逆浸透（RO）技術 安定した脱塩速度、小さな設置面積、自動化、拡張性などの利点により、水処理で広く使用されています。しかし、スケーリングは膜操作中の水処理担当者にとって厄介な問題です。スケーリングは膜流束の減少、エネルギー消費量の増加、脱塩速度の低下、膜寿命の短縮につながる可能性があり、運用コストが増加します。したがって、膜のスケール付着を防ぐための措置を講じる必要があります。一般的なスケール抑制方法には、RO 給水の pH 調整と給水へのスケール抑制剤の添加という 2 つの主なアプローチが含まれます。両方の方法を併用することもできます。この記事では、スケーリング阻害のメカニズムについて説明し、阻害方法を選択し、必要な投与量を計算する方法を提供します。
1. スケール抑制剤のメカニズム
膜スケーリングとは、CaCO3、CaSO4、BaSO4、Ca3(PO4)2 などの難溶性物質が膜表面に沈殿することを指します。これらの物質が RO システム内で濃縮されると、過飽和に達する可能性があります。たとえば、pH = 7.5、水温 25°C で、カルシウム硬度 (CaCO3 として測定) が 200 mg/L、総アルカリ度 (CaCO3 として測定) が 150 mg/L の場合、CaCO3 は過飽和に近づきます。同様に、pH = 7.5、水温 25°C では、バリウムイオンの濃度がわずか 0.01 mg/L、硫酸イオンが 4.5 mg/L の場合、BaSO4 は過飽和になり、沈殿します。
逆浸透スケール抑制剤のスケール抑制メカニズムには、主に錯体形成、分散、格子歪み、および閾値効果が含まれます。
錯体形成と可溶化：スケール抑制剤は、水中のカルシウム、マグネシウム、バリウムイオンなどのスケール陽イオンと可溶性錯体を形成し、CaCO3、CaSO4、BaSO4、Ca3(PO4)2 の生成を防ぎます。
凝集と分散: スケール防止剤によって放出された陰イオンが CaCO3 結晶に付着します。産業廃水中の汚染物質は通常、負の電荷を帯びているため、電荷が互いに反発するように静電反発力が生じ、CaCO3 結晶が凝集して大きな粒子に成長するのを防ぎます。結晶は溶液中に均一に分散され、それによって CaCO3 スケールの形成が抑制されます。
格子歪み: CaCO3 微結晶の凝集と成長中に、スケール抑制剤が結晶格子または結晶界面に取り込まれ、格子歪みが発生します。これは結晶成長を直接的に阻害または歪めます。たとえば、CaCO3 は、正に帯電したカルシウムイオンと負に帯電した重炭酸イオンによって形成され、特定の方向に成長します。成長中にスケール抑制剤が格子に取り込まれ、結晶内の内部応力が増加します。応力が特定のしきい値に達すると、結晶が破壊され、結晶の形成が妨げられます。
閾値効果: スケール抑制剤は、CaCO3、CaSO4、BaSO4、Ca3(PO4)2 微結晶の凝集および秩序化プロセスを妨害し、沈殿を防止します。
2. スケーリング抑制方法の選択
逆浸透 (RO) システムにおけるスケーリングのリスクを評価するために使用される主な指標は、ランゲリエ飽和指数 (LSI) です。 LSI < 0 の場合、水はスケールする傾向がありません (ただし、わずかに腐食性がある可能性があります)。 LSI ≥ 0 の場合、水はスケーリングを起こしやすくなります。 pH 調整方法では、給水の pH を下げることでスケールを防止し、LSI を 0 より大きいから 0 未満にシフトします。スケール防止剤を添加すると、LSI ≧ 0 の場合でもスケールを防止できます。これは、水中の不溶性微結晶が成長したり、凝集したりすることができないためです。または沈殿します。この阻害の主なメカニズムは上記の 4 つです。現在、国内のスケール抑制剤製品は、LSI = 3 の場合でも不溶性物質が沈殿しないことを保証できます。国際トップブランドのスケール抑制剤は、LSI = 5 で沈殿しないことを保証できます。ただし、一部の国内ベンダーが輸入しているため、抑制剤を購入する場合は注意が必要です。国際ブランドの抑制剤を濃縮し、大量の水で希釈すると、たとえ製品が LSI = 5 と表示されていたとしても、実際のスケール抑制性能に大きな差異が生じます。
1. pH調整方法
