Технология обратного осмоса (RO) широко применяется в водоподготовке — прежде всего при опреснении морской воды, очистке питьевой воды и в промышленной водоподготовке. Ключевым элементом процесса является обратноосмотическая мембрана. Она избирательно пропускает молекулы воды, задерживая растворённые соли, органические вещества, коллоиды и прочие примеси. Однако по мере эксплуатации системы загрязнение поверхности мембраны неизбежно, что приводит к снижению удельной производительности (потока через мембрану), росту энергопотребления установки и ухудшению качества очищенной воды. Для поддержания стабильной работы системы эффективным методом обслуживания стала химическая промывка (CIP).
Основные причины загрязнения мембраны
- Конвективное осаждение. В системе обратного осмоса вода под давлением проходит сквозь мембрану, а растворённые вещества (соли, коллоиды, микроорганизмы, органика и т. п.) и взвешенные частицы задерживаются мембраной. В ходе этого процесса конвективное движение воды у поверхности мембраны приводит к постепенному осаждению задержанных веществ на её поверхности. Такое осаждение, вызванное конвекцией, и называют конвективным осаждением. Оно является основной причиной загрязнения обратноосмотической мембраны.
- Концентрационная поляризация. Концентрационная поляризация — это явление, при котором в процессе разделения исходный раствор проходит под давлением сквозь мембрану, растворённые вещества (ионы или молекулы различной молекулярной массы) задерживаются, и концентрация на границе раздела «мембрана — объём раствора» либо в прилегающей к мембране области возрастает. Под действием градиента концентрации растворённые вещества диффундируют от поверхности мембраны в объём раствора, образуя пограничный слой, который увеличивает гидравлическое сопротивление и локальное осмотическое давление и тем самым снижает удельный поток растворителя через мембрану. Концентрационная поляризация ускоряет загрязнение мембраны. Из-за неё концентрация растворённых веществ у поверхности мембраны быстро возрастает, что повышает гидравлическое сопротивление пограничного слоя (или локальное осмотическое давление), снижает движущую силу массопереноса и приводит к осаждению загрязнений.
- Накопление задержанных веществ. Задержанные вещества ускоряют загрязнение мембраны. Например, в рулонных и плоскорамных мембранных элементах между каналами подачи находится слой пластиковой сетки-сепаратора, который поддерживает мембрану и усиливает турбулентность, но одновременно перехватывает загрязнения. Загрязнения задерживаются сеткой и быстро осаждаются.
В каких случаях требуется промывка?
Систему обратного осмоса необходимо промывать до того, как загрязнение мембраны станет сильным, — иначе промывка усложнится. Обратноосмотическую мембрану следует промывать немедленно при возникновении в ходе эксплуатации следующих условий:
- При нормальном давлении исходной воды расход фильтрата снижается на 10–15 % от нормального значения;
- Для поддержания нормального расхода фильтрата давление исходной воды (после температурной коррекции) приходится повышать на 10–15 %;
- Качество очищенной воды ухудшается на 10–15 %, а проскок солей возрастает на 10–15 %;
- Существенно возрастает перепад давления между ступенями системы.
Как выполнять химическую промывку?
Химическая промывка — это метод очистки мембранных элементов без их демонтажа, обычно включающий следующие этапы:
Анализ загрязнений
К типичным загрязнениям обратноосмотических мембран относятся неорганическая накипь, оксиды металлов, кислотонерастворимые отложения, кремниевые отложения и др. Чтобы эффективно бороться с разными видами загрязнений, необходимо применять соответствующие методы промывки. Неправильный выбор моющих реагентов и методов в ряде случаев может, наоборот, усугубить загрязнение мембранной системы. Поэтому перед промывкой необходимо определить тип загрязнения на поверхности мембраны. Доступны следующие методы анализа:
- Провести анализ потерь при прокаливании и по изменению массы образца до и после сжигания рассчитать соотношение органических и неорганических веществ в загрязнениях, чтобы определить их тип.
- Определить виды и содержание элементов методами рентгенофлуоресцентной спектроскопии (XRF) и рентгеновской дифракции (XRD), чтобы установить основные компоненты неорганических загрязнений.
- Совместно применить инфракрасную спектроскопию с фурье-преобразованием (FTIR) и хромато-масс-спектрометрию (GC-MS) для характеризации и идентификации химических соединений загрязнений и получения данных об органическом составе загрязнений мембраны.
Подбор моющего раствора
Тип моющего раствора определяется на основе анализа загрязнений, выявленных перед промывкой. Для достижения оптимального результата иногда применяют комбинацию различных моющих реагентов.
