جلوگیری از تشکیل رسوب در سیستم اسمز معکوس

جلوگیری از تشکیل رسوب
در اثر عبور آب خالص از غشاء، آب دور ریز با غلظت زیاد (که قادر به عبور از غشاء نیست) در پشت غشاء باقی می‌ماند. همزمان با عبور آب از میان هر المنت، غلظت املاح آب تغلیظ شده در غشاء افزایش می‌یابد و با انجام این کار امکان دارد که غلظت بعضی از نمکهای حل شده به حد حلالیتشان برسد و رسوب تشکیل شود. مقدار زیاد ترسیب بر روی سطح غشاء می­تواند سبب از بین رفتن کامل غشاء گردد. شستشوی شیمیایی به موقع و مناسب و جلوگیری از فوق اشباع شدن نمکها، دو راه حل مطلوب در جلوگیری از ترسیب می باشند.

محاسبه پتانسیل تشکیل رسوب
نمکها در اثر یونیزه شدن در آب به اجزای آنیونی و کاتیونی خود تبدیل می‌شوند. اگر غلظت نمک یعنی کاتیونها و آنیونهای آن از میزان حلالیت آن نمک افزون شود، کریستال آن نمک تشکیل شده و ته نشین خواهد شد. این کار در سیستم RO که نمکها در سیستم تغلیظ شده‌اند، به راحتی اتفاق می‌افتد.
حلالیت یک نمک به غلظت اجزای تشکیل دهنده آن نمک، pH آب، دما و غلظت سایر نمکها در محلول بستگی دارد، روش‌های مختلفی وجود دارد تا حلالیت هر نمک به طور جداگانه مشخص شود.  pH آب، دما و منابع آب جبرانی موجب تغییر در حلالیت نمکهای مخصوص می‌شوند.
هنگام تحلیل و ارزیابی یک منبع آب خوراک از نظر احتمال تشکیل رسوب باید غلظت نمکهای کم محلول در جریان غلیظ یا دفعی سیستم RO مورد ارزیابی دقیق قرار گیرد. در صورت وجود یکی از آنها در شرایط فوق اشباع روشهای مناسب جلوگیری از ترسیب نمکها بکار گرفته شوند. معمولترین نمکهای کم محلول در آب عبارتند از:

فلزاتی نظیر آهن (Fe+3) ، منیزیم (Mg+2) یا آلومینیم (Al+3) در لیست فوق آورده نشده اند. زیرا عملاً در همه موارد نمکهایشان غیر محلول هستند و چنانچه در آب خوراک یک سیستم RO وجود داشته باشد، باید توسط فیلتر حذف شود تا از ته‌نشینی آنها برروی المنت غشاء جلوگیری شود.

محاسبه غلظت نمک در آب تغلیظ شده RO
بیشترین پتانسیل تشکیل رسوب در بخشهایی از سیستم قرار دارد که غلظت نمکها در جریان تغلیظ مقدار حداکثر خود را داشته باشد. با توجه به میزان بازدهی یک سیستم RO ، میزان تغلیظ از رابطه زیر محاسبه می­شود:

بازدهی = نرخ جریان محصول / نرخ جریان خوراک
(بازدهی – ۱) ÷ ۱ = فاکتور تغلیظ 

غلظت نمکها یا TDS در جریان غلیظ سیستم از حاصل ضرب فاکتور تغلیظ در TDS یا غلظت نمکها در خوراک محاسبه می‌شود. در حقیقت، غلظت نمکها در سطح غشاء تا چندین برابر غلظت آنها در جریان خوراک سیستم می­باشد. با عبور جریان یا گذر جریان محصول از عرض غشاء یک غلظت بالاتر از نمکها (نسبت به غلظت نمکها در خوراک) روی سطح غشاء باقی می­ماند. چگونگی و میزان برگشت این نمکها به توده جریان آب خوراک با توجه به نسبت غلظت نمکها روی سطح غشاء به غلظت نمکها توده جریان تعیین خواهد شد. این پدیده، پلاریزاسیون غلظت نامیده می‌شود. این پارامتر مبین گرادیان غلظت از سطح غشاء تا توده جریان بوده و علت آن سرعت کم نفوذ نمکهای جریان غلیظ از سطح غشاء به توده جریان می باشد.

