Растворённый кремний (SiO₂) присутствует в большинстве природных вод в диапазоне 1–100 мг/л. В воде он находится преимущественно в виде метакремниевых кислот (H₂SiO₃)ₙ с малыми n. Поскольку кремниевая кислота — слабая кислота, при pH около нейтрального и ниже она в основном недиссоциирована. Пересыщенная кремниевая кислота полимеризуется в нерастворимый коллоидный кремнезём или силикагель, который осаждается на мембране. Максимально допустимая концентрация SiO₂ в концентрате определяется растворимостью SiO₂.
Для концентрата потенциал образования отложений отличается от потенциала питающей воды: в концентрате растёт концентрация SiO₂ и меняется pH. Эти параметры рассчитываются по анализу питающей воды и рабочим параметрам обратного осмоса.
Растворимость реактивного SiO₂
В нейтральной области pH кремниевая кислота преимущественно недиссоциирована. При повышении pH выше нейтрального она диссоциирует с образованием силикат-аниона (SiO₃²⁻)ₙ. Силикат реагирует с кальцием, магнием, железом, марганцем или алюминием — образуются нерастворимые силикаты.
Растворимость SiO₂ задаётся как функция температуры (по справочной кривой растворимости) с поправочным коэффициентом по pH. Скорректированная по pH растворимость рассчитывается умножением растворимости при заданной температуре на pH-коэффициент.
Мембраны обратного осмоса, нанофильтрации и ультрафильтрации
Элементы 2540, 4040, 8040 — серии BW, SW, LP, ULP, XLP, FR, HOR.
Влияние температуры
Растворимость SiO₂ растёт с температурой — это базовое физико-химическое свойство кремнезёма. На практике это даёт инструмент управления риском силикатной накипи: повышение температуры воды через теплообменник существенно увеличивает максимально допустимую степень извлечения по силикатной накипи.
Ограничение — максимальная температура для непрерывной эксплуатации мембранных элементов: 45 °C. Выше этой температуры нагревать воду на входе в установку нельзя.
В расчётах температура концентрата принимается равной температуре питающей воды. Если температура воды меняется, для расчётов используют минимальное значение — это даёт запас по растворимости.
Влияние pH
pH сильно влияет на растворимость SiO₂. Минимум растворимости приходится на нейтральную область. Растворимость кремния увеличивается:
- ниже pH ≈ 7,0;
- выше pH ≈ 7,8.
Поэтому корректировка pH — кислотой или щёлочью — позволяет повысить допустимый recovery по силикатной накипи. Каждый сценарий имеет ограничения:
- при подкислении нужно учитывать остаточную щёлочность и баланс по карбонатам;
- при подщелачивании одновременно растёт риск осаждения CaCO₃ — его контролируют отдельно.
В расчётах pH концентрата вычисляется по pH питающего потока с учётом изменения карбонатного равновесия по стандартной процедуре (см. раздел про предсказание pH концентрата).
Алюминий и железо как катализаторы осаждения
Алюминий — наиболее сильный осадитель кремниевой кислоты. Случаи силикатной накипи в системах обратного осмоса в большинстве своём коррелируют именно с присутствием алюминия или железа. Опубликованные данные показывают: при одновременном присутствии Al³⁺ и Fe³⁺ в подготовленной питающей воде кремний осаждается даже ниже своего насыщения.
Поэтому действует жёсткое требование: и Al³⁺, и Fe³⁺ должны быть менее 0,05 мг/л в питающей воде, даже если SiO₂ ниже своего предела растворимости.
Источник риска — не только природный фон. Соли Al³⁺ и Fe³⁺ применяются как коагулянты в муниципальной и промышленной водоподготовке. Поэтому даже если сама исходная вода не содержит высоких уровней алюминия и железа, остаточные количества коагулянта на стадии предподготовки могут попасть на мембрану. Требуются частые и точные измерения этих ионов.
Загрязнение силикатами металлов идёт по двум механизмам:
- Химическая реакция и осаждение (scaling).
- Коллоидное загрязнение (fouling) субмикронными частицами, попадающими в мембранную систему.
Меры контроля:
- Подкисление питающей воды — снижает риск осаждения металлических силикатов.
- Профилактические кислотные промывки — снимают зародышевые отложения до того, как они уплотнятся.
- Флокуляция и фильтрация или тонкий префильтр (1 мкм или меньше) — если в питающей воде присутствует коллоидный кремний или силикаты.
Расчёт SiO₂ в концентрате
Алгоритм расчёта потенциала силикатной накипи в отсутствие трёхвалентных металлов. Требуются данные по питающей воде (после подкисления, если оно применяется для контроля карбоната кальция):
- концентрация SiO₂;
- температура;
- pH;
- общая щёлочность.
Шаг 1. Концентрация SiO₂ в концентрате (SiO₂c) рассчитывается по концентрации SiO₂ в питающей воде (SiO₂f) и степени извлечения системы (Y, в долях единицы):
``` SiO₂c = SiO₂f / (1 − Y) ```
где:
- SiO₂c — концентрация кремния в концентрате как SiO₂, мг/л;
- SiO₂f — концентрация кремния в питающей воде как SiO₂, мг/л;
- Y — recovery системы обратного осмоса, доля единицы.
Шаг 2. Рассчитывается pH концентрата по pH питающего потока (по стандартной процедуре расчёта pH концентрата).
Шаг 3. По справочной кривой растворимости находят растворимость SiO₂ как функцию температуры (SiO₂ temperature). Температура концентрата принимается равной температуре питающей воды. При переменной температуре используют минимальное значение.
Шаг 4. По справочной кривой определяют поправочный pH-коэффициент для рассчитанного pH концентрата.
Шаг 5. Скорректированная по pH растворимость SiO₂:
``` SiO₂corr = SiO₂(температурная) × pH-коэффициент ```
Шаг 6. Сравнить SiO₂c (шаг 1) с SiO₂corr (шаг 5):
- SiO₂c < SiO₂corr — допустимо повысить recovery. Расчёт повторяют итеративно, чтобы найти максимально допустимое значение по силикатной накипи.
- SiO₂c > SiO₂corr — силикатная накипь возможна, нужно снижать recovery. Итерациями находят допустимый recovery.
После запуска установки потенциал силикатной накипи рассчитывается напрямую по анализу концентрата и сравнивается с проектным значением, полученным по приведённому алгоритму.
Меры контроля
Если расчётный максимально допустимый recovery ниже желаемого, применяют один или несколько подходов:
- Известково-содовое умягчение с добавлением оксида магния или алюмината натрия — на стадии предподготовки. Снижает SiO₂ в питающем потоке и тем самым повышает допустимый recovery. Процесс умягчения должен быть выполнен корректно, иначе в самой системе обратного осмоса могут образоваться нерастворимые металлические силикаты.
- Корректировка pH — кислотой или щёлочью. Растворимость SiO₂ выше за пределами интервала pH ≈ 7,0–7,8. При высоком pH дополнительно контролируется риск отложений CaCO₃.
- Повышение температуры воды через теплообменник. Существенно увеличивает максимально допустимый recovery по силикатной накипи. Верхняя граница для непрерывной эксплуатации — 45 °C.
- Ингибиторы отложений на основе высокомолекулярных полиакрилатов — повышают растворимость кремния.
Если в питающей воде есть коллоидный кремний или силикаты, отдельно подключают флокуляцию с фильтрацией и/или тонкий префильтр 1 мкм или меньше — это снимает коллоидную составляющую загрязнения.
Установки обратного осмоса АКВАПЛЕКС
Готовые промышленные и коммерческие системы 4040 и 8040 от 0,25 до 50 м³/ч.
