Comment prévenir l'encrassement et la mise à l'échelle dans les systèmes d'osmose inverse? Comprendre l'impact de la polarisation de la concentration

Polarisation de la concentration (CP)

La polarisation de la concentration fait référence aux effets indésirables causés par l'accumulation continue de solutés sur la surface de la membrane, ce qui altère les performances de la membrane. À mesure que l'eau pénètre dans la membrane, la solution d'alimentation (contenant de l'eau et des solutés) est transportée à la surface de la membrane. Lorsque l'eau purifiée passe à travers la membrane, les solutés s'accumulent près de la surface de la membrane. ① Dans la filtration de la membrane, les particules contactent la membrane et forment une couche de gâteau filtrante. ② En raison du mécanisme d'élimination distinct de l'osmose inverse (RO), les solutés dans la solution forment une couche limite à haute concentration sur la surface de la membrane. Il en résulte une polarisation de concentration, ce qui rend la concentration de soluté à la surface de la membrane supérieure à celle de la solution de vrac dans le canal d'alimentation.

Effets indésirables de la polarisation de la concentration sur les performances de RO
① La concentration élevée de soluté à la surface de la membrane augmente le gradient de pression osmotique, réduisant le flux d'eau.
② Les gradients de concentration élevés et le flux d'eau réduit améliorent le transfert de masse du soluté à travers la membrane, abaissant les taux de rejet.
③ Les limites de solubilité des solutés peuvent être dépassées, conduisant à des précipitations et à la mise à l'échelle.

Enfraction et mise à l'échelle dans l'osmose inverse

La nanofiltration (NF) et les membranes RO sont susceptibles d'encrouver divers mécanismes. Les sources primaires d'encrassement et d'échelle comprennent les particules, la précipitation des sels inorganiques insolubles, l'oxydation des métaux solubles et les substances biologiques.

1. Encrassement en pratication

Les cycles de fonctionnement RO n'incluent pas le lavage à contre-courant pour éliminer les particules accumulées (en fait, le lavage à contre-courant peut provoquer la délaminage de la couche active de la couche de support dans des membranes composites à couches minces). L'encrassement des particules est une préoccupation majeure dans les systèmes RO. Presque tous les systèmes RO nécessitent un prétraitement pour minimiser l'encrassement des particules, car les particules résiduelles nuisent à l'efficacité de nettoyage.

Les substances inorganiques et organiques, y compris les composants microbiens et les débris biologiques, peuvent provoquer une encrassant des particules, conduisant à la formation de blocage et de filtre. Le blocage se produit lorsque de grandes particules dans la solution d'alimentation sont piégées dans les canaux d'alimentation et la tuyauterie. Le prétraitement de la solution d'alimentation utilisant la pré-filtration peut réduire le blocage. Les fabricants de membranes RO recommandent d'utiliser des filtres à cartouche de 5 μm comme étape de prétraitement minimum pour protéger les modules de membrane.

Les particules forment une couche de gâteau filtrante sur la surface de la membrane, augmentant la résistance hydraulique et affectant les performances du système. Les eaux alimentaires sujets à l'encrassement des particules nécessitent un prétraitement avancé pour réduire les concentrations de particules à des niveaux acceptables. La coagulation, la filtration (en utilisant du sable, du carbone ou d'autres milieux) et parfois la microfiltration (MF) ou l'ultrafiltration (UF) sont utilisées comme méthodes de prétraitement.

2.Précipitation et mise à l'échelle des sels inorganiques
La mise à l'échelle inorganique se produit lorsque les sels dans la solution dépassent leurs limites de solubilité et leur précipité. Les précipitations se produisent lorsque les ions constituant ces sels sont concentrés au-delà de leurs produits de solubilité, en particulier dans les zones à haute concentration près de la surface de la membrane, exacerbant la polarisation de la concentration. La mise à l'échelle inorganique sur la surface de la membrane réduit la perméabilité de l'eau ou provoque des lésions membranaires irréversibles.

En l'absence de prétraitement, les précipitations doivent être évitées en minimisant la polarisation de la concentration, en limitant le taux de rejet du sel ou le taux de récupération. La polarisation de la concentration peut être réduite en améliorant l'écoulement turbulent dans les canaux d'alimentation et en maintenant des vitesses d'écoulement minimales spécifiées par les fabricants d'équipements. Limiter les taux de rejet du sel n'est pas pratique en raison des objectifs d'ingénierie contradictoires, mais la restriction des taux de récupération est souvent nécessaire pour prévenir les précipitations. Le taux de récupération maximal admissible avant les précipitations de sel se produit est défini comme le taux de récupération autorisé, avec les précipitations initiantes de sel appelé le «sel critique». Les échelles communes dans les applications de traitement de l'eau comprennent le carbonate de calcium (Caco₃) et le sulfate de calcium (Caso₄).

