¿Cómo evitar el ensuciamiento y la escala en los sistemas de ósmosis inversa? Comprender el impacto de la polarización de la concentración

Polarización de concentración (CP)

La polarización de la concentración se refiere a los efectos adversos causados ​​por la acumulación continua de solutos en la superficie de la membrana, lo que perjudica el rendimiento de la membrana. A medida que el agua impregna a través de la membrana, la solución de alimentación (que contiene agua y solutos) se transporta a la superficie de la membrana. Cuando el agua purificada pasa a través de la membrana, los solutos se acumulan cerca de la superficie de la membrana. ① En la filtración de la membrana, las partículas contactan a la membrana y forman una capa de pastel de filtro. ② Debido al distinto mecanismo de eliminación de la ósmosis inversa (RO), los solutos en la solución forman una capa límite de alta concentración en la superficie de la membrana. Esto da como resultado la polarización de la concentración, lo que hace que la concentración de soluto en la superficie de la membrana sea más alta que la de la solución a granel dentro del canal de alimentación.

Efectos adversos de la polarización de concentración en el rendimiento de RO
① La alta concentración de soluto en la superficie de la membrana aumenta el gradiente de presión osmótica, reduciendo el flujo de agua.
② Gradientes de concentración elevados y flujo de agua reducido mejoran la transferencia de masa de soluto a través de la membrana, lo que reduce las tasas de rechazo.
③ Se pueden exceder los límites de solubilidad de solutos, lo que lleva a precipitación y escala.

Incrustación y escala en ósmosis inversa

Las membranas de nanofiltración (NF) y RO son susceptibles de ensuciar a través de varios mecanismos. Las fuentes primarias de ensuciamiento y escala incluyen partículas, precipitación de sales inorgánicas insolubles, oxidación de metales solubles y sustancias biológicas.

1. Enverso particular

Los ciclos de operación de RO no incluyen el lavado de retrolavado para eliminar partículas acumuladas (de hecho, el lavado de retrolavado puede causar la delaminación de la capa activa de la capa de soporte en membranas compuestas de película delgada). El ensuciamiento de partículas es una gran preocupación en los sistemas RO. Casi todos los sistemas RO requieren un pretratamiento para minimizar el ensuciamiento de partículas, ya que las partículas residuales afectan la eficiencia de la limpieza.

Las sustancias inorgánicas y orgánicas, incluidos los componentes microbianos y los restos biológicos, pueden causar un ensuciamiento de partículas, lo que lleva a la formación de la torta de bloqueo y filtro. El bloqueo ocurre cuando las partículas grandes en la solución de alimentación están atrapadas en los canales de alimentación y la tubería. El pretratamiento de la solución de alimentación utilizando prefiltración puede reducir el bloqueo. Los fabricantes de la membrana de RO recomiendan usar filtros de cartucho de 5 μm como un paso de pretratamiento mínimo para proteger los módulos de membrana.

La materia partícula forma una capa de pastel de filtro en la superficie de la membrana, aumentando la resistencia hidráulica y afectando el rendimiento del sistema. El agua de alimentación propensa al ensuciamiento de partículas requiere un pretratamiento avanzado para reducir las concentraciones de partículas a niveles aceptables. La coagulación, la filtración (usando arena, carbono u otros medios) y, a veces, la microfiltración (MF) o la ultrafiltración (UF) se emplean como métodos de pretratamiento.

2. Precipitación y escala de sales inorgánicas
La escala inorgánica ocurre cuando las sales en la solución exceden sus límites de solubilidad y precipitan. La precipitación ocurre cuando los iones que constituyen estas sales se concentran más allá de sus productos de solubilidad, particularmente en áreas de alta concentración cerca de la superficie de la membrana, exacerbando la polarización de la concentración. La escala inorgánica en la superficie de la membrana reduce la permeabilidad al agua o causa daño irreversible de la membrana.

En ausencia de pretratamiento, se debe evitar la precipitación minimizando la polarización de la concentración, limitando la tasa de rechazo de la sal o la tasa de recuperación. La polarización de la concentración se puede reducir mejorando el flujo turbulento en los canales de alimentación y manteniendo velocidades mínimas de flujo especificadas por los fabricantes de equipos. Limitar las tasas de rechazo de sal no es práctica debido a objetivos de ingeniería conflictivos, pero a menudo es necesario restringir las tasas de recuperación para evitar la precipitación. La tasa de recuperación máxima permitida antes de que ocurra la precipitación de sal se define como la tasa de recuperación permitida, con la precipitación de iniciación de sal denominada "sal crítica". Las escalas comunes en las aplicaciones de tratamiento de agua incluyen carbonato de calcio (Caco₃) y sulfato de calcio (CASO₄).