Кислотные моющие растворы применяют для удаления неорганической накипи, осевшей на обратноосмотической мембране, а щелочные — для удаления органических веществ и коллоидных загрязнений. Ниже приведены некоторые типовые схемы подбора моющих реагентов:
| Загрязнения | Предпочтительный моющий реагент | Условия промывки | Альтернативный моющий раствор |
|---|---|---|---|
| Неорганическая накипь | 0,2 % раствор HCl | pH: 1–2; температура < 38 °C | 2 % лимонная кислота; 1 % |
| Оксиды металлов | 1 % раствор | температура < 35 °C | 0,5 % фосфорная кислота; 2 % лимонная кислота |
| Кислотонерастворимые отложения (CaF₂, BaSO₄) | 0,1 % NaOH + 1 % Na₄ЭДТА (тетранатриевая соль этилендиаминтетрауксусной кислоты) | pH: 11–12; температура < 30 °C | 1 % гексаметафосфат натрия |
| Кремниевые отложения | 0,1 % раствор NaOH + 0,025 % Na-SDS (додецилсульфат натрия) | pH: 11–12; температура < 30 °C | 0,1 % NaOH + 1 % раствор Na₄ЭДТА |
| Микроорганизмы | 0,1 % NaOH + 0,025 % Na-SDS | pH: 11–12; температура < 30 °C | 0,1 % NaOH + 1 % раствор Na₄ЭДТА |
| Органические вещества | 0,1 % раствор NaOH + 0,025 % Na-SDS — применяется как первый этап промывки | pH: 11–12; температура < 30 °C | 0,2 % раствор HCl обычно применяют как второй этап промывки после щелочной отмывки |
Расчёт объёма моющего раствора
Объём моющего раствора для системы обратного осмоса рассчитывают двумя способами:
- Расчёт по формуле: V — пустой (незаполненный) объём системы.
- Оценка фактического объёма моющего раствора исходя из модели обратноосмотической мембраны и степени загрязнения. Различают два случая. При несильном загрязнении объём моющего раствора на одну обратноосмотическую мембрану в корпусе Φ101,6 мм составляет около 8,5–9,5 л, а на мембрану в корпусе Φ203,2 мм — около 33–35 л. При сильном загрязнении объём моющего раствора на мембрану Φ101,6 мм составляет около 16–19 л, а на мембрану Φ203,2 мм его следует доводить до 55–69 л.
Последовательность промывки
Химическую промывку выполняют, оставляя мембранные элементы внутри корпусов высокого давления. В состав промывочного оборудования обычно входят фильтры промывочного бака, циркуляционные насосы, манометры, термометры, манометры, арматура, точки отбора проб и трубопроводы. Объём промывочного бака должен обеспечивать количество воды, достаточное для вытеснения воды в соединительных шлангах, трубопроводах и корпусах обратноосмотических мембран.
- Составление плана промывки ① В данной статье для промывки обратноосмотической мембранной системы, содержащей CaF₂ и неорганическую накипь, используется сочетание щелочного и кислотного моющих реагентов. Растворы соляной кислоты и гидроксида натрия применяют для регулирования pH моющего раствора.
- Подготовительные работы перед промывкой ② Открыть впускной вентиль обратноосмотической установки и залить определённое количество фильтрата в промывочный бак обратного осмоса. Запустить циркуляционный насос обратного осмоса и прокачать промывочный контур, обеспечив его чистоту и отсутствие посторонних частиц. ③ Остановить циркуляционный насос, опорожнить промывочный бак и залить фильтрат обратного осмоса до определённого уровня (с учётом вместимости всего трубопровода). Включить нагреватель и нагреть воду в промывочном баке примерно до 40 °C. ④ Приготовить растворы соляной кислоты и гидроксида натрия для регулирования pH моющего раствора. Подготовить pH-метр, измерять и фиксировать изменения pH моющего раствора в процессе промывки.
- Приготовление щелочного моющего раствора. Запустить циркуляционный насос обратного осмоса, добавить в промывочный бак щелочной моющий реагент, затем добавить необходимое количество раствора щёлочи (NaOH) и измерить pH раствора, доведя его примерно до 11.
