במערכות אוסמוזה הפוכה (RO) תעשייתיות, יסודות הממברנה אינם פועלים בבידוד. כדי לשמור על איכות מי הזנה יציבה, להפחית את הסיכון ללכלוך ואבנית הממברנות ולהאריך את חיי השירות של הממברנה, מערכות RO מסתמכות לרוב על מגוון כימיקלים לטיפול, כולל חומרי קרישה, ביוצידים, חומרים מפחיתים, נוגדי אבנית וחומרי ניקוי כימיים.
כל כימיקל משרת מטרה מסוימת. הכימיקלים הנדרשים, נקודות ההזרקה שלהם והמינונים שלהם תלויים באיכות המים הגולמיים, תהליך הטיפול המקדים ותכנון מערכת ה-RO. אז איך קובעים אילו כימיקלים צריכה מערכת RO?
הצעד הראשון הוא להבין את הסוגים העיקריים של כימיקלים לטיפול ב-RO ואת הבעיות שהם נועדו לתת מענה:
| סוג כימי | פונקציה ראשית | נקודת הזרקה אופיינית |
|---|---|---|
| חומרי קרישה | הסר קולואידים, מוצקים מרחפים וכמה חומר אורגני | לפני סינון חול, סינון אולטרה או תהליכי הפרדת מוצקים-נוזל אחרים |
| פלוקולנטים | שפר את היווצרות פקקים, חוזק וביצועי שיקוע | בתוך שלב הקרישה והצקה |
| ביוצידים | לשלוט בחיידקים, אצות ומיקרואורגניזמים אחרים | צריכת מים גולמיים או שלב טיפול מקדים |
| חומרי צמצום | הסר שאריות כלור וחומרים מחמצנים אחרים | לפני קרום RO, בדרך כלל במעלה הזרם של מסנן המחסנית |
| אנטי סקאלנטים | לעכב את היווצרות אבנית מינרלים על משטחי קרום RO | קו מי הזנה RO |
| חומצות ואלקליות | התאם את ה-pH וייעל את תנאי ההפעלה | קו מי הזנה RO או שלבי טיפול ייעודיים אחרים |
| ניקוי כימיקלים | הסר חומרי זיהומים ומשקעים ממשטחי הממברנה | במהלך ניקוי כימי |
1. חומרי קרישה ופלקולנטים
מי הזנה תעשייתיים מכילים לרוב קולואידים וחלקיקים מרחפים עדינים שנשארים יציבים במים ואינם ניתנים להסרה ביעילות על ידי שקיעה רגילה בלבד. אם המזהמים הללו נכנסים למערכת RO, הם עלולים להצטבר בהדרגה על משטחי הממברנה, להגדיל את ירידת הלחץ בצד ההזנה, להפחית את זרימת החדיר ולהאיץ את התכלות הממברנה.
חומרי קרישה מערערים חלקיקים קולואידים על ידי נטרול או שינוי אחר של מטענים פני השטח שלהם, ומאפשרים לחלקיקים להצטבר בקלות רבה יותר. תהליך ראשוני זה מכונה קרישה. החלקיקים המעורערים אז מתנגשים ומתאחדים ויוצרים אגרגטים גדולים יותר גלויים יותר הנקראים פקקים. התפתחות וצמיחתם של גדושים אלו ידועים כצקות. מכיוון שקרישה וצנופות מתרחשות לעתים קרובות יחד במהלך טיפול במים, התהליך הכולל מכונה בדרך כלל קרישה.
חומרי קרישה אנאורגניים נפוצים המשמשים לטיפול במים תעשייתיים כוללים פוליאלומיניום כלוריד (PAC), סולפט פוליפרי, סולפט ברזל, אלומיניום סולפט וכלוריד ברזל.
לפני המינון, חומר הקרישה בדרך כלל מדולל או מומס במים כדי להכין תמיסה כימית. לאחר מכן משאבת מדידה מזריקה את התמיסה לקו מי ההזנה, לעתים קרובות במעלה הזרם של מערבל סטטי. במערכות מסוימות, החומר הכימי עשוי להיות מוזרק במעלה הזרם של משאבת מי ההזנה, מה שמאפשר לאימפלר המשאבה לספק ערבוב.
מינון קרישה טיפוסי עשוי להיות בטווח של 3-5 מ"ג/ליטר, אם כי הדרישה בפועל תלויה במאפייני מי הזנה ויש לקבוע באמצעות בדיקת צנצנות או הערכות מתאימות אחרות.
כאשר חומר קרישה לבדו אינו יכול לייצר פקקים בעלי גודל, חוזק או מאפייני שיקוע מספיקים, עשוי להידרש גם חומר פקקים. פלוקולנטים עוזרים לשפר את היווצרות וההפרדה של קצף, מה שהופך את המשקע או הסינון במורד הזרם ליעילים יותר.
