتيونات المتقشرة في الماء، مثل أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم والباريوم، مما يمنع تكوين CaCO3 وCaSO4 وBaSO4 وCa3(PO4)2.
التخثر والتشتت: ترتبط الأنيونات الصادرة عن مثبطات التقشر ببلورات CaCO3. نظرًا لأن الملوثات الموجودة في مياه الصرف الصناعي تحمل عادةً شحنة سالبة، مثل الشحنات تتنافر، مما يخلق تنافرًا إلكتروستاتيكيًا يمنع بلورات CaCO3 من التجمع والنمو إلى جزيئات أكبر. يتم توزيع البلورات بشكل موحد في المحلول، مما يمنع تكوين قشور CaCO3.
تشويه الشبكة: أثناء تجميع ونمو بلورات CaCO3 الدقيقة، يتم دمج مثبطات التقشر في الشبكة البلورية أو في الواجهة البلورية، مما يتسبب في تشويه الشبكة. وهذا يمنع أو يشوه نمو البلورات بشكل مباشر. على سبيل المثال، يتكون CaCO3 من أيونات الكالسيوم الموجبة الشحنة وأيونات البيكربونات سالبة الشحنة، والتي تنمو في اتجاه محدد. أثناء تطورها، يتم دمج مثبطات القشور في الشبكة، مما يزيد من الضغط الداخلي داخل البلورة. عندما يصل الضغط إلى عتبة معينة، سوف تتمزق البلورة، مما يمنع تكوين البلورة.
تأثير العتبة: تعمل مثبطات التقشر على تعطيل عمليات التجميع والترتيب للبلورات الدقيقة CaCO3 وCaSO4 وBaSO4 وCa3(PO4)2، وبالتالي تمنع هطول الأمطار.

2. اختيار طرق تثبيط التحجيم

المؤشر الأساسي المستخدم لتقييم مخاطر القياس في أنظمة التناضح العكسي (RO) هو مؤشر تشبع لانجيلير (LSI). عندما يكون LSI <0، لا يميل الماء إلى التراكم (على الرغم من أنه قد يكون متآكلًا قليلاً). عندما يكون LSI ≥ 0، يكون الماء عرضة للتحجيم. تمنع طريقة تعديل الرقم الهيدروجيني التقشر عن طريق خفض الرقم الهيدروجيني لمياه التغذية، وبالتالي تحويل LSI من أكبر من 0 إلى أقل من 0. إضافة مثبطات التكلس يمكن أن تمنع التقشر حتى عندما يكون LSI ≥ 0، حيث لا يمكن أن تنمو البلورات الدقيقة غير القابلة للذوبان في الماء، وتتجمع، أو يعجل. الآليات الرئيسية لهذا التثبيط هي الآليات الأربع المذكورة أعلاه. في الوقت الحالي، يمكن لمنتجات مثبطات القشور المحلية ضمان عدم ترسيب المواد غير القابلة للذوبان حتى عندما يكون LSI = 3. يمكن أن تضمن مثبطات العلامات التجارية العالمية عدم الترسيب عند LSI = 5. ومع ذلك، من المهم توخي الحذر عند شراء المثبطات، حيث يستورد بعض البائعين المحليين مثبطات العلامات التجارية العالمية المركزة وتخفيفها بكميات كبيرة من الماء، مما يؤدي إلى تناقضات كبيرة في أداء تثبيط التحجيم الفعلي، على الرغم من أن المنتج يحمل علامة LSI = 5.

1. طريقة تعديل الرقم الهيدروجيني

لضمان إنتاج مياه متخللة مؤهلة، يتم عادةً التحكم في درجة الحموضة لمياه التغذية RO بين 6 و9، مع قيام بعض الشركات بتنفيذ تحكم أكثر دقة ضمن نطاق أضيق، مثل 7.0 إلى 8.5. يمكن لمستويات الرقم الهيدروجيني المنخفضة أو العالية للغاية في مياه التغذية أن تمنع تغلغل التناضح العكسي من تلبية معايير جودة المياه المطلوبة. ولذلك، فإن طريقة تعديل الرقم الهيدروجيني لتثبيط التحجيم تفترض أن الرقم الهيدروجيني يتخلل RO سيكون ضمن النطاق المطلوب. من المهم ملاحظة أن طريقة تعديل الرقم الهيدروجيني تستهدف في المقام الأول تحجيم CaCO3 وهي غير فعالة ضد الأنواع الأخرى من مواد التحجيم.