- Щелочная промывка обратноосмотической мембраны ① Щелочная промывка обратного осмоса: отрегулировать циркуляционный насос так, чтобы давление на выходе поддерживалось на уровне около 0,2–0,25 МПа. Обеспечить циркуляцию щелочного моющего реагента в системе обратного осмоса. Каждые 10 минут измерять pH щелочного раствора. Если он снижается, это означает, что загрязнения с поверхности мембраны растворяются моющим раствором. Добавлять необходимое количество раствора щёлочи (NaOH) для поддержания pH около 11. Продолжать циркуляцию до тех пор, пока pH моющего раствора не перестанет изменяться (как правило, требуется циркуляция более 30 минут). ② Выдержка в щелочном моющем реагенте: после промывки мембраны щелочным раствором остановить циркуляционный насос и закрыть всю арматуру системы обратного осмоса, оставив мембрану на выдержку в щелочном растворе на определённое время (как правило, более 5 часов). ③ Повторная циркуляция щелочного моющего реагента: открыть промывочный впускной и выпускной вентили установки обратного осмоса, а также возвратный вентиль со стороны фильтрата, чтобы щелочной моющий реагент последовательно проходил сквозь мембрану. Фиксировать изменения pH раствора (как правило, повторная циркуляция длится более 1 часа). ④ Тщательная отмывка от щелочного раствора: остановить циркуляционный насос и закрыть выпускной вентиль. Открыть дренажный вентиль промывочного бака и слить щелочной моющий раствор. Закрыть промывочный впускной и выпускной вентили установки обратного осмоса. Открыть вентиль сброса концентрата и дренажный вентиль со стороны фильтрата, чтобы удалить щелочной моющий реагент из установки обратного осмоса. Затем открыть впускной вентиль промывки и запустить промывочный насос для отмывки системы обратного осмоса. Как только удельная электропроводность фильтрата опустится ниже 30 мкСм/см, поочерёдно открыть промывочный впускной и выпускной вентили и провести обратную промывку трубопровода и промывочного бака до полного удаления щелочного моющего реагента из трубопровода.
- Приготовление кислотного моющего раствора. Залить фильтрат обратного осмоса в промывочный бак до определённого уровня. Открыть циркуляционный вентиль промывочного насоса, запустить циркуляционный насос обратного осмоса, добавить необходимое количество кислотного моющего реагента и раствора соляной кислоты до достижения pH раствора 2,0.
- Промывка, выдержка и отмывка кислотным моющим раствором. Кислотная промывка обратноосмотической мембраны в целом аналогична щелочной. В процессе промывки необходимо часто контролировать pH раствора. Если pH повышается, это означает, что отложения нейтрализуют кислотный моющий реагент. Тогда нужно добавить необходимое количество раствора соляной кислоты для поддержания pH моющего раствора около 2,0. После промывки также требуется выдержка более 5 часов, затем повторная циркуляция в течение 1 часа с фиксацией изменений pH. Затем запустить всю систему промывки обратного осмоса для тщательной отмывки установки.
- Повторный запуск системы. После того как элементы и система стабилизируются, зафиксировать рабочие параметры после перезапуска системы.
Меры предосторожности при химической промывке
- Температуру моющего раствора следует поддерживать в пределах 25–35 °C. Моющий раствор необходимо готовить на фильтрате обратного осмоса или деионизованной воде и тщательно перемешивать.
- В ходе промывки следует сливать остаточную воду из корпусов обратноосмотических мембран и трубопроводов, а образующийся при промывке концентрат возвращать в бак с моющим раствором. Если возвращаемый моющий раствор заметно меняет цвет или мутнеет, следует приготовить свежий раствор. Если изменение pH циркулирующего моющего раствора превышает 0,5, необходимо повторно отрегулировать pH или заменить раствор.
- По завершении промывки в установленное время её следует немедленно отмыть фильтратом обратного осмоса или деионизованной водой. Время отмывки обычно составляет 30–60 минут, при этом воду с выхода обратного осмоса нужно сливать. После подтверждения завершения отмывки установку желательно немедленно ввести в нормальную эксплуатацию. Время от химической промывки до пуска не должно превышать 24 часов.
- Персоналу, готовящему моющий раствор, следует соблюдать технику безопасности, использовать защитные перчатки, очки и спецодежду, а также иметь на месте аварийный запас воды и медицинских средств.
- Приборы и трубопроводную арматуру, не связанные с работами по промывке, следует перекрыть для обеспечения надёжной изоляции.
Готовое решение — установки АКВАПЛЕКС
Промышленные установки обратного осмоса АКВАПЛЕКС серии 8040 (1–10 м³/ч) поставляются в сборе с предподготовкой, насосом высокого давления и приборами контроля — спроектированы под параметры вашей воды.
