Despre sistemele de osmoză inversă

Osmoza inversă (RO) este o tehnologie de tratament al apei care poate elimina contaminanți precum săruri dizolvate, microorganisme și materie organică din apă într-un ritm ridicat folosind o membrană semi-permeabilă. Această metodă, care funcționează prin inversarea procesului natural de osmoză, a devenit una dintre pi stonele de bază ale tratamentului apei industriale de astăzi. Joacă un rol important în recuperarea apei sărate sau neutilizabile ca apă potabilă sau apă de proces. De exemplu, osmoza inversă este cea mai frecvent utilizată pentru desalinarea apei de mare pentru a obține apă potabilă. Până în 2019, aproximativ 16.000 de stații de desalinare din întreaga lume produceau un total de ~95 milioane m³/zi de apă cu tehnologia de osmoză inversă (aproximativ jumătate din această capacitate este în regiunea Orientului Mijlociu și Africa de Nord). Osmoza inversă joacă un rol critic prin furnizarea de apă proaspătă în regiunile în care resursele de apă sunt limitate și prin furnizarea de apă de o puritate ridicată în procesele industriale. 

Osmoza inversă este poziționată ca unul dintre cei mai sensibili și avansați pași de tratament în procesele generale de tratare a apei. Metodele convenționale, cum ar fi filtrarea, sedimentarea sau dezinfecția, sunt eficiente în eliminarea solidelor suspendate și microbi, dar nu pot elimina ionii dizolvați și salinitatea. Osmoza inversă, pe de altă parte, oferă demineralizare separând moleculele de apă de alți ioni și molecule cu principiul separării prin membrană. Prin urmare, osmoza inversă este utilizată în general pentru a oferi puritatea finală a apei după etapele de pre-tratament precum filtrarea cu nisip, ultrafiltrarea și cărbune activat. RO este considerată ca "polisher" sau tehnologie de ultimă etapă în lanțul de proces de tratament al apei, deoarece efectuează cea mai fină purificare. Apa produsă obținută este de obicei de o calitate care va respecta standardele pentru apă potabilă sau standardele de puritate industrială relevante. Ca rezultat, osmoza inversă are o poziție indispensabilă atât în furnizarea de apă potabilă, cât și în prepararea apei industriale prin furnizarea de producție de apă pură la un nivel care nu poate fi atins cu metode tradiționale. 

Principiul de funcționare al osmozei inversă 

Diferența dintre osmoză și osmoză inversă

Osmoza este un proces natural care apare atunci când două medii cu concentrații diferite de soluție sunt separate printr-o membrană semi-permeabilă. Apa tinde să echilibreze concentrațiile prin trecerea prin membrană de la partea cu concentrație mai mică (mai puțin sărată) la partea cu concentrație mai mare. Această tranziție are loc grație presiunii osmotice în funcție de diferența de concentrare a soluției. În osmoza inversă, această direcție naturală a fluxului este inversată prin aplicarea de presiune din exterior. Cu alte cuvinte, cu ajutorul unei presiuni ridicate, apa este forțată din partea cu o concentrație de sare ridicată (de exemplu, apa de mare) în partea cu o concentrație de sare scăzută (apă pură). În acest fel, membrana permite trecerea moleculelor de apă, reținând ioni și molecule mai mari. Pentru ca procesul de osmoză inversă să aibă loc, presiunea aplicată trebuie să depășească presiunea osmotică a apei brute. De exemplu, în desalinarea apei de mare, se utilizează presiuni ridicate, cum ar fi ~60-80 bar, pentru a depăși presiunea osmotică (aproximativ 30 bar); astfel, moleculele de apă sunt separate de apa sărată și trecute pe partea de apă curată. 

Structura și funcționarea membranelor de osmoză inversă

Membranele moderne de osmoză inversă sunt de obicei fabricate dintr-o compoziție de film subțire (TFC), material pe bază de poliamidă. Stratul activ de separare este un film foarte subțire, cu o grosime de aproximativ 2000 Å (0,2 µm), care permite trecerea apei, în timp ce respinge în mare parte sărurile dizolvate. Acest strat activ este plasat pe un substrat foarte poros pentru a oferi suport mecanic. Elementele membranelor de osmoză inversă sunt de obicei sub formă de module răsucite în spirală în aplicații industriale. Într-un element de membrană răsucită în spirală, un separator cu formă de plasă este plasat între cele două straturi de membrană pentru a crea o distanță de flux, iar marginile sunt lipite pentru a forma o structură de tip plic. Acest pachet de membrană asemănător unui plic este înfășurat în jurul unui tub central de colectare perforat, cu un strat de suport poros numit transportor de permeat. Plicurile sunt sigilate cu adeziv pe trei margini, iar marginea deschisă este conectată la tubul central de colectare. Apa de alimentare curge turbulent pe suprafața membranei, grație acestui separator, iar moleculele de apă trec prin membrană și se îndreaptă spre tubul central de-a lungul transportorului de permeat din interiorul plicurilor. Ionii care nu pot trece prin suprafața membranei sunt transportați de flux spre exteriorul plicului și formează fluxul de concentrat. Astfel, un singur flux de alimentare este separat în două fluxuri distincte după ce părăsește modulul de membrană: permeat (apă de produs) și concentrat (retenție/respins).  

Figura 1: Principiul de flux transversal în membrana de osmoză inversă. Sistemul de membrană împarte un flux de alimentare în două: apa purificată (permeat) trece prin membrană, în timp ce partea rămasă este eliminată ca un flux de concentrat, concentrând contaminanții. Această filtrare prin flux transversal minimizează formarea depunerilor pe suprafața membranei; dacă ar exista un singur flux de ieșire (cum ar fi filtrarea de capăt mort), membrana s-ar bloca rapid. Elementele RO răsucite în spirală creează un efect continuu de spălare cu principiul că apa alimentată din față curge paralel cu suprafața membranei, iar fluxul de concentrat iese din laterale. Această structură asigură funcționarea eficientă și o durată lungă de viață a membranei. Apa purificată care trece prin membrană este colectată în tubul de colectare a permeatului din centrul elementului. 

Presiune, Flux și Comportamentul Membranei

În sistemele de osmoză inversă, presiunea de operare este principalul determinant al performanței sistemului. Pe măsură ce presiunea aplicată crește, fluxul prin membrană crește; cu toate acestea, fiecare membrană are o capacitate maximă de flux și un risc de scădere a eficienței de retenție a sării în cazul unei suprapresiuni. Un sistem RO bine conceput va reține în mod obișnuit 95-99% din solidele dizolvate din apa de alimentare. De exemplu, o apă de alimentare cu un TDS de 500 mg/L poate produce apă de produs cu un TDS de <10-25 mg/L în condiții adecvate. Pe măsură ce apa curge prin membrană, o parte din apă este îndepărtată sub formă de permeat, în timp ce restul este îndepărtat sub formă de concentrat. Rata de recuperare indică cât de mult din apa de alimentare este colectată ca permeat și este de obicei în intervalul 50-80% (în funcție de calitatea apei de alimentare). O rată de recuperare ridicată înseamnă mai puțină apă uzată, dar crește concentrația de sare în concentrat, sporind riscul de formare a calcarului pe membrană. Prin urmare, se selectează o recuperare optimă pentru fiecare aplicație. În plus, temperatura este un parametru care afectează fluxul de apă: la temperaturi mai ridicate, vâscozitatea apei scade, ceea ce crește fluxul membranei, dar presiunea osmotică crește de asemenea, ceea ce poate spori permeabilitatea sării într-o oarecare măsură. Prin urmare, sistemele RO sunt de obicei concepute pentru o temperatură de referință de 20-25°C, iar evaluările performanței sunt efectuate prin normalizarea temperaturii. Ca urmare, principiul de funcționare al osmozei inverse este de a separa apa sub presiune ridicată cu o membrană semipermeabilă, de a menține suprafața membranei curată prin operarea în curent transversal și de a optimiza parametrii de operare în funcție de calitatea apei. 

Componentele principale ale sistemelor de osmoză inversă 

Un sistem industrial de osmoză inversă constă din mai multe subunități care se completează reciproc pentru a transforma apa de la brut la apă pură, potrivită pentru utilizare. Componentele principale sunt: 

Sisteme de pre-tratare

În funcție de natura apei de alimentare, pre-tratarea este esențială pentru a proteja membrane RO și a asigura funcționarea lor eficientă. Pre-tratarea implică de obicei unul sau mai multe etape. Filtrarea cu nisip sau filtrarea cu medii multiple împiedică blocarea particulelor membranelor prin reținerea solidelor suspendate care cauzează turbiditate în apă. Unitatile de microfiltrare sau ultrafiltrare pot fi utilizate pentru a elimina particulele mai fine și turbiditatea, în special în ape de alimentare cu încărcături mari, cum ar fi apa de suprafață sau ape uzate. Filtrele cu carbon activ elimină clorul liber și materia organică din apa de alimentare – este esențial să se elimine din timp, deoarece clorul poate degrada chimic (oxidare și "arde") membranele RO din film subțire. Carbonul activ elimină de asemenea substanțele care cauzează gust și miros, îmbunătățind calitatea organoleptică a apei. Din nou, pre-tratarea poate include înmuierea (schimb de ioni) sau dozarea antiscalanților, în funcție de duritatea apei. În acest mod, nivelurile de saturație ale ionilor de duritate, cum ar fi calciul și magneziul, sau speciile care pot forma calcar, cum ar fi sulfatul și silicea, sunt reduse, iar formarea calcarului (scale) pe membrană este prevenită. În final, dacă există microorganisme în apa de alimentare care au potențialul de a crește biologic, încărcătura biologică poate fi redusă prin utilizarea dispozitivelor de dezinfecție UV sau a agenților biocidali la intrare. O pre-tratare bine concepută prelungește viața membranei RO și reduce costurile de operare prin reducerea frecvenței curățării. 

