De invloed van het zoutgehalte van het voedingswater op omgekeerde osmose-systemen

Het zoutgehalte van het voedingswater, meestal uitgedrukt als totale opgeloste stoffen (TDS), is de som van de concentraties van alle anorganische zouten (zoals natrium, calcium, magnesium, chloride, sulfaat, enz.) in het water. Het is een van de meest kritische parameters voor het ontwerp, de werking en de economische efficiëntie van een waterzuiveringsinstallatie. Omgekeerde osmose systeem, en de impact ervan is alomvattend en onderling verbonden.

1. Directe invloed op de osmotische druk en de werkdruk

De essentie van het RO-proces is het overwinnen van de natuurlijke osmotische druk van water, waarbij watermoleculen door een semipermeabel membraan worden geperst, terwijl zouten worden tegengehouden. Volgens de van der Hoff-vergelijking is de osmotische druk van een oplossing rechtstreeks evenredig met de molaire concentratie (en dus rechtstreeks gerelateerd aan de TDS).

Osmotische druk ≈ 0,8 bar / (1000 mg/L TDS). Dit is een vereenvoudigde empirische formule, maar wel heel intuïtief. Als de TDS van het voedingswater 1000 mg/L is, is de theoretische osmotische druk ongeveer 0,8 bar. Als de TDS van het voedingswater stijgt tot 5000 mg/L (zoals bij brak water), loopt de theoretische osmotische druk op tot ongeveer 4 bar. Voor zeewater is de TDS ongeveer 35.000 mg/L, met een theoretische osmotische druk van maar liefst 28 bar.

Om een ​​effectieve permeaatdrijvingskracht (netto-drijvingsdruk) te genereren, moet de werkdruk van de RO-systeem De benodigde werkdruk moet veel hoger zijn dan de osmotische druk. Daarom neemt de vereiste werkdruk vrijwel lineair toe voor elke orde van grootte toename in het zoutgehalte van het voedingswater. De werkdruk voor RO-systemen voor zeewaterontzilting ligt doorgaans tussen de 55 en 80 bar, terwijl deze voor gewone RO-systemen voor brak water slechts 10 tot 25 bar bedraagt. Dit impliceert een hoger energieverbruik en hogere eisen aan apparatuur en materialen.

2. Impact op de ontzoutingssnelheid van het systeem

De afstotingsgraad van RO-membranen voor verschillende ionen is relatief stabiel. Veranderingen in het zoutgehalte van het voedingswater beïnvloeden echter de ontzoutingsprestaties van het systeem op twee niveaus.

Schijnbare afname van de ontzoutingssnelheid: De ontzoutingssnelheid wordt berekend als (1 - permeaatzoutgehalte / zoutgehalte van het voedingswater) * 100%. Ervan uitgaande dat de absolute zoutpermeabiliteit (de hoeveelheid zout die per tijdseenheid door het membraan gaat) constant is, zal de berekende "ontzoutingssnelheid" afnemen wanneer het zoutgehalte van het voedingswater sterk toeneemt, zelfs als de fysische eigenschappen van het membraan onveranderd blijven.

Belangrijker nog, een hoge zoutconcentratie betekent een grotere zoutconcentratiegradiënt over het membraan, wat de drijvende kracht voor zoutdiffusie van het membraanoppervlak naar de permeaatkant vergroot (waardoor de concentratiepolarisatie verergert), wat leidt tot een toename van de werkelijke zoutflux. Bij extreem hoge zoutconcentraties vertoont de ontzoutingssnelheid van het membraan inderdaad een aanzienlijke afname.

3. Impact op permeaat en herstel

Bij een vaste werkdruk is de netto aandrijfdruk gelijk aan de werkdruk min de osmotische druk. Zoals hierboven vermeld, leidt een hoge zoutconcentratie tot een hoge osmotische druk, waardoor de netto aandrijfdruk direct afneemt.

De permeaatstroom is rechtstreeks evenredig met de netto aandrijfdruk. Als de werkdruk constant blijft, kan een toename van de TDS in de toevoer van 1000 mg/L naar 5000 mg/L een daling van de netto aandrijfdruk met 3-4 bar veroorzaken, wat resulteert in een afname van de permeaatstroom met 20%-30% of meer.

Wanneer de terugwinningsgraad van het systeem (permeaat/toevoer) toeneemt, zal de zoutconcentratie van de toevoer aan het einde van het membraanelement exponentieel toenemen. Om osmotische drukpieken en het risico op kalkaanslag als gevolg van een te hoge TDS aan het einde van het toevoerwatersysteem te voorkomen, moeten systemen met een hoge zoutconcentratie in het toevoerwater een conservatievere terugwinningsgraad hanteren.

De terugwinningspercentages van gewone RO-systemen voor leidingwater kunnen oplopen tot 75%. Bij RO-systemen voor sterk brak water zijn de terugwinningspercentages doorgaans ontworpen op 60%-70%. De terugwinningspercentages voor zeewater zijn verder beperkt tot 40%-50%. Lage terugwinningspercentages betekenen een hogere lozing van concentraat en een lager watergebruik.

4. Verhoogde neiging tot membraanvervuiling en -aanslag

Een hoog zoutgehalte veroorzaakt op zich geen aangroei, maar het creëert wel een omgeving die gevoeliger is voor aangroei en kalkaanslag.

Verhoogde concentratiepolarisatie: Wanneer water met een hoge TDS-waarde geconcentreerd is aan het membraanoppervlak, is de concentratie van zouten en andere verontreinigingen (zoals silicaten, sulfaten en organisch materiaal) veel hoger dan in de bulkwaterstroom. Dit verhoogt het risico aanzienlijk dat slecht oplosbare zouten (zoals CaSO₄, CaCO₃, BaSO₄) hun oplosbaarheidsproduct overschrijden en neerslaan, wat leidt tot kalkaanslag.

Verminderde stabiliteit van colloïden: Een hoge ionsterkte comprimeert de elektrische dubbellaag van colloïdale deeltjes, waardoor hun stabiliteit wordt verstoord en ze eerder geneigd zijn zich op het membraanoppervlak af te zetten, met als gevolg colloïdale vervuiling.

Moeilijk te reinigen: Wanneer er vervuiling optreedt in een omgeving met een hoog zoutgehalte, is de vervuilingslaag doorgaans dichter en moeilijker te reinigen, waardoor de levensduur van het membraan wordt verkort.

5. Doorslaggevende impact op energieverbruik en economie

De algehele impact wordt uiteindelijk weerspiegeld in de bedrijfskosten. In omgekeerde osmose-systemen wordt elektrische energie voornamelijk verbruikt door de voedingspomp. De bedrijfsdruk is over het algemeen evenredig met het energieverbruik.

Het ontzilten van brak water met een zoutgehalte van 1000 mg/L tot hetzelfde permeaatvolume verbruikt slechts 0,8-1,2 kWh/m³. Het ontzilten van zeewater met een zoutgehalte van 35000 mg/L verbruikt daarentegen doorgaans 2,5-4,0 kWh/m³, 3-4 keer zoveel.

Het hoge energieverbruik is de belangrijkste reden waarom zeewaterontzilting aanzienlijk duurder is dan ontzilting van brak water. Bovendien stelt de hogedrukwerking hogere eisen aan de materialen van pompen, leidingen en membraanbehuizingen, wat ook de initiële investering verhoogt.