A sójárat megértése vs. Sóelutasítás fordított ozmózis rendszerekben

Harold Fravel, az American Membrane Technology Association ügyvezető igazgatója

Harold G. Fravel Jr., az Amerikai Membrántechnológiai Szövetség ügyvezető igazgatója és Karen Lindsey, az Avista Technologies, Inc. alelnöke.

Az „elkülönülés” és az „elutasítás” kifejezések különféle negatív érzelmeket válthatnak ki közülünk a legsztoikusabban is. De a membrántechnológia összefüggésében történő hatékony szétválasztás és elutasítás rendkívül pozitív előnyökkel jár globális közösségünk számára. A membránszétválasztás dinamikájának ismerete, a só-kilökődés és a sóátjárás megkülönböztetése és számításának módja szükséges a reverz ozmózis (RO), a nanoszűrés (NF), a mikrofiltráció (MF) és az ultraszűrés (UF) rendszerek egyedi működési viselkedésének megértéséhez.

A víz és a membránok dinamikája

A vizet szinte áhítatosan univerzális oldószerként emlegetik, a hidrogén és az oxigén csodálatos kombinációja, amely képes különféle alkotórészeket feloldani, amíg koncentrációjuk meghaladja a vizek azon képességét, hogy oldatban tartsák őket. Öntsön túl sok cukrot egy pohár limonádéba, és saját kezűleg fogja látni ezt a túltelítettségi jelenséget. A vízkezeléssel foglalkozó szakemberek az oldott szerves és szervetlen molekulákra utalnak az összes oldott szilárd anyag vagy TDS kifejezésben, és rutinszerűen használják a „sók” kifejezést, amikor valójában a TDS-t alkotó összes vegyületre utalnak a forrásvízben. Ennek eredményeként a „sóelutasítás” kifejezés mindenre kiterjedő lehet.

A membrán technológiákat alkalmazzák a víz alkotórészeinek ionszintű eltávolítására, és a membrán kilökődésének és a só áthaladásának kiszámítása kritikus fontosságú a membrán teljesítményének értékelésekor és annak eldöntésében, hogy egy rendszer biztosítja-e a termék kívánt vízminőségét. Az MF és UF membránok felhasználásával végzett szűrés különböző pórusátmérőkön alapul, amelyek szitaként hatékonyan elválasztják a folyadékokat a szilárd anyagtól és a nagyobb molekulatömegű alkotóelemektől a betápláló áramban. Ezt általában „gátló rétegnek” nevezik, ahol a membrán gátként működik, hogy a kívánt komponenseket átengedje, miközben elutasítja a nemkívánatos vegyületeket. A vízmolekulák és a vízben sokféle oldott faj elég kicsi ahhoz, hogy áthaladjanak az MF és az UF pórusain. De a pórusátmérőnél nagyobb szilárd anyagok nem tudnak átjutni és a felszínen maradni mindaddig, amíg a membránokat vissza nem mossák, átöblítik vagy meg nem tisztítják. Az UF membránok pórusátmérője 0,01-0,04 mikron, az MF membránok pórusátmérője 0,1-0,2 mikron. Ezen előírások szerint az MF-et használják a részecskék, az UF-et pedig a részecskék és a nagy molekulatömegű kolloidok elutasításához.

Az RO-membránokat az oldott ionok eltávolítására használják olyan folyamatban, amelynek szűrése nem támaszkodik különálló pórusokra. Ehelyett az RO diffúziót alkalmaz, hogy a vízmolekulák könnyen áthaladjanak egy féligáteresztő membránrétegen, miközben elutasítják a nagyobb molekulatömegű alkotóelemeket. Az elutasítás változó, de jellemzően növekszik, ha a molekula iontöltete és mérete növekszik. A kortárs membránok 99,8 százalékos elutasítási arányt tettek közzé, ami azt jelenti, hogy a tápvíz alkotórészeinek 0,2 százaléka áthalad az RO gátrétegen. A tényleges kilökődési arány azonban számos paraméteren alapul, beleértve a százalékos visszanyerést, a tápvíz hőmérsékletét, a pH-értéket és az RO membrán fizikai állapotát. Az RO-ban alkalmazott poliamid membránok többsége negatív töltést hordoz természetes víz pH-értékénél, ezért az anionok és a membrán között kölcsönös taszítás is van, ami akadályozhatja az anionok membránon történő transzportját.

Érdekes megjegyezni, hogy a 99,8 százalékos elutasítási arány lenyűgözőnek tűnhet, de ez még mindig azt jelenti, hogy az oldott vegyületek egy százaléka átjut a membrángáton a permeátumáramba. A közzétett elutasítási arányok változásainak értékelése különösen fontos, ha exponenciálisan magas TDS-értékeket kezelünk. A tengervíz sótalanítási projektje 33 000 ppm TDS forrásvízzel összehasonlíthatja az RO membrán kilökődését 99,5% -kal, míg a másikét 99,75% -kal. Míg az arányokban csak 0,25 százalékos százalékos különbség van, a második membrán várható permeátumminősége 100 százalékkal nőtt, kiszámítva: 165 ppm, illetve 82,5 ppm.

Az NF hasonló az RO-hoz, mivel diffúzióra támaszkodik, de az oldott kétértékű ionok és a nagy molekulatömegű vegyületek specifikus elutasítására szolgál. Az NF membránok nagyon hatékonyak a víz elválasztásában a nagy molekulatömegű vegyületektől, például a herbicidektől és a peszticidektől, valamint a nemkívánatos, általában tanninokból származó szín eltávolításában.