Le prétraitement est essentiel pour tous les systèmes de RO pratiques afin d'empêcher la mise à l'échelle des sels peu solubles. Les précipitations de carbonate de calcium sont répandues, de sorte que la plupart des systèmes nécessitent un prétraitement pour ce composé. L'acidification de la solution d'alimentation pour ajuster le pH convertit les ions carbonatés en bicarbonate et dioxyde de carbone, empêchant les précipitations de caco₃. Les acides sulfuriques et chlorhydrique sont couramment utilisés, bien que l'acide sulfurique puisse augmenter les concentrations de sulfate, conduisant à une mise à l'échelle des sulfates. La plupart des solutions d'alimentation RO sont ajustées à pH 5,5 à 6,0, où la plupart des carbonates existent sous forme de co₂ et imprègnent à travers la membrane.

La mise à l'échelle des autres sels critiques est généralement empêchée d'utiliser des inhibiteurs d'échelle. Ces inhibiteurs empêchent la formation et la croissance des cristaux, supprimant les précipitations même dans des conditions sursaturées. Le degré de sursaturation admissible dépend des propriétés de l'inhibiteur, souvent propriétaires et spécifiques aux configurations d'équipement. La sélection des inhibiteurs appropriés doit suivre les recommandations des équipements et des inhibiteurs du fabricant, avec une analyse de l'eau alimentaire spécifique au site et une conception de taux de récupération.

Au-delà de l'acidification et des inhibiteurs, les installations modernes intègrent des mesures pour réduire les volumes des eaux usées du concentré et améliorer la récupération de l'eau, atténuant davantage la mise à l'échelle.

3. Encrassant d'oxyde métallique
Les eaux souterraines, une source d'alimentation RO / NF commune, sont souvent anaérobies. Les composés de fer et de manganèse dissous sont oxydés et précipités lorsque les oxydants pénètrent dans la solution d'alimentation, encrassant les membranes. L'encrassement en fer est plus fréquent et se produit rapidement lors de l'entrée d'air. L'oxydation ou l'élimination du fer oxydé / manganèse peut empêcher l'encrassement. Pour les faibles concentrations de fer, la prévention de l'entrée d'air suffit; Les inhibiteurs de l'échelle comprennent souvent des additifs pour atténuer l'encrassement du fer à faible concentration. Le prétraitement du fer implique l'oxydation avec de l'oxygène ou du chlore, suivi d'un mélange, d'un temps de rétention hydraulique adéquat et d'une filtration d'oxydation dans des milieux granulaires ou des filtres membranaires. Lorsque vous utilisez des oxydants, le contact avec les membranes - en particulier le polyamide ou les matériaux sensibles à l'oxydation - doit être évité. Les nettoyeurs commerciaux et les protocoles de nettoyage peuvent éliminer les dépôts de fer des membranes RO.

Un autre composant des eaux souterraines anaérobies est le sulfure d'hydrogène (H₂S). L'engression de l'air oxyde les H₂s au soufre colloïdal, en encrassement les membranes. Comme pour l'oxydation du fer, la prévention de l'entrée d'air est essentielle pour éviter l'encrassement du soufre. Les dépôts de soufre sur les membranes sont souvent irréversibles.

4. Enfant biologique
L'encrassement biologique fait référence à l'attachement ou à la croissance des micro-organismes ou des substances solubles extracellulaires sur la surface de la membrane ou dans les canaux d'alimentation. Commun dans les systèmes RO, il dégrade les performances en réduisant le flux, en réduisant les taux de rejet, en augmentant la chute de pression entre les modules, en contaminant le perméat, en dégradant les matériaux membranaires et en raccourcissant la durée de vie de la membrane.

L'encrassement biologique peut être empêché en maintenant des conditions de fonctionnement optimales, en appliquant des biocides et en rincelant périodiquement des modules de membrane inactive. De nombreuses solutions d'alimentation RO / NF (généralement les eaux souterraines) ont de faibles charges microbiennes. Un bon fonctionnement garantit que les forces de cisaillement dans les canaux d'alimentation empêchent une accumulation bactérienne excessive. Cependant, les microbes prolifèrent rapidement pendant les périodes inactives. Pour atténuer cela, un rinçage périodique avec du perméat ou l'ajout de biocides est nécessaire pendant les fermetures. Les solutions de chlore dans les limites recommandées servent de biocides pour les membranes de l'acétate de cellulose, mais les membranes polyamides - envahissantes à la dégradation du chlore - requisent des alternatives comme le bisulfite de sodium.

Pour les membranes acétate de cellulose, la chloration continue à des concentrations contrôlées peut. Pour les membranes en polyamide, l'irradiation ultraviolette, la chloramination ou la déchloration post-chloration peuvent être utilisées.

Conclusion
Le prétraitement est essentiel pour prévenir la mise à l'échelle et l'encrassement. Les méthodes courantes incluent l'acidification et les inhibiteurs de l'échelle pour prévenir les précipitations et la filtration du sel pour bloquer les particules. Les sources d'eau d'alimentation propre (par exemple, les eaux souterraines) ne peuvent nécessiter une filtration des cartouches avant les unités membranaires, tandis que les apports en eau de surface nécessitent des méthodes de filtration avancées, y compris la coagulation, la floculation, la sédimentation et la filtration granulaire ou membranaire. Étant donné que les performances de la membrane dépendent de l'efficacité du prétraitement, la sélection et la conception appropriés des trains de prétraitement sont essentiels.