Chimica dell'acqua nell'osmosi inversa: prevenzione delle incrostazioni e del fouling

La protezione delle membrane per osmosi inversa inizia dalla conoscenza dell'acqua di alimentazione. Sali disciolti, particelle sospese, microrganismi e sostanze organiche richiedono ciascuno un diverso approccio al pretrattamento.

Questa guida spiega come la chimica dell'acqua e le condizioni operative influenzano la formazione di incrostazioni e il fouling e illustra i principali metodi di prevenzione per gli impianti di osmosi inversa per acque salmastre e acqua di mare.

In questa pagina

• Valutare l'acqua di alimentazione e il recupero
• Prevenire le incrostazioni minerali
• Comprendere i calcoli relativi alle incrostazioni
• Controllare le incrostazioni di silice
• Rimuovere particelle, colloidi e metalli
• Controllare il fouling biologico
• Ridurre il fouling organico
• Confrontare le opzioni di pretrattamento

1. Valutare l'acqua di alimentazione e il recupero

La valutazione del pretrattamento considera la fonte d'acqua, la temperatura, il pH, l'alcalinità, i sali disciolti, la silice, il ferro e l'alluminio, oltre ai solidi sospesi, alle sostanze organiche e all'attività microbica. Il recupero previsto determina fino a che punto si concentreranno i componenti trattenuti.

Per una stima iniziale, ipotizzando un passaggio di sali trascurabile e l'assenza di precipitazione:

Questa stima semplificata non tiene conto della polarizzazione di concentrazione: le concentrazioni sulla superficie della membrana possono essere superiori a quelle nell'acqua in massa. La progettazione dettagliata deve considerare anche le interazioni tra ioni, le prestazioni delle membrane e la configurazione degli stadi di osmosi inversa.

2. Prevenire le incrostazioni minerali

Le incrostazioni si formano quando sali poco solubili precipitano e si depositano sulla membrana. Tra le possibili incrostazioni vi sono quelle di carbonato di calcio, solfato di calcio, solfato di bario, solfato di stronzio e fluoruro di calcio. Il metodo di prevenzione appropriato dipende dai sali presenti e dalle loro concentrazioni nelle condizioni operative.

Dosaggio di acido

Abbassare il pH può ridurre il rischio di incrostazioni di carbonato di calcio. Il dosaggio di acido non offre la stessa protezione contro le incrostazioni di solfati. L'acido solforico apporta inoltre solfati, che possono aumentare il rischio di precipitazione dei solfati di calcio, bario o stronzio.

Dosaggio di antincrostante

Gli antincrostanti ritardano la formazione e la crescita dei cristalli; alcune formulazioni disperdono anche le particelle. La scelta del prodotto e il dosaggio dipendono dall'analisi completa dell'acqua, dal recupero, dalla temperatura e dalla compatibilità con le membrane. La compatibilità con i coagulanti impiegati a monte è particolarmente importante: i polimeri cationici residui possono reagire con gli antincrostanti anionici e formare depositi.

Addolcimento

Lo scambio cationico con resine acide forti può rimuovere la durezza e altri cationi che formano incrostazioni. Lo scambio cationico con resine acide deboli consente un addolcimento parziale legato all'alcalinità bicarbonatica. L'addolcimento con calce o con calce e soda offre alternative basate sulla precipitazione. La scelta deve considerare la durezza residua, il pH, la rigenerazione o la gestione dei fanghi e la filtrazione a valle.

Regolazione del recupero

Ridurre il recupero abbassa la concentrazione dei sali trattenuti nel concentrato, ma aumenta il volume dell'acqua di scarto. Il recupero deve essere scelto insieme al pretrattamento, anziché essere considerato un obiettivo operativo indipendente.

3. Comprendere i calcoli relativi alle incrostazioni

Il rischio di incrostazioni di carbonato può essere valutato mediante l'indice di saturazione di Langelier (LSI) o, per acque a salinità più elevata, l'indice di saturazione di Stiff e Davis. Un indice positivo indica una tendenza termodinamica alla precipitazione del carbonato di calcio; non descrive tutti i tipi di incrostazione.

