جلوگیری از رسوب باریم و استرانسیوم در سیستم اسمز معکوس

رسوب باریم و استرانسیوم در سیستم اسمز معکوس یکی از جدی ترین دلایل افت عملکرد ممبران، افزایش فشار عملیاتی و کاهش عمر تجهیزات است. در پاسخ به این سوال که "علت رسوب باریم در ممبران RO چیست" باید گفت که این مشکل به عبور آب خوراک حاوی یون های باریم، استرانسیوم و سولفات و رسیدن این یون ها به نقطه فوق اشباع در بخش کنسانتره مربوط می شود. در این شرایط، بلورهای بسیار کم محلول رسوب سولفات باریم در سیستم RO و رسوب سولفات استرانسیوم در RO روی سطح ممبران و داخل فید اسپيسر تشکیل می شوند.

این نوع رسوب برخلاف رسوب کربناتی، به سادگی با تنظیم pH حل نمی شود و اگر به موقع شناسایی نشود، هزینه های شستشو، توقف خط و تعویض ممبران را به شدت افزایش می دهد. در ادامه با آبین همراه باشید تا ببینیم که چگونه از گرفتگی ممبران به دلیل سولفات باریم جلوگیری کنیم، به محاسبه شاخص رسوب سولفات باریم و روش های پیشگیری از آن بپردازیم.

چگونه خطر رسوب باریم و استرانسیوم در سیستم اسمز معکوس را تشخیص دهیم؟

رسوب باریم و استرانسیوم در سیستم اسمز معکوس معمولا قبل از آن که به صورت چشمی دیده شود، خودش را در داده های عملکردی سیستم نشان می دهد:

1. اولین نشانه، افزایش تدریجی اختلاف فشار بین ورودی و خروجی پرشر وسل است. اگر می بینید Delta P به مرور بالا می رود و همزمان دبی پرمیت کاهش پیدا می کند، باید احتمال مشکلات گرفتگی ممبران توسط باریم و استرانسیوم را جدی بگیرید.
2. نشانه دوم، افزایش فشار پمپ برای حفظ همان نرخ تولید آب است. چون رسوب سولفات باریم در سیستم RO بسیار سخت و چسبنده است، معمولا باعث افت فلاکس و افزایش مصرف انرژی می شود. در بسیاری از پروژه های صنعتی، این علامت قبل از افت شدید کیفیت آب دیده می شود.

از نظر آزمایشگاهی، بهترین روش تشخیص، آنالیز دقیق آب خوراک و Reject است. باید غلظت یون های Ba2+ ،Sr2+ و SO4 2- اندازه گیری شود و سپس محاسبه شاخص رسوب سولفات باریم انجام شود. اگر حاصل ضرب یونی از Ksp بیشتر شود، خطر رسوب بسیار بالاست. همچنین آنالیز SEM/EDS روی ممبران بازشده می تواند وجود کریستال های سولفاتی را تایید کند.

علت تشکیل رسوب سولفات باریم و استرانسیوم در سیستم RO چیست؟

این که مهمترین علت رسوب باریم در ممبران RO چیست، به افزایش غلظت یون ها در جریان Reject مربوط می شود. در سیستم RO، آب خالص از ممبران عبور می کند اما نمک ها در بخش کنسانتره باقی می مانند. هرچه Recovery بالاتر برود، غلظت یون های محلول نیز بیشتر می شود.

زمانی که یون های باریم یا استرانسیوم با یون سولفات در جریان غلیظ شده به نقطه فوق اشباع برسند، کریستال های BaSO4 و SrSO4 تشکیل می شوند. این موضوع در آب های چاه، آب لب شور و برخی منابع صنعتی بیشتر دیده می شود.

نکته مهم این است که حتی غلظت های بسیار پایین باریم هم می تواند مشکل ساز شود. طبق راهنمای تخصصی DuPont، غلظت بحرانی باریم در برخی آب ها بسیار پایین است و همین باعث می شود بسیاری از طراحان سیستم های RO، این ریسک را دست کم بگیرند.

