HÓA CHẤT CHỐNG CÁU CẶN VÔ CƠ VÀ KIM LOẠI TRONG MÀNG RO - ANTISCALANT

 

1. KHẢ NĂNG CHỐNG CÁU CẶN CỦA ANTISCALANT

 

Nguyên lý hoạt động của antiscalant :

 

Đồng thời với quá trình tách nước tinh khiết ra khỏi nước thô/nước chứa muối khoáng cao xảy ra tại bề mặt màng RO, nước chứa muối khoáng thấp sẽ được dẫn về phía dòng sản phẩm, trong khi các ion còn lại trong dòng cô đặc sẽ dần dần tích tụ với nồng độ cao hơn đi về phía dòng thải bỏ (reject).

                       

 

Các ion tạo muối ít tan sẽ tập hợp lại với nhau theo 4 giai đoạn: tụ tập ion – tạo nhân - hình thành tinh thể - phát triển tinh và cuối cùng các tinh thể này sẽ tạo cáu cặn trên bề mặt màng, gây tắc nghẽn, giảm lưu lượng nước sản phẩm, tăng áp suất hoạt động của hệ thống.

 

 

   

 

Khi đưa antiscalant vào nước, chúng sẽ tác động lên các ion tạo cặn để khống chế quá trình hình thành tinh thể/cáu cặn theo các cơ chế :

 

Thay đổi ngưỡng kết tủa: một số antiscalant có khả năng giữ dung dịch các muối ở trạng thái hòa tan ngay cả khi nồng độ của chúng vượt quá ngưỡng bão hòa.

 

Thay đổi hình dạng tinh thể: một số chất antiscalant làm biến dạng tinh thể của các chất cặn, tạo ra cặn mềm, ít bám dính. Khi các tinh thể cặn bắt đầu hình thành ở kích thước siêu hiển vi, các nhóm ion âm ở trong phân tử của antiscalant sẽ bám vào điện tích dương của phân tử chất tạo cặn làm phá vỡ cân bằng điện tử cần thiết để thúc đẩy sự hình thành tinh thể của các chất tạo cặn. Với tác động này, tinh thể chất cặn hình thành bị méo mó, thông thường có hình dạng bầu dục có độ rắn thấp.

 

Phân tán : Phân tán là khả năng của một số antiscalant hút bám trên bề mặt tinh thể hay các hạt keo của chất tạo cặn và tạo nên điện tích âm cao, chúng sẽ làm phân ly các tinh thể chất tạo cặn với nhau không cho gắn kết tạo kết tủa. Điện tích âm này cũng sẽ phân ly các hạt tích điện âm ở trên bề mặt của màng, khiến các kết tủa không bị hút bám lên bề mặt màng.

                          

  

So sánh các biện pháp khống chế cặn vô cơ và kim loại trong màng RO hiện nay :

 

Hiện nay có 03 phương pháp chính để khống chế cặn vô cơ và kim loại trong màng RO bao gồm : Sử dụng axit/ kiềm (điều chỉnh pH), sử dụng thiết bị làm mềm và sử dụng antiscalant. Ưu nhược điểm và khả năng khống chế cáu cặn của 03 phương pháp được tóm tắt trong bảng 1 sau :

 