2. طريقة إضافة مثبط القياس

كما ذكرنا سابقًا، فإن إضافة مثبطات التقشر يمكن أن تسمح لأغشية RO بتحمل قيم LSI أعلى. ومع ذلك، تميل مثبطات التناضح العكسي إلى أن تكون باهظة الثمن، حيث تتراوح تكلفة المنتجات المحلية من 0.008 إلى 0.012 يوان صيني/جرام، وتتراوح تكلفة المنتجات المركزة ذات العلامات التجارية العالمية بين 0.055 و0.075 يوان صيني/جرام، مما يؤدي إلى ارتفاع تكاليف التشغيل.

بالإضافة إلى ذلك، هناك أنواع عديدة من مثبطات القشور في السوق، وبعض الشركات المصنعة تروج باستمرار لمفاهيم جديدة غير مثبتة، مما يؤدي إلى الارتباك عند اختيار مثبطات القشور. بشكل عام، يمكن تصنيف مثبطات القشور التجارية الناضجة إلى ثلاث فئات: مثبطات القشور القائمة على الفوسفور، ومثبطات القشور القائمة على البوليمر، ومثبطات القشور الصديقة للبيئة.

• مثبطات التقشر المعتمدة على الفوسفور: وتشمل هذه مثبطات الفوسفات غير العضوية (مثل ترايبوليفوسفيت الصوديوم أو سداسي ميتافوسفات الصوديوم) ومثبطات الفوسفونات العضوية (مثل حمض هيدروكسي إيثيليدين ثنائي فوسفونيك، وحمض أمينو تريميثيلين فوسفونيك، ومشتقات حمض الفوسفونيك). تحتوي مثبطات الفوسفات غير العضوية على أنيونات طويلة السلسلة وتكون عرضة للتحلل المائي، خاصة عند درجات الحرارة المرتفعة. عندما تتحلل مائيًا، فإنها تشكل أملاح حمض الفوسفوريك، والتي يمكن أن تتفاعل مع أيونات الكالسيوم لتكوين Ca3(PO4)2، وهو مقياس ذو منتج ذوبان أقل من CaCO3. ولذلك، فإن مثبطات الفوسفات غير العضوية غير مناسبة للمياه ذات درجات الحرارة المرتفعة أو تركيزات أيونات الكالسيوم العالية.

• مثبطات مقياس الفوسفونات العضوية: تحتوي هذه المثبطات على فوسفونات عضوية، تتميز عادةً برابطة C-O-P. عند تعرضها لدرجات حرارة عالية وبيئات قلوية، يمكن للفوسفونات العضوية أن تتحلل إلى استرات وكحولات فوسفورية، مما يقلل بشكل كبير من كفاءة تثبيط التقشر. ونتيجة لذلك، الفوسفونات العضوية ليست مناسبة للاستخدام في الماء مع درجات حرارة عالية أو ارتفاع قيم الرقم الهيدروجيني.

تنقسم مثبطات القشور القائمة على البوليمر بشكل أساسي إلى مثبطات بوليمر أنيونية وكاتيونية. يستخدم الأول بشكل رئيسي لمنع تقشر أيونات المعادن، في حين يستخدم الأخير في المقام الأول لمنع تقشر السيليكا. المكونات الرئيسية في المثبطات القائمة على البوليمر هي حمض الأكريليك وحمض الماليك، وأثناء التركيب، يتم إدخال مجموعات وظيفية مختلفة في الجزيئات. ونتيجة لذلك، تأتي مثبطات مقياس البوليمر في تركيبات مختلفة. عند استخدام هذه المثبطات، من المهم مراعاة ليس فقط ظروف جودة المياه ولكن أيضًا أنواع القشور الموجودة. على سبيل المثال، تستهدف مثبطات البوليمر التي تحتوي على مجموعات الكربوكسيل في المقام الأول قشور الكالسيوم، وتستخدم مثبطات البوليمر القائمة على حمض السلفونيك بشكل رئيسي في قشور أكسيد الفلز، ومثبطات البوليمر القائمة على الأمين فعالة في قشور السيليكا. ولذلك، فإن مثبطات مقياس البوليمر ليست عوامل واسعة النطاق؛ وهي مصممة لمعالجة أوجه القصور في مثبطات واسعة الطيف. بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لأن المكون الأساسي للمثبطات القائمة على البوليمر هو البوليمر، فهي عرضة للأكسدة بواسطة الكلور والمبيدات الحيوية المؤكسدة الأخرى، مما قد يجعلها غير فعالة. لذلك، قبل إضافة هذه المثبطات، من الضروري أولاً تحييد أي كلور متبقي في الماء عن طريق إضافة عامل اختزال.