کربنات کلسیم
یون بی‌کربنات (HCO3-) تقریباً در اکثر منابع آب طبیعی وجود دارد و این امر به دلیل توانایی آب در انحلال کربنات­کلسیم از زمین و یا جذب CO2 از هوا می­باشد. از آنجا که منابع آب طبیعی از لحاظ بی‌کربنات محلول در حد اشباع هستند، در نتیجه در سیستم RO به محض تغلیظ آب، کربنات کلسیم از اولین نمکهایی خواهد بود که رسوب می‌کند.

شاخص اشباع لانجلیر
پتانسیل رسوب‌دهی کربنات کلسیم با استفاده از ضریب اشباع لاِنجلیر LSI قابل محاسبه است.

LSI = pH – pHs

که در آن pHs عبارت از pH آب در حالتی است که از کربنات کلسیم اشباع شده است و طبق رابطه‌ زیر محاسبه می‌شود.

pHs = (9.3 + A + B) – (C + D)
A = (log [TDS] – ۱)/۱۰
B= -13.12 Log10 (0C + 273) + 34.55
C = log10 [Ca+2 as Caco3] -0.4
D = Log10 [Alkalinity as CaCo3]

مقادیر داخل کروشه برحسب غلظت مولی (moles/lit) است، به جز TDS که برحسب (mg/lit) بیان می‌شود. (مقادیر A,B,C از شکل ۲ نیز قابل محاسبه است). اگر ضریب لنجلیر منفی باشد، نشان دهنده آن است که آب، تمایلی به رسوب دهی ندارد. هرقدر ضریب لنجلیر، عدد مثبت بزرگتری باشد پتانسیل رسوب‌دهی افزایش می‌یابد. با استفاده از ضریب لنجلیر می‌توان حد مجاز غلظت نمک‌های آب تغلیظ شده را (قبل از تشکیل رسوب) محاسبه کرد. از ضریب لنجلیر برای تعیین قابلیت خوردگی آب نیز می‌توان استفاده کرد. به عنوان مثال، هر چقدر ضریب لنجلیر منفی­تر شود، قابلیت خورندگی آب بیشتر می‌شود. pH آب تغلیظ شده RO ، تابعی از قلیائیت و غلظت CO2 در آن است؛ برای محاسبه pH در آب تغلیظ شده، ابتدا لازم است غلظت CO2 در آب خوراک محاسبه شود. به خاطر اینکه گازهای محلول نظیر CO2 به راحتی از غشاء RO عبور می‌کنند، غلظت گاز در آب تغلیظ شده با غلظت آن در آب خوراک، یکسان است. pH اشباع با استفاده از غلظت CO2 و قلیائیت آب تغلیظ شده قابل محاسبه است. رابطه‌ بین pH و نسبت قلیائیت به CO2 در شکل ۳ نشان داده شده است و توسط فرمول زیر قابل محاسبه است.

pH = 6.3 + Log10{[Alkalinity as CaCO3]/[CO2]}

مقادیر شاخص لنجلیر

برای تعیین غلظت CO2 در آب خوراک، رابطه بالا را می‌توان طبق فرمول زیر بیان کرد.

 [CO2] = [Alkalinity as CaCO3] ÷ ۱۰(pH-6.3)

در pH های بالاتر از ۳/۸ ، غلظت CO2 محلول، ناچیز است. در pH بالا یون کربنات از بی‌کربنات تشکیل می‌شود. نسبت بین غلظت بی‌کربنات (قلیائیت متیل اورانژ) و غلظت کربنات (قلیائیت فنل فنالین)، تابعی از pH است که در شکل ۴ نشان داده شده است.

رابطه بین قلیاییت بی‌کربنات، دی‌اکسید کربن و pH

تأثیر کربنات و قلیائیت بی‌کربنات بر pH

شاخص پایداری استیف و دیویس
ضریب لنجلیر دقت زیادی در نشان دادن حلالیت کربنات کلسیم برای آبهایی که غلظت املاح آنها بیش ازmg/l 4000 می­باشد، ندارد. رابطه‌ استیف و دیویس، اصلاح شده رابطه‌ لانجلیر است که برای آب با مقادیر TDS بالا در نظر گرفته شده است. در این رابطه از مقادیر تجربی استفاده می‌شود و طبق فرمول زیر محاسبه می‌شود.

