Tuổi thọ của màng thẩm thấu ngược và xác định các loại ô nhiễm
2021-03-09
Màng thẩm thấu ngược là bộ phận cốt lõi của quá trình thẩm thấu ngược, đây là một loại màng bán thấm nhân tạo có các đặc tính được tạo ra bằng cách mô phỏng màng bán thấm sinh học. Màng này thường được chế tạo từ các vật liệu polyme, chẳng hạn như màng cellulose acetate, màng polyhydrazide thơm và màng polyamit thơm. Đường kính của các vi lỗ trên bề mặt thường nằm trong khoảng từ 0,5 nm đến 10 nm, và khả năng thấm nước phụ thuộc vào cấu trúc hóa học của chính màng đó. Một số vật liệu polyme có khả năng chống muối tốt, nhưng lại cho độ thấm nước kém. Ngược lại, một số vật liệu polyme khác có nhiều nhóm ưa nước hơn trong cấu trúc hóa học, nhờ đó tốc độ truyền nước tương đối nhanh. Do đó, một màng thẩm thấu ngược đạt yêu cầu phải có độ thấm hoặc tỷ lệ khử muối phù hợp.
1. Màng thẩm thấu ngược nên có các đặc tính sau:
1. Nó nên có tỷ lệ khử mặn cao ở lưu lượng dòng chảy cao;
2. Nó có độ bền cơ học cao và tuổi thọ sử dụng lâu dài;
3. Nó có thể hoạt động dưới áp suất vận hành thấp;
4. Nó có thể chịu được ảnh hưởng của tác động hóa học hoặc sinh hóa;
5. Nó ít bị ảnh hưởng bởi giá trị pH, nhiệt độ và các yếu tố khác;
6. Nguồn nguyên liệu của màng dễ kiếm, quy trình chế biến đơn giản và chi phí thấp.
Cấu trúc của màng thẩm thấu ngược có thể được chia thành màng không đối xứng và màng đồng nhất. Cellulose acetate và polyamide thơm là những vật liệu màng chính hiện nay được sử dụng. Các dạng cấu tạo của nó bao gồm loại sợi rỗng, loại cuộn, loại khung tấm và loại ống. Màng này có thể được ứng dụng trong các quá trình tách, cô đặc, làm sạch và các công đoạn hóa học khác, chủ yếu được sử dụng trong ngành sản xuất nước tinh khiết và xử lý nước.
2. Nguyên lý thẩm thấu ngược
Thẩm thấu ngược, còn được gọi là thẩm thấu ngược, là một loại quá trình tách màng sử dụng chênh lệch áp suất làm lực thúc đẩy để tách dung môi khỏi dung dịch. Khi áp suất vượt quá áp suất thẩm thấu của dung môi, dung môi sẽ đảo ngược hướng thẩm thấu tự nhiên. Do đó, dung môi đã thẩm thấu sẽ thu được ở phía áp suất thấp của màng, tức là nước qua; còn dung dịch đậm đặc sẽ thu được ở phía áp suất cao, tức là dung dịch đậm đặc. Nếu xử lý nước biển bằng phương pháp thẩm thấu ngược, nước ngọt sẽ thu được ở phía áp suất thấp của màng, còn nước muối sẽ thu được ở phía áp suất cao.
Trong thẩm thấu ngược, tốc độ thẩm thấu của dung môi, tức là năng lượng dòng chảy chất lỏng N, như sau:
N = Kh(Δp – Δπ)
Trong đó, KH là hệ số thấm thủy lực, tăng nhẹ khi nhiệt độ tăng; ΔP là chênh lệch áp suất tĩnh ở hai bên màng; Δπ là chênh lệch áp suất thẩm thấu của dung dịch ở hai bên màng.
Áp suất thẩm thấu của dung dịch loãng là π
π=iCRT
Trong đó I là số lượng ion được tạo ra do sự ion hóa của các phân tử chất tan; C là nồng độ mol của chất tan; R là hằng số khí mol; t là nhiệt độ chuẩn.
Màng không đối xứng và màng hỗn hợp thường được sử dụng trong quá trình thẩm thấu ngược. Thiết bị được sử dụng trong quá trình thẩm thấu ngược chủ yếu là thiết bị tách màng dạng sợi rỗng hoặc dạng cuộn.
Màng thẩm thấu ngược có thể chặn các ion vô cơ, chất keo và các chất hòa tan đại phân tử khác nhau trong nước, từ đó thu được nước tinh khiết. Nó cũng có thể được sử dụng để cô đặc trước dung dịch hữu cơ đại phân tử. Nhờ quy trình đơn giản và tiêu thụ năng lượng thấp, phương pháp thẩm thấu ngược đã phát triển nhanh chóng trong 20 năm gần đây. Phương pháp này hiện được ứng dụng rộng rãi trong khử mặn nước biển và nước lợ (xem nước muối), làm mềm nước nồi hơi và xử lý nước thải, đồng thời kết hợp với trao đổi ion để sản xuất nước có độ tinh khiết cao. Phạm vi ứng dụng của nó ngày càng mở rộng; hiện nay, phương pháp này còn được dùng trong cô đặc các sản phẩm sữa và nước trái cây, cũng như tách và cô đặc các tác nhân sinh hóa và sinh học.
