Tecnologia de osmose reversa (RO) é amplamente utilizado no tratamento de água devido às suas vantagens, como taxas de dessalinização estáveis, pequena área ocupada, automação e escalabilidade. No entanto, a incrustação é um problema problemático para o pessoal de tratamento de água durante a operação da membrana. UM incrustação pode levar a uma diminuição no fluxo da membrana, aumento do consumo de energia, taxas mais baixas de dessalinização e redução da vida útil da membrana, o que aumenta os custos operacionais. Portanto, medidas devem ser tomadas para evitar a incrustação da membrana. Os métodos comuns de inibição de incrustações incluem duas abordagens principais: ajustar o pH da água de alimentação de OR e adicionar inibidores de incrustações à água de alimentação. UMmbos os métodos também podem ser usados juntos. Este artigo discute o mecanismo de inibição de incrustação e fornece métodos para selecionar o método de inibição e calcular a dosagem necessária.
1. Mecanismo Inibidor de Escala
A incrustação da membrana refere-se à precipitação de substâncias pouco solúveis, como CaCO3, CaSO4, BaSO4 e Ca3(PO4)2, na superfície da membrana. Quando essas substâncias ficam concentradas no sistema RO, podem atingir a supersaturação. Por exemplo, em pH=7,5 e temperatura da água de 25°C, quando a dureza do cálcio (medida como CaCO3) é 200 mg/L e a alcalinidade total (medida como CaCO3) é 150 mg/L, o CaCO3 se aproximará da supersaturação. Da mesma forma, em pH=7,5 e temperatura da água de 25°C, quando a concentração de íons bário é de apenas 0,01 mg/L e de íons sulfato é 4,5 mg/L, o BaSO4 ficará supersaturado e precipitará.
O mecanismo de inibição de escala dos inibidores de escala de osmose reversa envolve principalmente complexação, dispersão, distorção de rede e efeitos de limiar.
Complexação e solubilização: Os inibidores de incrustações podem formar complexos solúveis com cátions incrustados em água, como íons de cálcio, magnésio e bário, evitando a formação de CaCO3, CaSO4, BaSO4 e Ca3(PO4)2.
Coagulação e dispersão: Os ânions liberados pelos inibidores de incrustação se ligam aos cristais de CaCO3. Como os contaminantes nas águas residuais industriais normalmente carregam uma carga negativa, cargas semelhantes se repelem, criando uma repulsão eletrostática que impede que os cristais de CaCO3 se agreguem e se transformem em partículas maiores. Os cristais são dispersos uniformemente na solução, inibindo assim a formação de incrustações de CaCO3.
Distorção da rede: Durante a agregação e crescimento dos microcristais de CaCO3, inibidores de incrustação são incorporados na rede cristalina ou na interface do cristal, causando distorção da rede. Isto inibe ou distorce diretamente o crescimento do cristal. Por exemplo, o CaCO3 é formado por íons de cálcio com carga positiva e íons de bicarbonato com carga negativa, que crescem em uma direção específica. Durante o seu desenvolvimento, os inibidores de incrustação são incorporados na rede, aumentando o estresse interno dentro do cristal. Quando a tensão atinge um certo limite, o cristal se rompe, evitando a formação de cristais.
Efeito limite: Os inibidores de incrustação interrompem os processos de agregação e ordenação dos microcristais de CaCO3, CaSO4, BaSO4, Ca3(PO4)2, evitando assim a precipitação.
2. Seleção de métodos de inibição de escala
O principal indicador usado para avaliar o risco de incrustação em sistemas de osmose reversa (RO) é o Índice de Saturação Langelier (LSI). Quando LSI < 0, a água não tem tendência a formar incrustações (embora possa ser ligeiramente corrosiva). Quando LSI ≥ 0, a água está sujeita a incrustações. O método de ajuste de pH evita a incrustação diminuindo o pH da água de alimentação, mudando assim o LSI de maior que 0 para menor que 0. A adição de inibidores de incrustação pode evitar a incrustação mesmo quando LSI ≥ 0, pois os microcristais insolúveis na água não podem crescer, agregar-se, ou precipitar. Os principais mecanismos para esta inibição são os quatro descritos acima. Atualmente, os produtos inibidores em escala nacional podem garantir que as substâncias insolúveis não precipitem mesmo quando LSI = 3. Os inibidores de marcas internacionais de primeira linha podem garantir nenhuma precipitação em LSI = 5. No entanto, é importante ter cuidado ao comprar inibidores, pois alguns fornecedores nacionais importam inibidores concentrados de marcas internacionais e diluí-los com grandes quantidades de água, levando a discrepâncias significativas no desempenho real da inibição de incrustações, mesmo que o produto seja rotulado como LSI = 5.