 ضریب پایداری استیف و دیویس = pH – Pca – PAl – K
به طوری که:
Pca : منفی لگاریتم غلظت کلسیم است. (برحسب مولاریته)
PAl : منفی لگاریتم غلظت قلیائیت محلول است. (برحسب مولاریته)
K : ثابتی است که مقدار آن به دما و قدرت یونی آب بستگی دارد. (غلظت یونی به غلظت کلی نمک اطلاق می‌شود.)
مثبت بودن ضریب استیف و دیویس معرف رسوب‌دهی کربنات کلسیم و منفی بودن ضریب نشانه‌ خوردگی است.

مقادیر K در قدرت یونی مختلف و ضرایب لازم برای تبدیل آنالیز آب به قدرت یونی

ممانعت از ترسیب کربنات کلسیم
جلوگیری از تشکیل کربنات کلسیم در اکثر سیستمهای RO یک امر ضروری می­باشد. در اکثر سیستم‌های کوچک RO ، برای جلوگیری از رسوب کربنات کلسیم، بازدهی سیستم را کاهش می‌دهند. در صنایع بزرگ، به خاطر اقتصادی بودن سیستم، بازدهی باید بالا باشد. به منظور جلوگیری از ترسیب کربنات کلسیم در بازدهی بالا، روشهای ذیل بکار گرفته می­شوند:

در۲۵ºC و pH خنثی، ثابت حاصل ضرب حلالیت برای سیلیس حدود mg/l 96 است (برحسب SiO2 ). اگر غلظت اسید سیلیسک بیش از mg/l 96 باشد، امکان تشکیل رسوب سیلیس وجود دارد. البته سیلیکا بسیار آرام تشکیل کریستال می­دهد و اکثر سیستم‌های RO تا غلظت mg/l 140 اسید سیلیسیک را بدون خطر تشکیل رسوب تحمل می­کنند.
حلالیت سیلیس تابع شدیدی از دما می‌باشد. در دمای نزدیک به انجماد (۳۲ºF )، سیلیس نامحلول است. تأثیر دما بر حلالیت سیلیس را می‌توان بصورت یک رابطه‌ خطی رسم کرد. در یک دمای مشخص می‌توان حاصل ضرب حلالیت را با استفاده از شکل ۶ مشخص نمود.
اگر pH آب به بیش از ۸ افزایش یابد، اسید سیلیسک به آنیون سیلیکات تجزیه می‌شود. این کار سبب افزایش حلالیت سیلیکات در آب می­شود مگر اینکه یونهای کاتیونی چند ظرفیتی با غلظت زیاد در آب حضور داشته و در pH های بالا نمکهای نامحلول سیلیکات را تشکیل دهند.
در pH بالاتر از ۸، وجود آهن با آلومینیوم بهمراه سیلیکا سبب ترسیب نمکهای کم محلول سیلیکا می­شود. سایر کاتیونهای چند ظرفیتی نیز در pH بیشتر از ۸ تمایل به تشکیل رسوب با سیلیکات دارند. این رسوب در محدوده pH یکی دو واحد کمتر از pH فوق اشباع هیدروکسید این نمکها انجام می گیرد.

تأثیر دما بر حلالیت SiO2

معمولاً اطلاعات تشکیل و ترسیب نمکهای هیدروکسید کاتیونهای چند ظرفیتی موجود است. از فرایند تشکیل نمکهای هیدروکسید کاتیونهای چند ظرفیتی در واحدهای تصفیه پساب برای جداسازی فلزات از پساب استفاده می­شود. از آنجائیکه عموماً pH جریان دفعی سیستم RO یک واحد از pH جریان خوراک آن بالاتر است، باید از کارکرد سیستم با جراین خوراک با pH بالاتر از ۵/۷ پرهیز نمود. در pH های پایین ذرات سیلیکا نظیر آنچه در اغلب خاکهای رس وجود دارد، در حضور کاتیونهای چند ظرفیتی مانند آلومینیوم یا آهن منعقد می­شود. آهن یا آلومینیوم ممکن است از بقایای سیستم‌های تصفیه‌ی شهری به صورت اضافه باقی بمانند.

ضریب تصحیح pH سیلیس SiO2

غلظت فلز در محدوده‌ای که رسوب سیلیکات اتفاق می‌افتد