Pompă de înaltă presiune

Apa pre-trată este alimentată sub presiune înaltă pentru a trece prin membranele RO. Pompa de presiune înaltă, considerată inima sistemului, efectuează această sarcină. Pompa este de obicei o pompă centrifugală din oțel inoxidabil, în funcție de cerințele de proiectare, și poate asigura presiuni de operare între 10 și 80 bar (în funcție de salinitatea apei de alimentare). Poate exista un ventil de reglare a presiunii sau o linie de ocolire pentru a controla și menține presiunea la etapa de ieșire a pompei. În instalațiile RO de mari dimensiuni, se utilizează drivere de frecvență variabilă (VFD) în pompe pentru eficiența energetică; aceasta permite ajustarea vitezei pompei pentru a atinge presiunea dorită și protejează membranele de creșteri bruște ale presiunii. În plus, sunt instalate valve de siguranță (de eliberare a presiunii) pentru a preveni acumularea excesivă de presiune în linia de presiune înaltă. 

Module de Membrană

Componenta principală unde are loc procesul de osmoză inversă este modulul de membrană. Elemente de membrană înfășurate în spirală sunt de obicei module cilindrice standard cu diametrul de 4 inch sau 8 inch și sunt plasate în serie în vase de presiune (carcase). Fiecare modul este construit prin înfășurarea strânsă a foilor de membrană semipermeabile și a spacer-elor (Figura 2). Apa de alimentare intră în fiecare intrare a vasului de presiune și se concentrează treptat pe măsură ce trece prin elementele de membrană conectate în serie și iese la capăt. În acest timp, o anumită cantitate de permeat din fiecare element este colectată în tuburile din centrul membranelor. Modulele de membrană pot fi dispuse ca sisteme cu o singură etapă sau cu mai multe etape, în funcție de aranjamentul sistemului. Manometrele sunt furnizate la fiecare ieșire a modulului sau la capul vasului de presiune, iar contoarele de debit sunt prevăzute pe fiecare flux pentru a monitoriza performanța membranelor. Modulele de membrană sunt înlocuite la intervale regulate (de exemplu, 3–5 ani) pe măsură ce performanța se deteriorează; acest interval poate fi extins cu o bune pretratare și operare. 

Figura 2: Straturile unui element de membrană RO înfășurat în spirală. Structura unui element de membrană este prezentată în fotografii prin deschiderea înfășurării exterioare. Țeava galbenă din mână este tubul central de colectare a permeatului elementului. Straturile albe înfășurate în jurul tubului sunt frunzele de membrană semipermeabile, iar materialul asemănător unei plase dintre ele este rețeaua de spacere de alimentare. În plus, există un strat de transport al permeatului pe suprafața din spate a frunzelor de membrană, care permite transportul permeatului către centru. Datorită acestei structuri stratificate, apa de alimentare curge dispersată de-a lungul frunzelor de membrană, în timp ce apa pură trece prin membrane și se deplasează de-a lungul transportorului către centru; sărurile și alte impurități nu pot trece prin membrană și sunt concentrate în fluxul de deșeuri. 

Echipamente de Control al Debitelor

Diferite elemente de instrumentație și control sunt utilizate pentru operarea stabilă și sigură a sistemelor RO. Manometrele monitorizează presiunile sistemului la ieșirea pompei și la intrarea/ieșirea fiecărui rezervor de presiune a membranelor. Debimetrele măsoară ratele de debit în liniile de alimentare, permeat și concentrat pentru a monitoriza balanța de apă a sistemului. În acest fel, rata de recuperare poate fi calculată instantaneu și se asigură că valorile de proiectare nu sunt depășite. Senzorii de conductivitate (TDS) monitorizează calitatea apei de produs; conductivitățile alimentării și permeatului sunt măsurate pentru a calcula recuperarea sării pentru monitorizarea performanței membranei (o membrană bună oferă de obicei o respingere a sării de peste 95%). Valvele de control automat sunt amplasate în special în linia de ieșire a concentratului și sunt folosite pentru a ajusta presiunea/recuperarea sistemului. Aceste valve, cu actuatori electrici sau pneumatici, se deschid și se închid conform semnalelor din sistemul de control, creând un regim constant de debit și presiune. În unități RO mai mari, un PLC sau un panou de control monitorizează constant datele de la acești senzori și oferă automatie prin ajustarea vitezei pompei și a pozițiilor valvei. Instrumente suplimentare cum ar fi termometrele, pH-metrele și, dacă este necesar, senzorii ORP pot fi folosiți pentru a monitoriza proprietățile apei și a detecta posibile anomalice. În final, valvele de prevenire a presiunii inverse și senzorii de scurgere/funcționare uscată fac parte și din sistemul de control al debitului pentru operare sigură. 

Procesele de Tratament Final

Deoarece apa obținută din membrana de osmoză inversă este foarte săracă în minerale și are o rată mare de saturare, pot fi necesare ajustări finale în unele aplicații. Ajustarea pH-ului se face pentru a echilibra pH-ul care a scăzut în apa de produs RO, în special din cauza acizilor organici naturali și a dioxidului de carbon. De exemplu, înainte de a fi folosită ca apă potabilă, apa RO este ușor alcalinizată pentru a preveni corozivitatea în țevi (filtre cu calcit sau dozare de hidroxid de sodiu pot fi utilizate pentru controlul coroziunii). Balansarea mineralelor (remineralizare) este, de asemenea, comună pentru apa potabilă; apa complet demineralizată poate avea un gust fad și se dorește recâștigarea unor minerale pentru consumul uman. În acest scop, se aplică metode precum trecerea prin paturi de carbonat de calciu sau dozarea de săruri minerale. Dezinfectarea, deși apa care părăsește procesul RO este aproape complet lipsită de bacterii și viruși, este importantă pentru a preveni recontaminarea atunci când este distribuită în sistem. În special în producția de apă potabilă municipală, un dezinfectant permanent, cum ar fi clorul sau cloramina, este adăugat apei de produs RO. Alternativ, dacă urmează să fie stocată, rezervoarele de apă pot fi protejate cu dispozitive de dezinfectare UV. În unele aplicații industriale, apa de produs RO poate fi supusă unor pași suplimentari de purificare (de exemplu, electroionizare, eliminarea organicelor prin ultraviolet, filtrare absolută de 0,2 microni). Astfel de procese de polizare sunt necesare pentru a obține apă ultrapură, în special în industriile electronice și farmaceutice. Ca urmare, componentele principale ale sistemelor de osmoză inversă sunt proiectate ca un întreg pentru a produce apă de puritate țintită din apă brută, iar fiecare componentă joacă un rol crucial în performanța sistemului. 

Figura 3: O unitate de tratament a apei prin osmoză inversă industrială. Pre-filtre precum nisip/carbon activ în rezervoare din oțel inoxidabil pe dreapta, membrane RO în vase de presiune cilindrice orizontale pe stânga, pompă și panou de control în prim-plan. Acest tip de sistem este proiectat pentru a obține apă de produs de puritate înaltă prin trecerea apei brute prin mai multe etape în aplicații precum producția de apă potabilă îmbuteliată. 

Etapele din Procesul de Osmoză Inversă 

Purificarea apei într-un sistem de osmoză inversă are loc în mai multe etape de bază, secvențiale: 

Procesul de pre-tratament

Apa brută trebuie să fie adusă la condiții adecvate înainte de a intra în membrane de osmoză inversă. Pre-tratamentul, așa cum este detaliat în secțiunea 3, protejează membranele prin îndepărtarea solidelor suspendate, clorului, ionilor de duritate și microorganismelor din apă. Această etapă este critică pentru buna funcționare a procesului RO. În sistemele cu pre-tratament insuficient, membranele devin rapid murdare, pierderile de presiune cresc și eficiența scade. De exemplu, apa turbidă de fântână este mai întâi clarificată trecând printr-un filtru de nisip și un filtru de cartuș, apoi este trecută printr-un filtru de carbon activ pentru a îndepărta clorul și alimentată la unitatea RO prin adăugarea unei doze de antiscalant. În acest fel, apa care ajunge la intrarea membranei conține cât mai puțin sedimente, sarcini biologice și de calcar posibil. 