1. Método de ajuste de pH
Para garantir a produção de água permeada qualificada, o pH da água de alimentação de OR é normalmente controlado entre 6 e 9, com algumas empresas implementando um controle mais refinado dentro de uma faixa mais estreita, como 7,0 a 8,5. Níveis de pH extremamente baixos ou altos na água de alimentação podem impedir que o permeado de OR atenda aos padrões de qualidade da água exigidos. Portanto, o método de ajuste de pH para inibição de incrustações assume que o pH do permeado de RO estará dentro da faixa desejada. É importante observar que o método de ajuste de pH visa principalmente a incrustação de CaCO3 e é ineficaz contra outros tipos de substâncias incrustantes.
2. Método de adição de inibidor de escala
Como mencionado anteriormente, a adição de inibidores de incrustação pode permitir que as membranas RO tolerem valores mais elevados de LSI. No entanto, os inibidores de incrustação de RO tendem a ser caros, com produtos nacionais variando de 0,008 a 0,012 RMB/g e produtos concentrados de marcas internacionais de primeira linha custando entre 0,055 e 0,075 RMB/g, resultando em altos custos operacionais.
Além disso, existem vários tipos de inibidores de incrustação no mercado, e alguns fabricantes promovem constantemente conceitos novos e não comprovados, causando confusão na seleção de um inibidor de incrustação. Geralmente, os inibidores de incrustação comercial maduros podem ser classificados em três categorias: inibidores de incrustação à base de fósforo, inibidores de incrustação à base de polímeros e inibidores de incrustação ecológicos.
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Inibidores de incrustações à base de fósforo: Estes incluem inibidores de fosfato inorgânicos (tais como tripolifosfato de sódio ou hexametafosfato de sódio) e inibidores de fosfonatos orgânicos (tais como ácido hidroxietilideno difosfónico, ácido amino-trimetilenofosfónico e derivados de ácido fosfónico). Os inibidores de fosfato inorgânico contêm ânions de cadeia longa e são propensos à hidrólise, especialmente em temperaturas mais altas. Quando hidrolisados, formam sais de ácido fosfórico, que podem reagir com íons cálcio para formar Ca3(PO4)2, uma incrustação com produto de solubilidade inferior ao CaCO3. Portanto, os inibidores de fosfato inorgânicos são inadequados para águas com altas temperaturas ou altas concentrações de íons de cálcio.
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Inibidores de Escala de Fosfonato Orgânico: Esses inibidores contêm fosfonatos orgânicos, tipicamente caracterizados pela ligação C-O-P. Quando expostos a altas temperaturas e ambientes alcalinos, os fosfonatos orgânicos podem hidrolisar em ésteres e álcoois fosfóricos, reduzindo significativamente a sua eficiência de inibição de incrustações. Consequentemente, os fosfonatos orgânicos não são adequados para utilização em água com temperaturas elevadas ou valores de pH elevados.
Os inibidores de incrustações à base de polímeros são divididos principalmente em inibidores de polímeros aniônicos e catiônicos. O primeiro é usado principalmente para prevenir a incrustação de íons metálicos, enquanto o último é usado principalmente para inibir a incrustação de sílica. Os principais ingredientes dos inibidores à base de polímeros são o ácido acrílico e o ácido maleico e, durante a formulação, vários grupos funcionais são introduzidos nas moléculas. Como resultado, os inibidores de incrustações poliméricas vêm em várias formulações. Ao utilizar estes inibidores, é importante considerar não apenas as condições de qualidade da água, mas também os tipos de incrustações presentes. Por exemplo, os inibidores de polímero com grupos carboxila visam principalmente a incrustação de cálcio, os inibidores de polímero à base de ácido sulfônico são usados principalmente para incrustação de óxido metálico e os inibidores de polímero à base de amina são eficazes para incrustação de sílica. Portanto, os inibidores de incrustações poliméricas não são agentes de amplo espectro; eles são projetados para resolver as deficiências dos inibidores de amplo espectro. Além disso, uma vez que o principal componente dos inibidores à base de polímeros é um polímero, eles são susceptíveis à oxidação pelo cloro e outros biocidas oxidativos, o que pode torná-los ineficazes. Portanto, antes de adicionar estes inibidores, é necessário primeiro neutralizar qualquer cloro residual na água adicionando um agente redutor.
Os inibidores de incrustação ambiental normalmente contêm ingredientes ativos como ácido poliaspártico, ácido poliepoxisuccínico e seus derivados. Esses inibidores são usados principalmente para tratar incrustações à base de cálcio, como CaCO3, CaSO4 e CaF2. A vantagem destes inibidores é que eles podem tolerar concentrações relativamente elevadas de íons cálcio. Por exemplo, mesmo quando a concentração de íons cálcio atinge 500 mg/L, eles ainda podem atingir mais de 80% de inibição da incrustação de cálcio. No entanto, estes inibidores requerem dosagens mais elevadas, provocam alterações significativas no pH da água e são menos eficazes a temperaturas inferiores a 40°C. Como a temperatura máxima permitida da água de alimentação para membranas de osmose reversa é de 35 a 40°C, esses inibidores geralmente não são adequados para uso em sistemas de osmose reversa, mas são mais comumente usados em sistemas de água de resfriamento.