Per altri sali poco solubili, la valutazione del rischio di incrostazione confronta il prodotto delle attività ioniche con il relativo prodotto di solubilità. Temperatura, forza ionica e speciazione chimica influiscono sul risultato. Le sole concentrazioni non sostituiscono completamente una valutazione basata sulle attività.

Per valutare il rischio, usare le condizioni del concentrato. I limiti operativi degli antincrostanti devono basarsi sulle proiezioni del fornitore selezionato e sulle indicazioni del produttore delle membrane, anziché su un unico limite universale di saturazione.

4. Controllare le incrostazioni di silice

La silice si concentra all'aumentare del recupero. La sua solubilità dipende dalla temperatura e dal pH, mentre ferro e alluminio possono contribuire alla formazione di depositi di silicati difficili da rimuovere.

Le opzioni di controllo comprendono la riduzione del recupero, la rimozione della silice mediante un pretrattamento adeguato e, ove applicabile, l'uso di una formulazione compatibile per il controllo della silice. Qualsiasi regolazione del pH o della temperatura deve essere verificata anche rispetto ad altri rischi di incrostazione e ai limiti operativi della membrana.

Valutare separatamente le forme disciolte e quelle colloidali. La filtrazione delle particelle non rimuove la silice disciolta né i metalli disciolti.

5. Rimuovere particelle, colloidi e metalli

I solidi sospesi e i colloidi possono depositarsi sulle membrane e limitare il flusso. A seconda della qualità dell'acqua di alimentazione, il pretrattamento può comprendere coagulazione e flocculazione, chiarificazione, filtrazione su letto filtrante, microfiltrazione o ultrafiltrazione.

Ferro e manganese richiedono particolare attenzione perché l'ossidazione può trasformare le specie disciolte in particelle insolubili. Se l'ossidazione fa parte del pretrattamento, i solidi risultanti devono essere rimossi prima delle membrane per osmosi inversa.

La filtrazione a cartuccia costituisce una barriera finale contro le particelle, ma non deve compensare un trattamento a monte inadeguato. Verificare il trascinamento di coagulanti, flocculanti e idrossidi metallici, oltre alle particelle presenti nell'acqua grezza.

6. Controllare il fouling biologico

I microrganismi che raggiungono un impianto a osmosi inversa possono aderire alle superfici e formare biofilm. Un aumento della pressione differenziale e una diminuzione della portata normalizzata del permeato possono indicare fouling, sebbene questi sintomi da soli non ne identifichino la causa.

Una strategia di controllo biologico combina un pretrattamento adeguato, il monitoraggio microbiologico e il controllo della crescita in serbatoi, tubazioni e filtri. La clorazione o il trattamento UV a monte possono essere appropriati a seconda della qualità dell'acqua e della configurazione del processo.

Quando si usa cloro a monte di membrane in poliammide sensibili al cloro, l'ossidante residuo deve essere controllato prima dello stadio di osmosi inversa. Il carbone attivo e il bisolfito o metabisolfito di sodio sono opzioni per la declorazione. Il dosaggio dei prodotti chimici, la miscelazione e il monitoraggio devono rispettare i requisiti della membrana selezionata.

7. Ridurre il fouling organico

Le sostanze organiche naturali, gli oli, i grassi e alcuni polimeri possono adsorbirsi sulle membrane e ridurre la portata del permeato. La loro rimozione dipende dalla forma e dalla composizione: coagulazione, carbone attivo e ultrafiltrazione possono trattare diverse frazioni organiche.

Valutare la contaminazione organica insieme ai prodotti chimici di trattamento previsti. Un processo che rimuove efficacemente le particelle può comunque lasciar passare sostanze organiche disciolte fino alle membrane per osmosi inversa.

8. Confrontare le opzioni di pretrattamento

Parliamo delle vostre esigenze di pretrattamento per l'osmosi inversa

State progettando un nuovo impianto o valutando un sistema esistente? Contattate Lenntech per discutere della qualità dell'acqua di alimentazione, del recupero operativo e delle opzioni di pretrattamento adatte. Un'analisi dell'acqua e i dati operativi possono aiutare a impostare la discussione.