Filtrarea prin membrană (etapa RO)

Apa pre-tratată este alimentată la membrana de osmoză inversă printr-un pompa de mare presiune. Cu filtrarea prin membrană care are loc în modulele RO, moleculele de apă trec prin structura membranei și sunt colectate ca permeat, în timp ce sărurile dizolvate și altele contaminante sunt condensate în fluxul concentrat și deversate. În sistemele industriale, sistemele multi-etapă sunt utilizate în general pentru a atinge recuperarea dorită și calitatea apei. De exemplu, într-un sistem multi-etapă, apa concentrată care iese din prima etapă devine alimentarea pentru etapa următoare. În acest fel, rata totală de recuperare poate fi crescută (de exemplu, 50% permeat este preluat în prima etapă, iar concentratul este alimentat la a doua etapă, realizând o recuperare totală de 75–80%). Dimpotrivă, în sistemele multi-trecere, apa permeată este trecută din nou printr-o altă membrană RO și devine și mai pură (RO cu dublă trecere este folosit, în special, în sectoare precum industria semiconductorilor și farmaceutică, unde este necesară apă ultrapură). O altă problemă care trebuie considerată în etapa de filtrare prin membrană este gestionarea apei concentrată/de rejet. Fluxul concentrat rezultat din RO trebuie deversat în mod corespunzător din cauza conținutului său ridicat de săruri și poluanți. Într-o instalație de tratare a apei de mare, concentrarea poate fi deversată direct în mare (raportul de amestec este ajustat prin evaluări ale impactului asupra mediului), dar în instalațiile de tratare a apei sărate din interiorul țării, apa concentrată este în general direcționată către conductele de apă uzată, injecții în puțuri adânci sau iazuri de evaporare. Acest flux concentrat este un subprodus inevitabil al procesului RO și trebuie gestionat ca parte a eficienței generale a tratamentului. 

Procesele de Tratament Final

Apa permeabilizată obținută din membrane este supusă unor tratamente finale în funcție de scopul utilizării. Dacă se obține apă potabilă, pH-ul apei permeabile este, în general, corectat către latura ușor alcalină și ionii de calciu-magneziu pot fi adăugați în apă pentru a o face mai dură (de exemplu, prin trecerea prin filtre de marmură). Acest proces conferă apei un caracter mai echilibrat și potabil. Apoi, se efectuează clorinarea în rețeaua de distribuție pentru a asigura siguranța biologică. Pe de altă parte, în utilizările industriale, cum ar fi apa de alimentare a cazanelor, permeatul RO este trimis către unități de deionizare (schimb ionic sau deionizare prin electroliză) pentru a elimina ultimele urme de ioni rămași și astfel se obține apă cu o conductivitate foarte scăzută. Apa obținută este stocată sau livrată direct la punctul de utilizare după ce respectă standardele relevante. Dacă apa care iese din sistemul RO urmează să fie stocată, se pot aplica iradierea UV periodică sau clorinarea protectoare pentru a preveni creșterea bacteriană în rezervor. Etapa finală de tratament include ultimele retușuri necesare pentru a face apa potrivită pentru utilizarea finală. În acest mod, permeatul RO atinge o calitate care poate fi utilizată în siguranță, fie că este apă potabilă, fie apă pentru procese industriale. 

Parametrii de Măsurat și Controlat 

Pentru ca o plantă de osmoză inversă să funcționeze eficient și în siguranță, diversele parametri legați atât de apa de intrare, cât și de apa de proces și de ieșire trebuie să fie măsurați și monitorizați regulat: 

Calitatea Apei Influență

Caracteristicile apei de alimentare au un impact direct asupra proiectării și performanței sistemului RO. Prin urmare, parametrii de calitate de bază ai apei care intră în unitatea RO ar trebui să fie monitorizați. Solidele totale dizolvate (TDS) sau conductivitatea electrică indică nivelul de salinitate al apei brute și determină presiunea osmotică. De exemplu, o creștere bruscă a valorii TDS a apei brute poate indica o schimbare a sursei de apă de alimentare (contaminare cu sare sau contaminare). Valoarea pH-ului indică caracterul acid sau bazic al apei; deși membranele RO pot funcționa în general în intervalul de pH de 3–11, valorile extreme ale pH-ului pot deteriora materialul membranei sau pot crește susceptibilitatea la formarea de depuneri. Parametrii de duritate (concentrațiile Ca²⁺, Mg²⁺) și alcalinitate sunt critici pentru a determina potențialul de formare a depunerilor, în special carbonatul de calciu. Turbiditatea și solidele suspendate indică cât de bine necesită apa pregătire prealabilă; dacă turbiditatea este ridicată, ar trebui să se ia măsuri de filtrare mai eficiente. Deoarece prezența clorului (Cl₂) sau a cloraminei poate deteriora membranele RO (prin efecte oxidative), clorul rezidual ar trebui să fie măsurat la iesirea filtrului de carbon activ sau la intrarea RO pentru a se asigura că este aproape de zero. Metalele cum ar fi fierul și manganul sunt de asemenea monitorizate și sunt menținute de obicei la <0.1 mg/L, deoarece se pot acumula pe membrane chiar și la concentrații reduse și pot cauza probleme. Sarcina bacteriologică (de exemplu, numărul de plateau heterotrof) este, de asemenea, monitorizată în apa de alimentare; dacă se detectează o sarcină microbiană ridicată, pașii de dezinfectare/UV sunt intensificați în pregătirea prealabilă. Măsurarea acestor parametrii ai apei de intrare este importantă pentru a verifica dacă apa se află în condiții adecvate înainte de a intra în sistemul RO și dacă pregătirea prealabilă funcționează corect. 

Parametrii de Funcționare

Parametrii cheie de operare care determină performanța sistemului RO în timpul funcționării ar trebui să fie monitorizați continuu sau periodic. Valorile de presiune sunt cele mai importante dintre acestea; presiunea de ieșire a pompei de înaltă presiune și presiunea concentratului la sfârșitul fiecărei etape/vas sunt monitorizate. Diferența de presiune transmembranară peste membrane este un indicator important, deoarece poate indica blocajul. Ratele de flux sunt măsurate separat pentru fluxurile de alimentare, permeat și concentrat. Acest lucru permite calcularea ratei de recuperare instantanee: de exemplu, dacă alimentarea este de 100 L/min și permeatul de 75 L/min, recuperarea este de 75%. Schimbările în ratele de flux (de exemplu, o scădere a fluxului de permeat în timp) pot indica blocarea membranei sau o pierdere crescută de presiune. Temperatura este monitorizată deoarece afectează performanța membranei, iar datele de performanță sunt normalizate la o temperatură standard (25°C). Diferența de presiune (delta-P) între fluxul de alimentare și cel de concentrat este un alt indicator critic; creșterea căderii de presiune între elemente este o indicație a acumulării de blocaje. Unul dintre indicatorii indirecți ai blocajului membranei este creșterea permeabilității la sare: Dacă conductivitatea apei de produs, care este în mod normal scăzută, începe să crească, reținerea sării poate scădea din cauza contaminanților care se acumulează pe suprafața membranei sau a deteriorării membranei. Prin urmare, conductivitatea sau salinitatea permeatului este verificată regulat. În plus, parametrii de operare precum rata de flux a pompei, consumul de energie și cantitatea de substanțe chimice dozate sunt monitorizate pentru a asigura o funcționare eficientă a sistemului. Prin urmărirea tendințelor acestor parametri, operatorii pot diagnostica sursa problemei atunci când apare o situație anormală (de exemplu, un flux de permeat în scădere, în ciuda creșterii presiunii). De exemplu, dacă rata de flux a permeatului este mai mică decât cea așteptată la o anumită presiune, se poate concluziona că membranele sunt înfundate și se planifică curățarea. 

Calitatea și standardele apei de produs

Calitatea apelului de apă, care este rezultatul final al sistemului de osmoză inversă, ar trebui să fie monitorizată continuu pentru a se asigura că este adecvată pentru utilizarea prevăzută. Conductivitatea sau TDS este cel mai de bază indicator al calității apei de produs; de obicei, conductivitatea efluentului RO este mai mică de 1% în comparație cu apa brută. Dacă apă potabilă este produsă, valoarea TDS ar trebui să fie ~<500 mg/L (conform standardelor), ceea ce este ușor de realizat în cele mai multe cazuri cu RO (chiar și cu unele doze de minerale, dacă este necesar, vezi post-tratarea). pH-ul este menținut într-un anumit interval, mai ales pentru consumul uman sau cerințele proceselor industriale (de exemplu, de obicei 6.5–8.5 pentru apa potabilă). Deoarece apa RO poate fi adesea ușor acidă, acest valoare este monitorizată după ajustarea pH-ului. Duritatea este verificată pentru apa potabilă sau apa de cazan; deși permeatul RO este de obicei foarte scăzut, <1°F, se fac ajustări dacă procesul posterior o cere. Concentrația de siliciu este un parametru controlat în aplicațiile care necesită puritate ridicată sau în cazane de abur; RO elimină de obicei cele mai multe siliciu, dar dacă niveluri foarte scăzute sunt necesare, poate fi nevoie de un al doilea pas RO sau de schimb ionic. Carbonul organic total (TOC) este deosebit de important pentru industriile electronice și farmaceutice; deși RO reține cele mai multe substanțe organice, se iau măsuri suplimentare pentru TOC la niveluri de ppb. În plus, analizele microbiologice (coliform, E. coli, etc.) sunt efectuate pentru apa potabilă, dacă este necesar – deși membranele RO elimină în mare parte bacteriile și virusurile, probele sunt prelevate din ieșire pentru a preveni contaminarea după sistem. Calitatea apei de produs trebuie să respecte standardele naționale și internaționale; Organizația Mondială a Sănătății (OMS) și valorile limită reglementate local pentru apa potabilă, și standardele procesului relevante pentru apa industrială (de exemplu, standardele pentru apa de cazan, standardele pentru apa electronică ASTM). Măsurarea regulată a acestor parametrii indică dacă sistemul își atinge performanța de purificare prevăzută și permite intervenția în cazul unor abateri.