تحتوي مثبطات النطاق البيئي عادة على مكونات نشطة مثل حمض البولياسبارتيك، وحمض البولييبوكسيسوكسينيك، ومشتقاتها. تُستخدم هذه المثبطات بشكل أساسي لمعالجة القشور المعتمدة على الكالسيوم مثل CaCO3 وCaSO4 وCaF2. وتتمثل ميزة هذه المثبطات في قدرتها على تحمل تركيزات عالية نسبيًا من أيونات الكالسيوم. على سبيل المثال، حتى عندما يصل تركيز أيون الكالسيوم إلى 500 مجم/لتر، فإنه لا يزال بإمكانهم تحقيق تثبيط أكثر من 80% من تقشر الكالسيوم. ومع ذلك، تتطلب هذه المثبطات جرعات أعلى، وتسبب تغيرات كبيرة في درجة حموضة الماء، وتكون أقل فعالية عند درجات حرارة أقل من 40 درجة مئوية. نظرًا لأن الحد الأقصى لدرجة حرارة مياه التغذية المسموح بها لأغشية التناضح العكسي هي 35-40 درجة مئوية، فإن هذه المثبطات بشكل عام غير مناسبة للاستخدام في أنظمة التناضح العكسي ولكنها تستخدم بشكل أكثر شيوعًا في أنظمة مياه التبريد.

3. حساب الجرعة

كما ذكرنا سابقًا، يعتمد ما إذا كانت المياه عرضة للتقشر على قيمة مؤشر تشبع لانجيلير (LSI). لذلك، سواء تم استخدام جرعات الحمض لضبط الرقم الهيدروجيني أو إضافة مثبطات التكلس لمنع تقشر غشاء التناضح العكسي، فإن الجوهر هو التحكم في LSI للمياه. حساب LSI هو كما يلي:

في الصيغة:

• الرقم الهيدروجيني هي قيمة الرقم الهيدروجيني المقاسة لتركيز التناضح العكسي.
• الرقم الهيدروجيني_s هي قيمة الرقم الهيدروجيني للتشبع المقابلة لنظام الكربونات في الماء عند درجة حرارة الماء الفعلية، والمعروفة باسم الرقم الهيدروجيني للتشبع.

ال الرقم الهيدروجيني يمكن الحصول بسهولة على تركيز التناضح العكسي من خلال أدوات عبر الإنترنت أو القياس اليدوي. لذلك، فإن مفتاح حساب LSI هو التحديد الرقم الهيدروجيني_s . وفقا ل الطرق القياسية لفحص المياه ومياه الصرف الصحي , الرقم الهيدروجيني_s يمكن حسابها باستخدام الصيغة التالية.

في الصيغة:

• أ هو معامل المواد الصلبة الذائبة الكلية (TدS).
• B هو معامل درجة حرارة الماء.
• C هو معامل صلابة الكالسيوم.
• د هو معامل القلوية الكلي.

طرق الحساب ل أ , B , C ، و D هي على النحو التالي.

• المواد الصلبة الذائبة هو إجمالي محتوى المواد الصلبة الذائبة في تركيز التناضح العكسي، بالمجم/لتر.
• ر هي درجة حرارة تركيز التناضح العكسي، بالدرجة المئوية.
• التقييم القطري المشترك هي صلابة الكالسيوم في مركز التناضح العكسي، معبرًا عنها بـ CaCO3، بوحدة ملجم / لتر.
• ج_القلوية الكلية هي القلوية الكلية لتركيز التناضح العكسي، معبرًا عنها بـ CaCO3، بوحدة ملجم/لتر.