3. Tuổi thọ của màng thẩm thấu ngược
Trong quá trình sử dụng thiết bị, ngoài sự suy giảm hiệu suất thông thường, sự suy giảm hiệu suất thiết bị do ô nhiễm còn nghiêm trọng hơn. Các loại ô nhiễm phổ biến chủ yếu bao gồm cặn hóa học, chất hữu cơ và ô nhiễm dạng keo, ô nhiễm do vi sinh vật, v.v. Mỗi loại ô nhiễm khác nhau sẽ biểu hiện các triệu chứng khác nhau. Các công ty màng khác nhau cũng có những triệu chứng khác nhau khi màng bị tắc nghẽn. Trong dự án, chúng tôi nhận thấy rằng thời gian diễn ra ô nhiễm không giống nhau, đồng thời các triệu chứng cũng không giống nhau.
Ví dụ, khi thời gian bám bẩn là một tuần, tốc độ khử muối giảm nhanh chóng, chênh lệch áp suất tăng chậm, và sự thay đổi lưu lượng nước không rõ rệt. Thời gian ô nhiễm kéo dài một năm (đối với máy lọc nước). Thông lượng muối tăng từ 2 mg/L lên đến 37 mg/L (nước thô: 140 mg/L ~ 160 mg/L), đồng thời lưu lượng nước giảm từ 230 L/h xuống còn 50 L/h. Sau khi vệ sinh bằng axit citric, thông lượng muối giảm xuống còn 7 mg/L, và lưu lượng nước tăng lên tới 210 L/h. Hơn nữa, tình trạng ô nhiễm thường không chỉ xuất hiện đơn lẻ, mà các triệu chứng của nó cũng khác nhau, điều này khiến việc xác định nguyên nhân ô nhiễm trở nên khó khăn hơn.
4. Xác định các loại nhiễm bẩn của màng thẩm thấu ngược
Để xác định loại ô nhiễm, cần xem xét chất lượng nước thô, các thông số thiết kế, chỉ số ô nhiễm, hồ sơ vận hành, sự thay đổi hiệu suất thiết bị và các chỉ tiêu vi sinh.
1. Ô nhiễm keo
Khi xảy ra ô nhiễm keo, thông thường sẽ đi kèm với hai đặc điểm sau: A. Trong quá trình tiền xử lý, bộ lọc vi mô bị tắc rất nhanh, đặc biệt là chênh lệch áp suất tăng rất nhanh. B. Giá trị SDI thường trên 2,5.
2. Ô nhiễm vi sinh vật
Khi xảy ra nhiễm bẩn vi sinh, tổng số lượng vi khuẩn trong nước thẩm thấu và nước cô đặc của thiết bị RO tương đối cao, đồng thời việc bảo dưỡng và khử trùng không được thực hiện đúng theo quy định. Để ngăn ngừa tình trạng suy giảm hiệu suất của màng RO siêu lọc, các bộ phận màng RO ngược mới thường được ngâm trong dung dịch 1% NaHSO3 và 18% glycerin, sau đó bảo quản trong túi nhựa kín. Nếu túi nhựa không bị rách, sản phẩm vẫn giữ được tuổi thọ và hiệu suất tốt dù được lưu trữ khoảng một năm. Khi mở túi nhựa, cần sử dụng màng càng sớm càng tốt để tránh ảnh hưởng xấu đến các thành phần do sự oxy hóa của NaHSO3 trong không khí. Do đó, nên mở màng trước khi sử dụng. Sau quá trình vận hành thử nghiệm thiết bị, chúng tôi đã áp dụng hai phương pháp để bảo vệ màng. Thiết bị được đưa vào vận hành thử nghiệm trong hai ngày (từ 15 đến 24 giờ), sau đó bảo dưỡng bằng dung dịch formaldehyde 2%; hoặc sau khi vận hành từ 2 đến 6 giờ, dùng dung dịch nước NaHSO3 1% để bảo dưỡng (cần xả hết không khí trong đường ống thiết bị để đảm bảo thiết bị không bị rò rỉ, đồng thời đóng kín tất cả các van đầu vào và đầu ra). Cả hai phương pháp đều mang lại kết quả khả quan. Phương pháp thứ nhất tốn kém hơn và thích hợp khi thời gian ngừng hoạt động dài, trong khi phương pháp thứ hai phù hợp với trường hợp thời gian ngừng hoạt động ngắn.
3. Cặn canxi
Có thể đánh giá dựa trên chất lượng nước thô và các thông số thiết kế. Đối với nước loại cacbonat, nếu tỷ lệ thu hồi là 75%, thì LSI của dung dịch cô đặc phải nhỏ hơn 1 nếu trong thiết kế đã thêm chất ức chế cáu cặn; nếu không thêm chất ức chế cáu cặn, thì LSI của dung dịch cô đặc phải nhỏ hơn 0, do đó sẽ không hình thành cáu cặn canxi.
4. Ống nhựa PVC đường kính 1/4 inch có thể được lắp vào bộ phận để kiểm tra sự thay đổi hiệu suất của các bộ phận khác nhau trong bộ phận đó.
5. Xác định loại ô nhiễm dựa trên sự thay đổi hiệu suất thiết bị.
6. Có thể sử dụng phương pháp ngâm axit (như axit citric và HCl loãng) để đánh giá lớp cặn canxi dựa trên hiệu quả tẩy rửa và dung dịch tẩy rửa, điều này được xác nhận thêm bằng phân tích thành phần của dung dịch tẩy rửa.
7. Phân tích hóa học dung dịch tẩy rửa
Lấy nước thô, dung dịch làm sạch và dung dịch làm sạch để phân tích. Sau khi xác định được loại ô nhiễm, có thể tiến hành làm sạch theo phương pháp tại mục 1, rồi khử trùng trước khi sử dụng. Khi không xác định được loại ô nhiễm, thông thường sẽ sử dụng biện pháp: làm sạch + khử trùng + 0,1% HCl (pH = 3).
