Влияние органических соединений на обратный осмос (мембраны)

Надежность работы мембранных установок в большой степени зависит от скорости загрязнения ОО мембран веществами, содержащимися в природной воде. Во многих случаях влияние органических соединений в растворенном состоянии оказывается решающим при ухудшении характеристик установок обратного осмоса.

При очистке поверхностных вод главной проблемой являются не столько взвешенные вещества, сколько органические соединения, поступающие в растворенном состоянии на очистные сооружения перед обратным осмосом и неучитывающиеся индексами загрязнения. Сегодня разработчики мембранных технологий считают крайне важной задачу загрязнения мембран осадками органических веществ, дающих цветность водных объектов.

Для обратноосмотических мембран особый интерес представляют побочные продукты обеззараживания воды, например, хлороформ, бромоформ и другие. В начале исследований был сделан вывод, что взаимодействие материала мембран обратного осмоса с галогенокарбонатами и другими растворенными органическими соединениями есть причина необратимого снижения производительности установок обратного осмоса (мембран).

Галогеноуглеводороды (продукты хлорирования) в концентрациях 100 мг/л в поступающей на установку воде могут влиять на снижение производительности мембран. Это может быть объяснено тем, что мембрана абсорбирует эти соединения, которые, соединяясь с полимерами, образующими мембрану, вызывают уплотнение ее селективного слоя. Кроме того, влияние органических соединений (фенола и др. с высокой концентрацией), значительно ускорят зарастание обратноосмотических мембраны. Влияние органических соединений довольно сильно зависит от полимерного материала мембран. Растворенные органические вещества (бромоформ и др.) также могут абсорбироваться обратноосмотическими мембранами, делая их более гидрофобными.

Исследования показали влияние на показатели мембран следующих веществ: CHCl₃, CHBr₃, CCl₄. Более высокопроизводительные мембраны обратного осмоса, например, композитные, активнее теряют производительность, чем ацетатные мембраны, если в исходной воде содержатся галогенокарбонаты. Селективность всех мембран слегка увеличилась после контакта с галогенокарбонатами. Результаты экспериментов подтверждают предположение, что галогенокарбонаты «встраиваются» в структуру мембраны и вызывают уменьшение диаметра пор, через которые происходит перенос воды.

Результаты исследований структуры «загрязненных» мембран обратного осмоса показали, что эти органические соединения «встраиваются» в структуру композитных мембран лучше, чем в структуру ацетатных. Общим выводом, является утверждение, что чувствительность композитных мембран к органическим соединениям типа галогенокарбонатов (побочных продуктов хлорирования) заставляет обращать внимание на обеспечение специальной предварительной обработки воды.

Эксперименты по работе мембран на водах, содержащих растворенные низкомолекулярные органические соединения. Многочисленные эксперименты, проведенные с аппаратами различных фирм на растворах различных органических веществ, показали, что селективность по различным соединениям может изменяться от 0 до 99% в зависимости от материала мембран, типа соединения и условий эксплуатации мембранных аппаратов. Например, наилучшую селективность по низкомолекулярным органическим соединениям продемонстрировали композитные мембраны.

Образование осадков ВМС гуминовых кислот на обратноосмотических мембранах

Интенсивность органического загрязнения мембран обратного осмоса определяется в первую очередь размером пор, и механизмы загрязнения разрабатываются «под каждый конкретный случай» для определенного состава воды.

Один из основных видов загрязнений являются органические коллоидные комплексы гуминовой кислоты Са, Fe, Si. Наша Группа компаний разрабатывает возможность их удаления на стадии водоподготовки перед установкой обратного осмоса, а также эффективные моющие технологии по удалению данного вида осадков.

Органические молекулы и кальциевые комплексы адсорбируются в порах и на поверхности мембран обратного осмоса и изменяют степень их гидрофильности, модифицируя поверхность ОО мембран. Так, при нанофильтрации возрастает концентрация высокомолекулярных соединений (ВМС) в примембранном слое. Крупные молекулы органических соединений с малым значением коэффициента диффузии быстрее и в большей степени вызывают загрязнение обратноосмотических мембран за счет низкой растворимости и более высоким значениям концентрации, достигаемой в примембранном слое.