STT	CHỈ TIÊU SO SÁNH	SỬ DỤNG AXIT	SỬ DỤNG THIẾT BỊ LÀM MỀM	SỬ DỤNG ANTISCALANT
1	Nước nguồn áp dụng	Tất cả nguồn nước : nước sạch, nước thải	Nước sạch, nước sinh hoạt	Tất cả nguồn nước : nước sạch, nước thải
2	Quy mô áp dụng	Công suất hệ thống từ nhỏ đến lớn	Công suất hệ thống nhỏ	Công suất hệ thống từ nhỏ đến lớn
3	Loại cặn có khả năng được khống chế	Cặn của hợp chất Ca, Mg, Fe, Mn, Al, SiO2	Cặn của hợp chất Ca, Mg	Hầu hết tất cả cặn vô cơ và kim loại Fe, Mn, Al, SiO2
4	Hệ số thu hồi hệ thống trung bình	50~60%	65~75%	75~85%
5	Ưu điểm	Chi phí đầu tư dụng thấp. Sử dụng cho nhiều loại nguồn nước. Khả năng khống chế nhiều loại cặn	Nước reject có độ cứng thấp, phù hợp hệ thống công suất nhỏ, nước nguồn có độ cứng thấp và không có các thành phần SiO2, Fe, Mn	Chi phí đầu tư và sử dụng thấp Sử dụng cho nhiều loại nguồn nước Thích hợp với hầu hết quy mô hệ thống
6	Nhược điểm	Nước RO reject có pH thấp cần phải trung hòa bằng kiềm, kết quả độ dẫn điện nước thành phẩm tăng. Không phù hợp trong nhiều ứng dụng khi mà nước thành phẩm cần có nồng độ muối khoán thấp Axit có tính ăn mòn cao ảnh hưởng thiết bị, đường ống Nguy hiểm với người vận hành Không khống chế được một số loại cặn Ba,Sr và khi nước có nhiều thành phần phức tạp.	Chi phí đầu tư cao Thường thải ra nước thải có nồng độ NaCl cao, khó xử lý khi vượt ngưỡng Chi phí vận hành cao khi nước đầu vào có độ cứng cao Không áp dụng cho tái sử dụng nước thải	Cần chọn đúng hóa chất và liều lượng sử dụng. Chi phí có thể caođối với một số hệ thống RO có công suất nhỏ Hệ thống RO cần có chế độ rửa nhanh trước khi ngừng hoạt động để tránh tồn đọng mật độ ion trong màng có thể gây đóng cặn.

Bảng 1 : So sánh các biện pháp khống chế cặn vô cơ và kim loại trong màng RO

 

Một số quan điểm chưa chính xác về antiscalant :

 

* Hóa chất antiscalant có thể khống chế tất cả loại cáu cặn có trong nguồn nước ?

 

​Có 03 tác nhân chính gây tắc nghẽn màng RO trong quá trình hoạt động : 1.Cặn cơ học, chất keo bao gồm: bùn, cát, sét, chất lơ lửng,…; 2.Vi sinh, biofilm & chất hữu cơ ; 3. Các muối vô cơ (Ca, Mn, Ba,..) kim loại Fe, Al, Mn và SiO₂. Hóa chất antiscalant chỉ khống chế cáu cặn sinh ra bởi nguyên nhân thứ 3 hay là cặn của các muối vô cơ hay kim loại.

 

* Hóa chất antiscalant loại bỏ Canxi, Mg trong nước với cơ chế tương tự thiết bị làm mềm ?

 

Thiết bị làm mềm hoạt động theo nguyên lý trao đổi ion, các ion có thể tạo cặn trong nước như Ca²⁺, Mg²⁺, Ba²⁺, Fe²⁺,… sẽ bị trao đổi và giữ lại trong thiết bị làm mềm bởi các hạt nhựa trao đổi ion và kết quả là nồng độ các ion có thể tạo cặn trong nước sau thiết bị làm mềm sẽ giảm đến mức sau trong dòng cô đặc chúng cũng không có nồng độ đủ lớn để có thể tạo tinh thể (cặn bám) trên màng.

 

Khi đưa antiscalant vào nước, nồng độ các ion có thể tạo cặn sẽ không thay đổi, chúng chỉ bị khống chế không cho hình thành các tinh thể tạo căn bám trên màng RO theo các cơ chế đã nêu trong phần trên. Vì vậy nồng độ các ion, kim loại trong nước vào hệ thống RO không thay đổi, dòng cô đặc chứa các ion này ở nồng độ cao nhưng không hình thành cặn bám trên màng RO.