Interpretarea Parametrii și Diagnosticarea Defecțiunilor

Nu doar înregistrarea datelor măsurate, ci și interpretarea acestora este esențială pentru o funcționare de succes. De exemplu, se calculează cu formula rata de respingere a sării = [(conductivitatea de alimentare – conductivitatea permeatului) / conductivitatea de alimentare] × 100 și ar trebui să fie constant ridicată (de exemplu, >95%). Dacă rata de respingere a sării începe să scadă, se evaluează posibilitatea unei scurgeri sau a unei deteriorări chimice în membrane. Dacă se determină o creștere a diferentței de presiune, se înțelege dacă există depuneri în membrane în acel stadiu, observând în ce stadiu apare creșterea (o creștere în primul stadiu este de obicei un semn de depunere, iar o creștere în ultimul stadiu este în general un semn de înfierbințare). Dacă fluxul de permeat scade în timp, se normalizează ținând cont de modificările de temperatură și de presiune; dacă există o scădere reală, suprafața membranei poate fi înfundată. În acest caz, se planifică curățarea chimică. Dacă rata de recuperare a scăzut sub țintă, se consideră că poate exista o problemă în supapa de control a concentratului sau în alimentare. Dacă debitul dorit nu poate fi realizat în ciuda creșterii presiunii pompei, pot exista înfundări în filtre sau o pierdere a performanței pompei. În toate aceste scenarii, diagnosticul de defect este realizat prin evaluarea împreună a parametrilor monitorizați și problema este rezolvată. De exemplu, dacă se observă o creștere a conductivității permeatului + o creștere a fluxului de permeat, acest lucru indică de obicei o defecțiune, cum ar fi ruperea membranei sau scurgeri de O-ring (deoarece atât apa trece ușor, cât și retenția sării scade). În lumina acestor date, operatorii intervin rapid și efectuează înlocuirea sau repararea membranei. Ca urmare, fiecare parametru măsurat în sistemele de osmoză inversă se mișcă normal în cadrul unui anumit interval și sănătatea sistemului este menținută prin interpretarea atentă a tendințelor din aceste valori. 

Domenii de utilizare industrială 

Sistemele de osmoză inversă sunt utilizate pe scară largă în multe sectoare care necesită apă de înaltă puritate sau doresc să recicleze apă sărată/deșeuri. Principalele domenii industriale de utilizare și aplicațiile lor în aceste domenii pot fi rezumate astfel: 

Industria alimentară și a băuturilor

Subsectoare precum apă potabilă îmbuteliată, producția de băuturi răcoritoare, bere și produse lactate acordă o mare importanță calității apei utilizate în produsele lor. RO este utilizată în general în acest sector pentru a purifica complet apa brută și a reorganiza profilul mineral dorit. De exemplu, marii producători de băuturi elimină toate mineralele și substanțele care afectează gustul prin osmoză inversă pentru a aduce sursele de apă din diferite regiuni geografice la un gust și o componență standardizate, apoi adaugă din nou anumite minerale într-un mod controlat. În acest fel, gustul și calitatea produsului sunt menținute. În plus, RO este preferată în facilitățile de producție a băuturilor răcoritoare și a sucurilor de fructe deoarece crește, de asemenea, siguranța microbiologică. În industria laptelui, osmoza inversă este utilizată în procese precum concentrarea zerului; este posibil să se obțină un concentrat bogat în proteină prin eliminarea parțială a apei și a lactozei din zer, un subprodus al laptelui, cu RO. Sistemele RO utilizate în afacerile alimentare sunt, în general, proiectate din material inoxidabil și sunt adecvate pentru igienă. Ca urmare, osmoza inversă este o tehnologie cheie pentru furnizarea de apă pură care asigură calitatea produsului în sectorul alimentelor și băuturilor. 

Industria electronică și semiconductoarelor

Procese precum fabricarea semiconductorilor, panourile LCD, panourile solare și imeni de componente electronice de precizie necesită utilizarea de apă ultra pură. Apa utilizată în această industrie are unul dintre cele mai ridicate standarde de puritate din lume: resistivitate 18,2 MΩ cm, carbon organic total < 1 ppb, și numărul de particule care sunt aproape inexistente. Pentru a obține acest nivel de apă, se folosesc de obicei procese de purificare în mai multe etape, osmoza inversă fiind unul dintre primele pași importanți în acest proces. Într-un sistem tipic de apă de calitate electronică, apa municipală este în primul rând desalinată în mare parte și organic prin RO, urmată de pași suplimentari precum unități de deionizare, ultrafiltrare, oxidare UV și microfiltrare pentru a aduce apa aproape de "9N" puritate (adică 99.9999999% pur). RO preia cea mai mare parte a sarcinii aici, prelungind viața unităților ulterioare. În fabricile de semiconductori, instalațiile RO de mare capacitate pregătesc atât apa utilizată ca apă de spălare în producție, cât și joacă un rol în reciclare prin repurificarea apelor uzate din proces. Deoarece continuitatea și consistența sunt cruciale în sistemele de apă din sectorul electronic, unitățile de osmoză inversă sunt de obicei aranjate ca dublu-pas și redundante. În acest mod, apa ultra pură, cunoscută ca cea mai pură apă din lume, este obținută cu o serie de tehnologii avansate de purificare, inclusiv osmoza inversă, și furnizată liniilor de producție. ​

Industria energetică ( centrale electrice termice și apa de alimentare a cazanelor)

Centralile electrice termice și cazanele cu abur ale fabricilor industriale necesită apă de puritate ridicată ca apă de alimentare. Deoarece apa se evaporă și se condensează în cazane, chiar și cele mai mici impurități din apă se pot acumula în timp și pot duce la depuneri precum calcar, silice sau produse de coroziune în țevi și turbine. Din acest motiv, apa de alimentare a cazanelor cu abur de înaltă presiune este de obicei apă demineralizată, care este apă deionizată. Osmoza inversă este utilizată pe scară largă ca un pas economic în acest proces de demineralizare. De exemplu, într-o centrală electrică, apa brută (care poate fi apă de râu sau apă din puț) este mai întâi trecută printr-un sistem RO pentru a elimina 98-99% din substanțele dizolvate. Ioni rămași sunt apoi eliminați prin schimbătoare de ion mixt sau electrodiionizare (EDI) pentru a obține apă pură. Conductivitatea acestei ape pure este de obicei setată la valori precum <0,1 µS/cm și silice <20 ppb. Avantajul RO aici este că reduce semnificativ sarcina pe rășinile schimbătoare de ioni, reducând necesitatea regenerării chimice. În plus, apa tratată RO este utilizată în procese precum turnurile de răcire pentru a menține duritatea și conductivitatea sub control în apa circulantă, astfel prevenind coroziunea și depunerile. Deoarece continuitatea și calitatea apei în sectorul energetic afectează direct eficiența operării, sistemele RO sunt printre elementele critice de infrastructură. 

Industria chimică și farmaceutică

Apa este un input important pentru reacțiile chimice sensibile și producția de medicamente. Industria farmaceutică în special trebuie să respecte standarde foarte stricte stabilite de Farmacopei pentru apa utilizată în producție. Categorii precum "Apă Purificată" și "Apă pentru Injecție (WFI)" utilizate în producția de medicamente trebuie să fie extrem de pure din punct de vedere microbiologic și ionic. Sistemele RO sunt adesea folosite ca prim pas în pregătirea unei apă de o puritate atât de ridicată. De exemplu, într-o fabrică farmaceutică, apa de oraș sau sursa de apă purificată este combinată cu osmoză inversă și apoi un al doilea sistem RO sau distilare cu abur cu permeabilitate ultra-scăzută pentru a obține apă apropiată de apa pentru injecție. În industria farmaceutică, osmoza inversă este de obicei echipată cu dublu pas și igienizare cu apă caldă/substanțe chimice; astfel, sistemul este dezinfectat în mod regulat și riscul de contaminare bacteriană este gestionat. În industria chimică, RO protejează puritatea produsului asigurându-se că apa utilizată în reacții nu conține clor, duritate sau metale grele. De exemplu, în domenii precum vopseaua, acoperirea, producția de baterii, petrochimicale, RO este utilizată pentru a obține apă deionizată și a o folosi în formulări. RO poate fi, de asemenea, utilizată pentru a recupera apă uzată din fabricile chimice; apa de spălare a catalizatorului sau deșeul de proces poate fi purificat cu RO și adus la standarde de descărcare sau reutilizat în proces. 