בדרך כלל אין להזריק חומרי קרישה ופלקולטים ישירות למיכל לחץ ממברנת RO. הם מתווספים בדרך כלל במעלה הזרם של הציוד הרלוונטי להפרדה מוצק-נוזל, כגון מסנני חול או יחידות אולטרה סינון. ערבוב נאות והפרדה במורד הזרם חיוניים מכיוון ששאריות כימיקלים ופלקים שהוסרו בצורה לא מלאה יכולים בעצמם לתרום לחיסול הממברנה.
2. ביוצידים וחומרים מפחיתים
מים תעשייתיים במחזור, מים עיליים וכמה מקורות מים גולמיים אחרים עשויים להכיל חיידקים, אצות ומיקרואורגניזמים אחרים. ללא בקרה מיקרוביאלית יעילה, אורגניזמים אלה יכולים להתרבות בציוד טיפול מקדים ובצינורות ובסופו של דבר ליצור סרטי ביופילם על משטחי קרום RO.
חלק מיצרני הממברנות פיתחו מוצרים עמידים בפני עכירות כדי לסייע בהפחתת התקשרות חיידקים ויצירת ביופילם. לְדוּגמָה,YIME מציעה סדרת ממברנות FRנועד לשפר את העמידות בפני עכירות ממברנות. עם זאת, ממברנות עמידות בפני עכירות אינן מבטלות את הצורך בטיפול מקדים מתאים, חיטוי ותחזוקה שוטפת.
ביוצידים מחמצנים, כגון נתרן היפוכלוריט, נמצאים בשימוש נרחב במהלך טיפול מקדים כדי להפחית את העומס החיידקי במי הזנה. ניתן להשתמש במינון של כ-3-5 מ"ג/ליטר ביישומים מסוימים, אך יש לקבוע את המינון בפועל וזמן המגע בהתאם לאיכות המים ולדרישות החיטוי.
יש שיקול חשוב בעת שימוש בביוצידים מחמצנים: ממברנות RO רבות של פוליאמיד רגישות לכלור חופשי וחומרי חמצון חזקים אחרים. גם לאחר החיטוי עלולים להישאר שאריות של כלור חופשי במים.
אם מים עם כלור נכנסים לממברנת RO של פוליאמיד ללא דה-כלור מספקת, חשיפה ממושכת עלולה לחמצן את חומר הממברנה ולהפחית את ביצועי דחיית המלח שלו. במקרים חמורים, הנזק עלול להיות בלתי הפיך.
מסיבה זו, מערכות RO המשתמשות בחיטוי על בסיס כלור דורשות בדרך כלל שלב של דה-כלור לפני שהמים מגיעים לממברנה. נתרן ביסולפיט או נתרן metabisulfite משמשים בדרך כלל כחומר מפחית לנטרול שאריות כלור.
יש להזריק את חומר ההפחתה בנקודה מתאימה במעלה הזרם של ממברנת RO, עם זמן ערבוב ומגע מספיק. לעתים קרובות הוא מנותן לפני מסנן המחסנית, אם כי הסידור המדויק תלוי בתכנון המערכת. יש לעקוב אחר שאריות כלור כדי לוודא שהדה-כלור יעילה.
עקרון המפתח הוא שניתן להשתמש בביוצידים מחמצנים לבקרת חיידקים במהלך טיפול מקדים, אך יש להסיר חומרי חמצון שיוריים לפני שהם מגיעים לממברנות RO הרגישות לכלור.
3. נוגדי אבנית
נוגדי האבנית הם בין הכימיקלים החשובים ביותר במערכות RO תעשייתיות רבות, אך לעיתים תפקידם אינו מובן.
מכיוון שממברנות RO דוחות שיעור גבוה של מלחים מומסים, אולי נראה שהם צריכים למנוע היווצרות אבנית. בפועל, ההפך יכול להתרחש: מלחים דחויים מצטברים בזרם התרכיז כאשר המים עוברים דרך הממברנה.
קחו בחשבון סידן, ביקרבונט, סולפט, בריום, סטרונציום וסיליקה במי ההזנה. חומרים אלה עשויים להישאר מומסים בתנאי מי הזנה המקוריים. עם זאת, ככל שמערכת ה-RO משחזרת יותר מים, התרכיז הנותר הופך מרוכז יותר ויותר.
כאשר ריכוז החומר המומס חורג ממגבלת המסיסות הרלוונטית, או שהתמיסה הופכת להיות רוויה מספיק, עלולים להיווצר משקעי מינרלים על פני הממברנה. דוגמאות נפוצות כוללות סידן פחמתי, סידן סולפט, בריום סולפט ומשקעים על בסיס סיליקה.
שתי גישות נפוצות לשליטה באבנית אנאורגנית הן ריכוך חילופי יונים ומינון נגד אבנית.
ריכוך חילופי יונים מסיר יוני קשיות, במיוחד סידן ומגנזיום, ויכול להיות יעיל לשליטה על קנה המידה הקשור לקשיות. עם זאת, הוא אינו מסיר את כל החומרים הפוטנציאליים ליצירת אבנית, כגון סולפט או סיליקה. ריכוך דורש גם מלח להתחדשות ומייצר זרם פסולת התחדשות. הוא משמש לעתים קרובות במערכות קטנות ובינוניות או היכן שהסרת קשיות נדרשת במיוחד.