 

Do đó có 1 lưu ý quan trọng đối với hệ thống RO khi sử dụng antiscalant chống cáu cặn là cần rửa nhanh (flush) các màng RO bằng nước sạch có độ khoáng hóa thấp trước khi ngừng hoạt động trong thời gian dài để tránh việc tồn đọng nồng độ cao các ion tạo cặn trong trạng thái tĩnh, điều này sẽ dẫn đến các phản ứng tạo cặn trên màng RO.

 

* Hóa chất antiscalant khống chế cáu cặn trong màng RO không hiệu quả so với thiết bị làm mềm.

 

Như bảng 1 đã trình bày, thiết bị làm mềm chủ yếu khống chế loại cặn do ion Ca²⁺ tạo ra nhưng không khống chế cáu cặn sinh ra bởi SiO₂, Fe, Mn như antiscalant. Khả năng khống chế cặn của antiscalant đa dạng và hiệu quả hơn thiết bị làm mềm. Hệ số thu hồi nước của hệ thống RO khi chỉ sử dụng antiscalant có thể đạt đến 90%, trong khi chỉ số này ở hệ thống sử dụng thiết bị làm mềm chỉ trung bình 70~75%. Ngoài ra chi phí đầu tư và chi phí vận hành của phương án sử dụng thiết bị làm mềm sẽ cao hơn rất nhiều so với phương án sử dụng antiscalant.

 

* Cần phải kết hợp việc sử dụng thiết bị làm mềm và antiscalant để khống chế cáu cặn cho hệ thống RO.

 

Việc kết hợp cả thiết bị làm mềm và antiscalant sẽ tốt hơn trong bảo vệ màng RO khỏi cáu cặn, tuy nhiên trong đa số trường hợp là không cần thiết và làm chi phí vận hành tăng lên đáng kể. Trong một số trường hợp đặc biệt, nước thô có thành phần phức tạp, có thể kết hợp cả 2 hay thậm chí 3 phương án : làm mềm, điều chỉnh pH và antiscalant để hệ thống RO có thể thu hồi nước đến mức cao 85~90%. Tuy nhiên việc kết hợp này cần được tính toán chính xác và so sánh về hiệu quả kinh tế trước khi áp dụng.

 

Hãy liên hệ với chúng tôi qua email: info@truongthuan.vn nếu bạn cần tư vấn về việc chọn phương án khống chế cáu cặn phù hợp, hiệu quả.

 

2. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN VIỆC CHỌN LỰA ANTISCALANT

 

Theo lịch sử phát triển hóa chất antiscalant đã trải qua 4 thế hệ :

+ Thế hệ 1 (1980’s) : SodiumHexaMetaPhosphate (SHMP)

+ Thế hệ 2 (1990’s) : Sản phẩm gốc Acrylic acid/acrylate

+ Thế hệ 3 (1990’s): Sản phẩm gốc Organophosphonate

+ Thế hệ 4 (2000’s) : Hổn hợp organophosphonates và polymers

 

Các sản phẩm thế hệ mới tiên tiến và hiệu quả hơn so với sản phẩm của thế hệ cũ về khả năng khống chế cặn phổ rộng, liều lượng sử dụng ít, bền vững, thân thiện với môi trường và an toàn về mặt vệ sinh thực phẩm.

 

Thường mỗi nhà sản xuất cũng sẽ có nhiều sản phẩm antiscalant khác nhau tương ứng để khống chế các loại cặn vô cơ và kim loại khác nhau và trong các ứng dụng khác nhau, ví dụ các dòng sản phẩm antiscalant thế hệ mới của hãng Genesys International trong bảng 2 như bên dưới.

 

 

 

Theo bảng trên, chúng ta thấy hãng có những sản phẩm có phổ chống cáu cặn rộng ví dụ như Genesys LF, Genesys AP, Genesys RC có thể khống chế nhiều loại cáu cặn, có loại sản phẩm đặc biệt với loại cáu cặn nào đó, ví dụ Genesys SI khống chế cáu cặn SiO₂ nồng độ cao đến 100 mg/l, Genesys CAS – cáu cặn sulphate cao. Ngoài ra, một số antiscalant có chứng chỉ công nhận sử dụng trong xử lý nước uống (NSF) trong khi các antiscalant còn lại được khuyên dùng trong xử lý nước cho các mục đích sử dụng cho công nghiệp hay mục đích khác.