El pretratamiento es esencial para que todos los sistemas prácticos de RO eviten que la escala sea escasamente soluble en sales. La precipitación de carbonato de calcio prevalece, por lo que la mayoría de los sistemas requieren pretratamiento para este compuesto. La acidificación de la solución de alimentación para ajustar el pH convierte los iones de carbonato en bicarbonato y dióxido de carbono, evitando la precipitación de cacos. Los ácidos sulfúricos e clorhídricos se usan comúnmente, aunque el ácido sulfúrico puede aumentar las concentraciones de sulfato, lo que conduce a la escala de sulfato. La mayoría de las soluciones de alimentación de Ro se ajustan al pH 5.5–6.0, donde la mayoría de los carbonatos existen como CO₂ y permean a través de la membrana.

La escala de otras sales críticas generalmente se evita utilizando inhibidores de la escala. Estos inhibidores evitan la formación y crecimiento de los cristales, suprimiendo la precipitación incluso en condiciones sobresaturadas. El grado permitido de sobresaturación depende de las propiedades del inhibidor, a menudo patentadas y específicas para las configuraciones de equipos. La selección de inhibidores apropiados debe seguir el equipo y las recomendaciones del fabricante de inhibidores, con análisis de agua de alimentación específica del sitio y diseño de la tasa de recuperación.

Más allá de la acidificación e inhibidores, las instalaciones modernas incorporan medidas para reducir los volúmenes de aguas residuales concentradas y mejorar la recuperación del agua, mitigando aún más la escala.

3. Eniscación de óxido de metal
El agua subterránea, una fuente de alimentación RO/NF común, a menudo es anaeróbica. Los compuestos disueltos de hierro y manganeso se oxidan y precipitan cuando los oxidantes ingresan a la solución de alimentación, ensuciando membranas. El ensuciamiento de hierro es más frecuente y ocurre rápidamente en la entrada de aire. La oxidación o eliminación del hierro o el manganeso oxidado puede evitar el ensuciamiento. Para bajas concentraciones de hierro, la prevención de la entrada de aire es suficiente; Los inhibidores de la escala a menudo incluyen aditivos para mitigar el ensuciamiento de hierro de baja concentración. El pretratamiento de hierro implica oxidación con oxígeno o cloro, seguido de mezcla, tiempo de retención hidráulica adecuado y filtración de oxidación en medios granulares o filtros de membrana. Cuando se usa oxidantes, el contacto con membranas, especialmente la poliamida o los materiales sensibles a la oxidación, se deben evitar. Los limpiadores comerciales y los protocolos de limpieza pueden eliminar los depósitos de hierro de las membranas RO.

Otro componente en el agua subterránea anaeróbica es el sulfuro de hidrógeno (H₂S). El ingreso del aire oxida H₂S al azufre coloidal, membranas de ensuciamiento. Al igual que con la oxidación de hierro, prevenir la entrada de aire es fundamental para evitar el ensuciamiento de azufre. Los depósitos de azufre en las membranas a menudo son irreversibles.

4. Enresión biológica
El ensuciamiento biológico se refiere a la unión o al crecimiento de microorganismos o sustancias solubles extracelulares en la superficie de la membrana o dentro de los canales de alimentación. Común en los sistemas RO, degrada el rendimiento al reducir el flujo, reducir las tasas de rechazo, aumentar la caída de presión entre los módulos, el permeado de contaminación, los materiales de la membrana degradantes y el acortamiento de la vida útil de la membrana.

Se puede evitar el ensuciamiento biológico manteniendo condiciones de funcionamiento óptimas, aplicando biocidas y enjuagando periódicamente módulos de membrana inactiva. Muchas soluciones de alimentación RO/NF (típicamente agua subterránea) tienen bajas cargas microbianas. El funcionamiento adecuado asegura que las fuerzas de corte en los canales de alimentación eviten la acumulación bacteriana excesiva. Sin embargo, los microbios proliferan rápidamente durante los períodos de inactividad. Para mitigar esto, es necesario un enjuague periódico con permeado o agregando biocidas durante los apagados. Las soluciones de cloro dentro de los límites recomendados sirven como biocidas para las membranas de acetato de celulosa, pero las membranas de poliamida, susceptibles a la degradación del cloro, consideran alternativas como el bisulfito de sodio.

Para las membranas de acetato de celulosa, la cloración continua a concentraciones controladas puede. Para las membranas de poliamida, se puede emplear la irradiación ultravioleta, la cloraminación o la decloración posterior a la cloración.

Conclusión
El pretratamiento es fundamental para prevenir la escala y el ensuciamiento. Los métodos comunes incluyen acidificación e inhibidores de la escala para prevenir la precipitación de la sal y la filtración para bloquear las partículas. Las fuentes de agua de alimentación limpia (por ejemplo, agua subterránea) solo pueden requerir la filtración del cartucho antes de las unidades de membrana, mientras que las ingestas de agua superficial requieren métodos de filtración avanzados, incluida la coagulación, la floculación, la sedimentación y la filtración granular o de la membrana. Dado que el rendimiento de la membrana depende de la eficacia previa al tratamiento, la selección y el diseño adecuados de los trenes de pretratamiento son esenciales.