باستخدام المثال المذكور سابقا، حيث الرقم الهيدروجيني = 7.5 , المواد الصلبة الذائبة = 2000 ملغم/لتر , درجة الحرارة ر = 25 درجة مئوية , صلابة الكالسيوم التقييم القطري المشترك = 200 ملغم / لتر ، و القلوية الكلية C_القلوية الكلية = 150 ملجم/لتر ، عملية حساب LSI هي كما يلي:

يتوافق هذا مع العبارة السابقة، حيث في ظل هذه الظروف، يكون CaCO3 مشبعًا تقريبًا. علاوة على ذلك، يمكننا ملاحظة أنه يمكن التعبير عن حساب الجرعة بالصيغ الثلاث التالية.

طريقة التطبيق المحددة هي كما يلي:

أولا، نقوم بقياس TDS، ودرجة الحرارة ر ‎صلابة الكالسيوم Cca ، والقلوية الكلية ج_القلوية الكلية من تركيز التناضح العكسي. ثم، باستخدام الصيغة، نحسب الرقم الهيدروجيني_s .

• لو الرقم الهيدروجيني_s ≥ الرقم الهيدروجيني ، ليست هناك حاجة إلى مزيد من التعديلات أو مثبطات الحجم لمنع تحجيم الكالسيوم.
• لو الرقم الهيدروجيني <الرقم الهيدروجيني ، نحن نضمن أنه بعد ضبط الرقم الهيدروجيني، فإن الرقم الهيدروجيني لمياه التغذية بالتناضح العكسي لا ينخفض ​​عن 6.5 (نظرًا لأن انخفاض الرقم الهيدروجيني قد يؤدي إلى ماء منتج التناضح العكسي الحمضي). في هذه الحالة، يمكننا ضبط الرقم الهيدروجيني عن طريق إضافة حمض حتى الرقم الهيدروجيني_s ≥ الرقم الهيدروجيني . وهذا لا ينطبق إلا عندما الرقم الهيدروجيني ≥ 6.5 . لو الرقم الهيدروجيني <6.5 ، نحتاج إلى ضبط الرقم الهيدروجيني مع الحمض حتى يصل إلى 6.5 أو حتى أقل، الأمر الذي سيؤدي إلى تحول الماء الناتج عن التناضح العكسي إلى حمضي.
• لو الرقم الهيدروجيني <6.5 ، يجب إضافة مثبطات الحجم.

من المهم ملاحظة أنه، كما ذكرنا سابقًا، فإن الجرعات الحمضية لتعديل الرقم الهيدروجيني تستهدف في المقام الأول CaCO3 التحجيم وغير فعال لأنواع أخرى من التحجيم. بالنسبة لمواد التحجيم الأخرى، يلزم وجود مثبط للتقشر للتحكم.

لكي يتم ضبط جرعات الحمض على درجة الحموضة، يمكن التحكم في الجرعة من خلال درجة الحموضة الفعلية المقاسة. أما بالنسبة لجرعة مثبط التكلس، فقد أظهرت الأبحاث المكثفة التي أجراها علماء محليون ودوليون ما يلي:

• عندما تكون جرعة مثبط التكلس أقل من ذلك 2.5 جم/م3 ، كفاءة التثبيط منخفضة نسبيًا.
• عندما تتجاوز الجرعة 3.0 جم/م3 ، لم تعد كفاءة التثبيط تتحسن بشكل ملحوظ.

وبالتالي، فإن الجرعة المثالية لمثبط التكلس تتراوح بين 2.5-3.0 جم/م3 ، كما هو موضح في الرسم البياني التالي.

باختصار، عند منع تحجيم غشاء التناضح العكسي، يجب علينا أولاً حساب LSI لتركيز التناضح العكسي باستخدام الصيغ الواردة في هذه المقالة لتقييم ما إذا كان من المحتمل حدوث التحجيم. ثانيًا، نحتاج إلى تحليل المواد القشرية الرئيسية في المتخلل، والتي يمكن تحديدها من خلال مؤشرات الاختبار مثل Ca²⁺، وMg²⁺، وHCO₃⁻، وBa²⁺، وSiO₂، وما إلى ذلك. ويتيح لنا هذا التحليل اتخاذ قرارات مستهدفة بشأن ما إذا كنا سنفعل ذلك أم لا. ضبط درجة الحموضة مع حمض أو لإضافة مثبطات الحجم. إذا كان هناك حاجة إلى مثبط التكلس، فيجب علينا تحديد النوع والجرعة المناسبة من المانع للاستخدام.