 

Tóm lại mỗi sản phẩm antiscalant sẽ có một đặc tính khác nhau và khả năng ứng dụng khác nhau, và tất nhiên là giá bán khác nhau. Để chọn lựa đúng hóa chất phù hợp với hệ thống RO của mình, và hiệu quả về kinh tế chúng ta cần phải dựa trên các thông số chất lượng nước và yêu cầu của nước sử dụng như sau :

 

1. Thông số hoạt động của hệ thống, bao gồm lưu lượng, hệ số thu hồi n%, loại màng RO sử dụng, loại nước thô, quy mô xử lý… sẽ giúp chúng ta sơ bộ chọn loại antiscalant.

 

2. Chất lượng nước đầu vào hệ thống RO : Một bảng phân tích hóa lý, gồm các thông số cơ bản: pH, nhiệt độ, Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Fe³⁺, Mn²⁺, Ba²⁺, Sr²⁺, Al³⁺, Cl^-, SO₄^2-, NO₃^-, HCO₃^-. CO₃^2-, PO₄^3-, SiO₂. Sẽ giúp cho việc tính toán và chọn lựa antiscalant chính xác.

 

3. Mục đích sử dụng nước RO : Nếu nước sản phẩm được sử dụng để ăn uống, sinh hoạt các hóa chất sử dụng trong quá trình xử lý nói chung và antiscalant nói riêng cần phải đạt tiêu chuẩn thực phẩm (Food grade) hay NSF. Nếu nước hay sản phẩm thực phẩm liên quan xuất sang các quốc gia Hồi Giáo thì chứng chỉ Halal là một yêu cầu bắt buộc đối với các vật tư sản xuất trong đó có antiscalant.

 

Hãy liên hệ với chúng tôi qua email: info@truongthuan.vn nếu bạn cần tư vấn về việc chọn hóa chất antiscalant phù hợp với yêu cầu của bạn.

 

3. PHẦN MỀM TÍNH TOÁN LIỀU LƯỢNG ANTISCALANT

 

Như trên đã trình bày, mỗi loại hóa chất antiscalant sẽ phù hợp và hiệu quả tương ứng với mỗi loại nguồn nước và hệ thống RO. Với liều lượng antiscalant sử dụng thông thường 1- 5 g/m³, thì việc tính toán liều lượng hóa chất antiscalant sử dụng chính xác đến 1g/m³ có ý nghĩa kinh tế khá lớn đối với người sử dụng. Vì vậy chọn đúng và tính đủ liều lượng sử dụng là điều quan trọng đầu tiên khi chọn hóa chất antiscalant cho 1 hệ thống RO.

 

Hầu hết các nhà sản xuất hóa chất antiscalant chuyên nghiệp, uy tín hiện nay đều có phần mềm tính toán để giúp cho người thiết kế/vận hành có thể chọn đúng loại hóa chất, tính đủ liều lượng hóa chất phù hợp với nhu cầu của mình. Membrane Master 5 - MM5 là phần mềm có tính năng như vậy của hãng Genesys International Ltd.

 

  

Khi chúng ta có bảng phân tích thành phần lý hóa của nước vào, thông số vận hành của hệ thống RO, như trình bày phần trên nhập vào bảng tính tương ứng của phần mềm MM5, chúng ta sẽ chọn lựa được loại hóa chất mong muốn cùng với liều lượng sử dụng của chúng.

 

 

 

Phần mềm sẽ tính toán và xuất kết quả các số liệu tương ứng với loại antiscalant được chọn.

