Tworzenie się kamienia i środki temu zapobiegające (Antyskalanty)

Tworzenie się kamienia  oznacza  osiadanie (depozycję) cząsteczek na membranie co powoduje jej zaczopowanie. Bez środków hamujących osadzanie się kamienia, membrany odwrocónej osmozy (OO) będą podlegały tworzeniu się kamienia w wyniku strącania się słabo rozpuszczalnych soli, takich jak węglan wapnia, siarczan wapnia, siarczan baru oraz siarczan strontu. Większość naturalnych wód zawiera relatywnie wysokie stężenia wapnia, siarczanów oraz jonów dwuwęglanowych.

Przy odsalaniu za pomocą membran, przy dużych współczynnikach odzysku, wartości rozpuszczalności gipsu (siarczan wapnia) oraz kalcytu (węglan wapnia) przewyższają poziomy wysycenia, co powoduje ich krystalizację na powierzchni membran. Powierzchnia membran ulega zaczopowaniu w wyniku tworzenia się kamienia. To z kolei powoduje spadek przepływu strumienia wody przez membranę, a co za tym idzie wydajności procesu. Wzrastają tez koszty eksploatacyjne systemu OO.

Wpływ tworzenia się kamienia na poziom przepływu strumienia wody w systemie OO przedstawiony jest na poniższym wykresie. Po pewnym czasie indukcji, przepływ przez membranę spada gwałtownie. Długość okresu indukcji zależy od rodzaju kamienia oraz stopnia wysycenia słabo rozpuszczalnych soli. 
 

Jak widać na wykresie, okres indukcji dla węglanu wapnia jest znacznie krótszy niż dla kamienia powstałego z siarczanów, np. siarczanu wapnia. Ze względów ekonomicznych preferowane jest zapobieganie tworzeniu się kamienia, pomimo że istnieją skuteczne środki do jego usuwania. Kamień często powoduje też czopowanie elementów dostarczających wodę do systemu OO. Sprawia to, że czyszczenie systemu staje się trudne i bardzo czasochłonne. Istnieje również ryzyko, że osadzanie się kamienia zniszczy strukturę membran.   

Istnieją trzy powszechnie stosowane metody zapobiegania osadzania się kamienia w systemach OO:

• Aplikacja kwasów
• Usuwanie twardości wody za pomocą wymiany jonowej
• Dodatek środków zapobiegających tworzeniu się kamienia (antyskalantów)

Dodatek kwasu usuwa jony węglanowe, które stanowią jeden z elementów niezbędnych do strącania się węglanu wapnia. Jest to bardzo skuteczna metoda w zapobieganiu strącaniu się węglanu wapnia, lecz nieskuteczna w przypadku innego rodzaju kamienia. Dodatkowe wady to możliwość powodowania korozji przez kwasy, koszty zbiorników do magazynowania związków chemicznych oraz sprzętu do monitorowania. Ponadto zastosowany kwas obniża pH wody przepływającej przez membrany.  

Zmiękczanie wody za pomocą wymiany jonowej: Sód wymieniany jest na jony magnezu i wapnia obecne w wodzie dostarczanej do systemu OO. Zachodzi to zgodnie z równaniem:

Ca²⁺ + 2NaZ => 2Na⁺ + CaZ₂
Mg²⁺ + 2NaZ => 2Na⁺ + MgZ₂

(NaZ reprezentuje żywice oddającą sód).
Kiedy wszystkie jony sodowe zostają zastąpione przez jony wapnia i magnezu, żywica musi być regenerowana przy pomocy roztworu soli. Zmiękczanie wody za pomocą wymiany jonowej eliminuje potrzebę ciągłego dawkowania kwasu lub środka przeciw tworzeniu się kamienia.

Środki przeciwko osadzaniu się kamienia (Antyskalanty): są to związki powierzchniowo czynne, które zakłócają reakcje strącania się soli na trzy podstawowe sposoby:

• Inhibicja poziomu progowego (Threshold inhibition). Jest to zdolność antyskalantów do utrzymywania roztworów wysyconych słabo rozpuszczalnych soli.

• Modyfikacja kryształów. Jest to zdolność tych środków do zniekształcania kształtów kryształów, co powoduje tworzenie się miękkiego, nie przylegającego do membran kamienia. Kiedy kryształ zaczyna tworzyć się na poziomie submikroskopowym, naładowane ujemnie grupy w cząsteczkach anyskalantów łączą się z ośrodkami naładowanymi dodatnio w cząsteczkach kamienia. Zakłóca to w ten sposób równowagę elektryczną niezbędną do promowania wzrostu krystalicznego. Kiedy kryształy kamienia potraktowane są za pomocą takiego środka, ich struktura zostaje zniekształcona. Stają się bardziej owalne i mniej zbite.   

• Dyspersja. Zdolność rozpraszająca to zdolność niektórych antyskalantów do przylegania na kryształach lub koloidalnych cząsteczkach oraz do osłabiania dużego ładunku anionowego. Utrzymuje to kryształy odseparowane od siebie. Duży ładunek anionowy nie powoduje przylegania cząsteczek do ładunków ujemnych obecnych na powierzchni membrany. 

 Threshold inhibition

Dyspersja

W przeciągu ostatnich dwóch dekad pojawiła się na rynku nowa generacja środków przeciw kamieniowi. Składniki aktywne tych środków są to opatentowane mieszaniny polikarboksylanów i poliakrylanów o różnej masie cząsteczkowej. 

Istnieje procedura obliczeniowa do przewidywania prawdopodobieństwa osadzania się kamienia w systemie OO. Możliwość użycia tych obliczeń zależy od wykonanej na bieżąco analizy wody oraz znajomości parametrów projektu. Jony obecne w wodzie dostarczanej do systemu ulęgają zagęszczeniu w system OO. Wybór rodzaju środka przeciwko kamieniowi oraz jego dawki opiera się  na analizie mineralnej wody. Dobór optymalnej dawki środka przeciwko kamieniowi jest bardzo istotny. Należy zidentyfikować odpowiedni środek przeciw kamieniowi oraz zależność dawka a poziom indukcji wydłużonego wysycenia (saturacji).  

Lenntech może Ci pomóc w wyborze najlepszego środka przeciwko kamieniowi dla Twojego rodzaju zastosowania. 

Analiza ekonomiczna

Dodatek kwasu nie jest bardzo wydajny ekonomicznie ze względu na koszty kwasu, zbiorników i sprzętu do monitorowania. Nadmiar dwutlenku węgla zawartego w filtracie w systemach gdzie aplikowany jest kwas, musi zostać usunięty. Koszty tego procesu są większe niż w przypadku wymiany jonowej i jej regeneracji.  Antyskalanty są relatywnie tanie i nie wiążą się z żadnymi dodatkowymi kosztami. Przy porównaniu dodawania kwasów i antyskalantów głównym parametrem jest koszt wyposażenia. Analiza ekonomiczna pokazuje, że przy każdym poziomie twardości wody, zmiękczanie jest mniej wydajne ekonomicznie niż dawkowanie antyskalantów.

Poniższe tabele przedstawiają porównanie kosztów wymiany jonowej oraz dawkowania antyskalantów w zależności od twardości wody. Obliczenia zostały wykonane na podstawie systemów OO o wydajności 17 m³/h przy 75% poziomie odzysku.

Opis tabeli

Pierwsza kolumna: Twardość, druga: koszt sprzętu, trzecia: koszty soli/rok, czwarta: obecna wartość

Skontaktuj się z nami w celu uzyskania dalszych informacji o zastosowaniu antyskalantów.