Влияние солености подаваемой воды на системы обратного осмоса

Соленость подаваемой воды, обычно выражаемая в виде общего количества растворенных твердых веществ (TDS), представляет собой сумму концентраций всех неорганических солей (таких как натрий, кальций, магний, хлорид, сульфат и т. д.) в воде. Это один из наиболее важных параметров при проектировании, эксплуатации и экономической эффективности установки. Обратный осмос система, и ее воздействие носит всеобъемлющий и взаимосвязанный характер.

1. Прямое влияние на осмотическое давление и рабочее давление.

Суть процесса обратного осмоса заключается в преодолении естественного осмотического давления воды, проталкивании молекул воды через полупроницаемую мембрану при одновременном удержании солей. Согласно уравнению Ван дер Хоффа, осмотическое давление раствора прямо пропорционально его молярной концентрации (прямо связано с общим содержанием растворенных твердых веществ).

Осмотическое давление ≈ 0,8 бар / (1000 мг/л TDS). Это упрощенная эмпирическая формула, но очень интуитивно понятная. Если содержание TDS в подаваемой воде составляет 1000 мг/л, ее теоретическое осмотическое давление составляет приблизительно 0,8 бар. Если содержание TDS в подаваемой воде увеличивается до 5000 мг/л (например, солоноватая вода), ее теоретическое осмотическое давление возрастает примерно до 4 бар. Для морской воды содержание TDS составляет приблизительно 35 000 мг/л, при этом теоретическое осмотическое давление может достигать приблизительно 28 бар.

Для создания эффективной движущей силы пермеата (чистого движущего давления) рабочее давление Система РО Должно быть значительно выше осмотического давления. Следовательно, при каждом увеличении солености подаваемой воды на порядок требуемое рабочее давление возрастает почти линейно. Рабочее давление для обратного осмоса при опреснении морской воды обычно составляет 55-80 бар, тогда как для обратного осмоса при опреснении обычной солоноватой воды оно составляет всего 10-25 бар. Это подразумевает более высокое энергопотребление и более высокие требования к оборудованию и материалам.

2. Влияние на скорость опреснения системы.

Степень очистки мембран обратного осмоса от различных ионов относительно стабильна. Однако изменения солености подаваемой воды влияют на эффективность опреснения системы на двух уровнях.

Снижение кажущейся скорости опреснения: Скорость опреснения рассчитывается как (1 - соленость пермеата / соленость исходной воды) * 100%. Предполагая постоянную абсолютную проницаемость для соли (количество соли, проходящей через мембрану за единицу времени), при резком увеличении солености исходной воды, даже если физические свойства мембраны остаются неизменными, рассчитанная «скорость опреснения» снизится.

Что еще более важно, высокая соленость означает больший градиент концентрации соли по всей мембране, что увеличивает движущую силу диффузии соли от поверхности мембраны к стороне пермеата (усугубляя концентрационную поляризацию), что приводит к увеличению фактического потока соли. При чрезвычайно высокой солености скорость опреснения мембраны действительно существенно снижается.

3. Влияние на проникновение и извлечение

При фиксированном рабочем давлении чистое давление привода равно рабочему давлению минус осмотическое давление. Как упоминалось выше, высокая соленость приводит к высокому осмотическому давлению, что напрямую снижает чистое давление привода.

Расход пермеата прямо пропорционален чистому давлению привода. Если рабочее давление остается постоянным, увеличение концентрации растворенных твердых веществ в исходном растворе с 1000 мг/л до 5000 мг/л может вызвать снижение чистого давления привода на 3-4 бара, что приведет к снижению расхода пермеата на 20-30% или более.

При увеличении коэффициента извлечения системы (пермеат/подача) соленость подаваемого раствора на конце мембранного элемента будет экспоненциально возрастать. Чтобы избежать скачков осмотического давления и риска образования накипи из-за чрезмерно высокого содержания растворенных твердых веществ на конце системы подачи воды, в системах с высокой соленостью необходимо применять более консервативные коэффициенты извлечения.

Коэффициент извлечения при обратном осмосе обычной муниципальной воды может достигать 75%. Для солоноватой воды этот показатель обычно составляет 60-70%. Коэффициент извлечения при обратном осмосе морской воды дополнительно ограничивается 40-50%. Низкий коэффициент извлечения означает больший сброс концентрата и меньшее водопотребление.

4. Повышенная склонность к загрязнению мембран и образованию накипи.

Высокая соленость сама по себе не является прямой причиной обрастания, но создает среду, более склонную к обрастанию и образованию накипи.

Повышенная поляризация концентрации: Когда вода с высоким содержанием растворенных твердых веществ концентрируется на поверхности мембраны, концентрация солей и других загрязняющих веществ (таких как силикаты, сульфаты и органические вещества) значительно выше, чем в основном потоке воды. Это существенно увеличивает риск того, что малорастворимые соли (такие как CaSO₄, CaCO₃, BaSO₄) превысят свое произведение растворимости и выпадут в осадок, что приведет к образованию накипи.

Снижение стабильности коллоидных частиц: высокая ионная сила сжимает электрический двойной слой коллоидных частиц, нарушая их стабильность и делая их более склонными к осаждению на поверхности мембраны, образуя коллоидные отложения.

Сложная очистка: В среде с высокой концентрацией соли загрязнений слой обычно становится более плотным и его сложнее очистить, что сокращает срок службы мембраны.

5. Решающее влияние на потребление энергии и экономику.

В конечном итоге это отражается на эксплуатационных расходах. В системах обратного осмоса электроэнергия в основном потребляется подающим насосом. Рабочее давление, как правило, пропорционально потреблению энергии.

Опреснение солоноватой воды с концентрацией 1000 мг/л до того же объема пермеата может потреблять всего 0,8-1,2 кВт·ч/м³. Однако опреснение морской воды с концентрацией 35000 мг/л обычно потребляет 2,5-4,0 кВт·ч/м³, что в 3-4 раза больше.

Высокое энергопотребление является основной причиной того, почему опреснение морской воды обходится значительно дороже, чем опреснение солоноватой воды. Кроме того, работа под высоким давлением предъявляет более высокие требования к материалам насосов, трубопроводов и корпусов мембран, что также увеличивает первоначальные инвестиции.