Desalinizarea apei de mare

În multe orașe de coastă și insule din întreaga lume, nevoile de apă potabilă și utilitară sunt satisfăcute prin desalinizarea apei de mare. Majoritatea acestor aplicații de desalinizare se bazează pe tehnologia membranei de osmoză inversă. Când apa de mare (~35.000 mg/L TDS) trece prin membrane RO, moleculele de apă sunt separate de sare pentru a obține apă de standard potabil (<500 mg/L TDS). Acest proces necesită, de obicei, presiuni ridicate de 60-70 bar, iar costurile de energie sunt cea mai mare cheltuială. Cu toate acestea, în ultimii ani, consumul de energie al plantelor RO pentru apă de mare a fost redus semnificativ prin utilizarea dispozitivelor de recuperare a energiei (cum ar fi schimbătoarele de presiune). De exemplu, în instalațiile moderne SWRO (Sea Water RO) instalate în țări precum Spania, Israel și Arabia Saudită, consumul de energie pe unitatea de apă produsă a scăzut la ~3 kWh/m³. În desalinizarea apei de mare, apa după RO este de obicei parțial remineralizată și clorinată pentru a o face potrivită pentru apă potabilă. În plus, apa de mare conține bor ca o provocare specială; borul poate să nu fie menținut la nivelul dorit în osmoza inversă monofazică (recomandarea OMS pentru apa potabilă <0,5 mg/L). Din acest motiv, uneori se aplică un al doilea pas RO (operat la pH ridicat) pentru a elimina borul în instalațiile de apă de mare. Pe lângă asta, sistemele RO pentru apă de mare sunt de asemenea concepute să fie durabile în ceea ce privește materialele (oțeluri inoxidabile de înaltă aliaj, țevi compozite) deoarece mediul sărat este coroziv. Instalații de desalinizare a apei de mare au fost înființate în regiunile precum Izmir și Antalya din Turcia, satisfăcând nevoile de apă ale hotelurilor și a așezărilor. În rezumat, osmoza inversă este un lider în desalinizare datorită consumului său de energie mult mai scăzut comparativ cu metodele de distilare în vid și tehnologia sa de membrane în dezvoltare. 

Recuperarea apelor uzate municipale și industriale

Creșterea penuriei de apă și cerințele de mediu au adus reutilizarea apelor uzate prin tratarea acestora pe agenda publică. Osmosă inversă este un instrument important în aducerea apelor uzate tratate la o calitate de reutilizare cu tratament avansat. În special în tratarea apelor uzate industriale, RO este aplicată după tratamentul biologic și filtrare, iar apa este adusă la o puritate care poate fi reutilizată în procese. De exemplu, în sectorul textil, apele uzate care conțin coloranți sunt tratate cu bioreactor cu membrană + RO și făcute utilizabile din nou în fabrică. De asemenea, facilitățile care necesită multă apă, precum rafinăriile și uzinele petrochimice, încearcă să închidă ciclurile de apă prin recuperarea apelor uzate cu RO. În stațiile de tratare a apelor uzate municipale, apa tratată poate fi rafinată cu RO înainte de a fi utilizată ca apă de irigație sau apă industrială. În unele regiuni, precum Orange County (SUA), RO este utilizată pentru a produce apă potabilă (aproape potențial) din ape uzate tratate; În această aplicație, apele uzate sunt mai întâi complet tratate cu microfiltrare, apoi RO și în final UV/AOP (oxidare avansată) și conduse în apă subterană pentru a obține apă potabilă indirectă. În acest mod, ciclul apei este închis și resursele de apă sunt utilizate durabil. RO este preferată în recuperarea apelor uzate deoarece îndepărtează poluanții dizolvați (de exemplu, nitrați, fosfați, metale grele, micropoluanti organici) cu eficiență înaltă. Cu toate acestea, deoarece matricea apelor uzate este complexă, controlul FOULING-ului și frecvența curățării sunt probleme operaționale importante în aceste sisteme (vezi secțiunea 8). Ca urmare, pe măsură ce reciclarea apelor uzate devine mai atrăgătoare din ambele perspective, de mediu și economică, osmoza inversă va continua să joace un rol cheie în acest domeniu. 

Parametrii care trebuie purificați prin osmoza inversă în funcție de industrii 

Fiecare industrie necesită o calitate specifică a apei pentru a fi utilizată în procesele sale. Sistemele de osmoză inversă pot fi proiectate flexibil pentru a îndeplini obiectivele de calitate a apei ale diferitelor industrii. Mai jos este o descompunere a criteriilor de calitate a apei necesare în diferite industrii și cum aceste criterii afectează proiectarea RO: 

Calitatea apei în sectorul alimentelor/ băuturilor

În producția de băuturi, apa este așteptată să fie perfectă în termeni de gust, miros și microbiologie. Prin urmare, apa purificată prin RO conține de obicei minerale foarte scăzute, cum ar fi <50 mg/L TDS; astfel, componentele care dau apei propriul gust sunt minimizate. Cu toate acestea, deoarece apa complet pură nu este dorită, mineralele sunt adăugate conform formulării produsului sau pot fi amestecate cu apa brută până la conductivitatea vizată. De exemplu, o fabrică de băuturi poate face un amestec controlat pentru a menține apa după RO în domeniul conductivității de 50–100 µS/cm. Parametrii microbiologici sunt de asemenea critici în acest sector: Apa trebuie să îndeplinească standardele apei potabile în termeni de valori precum coliformi, E. coli, numărul total de colonii. Deși membrana RO reține în mare parte bacteriile, sterilizarea UV și pașii de clorinare sunt integrați după sistem pentru a preveni recontaminarea. Duritatea apei poate fi de asemenea importantă în producția alimentară; de exemplu, producătorii de bere pot constata că o anumită duritate a apei este adecvată pentru rețetele lor. În acest caz, duritatea este adăugată apei RO cu o dozare controlată. În proiectarea sistemului RO, utilizarea echipamentelor din oțel inoxidabil și igienice în sectorul alimentar (de exemplu, carcasele membranelor din oțel 316L, conexiunile fără volum mort) ajută la îndeplinirea parametrilor. În plus, substanțele chimice aprobate pentru uz alimentar sunt utilizate în ciclurile CIP (curățare la fața locului). Ca urmare, parametrii vizați cu RO în industria alimentelor și băuturilor pot fi rezumați astfel: TDS scăzut, pH neutru, clorină zero, TOC scăzut și încărcătură microbiologică aproape de zero. 

Calitatea apei pentru electronice/semiconductori

Calitatea apei în acest sector este supusă unor standarde foarte stricte. Parametrul cel mai critic este conductivitatea/rezistivitatea, iar se dorește ca apa să fie practic liberă de toți ionii (un obiectiv de 18 MΩ cm rezistivitate). Din nou, TOC (Carbonul Organic Total) ar trebui să fie la niveluri foarte scăzute, cum ar fi < 5–10 ppb, deoarece impuritățile organice pot lăsa murdărie pe circuitele electronice sensibile. Numărul de particule este, de asemenea, limitat la nanometri; >0.1 µm particule în apă nu sunt dorite, astfel că filtrele de ultrafiltrare sunt utilizate după RO. Conținutul de silice este de o importanță deosebită în acest sector, deoarece silicea se poate acumula în dispozitivele de film care sunt subțiate prin evaporare; ținte precum <1 ppb sunt în discuție. Deși osmoza inversă reține ~98% din silice într-o singură trecere, este obișnuit să se ajungă la nivelurile dorite cu RO în două etape + rășină cu pat mixt în acest sector. Anumiți ioni, cum ar fi sodiu, potasiu, clor, bor, sunt, de asemenea, reduși la niveluri <ppb în conformitate cu valorile țintă. În industria electronică, deși pH-ul apei este menținut în jurul neutru, cel mai important lucru este conductivitatea sa; deoarece măsurarea pH-ului devine dificilă în aproape apă pură H₂O. Există standarde precum ASTM D5127 pentru apa din această industrie. Astfel de cerințe de calitate înaltă în proiectarea RO necesită, de obicei, RO cu dublu trecere și apoi un strat de finisare (schimb ionic cu pat mixt + ultrafiltrare + UV). În timp ce prima RO purifică majoritatea apei, a doua RO vizează în special contaminanții dificili, cum ar fi borul și silicea. În plus, controlul bacterian se realizează cu metode precum ozonizarea și igienizarea cu apă fierbinte chiar și atunci când sistemele de apă electronice sunt în funcțiune. Pe scurt, proiectarea RO pentru industria semiconductorilor și electronicelor este ajustată la valorile extreme de puritate și este considerată parte a unui zbor complet de tratament al apei, nu un RO autonom. 