В некоторых случаях осадок скоагулированных гуминовых кислот образуется на обратноосмотических мембранах при использовании катионного флокулянта на станциях опреснения морской воды. Присутствие в воде катионного флокулянта приводит к образованию нерастворимых соединений гуминовых веществ, которые не задерживаются фильтрацией. Замена катионного флокулянта на сульфат алюминия либо отказ от использования флокулянта полностью устраняют проблему осаждения гуминовых кислот на мембранах. Следовательно, образования осадков гуминовых кислот можно избежать даже при ее концентрации более 35 мг/л с применением реагентов, не вызывающих коагуляции и снижения производительности обратноосмотических мембран.

Загрязнение мембран установок обратного осмоса органическими соединениями заключаются не только в том, что их нельзя прогнозировать измерением SDI и пр., но и трудно предотвратить с помощью существующих технологий водоподготовки исходной воды.

Содержание органических соединений в морской воде может меняться от 5 мг/л в открытом море до 750-900 мг/л вдоль побережья. Большинство гуминовых кислот в воде производится водорослями и бактериями в процессе фотосинтеза. Содержание гуминовых кислот в воде растет с биологической активностью в ней. Следовательно необходимо оценивать биологическую активность исходной воды, для прогноза загрязнения обратного осмоса органическими соединениями. Стабильность гуминовых кислот в исходной воде определяет механизм их воздействия на мембраны обратного осмоса.

Молекулы гуминовой кислоты представляют собой полианионы, могущие образовывать водородные связи с молекулами воды. Гуминовые кислоты образуют на поверхности обратноосмотических мембран слой осадка толщиной менее 50 мкм при достижении равновесного состояния определяемого производительностью мембран и конц-й гуминовых кислот в воде. Образование данного слоя на поверхности мембраны, как правило, оказывает влияние на её производительность, нежели на селективность. Однако слой гуминовых кислот не вызывает необратимого снижения показателей обратного осмоса, и опреснительные установки могут работать стабильно.

Механизм образования органических отложений глубоко изучен. На обратноосмотических мембранах формируется адсорбционный слой, не снижающий характеристик мембран. Практика показывает, что органические отложения со временем все-таки приводят к снижению производительности и селективности обратного осмоса (мембран). Что вызвано тем, что органические соединения в растворенном состоянии довольно разнообразны по физико-химическим свойствам.

Если органические молекулы малого размера не оказывают значительного влияния на работу обратного осмоса, то ВМС, со временем образуют осадок, состоящий, как правило, из железа, карбоната кальция и пр. Наша компания перед проектирование станций водоподготовки на базе установок обратного осмоса предварительно проводит пилотные испытания мембранной технологии на установках малой производительности для изучение совместного эффекта влияния осадков.

Пилотные испытания позволяют дать прогноз работы мембранных установок в зависимости от типа и содержания в воде органических соединений. В процессе расчета материального баланса в ходе экспериментов была зафиксирована адсорбция органических соединений композитной обратноосмотической мембраной.

В проводимых экспериментах мы используем хлороформ, поскольку из галогеноуглеводородов он составляет  65-80% продуктов хлорирования  Взаимодействие хлороформа с полимером мембранных элементов помогает определять среднюю скорость загрязнения мембран.

Основная сложность, вызываемая наличием гуминовых кислот в исходной воде, в том, что данные кислоты коагулируют с осаждением из раствора по нескольким причинам:

• повышенная удельная производительности мембран;

• при применении катионных флокулянтов в ходе очистки воды;

• осаждение скоагулированных гуминовых кислот в установках обратного осмоса вызывает потерю напора и рост концентрационной поляризации, снижающей производительность и селективность обратного осмоса.

Органические вещества адсорбируются на обратноосмотических мембранах, формируя тонкий слой,  не снижающий селективность и производительность. После полного обрастания мембранной поверхности адсорбционным слоем, далее он не растет, соответственно скорость адсорбции органических соединений резко снижается. Проведение пилотных испытаний дает возможность установить скорости адсорбции органических соединений и, соответственно, измерить сорбционную емкость поверхности композитных нанофильтрационных и обратноосмотических мембран. В результате установлено, что растворенные органические вещества с MWCO менее 140 кДа можно считаться не опасными для установок обратного осмоса.