 

 

 

 

Tuy nhiên, MM5 không chỉ giúp tính toán liều lượng antiscalant theo các thông số vận hành RO và tính chất nước mặc định ban đầu, bằng thay đổi các thành phần hóa học, pH của nước thô, hệ số thu hồi của hệ thống, người tính toán có thể xác định được :

 

1. Hệ số thu hồi tối ưu, lớn nhất của hệ thống RO tương ứng với hóa chất antiscalant được chọn.

 

2. Xu thế đóng cặn khi các thông số chất lượng nước, thông số vận hành của hệ thống thay đổi.

 

3. Hiệu quả của biện pháp khống chế cáu cặn khác nhau: điều chỉnh pH, làm mềm, và antiscalant hay kết hợp các biện pháp trên để đạt được hệ số thu hồi n% cao nhất cho hệ thống.

 

Ví dụ tính toán : Xác định hệ số thu hồi tối đa của hệ thống RO trong các trường hợp sử dụng phương pháp khống chế cáu cặn khác nhau, với nước nguồn có các thông số : pH : 7.0, Ca²⁺ : 50 mg/l, HCO₃^- : 240 mg/l, SiO₂ :70 mg/l. Theo nhận định sơ bộ với tính chất nước như trên thì khả năng màng RO sẽ bị đóng cáu cặn rất cao bởi CaCO₃, SiO₂.

 

Dựa vào MM5 chúng ta xác định được hệ số thu hồi các trường hợp sử dụng biện pháp khống chế cáu cặn như sau :

- Trường hợp 1 : Nếu chỉ  sử dụng thiết bị làm mềm hệ số thu hồi max của hệ thống là 35% do hệ thống bị đóng cặn bởi SiO₂.

 

- Trường hợp 2 : Nếu chỉ sử dụng antiscalant hệ số thu hồi max của hệ thống là 70%. Antiscalant Genesys SI khống chế đồng thời được cặn CaCO₃, SiO ₂.

 

- Trường hợp 3 : Nếu sử dụng kết hợp antiscalant và làm mềm hệ số thu hồi max của hệ thống là 70%. Quá trình làm mềm chỉ khống chế cặn CaCO₃, trong khi ở pH = 7, Genesys SI cũng chỉ khống chế cặn SiO₂ ở mức n= 70%

 

- Trường hợp 4 : Nếu sử dụng kết hợp antiscalant, làm mềm và điều chỉnh pH hệ số thu hồi max của hệ thống là 85%. Với việc làm mềm, pH nước có thể nâng lên mức 8,3 ~ 8,4, tại pH này Genesys SI có thể khống chế cặn SiO₂ và cặn CaCO₃ (nồng độ thấp do độ cứng giảm sau làm mềm) ở mức n= 85%.

 

Kết quả này đã minh họa các quan điểm đã nêu ở phần trên: trong trường hợp có nhiều tác nhân có thể tạo cặn, hiệu quả của việc chống cáu cặn bằng thiết bị làm mềm không tốt bằng antiscalant; việc kết hợp sử dụng thiết bị làm mềm và antiscalant trong trường hợp này không làm tăng hệ số thu hồi so với việc chỉ sử dụng antiscalant và việc kết hợp nhiều phương pháp như trường hợp 4 sẽ giúp hệ số thu hồi của hệ thống RO cao vượt trội.

 

Tuy nhiên, hệ số thu hồi cao không phải là vấn đề tối ưu mà một hệ thống RO hoàn hảo nhất định phải đạt được mà còn nhiều vấn đề khác như chất lượng nước sản phẩm, tính kinh tế, khả năng tái sử dụng nước reject, tính ổn định của hệ thống,…

 

Tóm lại việc sử dụng antiscalant là một phương pháp tiên tiến, hiệu quả để khống chế cặn vô cơ, kim loại trong màng RO đang được áp dụng rộng rãi để thay thế các phương án trước đây như sử dụng thiết bị làm mềm, axit hóa.

 

Và hãy liên hệ với chúng tôi qua email: info@truongthuan.vn khi bạn muốn tính toán thử lượng antiscalant sử dụng cho hệ thống RO của bạn để so sánh với biện pháp khống chế cáu cặn hiện tại hay cần tư vấn về hóa chất RO phù hợp với yêu cầu sử dụng và tính chất nước của bạn .