Sectorul Energetic/Calitatea Apei pentru Alimentarea Boilerelor

Calitatea apei pentru boilerele cu abur este determinată de presiunea de funcționare. În timp ce boilerele cu presiune scăzută au o anumită duritate și TDS tolerabile, boilerele supercritice cu presiune înaltă necesită aproape zero duritate, silice zero și conductivitate foarte scăzută. De exemplu, pentru o apă de alimentare a unui boiler de 60 bar, conductivitatea < 10 µS/cm, duritatea totală < 0.1 ppm CaCO₃, silicea < 20 ppb pot fi necesare, în timp ce pentru un boiler de 150 bar sunt necesare valori mult mai stricte, cum ar fi conductivitatea < 0.2 µS/cm, silicea < 5 ppb. Osmoza inversă oferă majoritatea acestor parametri: elimină duritatea și alcalinitatea aproape la zero și îndepărtează cele mai multe specii conductive. Cu toate acestea, deoarece gazul CO₂ (dioxid de carbon) care poate rămâne în permeatul RO poate forma acid carbonic în boiler și poate provoca coroziune, degazarea este de obicei aplicată prin încălzirea decarbonatorului sau a rezervorului de apă de alimentare după RO. Deoarece oxigenul este, de asemenea, dăunător pentru boilerele din oțel, apă RO este trecută prin turnuri de de aerare sau reacționată cu sulfit de sodiu chimic înainte de a fi alimentată. Ionii de clorură și sulfat sunt, de asemenea, parametri importanți în acest sector; trebuie păstrați la niveluri < ppm, deoarece accelerează coroziunea. O bună combinație RO + rășină cu pat mixt poate reduce acești ioni la < 0.1 ppm. În plus, duritatea este cu siguranță dorită la < 0.02 ppm (permeatul RO oferă acest lucru în practică). În proiectarea sistemului RO, membrane speciale cu permeabilitate scăzută la silice sau aplicații în a doua trecere pot fi planificate în aplicațiile de apă pentru boilere. De exemplu, în timp ce membranele normale rețin 90-95% din bor și silice, sunt selectate membrane speciale cu respingere ridicată a silicei. Deoarece tăierile de apă sunt inacceptabile în centralele electrice, sistemele RO sunt instalate cu backup-uri și linii de ocolire sunt disponibile. Ca rezultat, proiectarea RO pentru apa de alimentare a boilerelor este realizată pentru obiective de duritate și TDS foarte scăzute și completată cu pași de purificare secvențiali; Asigurarea echilibrului chimic al apei (pH, degazare) devine, de asemenea, o parte integrantă.

Calitatea apei care intră în procesele de producție chimică afectează puritatea produsului și eficiența reacției. În special în sectorul farmaceutic, apa este supusă standardelor Farmacopeei: Farmacopeea Europeană și USP definesc limite specifice pentru TOC și endotoxine pentru Apa Pură sub conductivitate 1,3 µS/cm (@25°C). Osmosea inversă este de obicei instalată ca un sistem cu dublu trecere și încorporată în sistemul de apă farmaceutică cu depozitare intermediară; prima trecere îndepărtează cele mai multe dintre organice și uniuni, iar a doua trecere curăță urmele rămase. Dacă apa îndeplinește valorile dorite de conductivitate și TOC după a doua trecere, aceasta este livrată la punctul de utilizare. Ultrafiltrarea de 0,05 µm este adesea adăugată în etapa finală pentru îndepărtarea endotoxinelor (particule bacteriene patogene). Prin urmare, parametrii țintiți RO pentru apa farmaceutică sunt: conductivitate ≈ 1 µS/cm, TOC < 50 ppb, bacterii < 10 cfu/100mL, endotoxine < 0,25 EU/mL. În industria chimică, parametrii sunt specifici procesului; de exemplu, dacă trebuie folosită într-o centrală, criteriile pentru apa de centrală de mai sus se aplică, iar dacă trebuie folosită ca solvent de reacție, se poate dori să fie liberă de clorură sau anumite metale. Atunci când se proiectează sistemele RO, dacă anumiți ioni sunt critici (de exemplu, cerințe ultra-scăzute de sodiu sau clorură), se face o selecție adecvată a membranei sau o planificare a dublu trecerii. Dacă Na⁺ < 50 ppb este dorit într-o fabrică de chimicale pentru baterii, se utilizează un schimbător de ioni cu pat mixt în plus față de permeatul RO. Ca rezultat, cerințele de calitate a apei în sectoarele chimic și farmaceutic sunt determinate de standardele relevante și sensibilitățile procesului; sistemul de osmoză inversă este configurat pentru a îndeplini aceste ținte. Posibilitățile de proiectare flexibile ale RO (aranjamente serie-paralel, tipuri diferite de membrane, instalare multi-trecere etc.) permit adaptarea la nevoile în schimbare. 

Dinamicile de operare ale sistemelor de osmoză inversă 

Funcționarea de lungă durată și eficientă a sistemelor de osmoză inversă este direct legată de înțelegerea și controlul diverselor efecte de înfoulare și reducere a performanței asupra membranelor. În această secțiune, se discută mecanismele de înfoulare a membranei, strategiile de prevenire, cerințele de curățare și întreținere și metodele de îmbunătățire a eficienței. 

Mecanismele de înfoulare a membranei

Datorită structurilor poroase foarte mici ale membranelor RO, unele dintre substanțele nedorite din apa de alimentare se pot acumula pe suprafața membranei sau în pori în timp, cauzând înfoulare. Sursele de înfoulare sunt examinate, în general, sub trei rubrici: 

Biofoulare

Bacteriile, algele sau ciupercile prezente în apa de alimentare se pot atașa de suprafața membranei și se pot multiplica, formând un strat de biofilm. Acest strat biologic blochează porii membranei, reducând semnificativ fluxul de apă și crescând diferența de presiune.  Deoarece membranele RO sunt deosebit de sensibile la dezinfectanți precum clorul, un biocid continuu nu poate fi menținut în sistem; aceasta creează un mediu favorabil pentru microorganisme. Biofoularea este, de obicei, o problemă majoră în climatele calde, ape bogate în materie organică sau în cazurile de dezinfectare prealabilă insuficientă. Simptomele includ o creștere rapidă a căderii de presiune și un miros/colorație neplăcută în primul recipient de presiune al membranei. 

Înfuțare chimică (formațiuni de depuneri și acumulări organice)

Foulare chimică (scalare și acumulare organică)

Când vine vorba de foularea chimică, există două tipuri principale: scalare și foulare organică. Scalarea se referă la sărurile anorganice care sunt dizolvate în apa de alimentare, dar depășesc limita de solubilitate în fluxul concentrat și preciptite ca reziduu solid pe membrană. Cel mai comun tip de scară este carbonatul de calciu (piatră de var); în plus, compuși precum sulfatul de calciu, sulfatul de barium, silicea, fosfatul de calciu pot, de asemenea, să precipite în anumite condiții. Acumularea de scalant formează o membrană dură pe suprafața membranei, reducând simultan fluxul și crescând permeabilitatea sării (deoarece îngustează zona eficientă a porilor membranei). Foularea organică este adeziunea substanțelor organice naturale, cum ar fi coloizii, acizii humici/fulvici sau uleiurile industriale, polimerii din apă pe membrană formând o peliculă. În special în apele de suprafață și în apele uzate, substanțele organice de înaltă greutate moleculară pot lăsa o peliculă brună/ lipicioasă pe membranele RO. Acest lucru conduce, de asemenea, la o scădere similară a fluxului. Foularea organică este adesea observată în primele etape și în elementele apropiate de intrarea de alimentare. 

Foulare fizică (foularea particulelor/coloidului)

Dacă tratamentul preliminar nu este complet eficient, particulele de dimensiuni micron sau argilă coloidală, nămol etc. se pot acumula pe suprafața membranei. Această acumulare apare în principal la capătul de intrare al elementelor membranei și se manifestă printr-o creștere serioasă a pierderii de presiune într-un timp scurt. În apele cu un indice de densitate a nămolului (SDI) mare, dacă un tratament remedial nu este aplicat înainte de RO, acest tip de foulare fizică este inevitabil. Foularea fizică este relativ ușor de inversat; poate fi în mare parte îndepărtată prin curățare chimică sau spălare, dar dacă se repetă frecvent, poate afecta suprafața membranei și pavează calea pentru alte tipuri de foulare. 

Strategii de prevenire a foulării

Deși nu este posibil să se prevină complet foularea membranei, se aplică diverse strategii pentru a o minimiza. Cea mai importantă strategie este proiectarea și operarea corespunzătoare a tratamentului preliminar. În funcție de calitatea apei de alimentare, se planifică pași de filtrare în mai multe etape, înmuiere, carbon activ și, dacă este necesar, ultrafiltrare pentru a reduce sarcina asupra membranei. Pentru a preveni foularea biologică, se investighează metode pentru a preveni formarea biofilmului pe membrană după ce clorul este îndepărtat din apa de alimentare; de exemplu, curățarea chimică periodică lunar sau dozarea continuă de biocid în doze mici (de exemplu, izotiazolon) poate fi dozată în apa de alimentare (cu toate acestea, aceste substanțe chimice trebuie să fie de un tip și o concentrație care nu dăunează membranei). Dozarea substanțelor chimice antiscalante este o practică standard în prevenirea scalării; aceste substanțe chimice interacționează cu ioni precum calciul și bariumul din apa de alimentare și perturbă structura cristalină, prevenind precipitația. Tipul și doza potrivită de antiscalant pentru fiecare apă este determinată prin calcule de saturație și este injectată continuu în intrarea RO. Spălarea regulată a membranei este, de asemenea, utilă: la fiecare oprire a sistemului, membranele sunt spălate cu apă cu TDS scăzut (apă produsă sau apă moale) pentru a preveni apa concentrată să rămână pe membrană, ceea ce reduce riscul de scalare. Este esențial să se mențină viteza fluxului transversal suficient de ridicată, în special pentru a evita depunerile în primele elemente; în proiectare, valorile fluxului de producție sunt alese în mod conservator în funcție de tendința de foulare a apei (de exemplu, fluxuri scăzute, cum ar fi 10 L/m².h sunt utilizate în recuperarea apelor uzate). În climele calde, conductele și echipamentele sunt protejate de soare cu izolație și, dacă este necesar, se asigură răcire pentru a preveni foularea biologică. În concluzie, prevenirea foulării este o abordare multifacetică: un tratament preliminar bun + dozarea chimică corespunzătoare + măsuri operaționale (spălare regulată, rată de recuperare adecvată, valori de flux rezonabile) sunt aplicate împreună. 

