До широкого распространения обратного осмоса на муниципальных сточных водах кальций-фосфатная накипь встречалась нечасто. Из-за дефицита воды повторное использование и переработка муниципальных стоков стали одним из основных направлений применения обратного осмоса. С этим направлением появилась необходимость в специальных мерах против кальций-фосфатной накипи.
В этой статье — где встречается фосфат в воде, в каких формах он присутствует, как pH влияет на растворимость кальциевых, алюминиевых и железных фосфатов, как считается индекс стабильности кальций-фосфатной системы и какие меры применяются для контроля.
Где встречается фосфат и почему это проблема для осмоса
Фосфор — распространённый элемент природы, входит в состав многих минералов. Когда обратный осмос ставится после биологической очистки муниципальных сточных вод (тертиарная очистка) или применяется для повторного использования стоков, в исходной воде остаётся фосфор в разных химических формах. На мембране это проявляется как кальций-фосфатное обрастание.
В природных водах и сточных потоках соединения фосфора существуют в следующих формах:
- Твёрдые (взвешенные) фосфаты.
- Ортофосфат (PO₄³⁻). В зависимости от pH присутствует как H₃PO₄, H₂PO₄⁻, HPO₄²⁻ или PO₄³⁻. В нейтральных стоках преобладают H₂PO₄⁻ и HPO₄²⁻.
- Полифосфаты. Важные компоненты текстильных моющих порошков и других детергентов. В зависимости от продукта содержат от 2 до 7 атомов фосфора.
- Органический фосфор. Фосфор — необходимый элемент для живых организмов.
Самая распространённая минеральная форма фосфора — апатит, кальциевый фосфат с переменным содержанием OH⁻, Cl⁻ и F⁻ (гидроксиапатит, хлорапатит, фторапатит). Часть фосфатных минералов содержит алюминий и/или железо. Из-за низкой растворимости следующие фосфатные соединения могут вызывать фосфатную накипь в работе обратного осмоса и нанофильтрации.
Мембраны обратного осмоса, нанофильтрации и ультрафильтрации
Элементы 2540, 4040, 8040 — серии BW, SW, LP, ULP, XLP, FR, HOR.
Формы фосфата и зависимость от pH
Малорастворимые фосфатные соединения, способные образовывать накипь на мембране:
| Соединение | Формула | pKsp |
|---|---|---|
| Брушит | CaHPO₄·2H₂O | 6,68 |
| Кальциевый фосфат | Ca₃(PO₄)₂ | 28,9 |
| Октакальцийфосфат | Ca₄H(PO₄)₃·3H₂O | 46,9 |
| Гидроксиапатит | Ca₅(PO₄)₃OH | 57,74 |
| Фторапатит | Ca₅(PO₄)₃F | 60 |
| Магний-аммоний-фосфат | MgNH₄PO₄ | 12,6 |
| Алюминиевый фосфат | AlPO₄ | 20 |
| Железный фосфат | FePO₄ | 15 |
Поведение этих соединений в зависимости от pH разное и противоположное:
- Кальциевый фосфат и апатиты менее растворимы в нейтральных и щелочных условиях и растворяются в кислой среде.
- Алюминиевый и железный фосфаты, наоборот, менее растворимы в умеренно кислой среде.
Из-за этой противоположной зависимости важно удалять алюминий и железо на этапе предподготовки: иначе подкисление, которое снижает риск кальций-фосфатной накипи, может вызвать осаждение фосфатов алюминия и железа.
Расчёт индекса стабильности кальций-фосфатной системы (SI)
Из-за сложности фосфатной химии заранее предсказать пороговый уровень кальций-фосфатной накипи непросто. Чтобы оценить риск, применяется индекс стабильности кальций-фосфатной системы (Calcium Phosphate Stability Index, SI), предложенный Кубо и др. Индекс определяется уровнями кальция и фосфата, pH и температуры:
- Отрицательное значение SI — низкий потенциал образования кальций-фосфатной накипи.
- Положительное значение SI — есть потенциал образования кальций-фосфатной накипи.
SI считается по уравнению:
SI = pHa − pHc
где:
- pHa — фактический pH исходной воды;
- pHc — критический pH, рассчитываемый по экспериментальной зависимости от:
- CaH — кальциевая жёсткость, ppm как CaCO₃;
- PO₄ — концентрация фосфата, ppm как PO₄;
- t — температура, °C.
В справочных материалах приводится зависимость критической концентрации фосфата при разных значениях pH (для 25 °C) от кальциевой жёсткости исходной воды. Если в исходной воде высокие уровни фторида, аммиака и алюминия, критическая концентрация фосфата может быть ниже из-за образования фторапатита, алюминиевого фосфата и подобных соединений.
Меры контроля кальций-фосфатной накипи
Чтобы минимизировать риск фосфатной накипи на мембране, действовать нужно сразу по нескольким направлениям:
- Снижать концентрацию ортофосфата — это первый шаг.
- Снижать концентрацию кальция — без кальция кальций-фосфатные соединения не образуются.
- Снижать концентрацию фторида — иначе образуется фторапатит, который ещё менее растворим, чем гидроксиапатит.
- Снижать концентрацию алюминия — чтобы избежать алюминиевого фосфата.
- Понижать pH исходной воды — низкий pH помогает контролировать фосфатную накипь, поскольку кальциевые фосфаты растворяются в кислой среде.
- Применять подходящие коммерческие антискаланты. Доступны реагенты, специально пригодные для борьбы с фосфатной накипью.
Мембраны, на которых уже образовалась фосфатная накипь, лучше всего отмывать при низком pH (см. раздел по химической промывке).
Установки обратного осмоса АКВАПЛЕКС
Готовые промышленные и коммерческие системы 4040 и 8040 от 0,25 до 50 м³/ч.
