Для обеспечения правильной и долгой работы мембранных элементов обратного осмоса и нанофильтрации должны соблюдаться условия по установленному давлению, температуре и скоростям потоков воды проходящей через мембраны. Но главным условием являются требования по качественному составу исходной воды, определяющие и устанавливающие предельные значения загрязнений и других параметров эксплуатации мембранных элементов.Должным образом работающая система предварительной очистки, состоящая из осветления, сорбции, ионного обмена и химической обработки, продлевает срок службы мембран обратного осмоса до десяти лет. Вода поступающая на установку обратного осмоса должна соответствовать следующим требованиям:
| Параметр | Допустимое значение |
|---|---|
| Мутность |
< 1,0 ЕМФ (NTU) (0,58 мг/литр) |
| Взвешенные вещества |
< 0,1 мг/л |
| Допустимый диапазон рН при эксплуатации | 2 - 11 |
| Допустимый диапазон рН при хим. промывке | 1 - 13 |
| Марганец общий | < 0,05 мг/л |
| Железо общее | < 0,05 - 0,2 мг/л |
| Индекс SDI | < 5,0 ед. |
| Нефтепродукты | < 0,5 мг/л |
| Сильные окислители (хлор, озон, KMnO4) | < 0,05 мг/л |
| Окисляемость перманганатная | < 3,0 мгО2/л |
| Органические загрязнения | < 3,0 мг/л по ТОС |
Взвешенные вещества:
Крупные взвешенные вещества, такие как песок и окалина, могут забивать каналы между рулонным мембранным полотном, блокируя пропускание воды. Кроме того, взвешенные вещества двигаясь с большой скоростью в напорном корпусе могут повредить мембранные элементы своим абразивным действием. Количество взвешенных веществ размером более 1 – 3 мкм контролируется по показателю мутности воды.
Крупные взвешенные вещества, такие как песок и окалина, могут забивать каналы между рулонным мембранным полотном, блокируя пропускание воды. Кроме того, взвешенные вещества двигаясь с большой скоростью в напорном корпусе могут повредить мембранные элементы своим абразивным действием. Количество взвешенных веществ размером более 1 – 3 мкм контролируется по показателю мутности воды.
Мелкая коллоидная взвесь и ил могут оседать на поверхности мембраны, приводя к забиванию и изменению потоков внутри мембраны, что в свою очередь приводит к другим необратимым последствиям. Измерение количества мелкой коллоидной взвеси происходит при помощи индекса SDI (Silt Density Index – индекс плотности осадка, иловый индекс). Измерение SDI происходит при помощи микрофильтра рейтингом фильтрации не более 0,45 мкм.
Минеральные отложения:
Другой причиной засорения мембран является увеличение содержания солей в процессе работы обратного осмоса. Исходная вода течет по касательной вдоль мембраны, создавая градиент концентрации (неравномерное распределение) солей по длине мембраны, причем последний элемент установленный в корпусе по ходу течения воды получает наиболее концентрированный объем рассола. Таким образом из исходной воды, проходящей по напорному корпусу загруженному последовательно установленными мембранами, постепенно отсеиваются молекулы воды образуя поток пермеата. Раствор солей при этом становится все более концентрированным, и при достижении предельных концентраций растворимости различных солей они начинают выпадать (кристаллизоваться) на поверхности мембранного полотна образуя нерастворимые отложения (англ. – scale).
Карбонат кальция (CaCO₃) является наиболее частой причиной образования минеральных отложений на мембранах обратного осмоса. Основной причиной его образования, помимо увеличения концентрации, является переход свободной углекислоты в пермеат, в результате чего происходит сдвиг углекислотного равновесия вправо (увеличение рН) с образованием избытка карбонатов, что приводит в выделению твердой фазы CaCO₃. Предел выпадения в осадок карбоната кальция с точностью определяется исходя из индекса Ланжелье (Langelier Saturation Index – LSI). Так при LSI < 0 образование отложений не происходит, а при LSI > 0 раствор склонен к образованию осадка, причем при больших значениях образование осадка происходит интенсивнее.
Сульфат кальция (CaSO₄) тоже является широко распространенным отложением ввиду того что большое количество кальция и сульфатов часто присутствуют в очищаемой воде. Природный гипсовый осадок образующийся в ходе увеличения концентрации CaSO₄ удаляется сложнее чем CaCO₃. Требуется использование подходящего антискалянта для предотвращения выпадения осадка.
Сульфат бария (BaSO₄) / стронция (SrSO₄) очень мало распространены ввиду редкого высокого содержания бария и стронция в воде.
Диоксид кремния (SiO2) является очень трудноудаляемым осадком, требуется особое внимание при наличии кремния в воде.
Соли железа (Fe) и марганца (Mn) являются распространенным загрязнением и относительно легко удаляются с поверхности мембранного полотна, однако лучше избежать загрязнения металлами используя систему предварительной фильтрации воды во избежание частых кислотных промывок.
Индекс SDI: что это и как измеряется
SDI показывает скорость забивания контрольной мембраны коллоидной взвесью и считается по стандарту ASTM D4189. Воду пропускают через мембрану 0,45 мкм диаметром 47 мм при постоянном давлении 207 кПа (30 psi) и засекают два времени: t₁ — сколько уходит на сбор первых 500 мл, и t₁₅ — сколько уходит на те же 500 мл через 15 минут непрерывной фильтрации.
Формула расчёта: SDI₁₅ = (1 − t₁ / t₁₅) × 100 / 15.
Если за 15 минут мембрана забилась больше чем на 75 %, тест сокращают до 10 или 5 минут и указывают это в результате — SDI₁₀ или SDI₅. Сравнивать между собой можно только значения с одинаковым временем теста.