Curățarea membranei (CIP) și întreținerea acesteia

În ciuda tuturor precauțiilor, membrane RO necesită curățare periodică în timp. Curățarea (CIP) se face cu soluții chimice circulând la fața locului, fără a îndepărta membranele din sistem. Practica obișnuită este de a folosi diferite rețete chimice secvențial pentru diferite tipuri de depuneri. De exemplu, mai întâi se folosește un agent de curățare acidos (pH scăzut) pentru a dizolva depozitele anorganice cum ar fi carbonatul de calciu, hidroxidul de metal; apoi se folosește un agent de curățare alcalin (pH ridicat, detergent) pentru a înmuia și a îndepărta depunerile organice și biologice. Dacă este prezent un film biologic, se pot folosi și detergenti enzimatice sau soluții biocide non-oxidative. În timpul curățării, o soluție chimică încălzită la 30–40°C este în mod obișnuit trecută prin membrane la un debit scăzut și circulată pentru o vreme. Sistemul este apoi spălat și se folosește următoarea substanță chimică. Un ciclu CIP poate dura câteva ore. Frecvența curățării depinde de calitatea apei și condițiile de operare; în general, CIP 3-6 ori pe an este acceptabil, dar în unele stații de tratare a apelor uzate dificile, curățarea lunară poate fi necesară. Fluxul de permeat normalizat și diferența de presiune sunt monitorizate pentru a determina necesitatea curățării; curățarea este, în general, recomandată atunci când se observă o pierdere de flux de 10-15% sau o creștere a delta-P de 15-20%. Dacă membrana este curățată corect, performanța originală este în mare măsură restabilită. Cu toate acestea, în timp, membranele îmbătrânesc și pierderile se acumulează, ceea ce nu este complet restaurat prin curățare; în acest caz, poate fi necesară înlocuirea elementelor membranei după un anumit număr de ani (de obicei 5-7 ani). Pe lângă CIP-ul regulat, se efectuează și întreținere preventivă pentru a extinde viața membranes: De exemplu, membranele unui sistem RO care nu va fi folosit pentru o perioadă lungă sunt ținute umede cu soluții de conservare biocide (în caz contrar, uscarea și biocrecerea pot provoca daune). În plus, garniturile O-ring, racordurile și calibrarea instrumentelor sunt verificate și înlocuite periodic. Activități generale de întreținere, cum ar fi întreținerea pompelor și înlocuirea elementelor filtrului, ar trebui, de asemenea, efectuate fără întrerupere.

Metode de creștere a eficienței

Consumul de energie și randamentul apei sunt cei doi cei mai importanți parametri în ceea ce privește eficiența sistemelor de osmoză inversă. Utilizarea dispozitivelor de recuperare a energiei (ERD) este comună, în special în facilități de mari dimensiuni. În instalațiile RO cu apă de mare, costurile energetice pot fi reduse cu 30-60% datorită schimbătoarelor de presiune care recuperează energia fluxului concentrat de înaltă presiune și o transferă la apa de alimentare. Aceste dispozitive au devenit standard în unitățile moderne SWRO. În plus, alegerea tipurilor de pompe cu eficiență ridicată (de exemplu, pompe turbo cu viteza variabilă) și minimizarea pierderilor de presiune în conducte cresc, de asemenea, eficiența energetică. Membranele de nouă generație cu permeabilitate ridicată oferă economii de energie deoarece pot oferi același flux la o presiune mai mică; de exemplu, membranele nanocomozite sau membranele nanoporoase subțiri dezvoltate în ultimii ani au coeficienți de permeație a apei mai mari. Optimizarea secvențelor și ajustarea ratei de returnare sunt o altă problemă pentru eficiență: În loc de o recuperare foarte mare într-o singură etapă, o recuperare optimizată împărțită în două etape reduce de obicei costul total al energiei și cerințele de curățare. De exemplu, în loc de o singură etapă de 75%, un design în două etape de 50% + 50% reduce riscul de formare a depunerilor, deoarece oferă o concentrație maximă mai mică, consumând astfel mai puține substanțe chimice. Automatizarea și controlul inteligent cresc de asemenea eficiența; sistemele avansate de control previn atât risipa de energie, cât și de apă prin optimizarea presiunii din pompe și setărilor supapelor în funcție de condițiile variabile (salinitatea apei de alimentare, temperatură, debitul de producție dorit). Ele reduc, de asemenea, timpul de nefuncționare al sistemului prin detectarea și eliminarea timpurie a defecțiunilor. Modificările membranei (făcând suprafața hidrofobă, acoperiri antifouling) sunt de asemenea aplicate în produsele comerciale și cresc indirect eficiența prin întârzierea formării depunerilor. În cele din urmă, există studii R&D privind reutilizarea apei concentrate; de exemplu, recuperarea unei cantități ușor mai mari de apă prin realizarea unui al doilea tratament avansat al concentratei RO sau cristalizarea sărurilor din concentrat și circulația apei (ZLD – descărcare zero de lichide) sunt aplicate în unele instalații. Deși astfel de aplicații sunt în prezent costisitoare, ele ar putea deveni răspândite în viitor, în special în regiunile cu restricții de mediu stricte, maximizând astfel eficiența apei. În rezumat, îmbunătățirile tehnologice și procesuale sunt evaluate împreună pentru a crește eficiența energetică și a apelor în funcționarea dinamică a sistemelor de osmoză inversă; astfel, durabilitatea procesului RO este constant îmbunătățită. 

Avantajele și dezavantajele osmozei inverse 

Osmoza inversă este o metodă cu propriile sale avantaje și dezavantaje în rândul tehnologiilor de purificare a apei. Comparând-o cu alte tehnologii cu scopuri similare (de exemplu, distilare, schimb de ioni, nanofiltrare etc.), putem rezuma avantajele și dezavantajele sale după cum urmează: 

Avantaje

Eficiență ridicată de purificare: RO este una dintre metodele care oferă cele mai mari rate de îndepărtare pentru multe contaminanți, inclusiv săruri dizolvate, metale grele, substanțe chimice dăunătoare, bacterii și viruși. Un sistem corect proiectat poate elimina 95-99% din majoritatea ionilor. Acest lucru permite o gamă largă de ape brute să producă apă de produs de calitate fiabilă. De exemplu, RO este capabil să producă apă potabilă din apă de mare sărată sau să facă apă subterană conținând arsenic sigură; metodele convenționale nu pot atinge acest nivel de purificare într-o singură etapă. 

Gama largă de aplicații și flexibilitate: Sistemele de osmoză inversă pot fi scalate de la purificatoare de apă de mică dimensiune pentru uz casnic la mari stații de tratare a apei din oraș. Deoarece sunt modulare, este relativ ușor să se crească sau să se micșoreze capacitatea. În plus, membrane pot fi selectate în funcție de nevoile specifice (cerință de energie scăzută, respingere mare, rezistență la înfundare etc.) și adaptate aplicației. Această flexibilitate a făcut ca RO să fie alegerea diferitelor sectoare. 

Eficiență energetică comparativ cu alte metode: Comparativ cu tehnologiile cum ar fi distilarea, RO consumă în general mai puțină energie per unitate de apă. În special în desalinizarea apei de mare, sistemele moderne RO fac aceeași muncă cu un consum de energie mult mai scăzut. Deși metodele termice necesită o energie termică ridicată deoarece se bazează pe evaporarea apei, RO folosește doar energia de presiune și oferă posibilitatea de recuperare a energiei. Acest lucru o face preferată în aplicații de mari dimensiuni. 

Consumul scăzut de substanțe chimice: În timp ce alternativele cum ar fi sistemele de schimb ionic utilizează în mod regulat substanțe chimice acide/alkaline pentru regenerarea rășinilor, nu există un consum semnificativ de substanțe chimice în timpul funcționării RO (în afară de substanțele chimice de pretratare și curățare). Acest lucru oferă avantaje atât în costurile de operare, cât și în sarcinile de mediu. Deoarece calitatea apei de produs se bazează direct pe separația fizică, nu se adaugă subproduse nedorite în apă. 

Îndepărtarea simultană a multor contaminanți: Deoarece membrana RO acționează ca o barieră, sărurile anorganice, moleculele organice și microorganismele din apă sunt îndepărtate împreună într-un singur pas. De exemplu, în locul unui proces separat pentru dedurizare + îndepărtarea nitraților pentru eliminarea durității, RO poate gestiona toate acestea simultan. Această caracteristică de tratament integrat simplifică linia de procesare. De asemenea, reduce semnificativ contaminanții care sunt greu de îndepărtat prin metode tradiționale, cum ar fi borul, arsenicul și fluorul. 