RO sójárat és elutasítás

A só áthaladásának és elutasításának teljes mértékű értékeléséhez elengedhetetlen az RO folyamatáramlás alapos ismerete. Az RO membránrendszer három folyadékáramból áll: a betáplálásból, a permeátumból és a koncentrátumból. Amint a betáplált víz áthalad a membránokon, a keletkező permeate (termékvíz) és koncentrátum (visszautasított víz) keletkezik. Hacsak nincs jelentős szivárgás a rendszerben, a permeátum és a koncentrátum együttes térfogata mindig megegyezik az előtolás áramlási térfogatával, amint ez a számítás mutatja:

Feed Flow = Permeate Flow + Koncentrátum Flow

Q-ként jelölt áramlás

Permeátum áramlás = Qp

Koncentrátum áramlás = Qc

Összességében a tömegegyenlet:

ahol a C a patakokban lévő koncentrációkra vonatkozik

Míg a vízmennyiség teljes elszámoltathatósággal bír az RO folyamatban, a betáplált víz alkotóelemei megtalálhatók akár a keletkező permeátum-, akár koncentrátum-áramokban. A RO gátló rétegen áthaladó és a permeátumban megtalálható vegyületek százalékos arányát só „átjáróként” írják le. Azokat a vegyületeket, amelyek nem mennek át az RO gátló rétegen, és a koncentrátumban találhatók, „elutasítottnak” tekintik. A „passzus” kifejezés a „visszautasítás” kifejezés reciprokja. A sószállítást vagy a membránzárórétegen történő szállítás hiányát „sóelutasításnak” nevezik, és ez a „sóátvezetés” fordítottja. Példák az egyenletekre:

Sójárat = (Cp/Cf) X 100

Permetált TDS = Cp

A tápvíz TDS-t Vö

Koncentrátum TDS = Cc

Sóelutasítás = (1 - Sójárat) x 100

Ha egy RO tápvíz 10 ppm permeátum TDS-t és 1000 ppm TDS tápvizet tartalmaz:

A só áthaladásának kiszámítása: (10/1000) X 100 = 1%

A só kilökődését a következő képlettel számolják: (1 - 0,01) x 100 = 99%

Változók a számítási értékekben

A só-kilökődés és a passzázsszámítás során használt értékek nem olyan nyilvánvalóak, mint amire számítani lehet. A reverz ozmózis ugyanis dinamikus folyamat. A kortárs rendszereket legfeljebb hét membránelem sorozatban történő elhelyezésére tervezték egyetlen nyomástartó edényben. Az elemek a permeátumcsövön keresztül vannak összekötve, amely egyetlen termék áramlását rögzíti az egész edényen. Ebben a konfigurációban a sorozat minden membránja eltávolítja a vizet a takarmányból, miközben elutasítja a sókat. Ennek eredményeként az edény utolsó elemét tápláló TDS sokkal magasabb lesz, mint az első elemet tápláló TDS.

Ennek a jelenségnek a felismerése érdekében a RO-só áthaladását és kilökődését kiszámítják az átlagos takarmány- és koncentrátum-TDS felhasználásával. Ezeknek az átlagoknak a kiszámítása megfelelően figyelembe veszi a rendszer tényleges dinamikáját, és lehetővé teszi a membrán méretezési potenciáljának sokkal pontosabb előrejelzését. Az 50% -os visszanyeréssel működő első RO szakasz és az 1000 ppm tápvíz-TDS bejelentett példája alapján várhatóan 2000 ppm TDS lesz a rendszer utolsó membránjaiból. Ha figyelmen kívül hagynánk RO egyedülálló hajtóerejét, és a számítások során a jelentett 1000 ppm TDS-t használnánk, durván félrevezetnénk a tápvíz minőségét a rendszer hátoldalán. Ebben a példában kiszámítanánk:

Átlagos takarmány-TDS = 1000 + 2000/2 = 1500 ppm

Érdekes, hogy míg a sóelutasítás és a passzázs kifejezések ugyanazokat a jelenségeket írják le, mindegyik számított értéke nagyon eltérő. A fent vázolt átlagos takarmánykoncentrációs érték felhasználásával:

Sójárat = 10/1 500 x 100 = 0,66%

Só elutasítás = (1 - 0,0066) X 100 = 99,34%

Annak ellenére, hogy jelentős a különbség a 0,66% -os sóátbocsátási érték és a 99,34% -os sóelutasítási érték között, most már megértettük, hogy a sóátvezetés és a sóelutasítás ugyanazokat a jelenségeket írja le egy RO-rendszeren belül. Ennek és a kiszámított átlagos előtolás-TDS-nek a kombinálása lehetővé teszi az operátorok számára, hogy megfelelően értékeljék és nyomon kövessék membránrendszerük teljesítményét.

Harold Fravel elfogadta az American Membrane Technology Association (AMTA) ügyvezető igazgatói posztját, miután 36 évig dolgozott a Dow Chemical/FilmTec Corporationnél. Az észak-karolinai egyetemen szerzett PhD-t a szerves kémia területén, a Florida State University-n pedig kémiai diplomát szerzett. Lakhelye Jupiter, FL.