چرا رسوب باریم و استرانسیوم در ممبران خطرناک تر از سایر رسوبات اند؟

رسوب باریم و استرانسیوم در سیستم اسمز معکوس از خطرناک ترین انواع scaling است، چون حلالیت بسیار کمی دارد. برخلاف کربنات کلسیم که تا حدی با اسید و تنظیم pH قابل کنترل است، رسوب سولفات باریم در سیستم RO به شدت پایدار و سخت است.

این رسوبات معمولا به صورت کریستال های متراکم روی سطح ممبران رشد می کنند و به مرور کانال های جریان را مسدود می کنند. نتیجه آن، افزایش شدید فشار، افت بازیابی و کاهش عمر ممبران است.

هشدار: اگر این رسوب دیر شناسایی شود، حتی CIP هم همیشه نمی تواند ممبران را به راندمان اولیه برگرداند. به همین دلیل مشکلات گرفتگی ممبران توسط باریم و استرانسیوم از پرهزینه ترین مشکلات بهره برداری محسوب می شود.

چرا شستشوی شیمیایی (CIP) برای رسوب باریم کافی نیست؟

روش‌های حذف رسوبات سولفاتی در سیستم RO بعد از تشکیل کامل رسوب، محدودتر از سایر رسوبات هستند. دلیل اصلی، حلالیت بسیار پایین BaSO4 است. برخلاف رسوبات کربناتی، کاهش pH تاثیر قابل توجهی روی حل شدن سولفات باریم ندارد. به همین علت، در بسیاری از موارد CIP فقط بخشی از رسوب را جدا می کند و عملکرد کامل برنمی گردد.

در نتیجه، تاکید اصلی همیشه روی پیشگیری است؛ نه صرفا شستشو.

شاخص های محاسبه پتانسیل رسوب BaSO4 و SrSO4 در طراحی RO

برای محاسبه شاخص رسوب سولفات باریم باید حاصل ضرب یونی غلظت یون باریم و سولفات در جریان کنسانتره را محاسبه کنید و با Ksp مقایسه نمایید.

IPBaSO4=[Ba2+][SO42−]

اگر:

IPBaSO4≥Ksp

خطر رسوب قطعی است.

برای استرانسیوم نیز همین روش استفاده می شود:

IPSrSO4=[Sr2+][SO42−]

این محاسبات باید بر اساس غلظت کنسانتره و نه صرفا آب خوراک انجام شود.

تاثیر pH، دما و TDS بر رسوب سولفات های باریم و استرانسیوم

رسوب باریم و استرانسیوم در سیستم اسمز معکوس فقط به حضور یون های باریم، استرانسیوم و سولفات محدود نمی شود و شرایط عملیاتی سیستم نیز نقش بسیار مهمی در سرعت تشکیل رسوب دارند. سه عامل TDS، دما و Recovery معمولا بیشترین تاثیر را روی ریسک تشکیل رسوب سولفات باریم و رسوب سولفات استرانسیوم در RO دارند.

• TDS :TDS بالا باعث می شود غلظت نمک های محلول در جریان کنسانتره به سرعت افزایش پیدا کند. هرچه TDS آب خوراک بیشتر باشد، در سمت Reject غلظت یون های Ba2+ ،Sr2+ و SO4 2- زودتر به ناحیه فوق اشباع می رسد و این همان نقطه ای است که کریستال سازی آغاز می شود. به همین دلیل در آب های چاه عمیق، آب لب شور و پساب های صنعتی، خطر این نوع scaling بیشتر است.
• pH: برخلاف رسوب کربنات کلسیم، رسوب سولفات باریم وابستگی شدیدی به pH ندارد. یعنی اگر این سوال برای کاربر پیش بیاید که آیا با اسیدزنی می توان از این رسوب جلوگیری کرد، پاسخ این است که تاثیر pH در اینجا محدود است و کاهش pH به تنهایی راهکار موثری محسوب نمی شود. این دقیقا همان دلیلی است که باعث می شود آنتی اسکالانت تخصصی برای سولفات ها اهمیت بیشتری پیدا کند.
• دما: دما نیز بیشتر بر سینتیک رسوب گذاری اثر می گذارد تا اصل حلالیت. با افزایش دما، سرعت رشد کریستال ها و چسبندگی رسوب روی سطح ممبران بیشتر می شود. در عمل، نوسانات دمایی می تواند باعث شود سیستم در برخی ساعات شبانه روز رفتار متفاوتی از نظر scaling داشته باشد.