適切な透過水を確実に生産するために、RO 給水の pH は通常 6 ～ 9 の間に制御されますが、一部の企業では 7.0 ～ 8.5 などのより狭い範囲内でより洗練された制御を実施しています。供給水の pH レベルが極端に低い、または高いと、RO 透過水が必要な水質基準を満たさなくなる可能性があります。したがって、スケーリング抑制のための pH 調整方法では、RO 透過水の pH が所望の範囲内にあることが前提となります。 pH 調整方法は主に CaCO3 スケールをターゲットにしており、他の種類のスケール物質に対しては効果がないことに注意することが重要です。
2. スケール防止剤の添加方法
前述したように、スケール抑制剤を添加すると、RO 膜がより高い LSI 値を許容できるようになります。しかし、ROスケール抑制剤は高価な傾向があり、国内製品の価格は0.008～0.012人民元/g、国際トップブランドの濃縮製品のコストは0.055～0.075人民元/gであり、結果的に運営コストが高くなります。
さらに、市場には多数の種類のスケール防止剤があり、一部のメーカーは実証されていない新しい概念を常に推進しているため、スケール防止剤を選択する際に混乱が生じています。一般に、成熟した市販スケール防止剤は、リンベースのスケール防止剤、ポリマーベースのスケール防止剤、および環境に優しいスケール防止剤の 3 つのカテゴリに分類できます。
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リンベースのスケール防止剤: これらには、無機リン酸塩阻害剤 (トリポリリン酸ナトリウムまたはヘキサメタリン酸ナトリウムなど) および有機ホスホン酸塩阻害剤 (ヒドロキシエチリデン ジホスホン酸、アミノトリメチレンホスホン酸、およびホスホン酸誘導体など) が含まれます。無機リン酸塩阻害剤には長鎖アニオンが含まれており、特に高温では加水分解しやすいです。加水分解するとリン酸塩を形成し、これがカルシウムイオンと反応して、CaCO3 よりも溶解度の低い生成物であるスケールである Ca3(PO4)2 を形成します。したがって、無機リン酸塩阻害剤は、高温または高カルシウムイオン濃度の水には適していません。
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有機ホスホネートスケール抑制剤: これらの阻害剤には、通常 C-O-P 結合を特徴とする有機ホスホン酸塩が含まれています。有機ホスホン酸塩は、高温やアルカリ環境にさらされると加水分解してリン酸エステルやアルコールに変化し、スケール抑制効果が大幅に低下する可能性があります。したがって、有機ホスホン酸塩は、高温または高 pH 値の水中での使用には適していません。
ポリマーベースのスケール防止剤は、主にアニオン性ポリマー防止剤とカチオン性ポリマー防止剤に分けられます。前者は主に金属イオンスケールの防止に使用され、後者は主にシリカスケールの抑制に使用されます。ポリマーベースの抑制剤の主成分はアクリル酸とマレイン酸であり、配合中に分子内にさまざまな官能基が導入されます。その結果、ポリマースケール防止剤はさまざまな配合で提供されます。これらの防止剤を使用する場合は、水質条件だけでなく、存在するスケールの種類も考慮することが重要です。例えば、カルボキシル基を有するポリマー禁止剤は主にカルシウムスケールを対象とし、スルホン酸ベースのポリマー禁止剤は主に金属酸化物スケールに使用され、アミンベースのポリマー禁止剤はシリカスケールに効果的です。したがって、ポリマースケール防止剤は広範囲の薬剤ではありません。これらは、広域スペクトル阻害剤の欠点に対処するように設計されています。さらに、ポリマーベースの抑制剤の主成分はポリマーであるため、塩素やその他の酸化性殺生物剤による酸化を受けやすく、効果がなくなる可能性があります。したがって、これらの防止剤を添加する前に、まず還元剤を添加して水中の残留塩素を中和する必要があります。
環境スケール抑制剤には通常、ポリアスパラギン酸、ポリエポキシコハク酸、およびそれらの誘導体などの有効成分が含まれています。これらの阻害剤は主に、CaCO3、CaSO4、CaF2 などのカルシウムベースのスケールに対処するために使用されます。これらの阻害剤の利点は、比較的高いカルシウムイオン濃度に耐えられることです。たとえば、カルシウムイオン濃度が 500 mg/L に達した場合でも、カルシウムスケールの 80% 以上の抑制を達成できます。しかし、これらの阻害剤はより高い投与量を必要とし、水の pH に重大な変化を引き起こし、40°C 未満の温度では効果が低下します。逆浸透膜の最大許容給水温度は 35 ～ 40°C であるため、これらの抑制剤は一般に逆浸透システムでの使用には適していませんが、冷却水システムではより一般的に使用されます。