Мутность и SDI измеряют разное и не заменяют друг друга. Мутность видит частицы крупнее 1–3 мкм, SDI — коллоиды, которые прибор мутности не фиксирует. Вода с мутностью 0,2 ЕМФ вполне может иметь SDI выше 5 и быть непригодной для мембран.
Что происходит с мембранами при нарушении требований
Отклонение от требований проявляется в изменении трёх основных рабочих параметров: производительность (объем пермеата), селективность и перепад давления на мембранных элементах. По сочетанию показателей этих параметров можно определить тип загрязнения без необходимости вскрытия корпуса.
| Признаки забивания мембран | Вероятная причина | Требуемые меры |
|---|---|---|
| Снижение нормализованного потока пермеата; рост ΔP, особенно на входе; солепроницаемость сначала нормальная или низкая; слизь, налёт, запах | Биообрастание, биологически активная питательная вода, недостаточная предподготовка | Промывка и санитизация системы и предподготовки; щелочная промывка (pH 12–13, NaOH, при необходимости Na-DDS/Na₄EDTA) с выдержкой; биоцид (например, DBNPA); оптимизация предподготовки; применение стойких к обрастанию мембранных элементов |
| Снижение потока; рост ΔP; отложения на входных элементах; высокий SDI | Коллоидное или илистое загрязнение; недостаточная фильтрация/коагуляция | Промывка; улучшение предподготовки (напорные фильтры, UF/MF, коагуляция/флокуляция); контроль SDI; замена картриджных фильтров |
| Снижение потока; рост солепроницаемости; рыжие или бурые отложения; возможное телескопирование мембранного элемента | Оксиды Fe/Mn/Al; окалина; H₂S + окислитель | Кислотная или восстановительная промывка (Na₂S₂O₄ pH 5, лимонная/фосфорная/сульфаминовая кислота); корректировка предподготовки; замена корродирующих материалов; контроль Fe/Al < 0,05 мг/л |
| Снижение потока; рост солепроницаемости; рост ΔP; отложения в последней стадии; шероховатая поверхность | Карбонатная накипь CaCO₃; превышение LSI/S&DSI | Кислотная промывка (HCl pH 1–2); снижение конверсии; корректировка дозировки кислоты/антскаланта; контроль LSI/S&DSI |
| Снижение потока; рост солепроницаемости; отложения в последних по ходу воды мембранах | Сульфатная накипь CaSO₄/BaSO₄/SrSO₄ | Ранняя щелочная EDTA-промывка (0,1% NaOH + 1% Na₂EDTA, pH 12, ≤30 °C; можно добавить 1% NaCl); снижение конверсии; корректировка антскаланта; умягчение |
| Снижение потока; рост ΔP; трудноудаляемые отложения | Кремнезёмная накипь SiO₂ | Щелочная промывка; снижение конверсии; корректировка pH/температуры в допустимых пределах; удаление Al/Fe; полиакрилатный антискалянт |
| Снижение потока; рост солепроницаемости; отложения фосфатов | Фосфат кальция; высокая жёсткость, PO₄, pH | Кислотная промывка; снижение pH; удаление Ca/PO₄; подбор антискалянта |
| Снижение потока; рост ΔP; липкие или органические отложения | Органическое загрязнение (масла, гуминовые кислоты, катионные полимеры) | Щелочная промывка (NaOH + Na-DDS или NaOH + Na₄EDTA), затем кислотная (HCl pH 2); корректировка предподготовки и дозировок |
| Рост ΔP; гелеобразные отложения; возможное снижение потока | Осаждение антскаланта при контакте с катионными полимерами, Al, Fe | Щелочная EDTA-промывка; проверка совместимости химикатов; корректировка дозирования |
| Рост солепроницаемости при нормальном или высоком потоке; ΔP не растёт | Окислительное повреждение мембраны (Cl₂, O₃, KMnO₄, H₂O₂ и др.) | Замена повреждённых элементов; удаление окислителей; контроль ОВП; соблюдение pH/T при санитизации |
| Рост солепроницаемости; локальные скачки проводимости; утечки | Повреждение O-ring уплотнений, коннекторов, пермеатной трубки; механическое повреждение | Осмотр мембранных элементов и соединений; замена O-ring уплотнений/коннекторов; правильная загрузка и отцентровка мембран |
| Снижение потока и солепроницаемости; уплотнение мембраны | Деформация из-за высокого давления, температуры, гидроудара | Замена элементов; предотвращение гидроударов; соблюдение давления/температуры |
| Снижение потока после высыхания мембран или долгого/неправильного хранения | Неполное смачивание сухих элементов | Требуется увлажнить полотно: 50/50 этанол/вода или пропанол/вода 15 мин; выдержка под давлением; слабая HCl/HNO₃ |
| Снижение потока после хранения; возможный запах | Старый или окисленный бисульфитный консервант, биообрастание | Щелочная промывка; замена консерванта; хранение в прохладном тёмном месте |
| Высокий ΔP без явной стадии; возможны механические причины | Отсутствие или байпасс картриджных фильтров, проскок загрузки, износ рабочих колес насоса, повреждение наружней уплотнительной манжеты мембраны | Проверить/заменить картриджи и медиа; проверить насос; замена наружней уплотнительной манжеты мембраны; промывка |
Нормализованные показатели снимают еженедельно и приводят к базовым условиям по температуре и давлению. Триггер на промывку — падение нормализованной производительности на 10 %, рост перепада давления на 15 % или падение качества пермеата на 10 % от номинальных значений при пуско-наладке.