3. Cálculo de dosagem
Conforme mencionado anteriormente, se a água é propensa a incrustações depende do valor do Índice de Saturação Langelier (LSI). Portanto, seja usando dosagem de ácido para ajustar o pH ou adicionando inibidores de incrustação para evitar a incrustação da membrana de osmose reversa, a essência é controlar o LSI da água. O cálculo do LSI é o seguinte:
Na fórmula:
- pH é o valor de pH medido do concentrado de osmose reversa.
- pH_s é o valor do pH de saturação correspondente ao sistema carbonático na água na temperatura real da água, conhecido como pH de saturação.
O pH do concentrado de osmose reversa pode ser facilmente obtido através de instrumentos online ou medição manual. Portanto, a chave para calcular o LSI é determinar pH_s . De acordo com o Métodos padrão para exame de água e águas residuais , pH_s pode ser calculado usando a seguinte fórmula.
Na fórmula:
- A é o coeficiente total de sólidos dissolvidos (TDS).
- B é o coeficiente de temperatura da água.
- C é o coeficiente de dureza do cálcio.
- D é o coeficiente de alcalinidade total.
Os métodos de cálculo para A , B , C , e D são os seguintes.
- TDS é o teor total de sólidos dissolvidos no concentrado de osmose reversa, em mg/L.
- t é a temperatura do concentrado de osmose reversa, em °C.
- Cca é a dureza cálcica do concentrado de osmose reversa, expressa como CaCO3, em mg/L.
- C_alcalinidade total é a alcalinidade total do concentrado de osmose reversa, expressa como CaCO3, em mg/L.
Usando o exemplo mencionado anteriormente, onde pH = 7,5 , TDS = 2.000 mg/L , temperatura t = 25°C , dureza de cálcio Cca = 200 mg/L , e alcalinidade total C_alcalinidade total = 150 mg/L , o processo de cálculo do LSI é o seguinte:
Isto está de acordo com a afirmação anterior, onde nestas condições o CaCO3 está quase saturado. Além disso, podemos observar que o cálculo da dosagem pode ser expresso pelas três fórmulas a seguir.
O método de aplicação específico é o seguinte:
Primeiro, medimos o TDS, temperatura t , dureza de cálcio Cca e alcalinidade total C_alcalinidade total do concentrado de osmose reversa. Então, usando a fórmula, calculamos pH_s .
- Se pH_s ≥ pH , não são necessários ajustes adicionais ou inibidores de incrustação para evitar a incrustação de cálcio.
- Se pH_s < pH , garantimos que, após ajustar o pH, o pH da água de alimentação de osmose reversa não caia abaixo de 6,5 (uma vez que um pH mais baixo pode resultar em água de produto de osmose reversa ácida). Neste caso, podemos ajustar o pH adicionando ácido até pH_s ≥ pH . Isto só é aplicável quando pH_s ≥ 6,5 . Se pH_s < 6,5 , precisamos ajustar o pH com ácido até atingir 6,5 ou até menos, o que fará com que a água do produto da osmose reversa se torne ácida.
- Se pH_s < 6,5 , devem ser adicionados inibidores de incrustação.
É importante notar que, como mencionado anteriormente, a dosagem de ácido para ajuste de pH visa principalmente CaCO3 dimensionamento e é ineficaz para outros tipos de dimensionamento. Para outras substâncias incrustantes, é necessário um inibidor de incrustação para controle.
Para que a dosagem de ácido ajuste o pH, a dosagem pode ser controlada através do pH real medido. Quanto à dosagem do inibidor de incrustação, extensas pesquisas realizadas por estudiosos nacionais e internacionais mostraram que:
- Quando a dosagem do inibidor de incrustação estiver abaixo 2,5g/m³ , a eficiência de inibição é relativamente baixa.
- Quando a dosagem excede 3,0g/m³ , a eficiência da inibição não melhora mais significativamente.
Assim, a dosagem ideal do inibidor de incrustação está entre 2,5-3,0 g/m³ , conforme mostrado no gráfico a seguir.
Em resumo, ao prevenir a descamação da membrana de osmose reversa, devemos primeiro calcular o LSI do concentrado de osmose reversa usando as fórmulas fornecidas neste artigo para avaliar se é provável que ocorra descamação. Em segundo lugar, precisamos analisar as principais substâncias incrustantes no permeado, que podem ser determinadas testando indicadores como Ca²⁺, Mg²⁺, HCO₃⁻, Ba²⁺, SiO₂, etc. ajustar o pH com ácido ou adicionar inibidores de incrustação. Se um inibidor de incrustação for necessário, devemos determinar o tipo e a dosagem apropriados do inibidor a ser usado.