נוגדי אבנית נמצאים בשימוש נרחב במערכות RO גדולות יותר מכיוון שהם יכולים לשלוט במספר סוגים של אבנית מינרלים מבלי לדרוש הסרה מלאה של היונים היוצרים אבנית. התאמתם תלויה בכימיה של מי הזנה ובקצב ההתאוששות היעד.
נוגדי האבנית פועלים על ידי הפרעה לגרעין הגבישים, לצמיחת הגבישים ולתצהיר של מלחים מינרלים. תכשירים מסוימים מספקים גם אפקט פיזור המסייע לשמור על חלקיקים מסוימים תלויים במים ומפחית את נטייתם להצטבר על משטחי הממברנה.
עם חומר נגד אבנית שנבחר כראוי ואסטרטגיית מינון מתאימה, מערכת RO יכולה לפעול בקצב התאוששות גבוה יותר במסגרת גבולות התכנון שלה תוך הפחתת הסיכון של אבנית אנאורגנית.
מינון נוגדי האבנית הוא בדרך כלל בטווח מ"ג/ליטר, אך הריכוז הנדרש משתנה בהתאם להרכב מי הזנה, תצורת הממברנה, לחץ הפעולה, הטמפרטורה וקצב ההתאוששות. יש להשתמש בניתוח מים והקרנת קנה מידה כדי לקבוע את הכימיקל והמינון המתאים.
יותר נוגד אבנית לא אומר בהכרח בקרת אבנית טובה יותר. מינון לא מספיק עלול להיכשל בשליטה על המשקעים, בעוד מינון מוגזם עלול להגדיל את עלויות התפעול, ובהתאם לפורמולה ולכימיה של המים, לתרום לעיבוי אורגניים או לבעיות תאימות אחרות.
לניהול כימיקלים יש גם מימד סביבתי. נוגדי אבנית, חומצות, אלקליות, חומרים פעילי שטח וחומרי ניקוי אחרים עלולים להשפיע על איכות מי השפכים אם הם נפלטים ללא טיפול מתאים. מינון מדויק, סקירות ביצועים תקופתיות וניהול נכון של זרמי ניקוי ותרכיז יכולים לסייע בהפחתת צריכת כימיקלים והשפעה סביבתית.
4. חומצות ואלקליים להתאמת pH
התאמת pH היא אמצעי בקרה כימי חשוב נוסף במערכות RO מסוימות. בהתאם לכימיה של מי הזנה ולמטרות הטיפול, חומצות או אלקליות עשויות לשמש כדי לייעל את תנאי ההפעלה ולשלוט בבעיות ספציפיות של איכות המים.
בחלק ממערכות RO במעבר יחיד, מוסיפים חומצה כדי להוריד את ה-pH של מי ההזנה. זה משנה את שיווי המשקל הקרבונטי במים, מעביר את הביקרבונט לכיוון פחמן דו חמצני מומס ומפחית את ריכוז הקרבונט הזמין ליצירת אבנית סידן פחמתי. כתוצאה מכך, הסיכון של אבנית סידן פחמתי עשוי להיות מופחת.
עם זאת, מינון חומצה אינו מבטל כל סוג של סיכון קנה המידה. מלחי סולפט וסיליקה, למשל, דורשים הערכה נפרדת. לכן יש לקבוע את מינון החומצה הסופי מניתוח מי הזנה מלא והקרנת קנה מידה.
ניתן להשתמש באלקליס, כגון סודיום הידרוקסיד, כאשר נדרשת עלייה ב-pH. יישום רלוונטי אחד הוא מי הזנה הנכנסים למערכת RO במעבר שני.
ממברנות RO דוחות יונים מומסים ביעילות, אך פחמן דו חמצני מומס נדחה בצורה גרועה על ידי ממברנות RO רבות מכיוון שהוא קיים בעיקר כמולקולה ניטרלית, לא טעונה בתנאי מי הזנה טיפוסיים. כתוצאה מכך, פחמן דו חמצני יכול לעבור לתוך החדיר ממעבר ה-RO הראשון ולתרום למוליכות מוגברת במי ההזנה של המעבר השני ובמי התוצר.
העלאת ה-pH יכולה להמיר פחמן דו חמצני מומס ליוני ביקרבונט וקרבונט, אשר נדחים בקלות רבה יותר על ידי הממברנה. במערכת מתוכננת כהלכה, מינון אלקלי במעלה הזרם של יחידת ה-RO במעבר השני יכול אפוא לשפר את הסרת המינים הקשורים לפחמן דו חמצני ולעזור להפחית את מוליכות המים של המוצר הסופי.
היעילות של גישה זו תלויה בכימיה של המים, יעד ה-pH, מאפייני הממברנה ותצורת המערכת. כאשר נדרשת מוליכות נמוכה מאוד, ניתן לשקול טיפול נוסף, כגון דה-גאזציה או ליטוש מחליף יונים מעורב.