3. 投与量の計算
前述したように、水がスケールしやすいかどうかは、ランゲリア飽和指数 (LSI) の値によって決まります。したがって、酸を添加して pH を調整する場合でも、スケール防止剤を添加して逆浸透膜のスケール付着を防止する場合でも、重要なのは水の LSI を制御することです。 LSI の計算は次のようになります。
式では次のようになります。
- pH 逆浸透濃縮物の測定された pH 値です。
- pH_s は、実際の水温における水中の炭酸塩系に対応する飽和 pH 値であり、飽和 pH として知られています。
の pH 逆浸透濃縮物の濃度は、オンライン機器または手動測定を通じて簡単に取得できます。したがって、LSI を計算する鍵となるのは、 pH_s 。によると、 水および廃水の標準検査方法 、 pH_s は以下の式で計算できます。
式では次のようになります。
- あ 総溶解固形分 (TDS) 係数です。
- B は水温係数です。
- C はカルシウム硬度係数です。
- D は総アルカリ度係数です。
の計算方法は、 あ 、 B 、 C 、 そして D は次のとおりです。
- TDS 逆浸透濃縮液中の総溶解固形分含有量 (mg/L) です。
- t 逆浸透濃縮液の温度 (°C) です。
- Cca 逆浸透濃縮物のカルシウム硬度であり、CaCO3 として mg/L で表されます。
- C_総アルカリ度 逆浸透濃縮液の総アルカリ度を mg/L 単位で CaCO3 として表します。
前述の例を使用すると、 pH = 7.5 、 TDS = 2000 mg/L 、 温度 t = 25℃ 、 カルシウム硬度 Cca = 200 mg/L 、 そして 総アルカリ度 C_総アルカリ度 = 150 mg/L 、LSI を計算するプロセスは次のとおりです。
これは、これらの条件下では CaCO3 がほぼ飽和しているという前述の記述と一致します。さらに、投与量の計算は次の 3 つの式で表すことができることがわかります。
具体的な申請方法は以下の通りです。
まず、TDS、温度を測定します t 、カルシウム硬度 Cca 、および総アルカリ度 C_総アルカリ度 逆浸透濃縮物の。次に、公式を使用して計算します pH_s .
- もし pH_s ≧ pH カルシウムスケールを防ぐために、それ以上の調整やスケール抑制剤は必要ありません。
- もし pH_s < pH 、pH 調整後、逆浸透供給水の pH が 6.5 を下回らないようにします (pH が低いと逆浸透生成水が酸性になる可能性があるため)。この場合、酸を加えて pH を調整できます。 pH_s ≧ pH 。これは次の場合にのみ適用されます。 pH_s ≥ 6.5 。もし pH_s < 6.5 、pH が 6.5 以下になるまで酸で調整する必要があり、これにより逆浸透生成水が酸性になります。
- もし pH_s < 6.5 、スケール防止剤を添加する必要があります。
前述したように、pH 調整のための酸の投与は主に次のことをターゲットとしていることに注意することが重要です。 CaCO3 他のタイプのスケーリングには効果がありません。その他のスケール物質については、制御のためにスケール防止剤が必要です。
pHを調整するための酸の投与量は、実際に測定されたpHによって制御できます。スケール抑制剤の投与量に関しては、国内外の学者による広範な研究により、次のことが示されています。
- スケール防止剤の投与量が以下の場合 2.5g/m3 、阻害効率は比較的低いです。
- 用量を超えた場合 3.0g/m3 、阻害効率が大幅に改善されなくなりました。
したがって、スケール防止剤の最適な用量は次のとおりです。 2.5-3.0 g/m3 、次の図に示すように。
要約すると、逆浸透膜のスケーリングを防ぐ場合は、まずこの記事で提供されている式を使用して逆浸透濃縮液の LSI を計算し、スケーリングが発生する可能性があるかどうかを評価する必要があります。次に、透過水中の主なスケール物質を分析する必要があります。これは、Ca²⁺、Mg²⁺、HCO₃⁻、Ba²⁺、SiO₂ などの検査指標によって決定できます。この分析により、次のことを行うかどうかについて的を絞った決定を下すことができます。酸で pH を調整するか、スケール防止剤を追加します。スケール抑制剤が必要な場合は、使用する抑制剤の適切な種類と投与量を決定する必要があります。