Dezavantaje

Cererea mare de energie și cerința de presiune: Deoarece RO este un proces operat prin presiune, consumul de energie poate fi semnificativ, mai ales în ape cu salinitate ridicată. De exemplu, RO-ul apei de mare, în ciuda tehnicilor avansate de recuperare, consumă totuși de multe ori mai multă energie decât aplicațiile cu presiune scăzută, cum ar fi tratarea apei îmbuteliate. Acesta este un dezavantaj în zonele în care costurile energiei sunt ridicate sau resursele energetice sunt limitate. În plus, sunt necesare pompe puternice de înaltă presiune și infrastructura lor electrică pentru ca sistemul să funcționeze, ceea ce crește costurile de investiție. 

Problema efluentului concentrat (salamură): Poate cel mai mare dezavantaj de mediu al osmozei inverse este că produce un flux de efluent concentrat care conține săruri și contaminanți separați. Această apă concentrată poate fi dăunătoare mediului dacă eliminarea sa nu este gestionată cu atenție. Chiar dacă acest efluent este deversat în mare, trebuie luat în considerare impactul salinității asupra ecosistemului local. În zonele interioare, apa concentrată este de obicei deversată în canalizări sau eliminată în iazuri de evaporare, ambele adăugând costuri suplimentare și sarcini de mediu. Cu excepția cazului în care sunt instalate sistemele de descărcare zero (ZLD), RO produce mereu un flux de efluent și nu poate utiliza 100% din apă. 

Cererea de curățare și întreținere: Membranele RO necesită o întreținere mai delicată comparativ cu alte sisteme de filtrare. Dacă apa de alimentare nu este condiționată corespunzător sau sistemul nu este operat corect, membranele se pot murdări și înfunda rapid. Aceasta înseamnă curățări frecvente sau înlocuirea membranei. Probleme precum biofoulare și scalare pe suprafețele membranei necesită întreruperea funcționării și curățare chimică; acest lucru conduce atât la întreruperea producției de apă, cât și la utilizarea de substanțe chimice. De exemplu, tratarea apei cu un conținut ridicat de fier sau foarte organice cu RO poate necesita o întreținere intensivă. În acest sens, RO necesită condiții de operare mai "delicate", necesită personal calificat și monitorizare regulată. 

Durata de viață a membranei și echipamentului: Durata tipică de viață a elementelor de membrană în sistemele de osmoză inversă este de aproximativ 5-7 ani (în funcție de calitatea apei și întreținere). După această perioadă, performanța membranei poate să se deterioreze la un nivel inacceptabil și înlocuirea este necesară. Înlocuirile membranei reprezintă un cost suplimentar față de costul de operare. În plus, echipamente precum pompele de înaltă presiune și vasele de presiune pot să se uzeze; garniturile și o-ringurile ar trebui înlocuite periodic. Cu alte cuvinte, sistemele RO implică costuri consumabile și de înlocuire pe termen lung. 

Non-selecția și eliminarea mineralelor benefice: Deoarece RO reține aproape totul în apă fără a distinge între beneficii și dăunătoare, elimină de asemenea și mineralele benefice când vine vorba de apă potabilă. Ionii benefici pentru sănătatea umană, cum ar fi calciul și magneziul, sunt aproape zero în apa de produs RO. Din acest motiv, unii utilizatori descriu apa RO ca fiind "apă moartă" și trebuie să adauge din nou minerale. Similar, apa RO complet lipsită de minerale poate să nu fie potrivită pentru utilizarea directă în udarea plantelor sau în aplicații de acvariu și poate necesita un echilibrare. Deși aceasta nu este o dezavantaj tehnic, poate necesita un proces suplimentar în funcție de scopul utilizării. 

Costul inițial de investiție ridicat: În special, instalațiile de osmoză inversă de capacitate mare pot fi scumpe de instalat. Când iei în considerare elementele de membrană de calitate, conductele din oțel inoxidabil, pompele de înaltă presiune, unitățile de recuperare a energiei, instrumentarea și automatizarea, costul de instalare al unei instalații RO poate fi ridicat comparativ cu alternativele. Deși este în general mai economic comparativ cu alternative precum distilarea, este cu siguranță mai costisitor decât sistemele de filtrare simple sau de înmuiere. Prin urmare, soluții mai simple pot fi preferate în loc de RO pentru nevoile de apă de mică amploare și TDS scăzut. 

Deși avantajele RO o fac o tehnologie esențială în tratarea apei, dezavantajele sale necesită selecția corectă a domeniului de aplicare și un design atent al sistemului. În general, RO poate fi un cost inutil atunci când puritatea foarte ridicată nu este necesară; cu toate acestea, când este necesară, nu pare să existe nicio altă tehnologie care să o poată înlocui. În ultimii ani, îmbunătățirile în eficiența membranei și metodele de recuperare a energiei au reduce dezavantajele și au crescut atractivitatea RO. Cu toate acestea, problemele cu deșeurile concentrate și biofoularea ar trebui gestionate cu atenție în ceea ce privește sustenabilitatea ecologică a uzinelor RO. De exemplu, dacă există restricții privind deversarea apelor uzate într-o regiune, proiectul nu ar trebui implementat fără planuri speciale de tratament sau eliminare pentru concentrația RO. ​

Concluzie și evaluare 

Sistemele de osmoză inversă sunt tehnologii avansate care răspund nevoilor de tratament al apei și desalinizare de astăzi cu o eficiență și fiabilitate ridicată. Așa cum este discutat în acest raport, osmoza inversă inversează fenomenul natural de osmoză și separă moleculele de apă de contaminanți prin membrane semipermeabile. Aceasta a făcut posibilă producerea apei potabile din apă sărată de mare, reciclarea apelor uzate și furnizarea de apă ultrapură pentru industrii. Sistemele RO sunt un proces multifazat, de la pretratare la pompe de înaltă presiune, module de membrane și condiționarea finală. Fiecare etapă este critică pentru calitatea finală a apei și performanța sistemului. O instalație RO proiectată și operată corespunzător produce apă de calitate constantă în ciuda fluctuațiilor condițiilor apei de alimentare. 

Succesul osmozei inverse continuă să crească, în mare parte datorită îmbunătățirilor în tehnologia membranelor și optimizării procesului. Dezvoltarea unor membrane mai durabile, rezistente la înfundare și cu permeabilitate ridicată, consumul redus de energie și noile sisteme de control de generație au făcut ca sistemele RO să fie mult mai eficiente și prietenoase cu utilizatorii decât în trecut. Dispozitivele de recuperare a energiei, în special, au redus dramatic costurile desalinizării apei de mare, accelerând tranziția către RO în țările cu deficit de apă. 

Cu toate acestea, există probleme importante de luat în considerare în aplicațiile RO. Managementul ecologic al fluxului de deșeuri concentrate, optimizarea ratei de recuperare a apei, pretratarea eficientă pentru controlul înfundării și implementarea programelor de întreținere sunt esențiale pentru sustenabilitatea sistemului. În ciuda dezavantajelor sale, osmoza inversă oferă o soluție mai economică, sigură și cuprinzătoare în cele mai multe scenarii, comparativ cu metodele alternative. De exemplu, metodele de distilare nu îndepărtează doar sarea, ci și toate substanțele non-volatile, dar consumul lor de energie este foarte ridicat; schimbul de ioni este selectiv și vizează doar anumiți ioni, consumând constant substanțe chimice. RO, pe de altă parte, poate atinge aceleași rezultate pe care aceste metode le pot oferi împreună atunci când sunt integrate corect. 

Când ne gândim la viitor, pe măsură ce accesul la resursele de apă potabilă devine mai difficult din cauza creșterii populației mondiale și a schimbărilor climatice, importanța strategică a osmozei inverse și a tehnologiilor similare pe bază de membrane va crește. RO va juca un rol critic atât în crearea de noi resurse de apă prin desalinizarea apei de mare, cât și în furnizarea unei economii circulare a apei prin reciclarea apelor uzate urbane. Studiile de cercetare și dezvoltare sunt concentrate pe îmbunătățirea suplimentară a membranelor, reducerea costurilor operaționale și găsirea de soluții inovatoare pentru eliminarea deșeurilor concentrate. De exemplu, subiecte precum recuperarea mineralelor valoroase, cum ar fi litiul și magneziul din fluxurile concentrate sau sistemele RO care funcționează cu energie solară, au potențialul de a îmbunătăți atât performanța economică, cât și pe cea de mediu a RO. 

În concluzie, atunci când sunt planificate și operate corespunzător, sistemele de osmoză inversă sunt instrumente puternice care îmbunătățesc fiabil calitatea apei și asigură aprovizionarea cu apă. Pentru a maximiza avantajele și a minimiza dezavantajele acestei tehnologii, ar trebui adoptat o abordare holistică: analiza apei de alimentare, pretratarea corespunzătoare, selecția membranelor, optimizarea energiei, managementul deșeurilor și întreținerea regulată trebuie luate în considerare împreună. Dintr-o perspectivă inginerescă, osmoza inversă necesită integrarea sistemelor interdisciplinare, iar o instalație RO reușită reprezintă o combinație armonioasă de domenii precum știința materialelor, chimia, mecanica fluidelor și ingineria de control. Într-o lume în care apa devine din ce în ce mai rară, tehnologiile avansate de tratament, cum ar fi osmoza inversă, vor juca un rol cheie în construirea unui viitor sustenabil pentru apă.