هزینه ها و آسیب های ناشی از رسوب باریم در ممبران های صنعتی

رسوب باریم و استرانسیوم در سیستم اسمز معکوس یکی از پرهزینه ترین انواع scaling در بهره برداری صنعتی است، چون معمولا زمانی شناسایی می شود که بخشی از آسیب قبلا ایجاد شده است. مهمرین آسیب های ناشی از رسوبات باریم و استرانسیوم در فیلتر ممبران صنعتی عبارتند از:

1. اولین هزینه مستقیم، افزایش مصرف انرژی است. وقتی رسوب روی سطح ممبران یا داخل فید اسپيسر تشکیل می شود، پمپ باید فشار بیشتری تولید کند تا همان دبی پرمیت حفظ شود. این موضوع به مرور باعث افزایش هزینه برق، استهلاک پمپ فشار بالا و بالا رفتن Delta P می شود. در سیستم های صنعتی بزرگ، همین افزایش فشار می تواند ماهانه هزینه قابل توجهی ایجاد کند.
2. هزینه دوم، افزایش دفعات CIP و توقف خط تولید است. از آن جایی که رسوب سولفات باریم در سیستم RO به سختی شسته می شود، فاصله بین شستشوها کوتاه تر می شود و این یعنی کاهش availability سیستم.
3. مهم تر از همه، اگر رسوب برای مدت طولانی روی ممبران باقی بماند، لایه پلی آمید دچار آسیب برگشت ناپذیر می شود و کاربر ناچار به تعویض المان خواهد شد. در بسیاری از پروژه ها، هزینه تعویض یک استیج ممبران چندین برابر هزینه کل پیشگیری با آنتی اسکالانت است.

راهکارهای پیشگیرانه برای جلوگیری از رسوب باریم و استرانسیوم در ممبران

مهمترین نکته در پاسخ به این سوال که "چگونه از گرفتگی ممبران به دلیل سولفات باریم جلوگیری کنیم"، لزوم پیشگیری قبل از رسیدن به ناحیه فوق اشباع است. به کمک نکات زیر می توان از تشکیل رسوبات باریم و استرانسیوم در ممبران جلوگیری کرد:

• استفاده از آنتی اسکالانت تخصصی برای سولفات های کم محلول: همه آنتی اسکالانت ها برای سولفات باریم عملکرد یکسانی ندارند؛ بنابراین باید محصولی انتخاب شود که به طور مشخص برای BaSO4 و SrSO4 طراحی شده باشد.
• کنترل Recovery سیستم: هرچه Recovery بالاتر باشد، غلظت نمک ها در Reject بیشتر می شود. گاهی فقط با کاهش چند درصدی Recovery، می توان ریسک رسوب را به شکل محسوسی کاهش داد.
• پایش مداوم آنالیز آب خوراک: خیلی وقت ها تغییر منبع آب، ترکیب آب چاه و آب شبکه، یا تغییر شرایط فرایندی باعث جهش ناگهانی سولفات یا باریم می شود.

در پروژه های حساس، استفاده از نرم افزارهای projection ممبران برای محاسبه scaling potential ضروری است تا محاسبه شاخص رسوب سولفات باریم به صورت دقیق انجام شود. اگر این موارد از مرحله طراحی تا بهره برداری رعایت شوند، عمر ممبران، راندمان سیستم و هزینه های عملیاتی به شکل قابل توجهی بهبود پیدا می کند. در صورتی که با تشکیل رسوب در سیستم RO خود که یک مشکل بسیار رایج است مواجه هستید، از طریق شماره 02179137 با کارشناسان متخصص آبین در ارتباط باشید تا شما را در انتخاب روش مناسب و خرید محصولات مورد نیاز یاری دهیم.