Ở quá trình thẩm thấu ngược, tùy theo tác động lựa chọn của màng mà xảy ra quá trình làm đậm đặc chất có trong dung dịch lên bề mặt của màng (cũng gọi là phân cực nồng độ). Điều này dẫn đến hiện tượng là các chất bẩn lơ lững sẽ lắng đọng tạo thành 1 lớp trực tiếp trên màng (Fouling). Ở những chất tan được lớp lắng đọng này tạo thành ngay khi vượt qua giới hạn hòa tan (Scaling). Trong khi quá trình Fouling luôn luôn bắt đầu xảy ra ở những phân tố đầu tiên của thiết bị thẩm thấu ngược, thì quá trình scaling lại bắt đầu ở cuối dãy, nơi mà nồng độ là cao nhất. Hình 3.7 cho thấy ảnh của màng FT30 của DOW-FILM TEC [11] và có thể thấy được hiện tượng vượt qua giới hạn hòa tan của cấu tử do tăng nồng độ của một dung dịch nước. Lớp phủ ở đây được tạo thành do Si(OH)4 (Axit Silicic) hình ảnh cũng cho thấy lớp phủ khá bền và nó làm giảm dòng đi qua (dòng thoát) đến trên 10%.
Hình 3.7: Ảnh của một màng bị bẩn do lắp cặn Silic
Nếu như súc rửa màng bằng axit Citronic (Axit chanh) lớp phủ có thể bị hòa tan, cho nên với các modul màng kiểu cuộn hoặc kiểu sợi rỗng sẽ rất khó khăn, thậm chí không thể xử lý nổi vì khó lòng có thể làm thoát các “ bùn rửa” đó ra khỏi modul. Chính vì vậy hiện tượng Scaling bắt buộc phải được hạn chế hoặc loại trừ, có thể thông qua:
Trang 64
+ Biến đổi hóa học, tách loại hoặc ổn định các chất hoặc
+ Hạn chế quá trình làm đậm đặc dung dịch, sao cho ở những vị trí giới hạn, ở phía cuối modul cũng như ở phía cuối của thiết bị cũng không tồn tại nồng độ bão hòa của bất kỳ một chất tan (trong nước) nào.
+ Để dự báo giới hạn của quá trình tăng nồng độ cũng như để dự tính những quá trình tiền xử lý cần thiết đối với nước nguyên liệu, bắt buộc phải chú ý đến những đại lượng sau đây trong khi phân tích nước.
1-Nhiệt độ, giá trị pH, độ dẫn, hàm lượng muối tổng cộng 2-Tính axit cũng như tính base (giá trị m & p)
3-Nồng độ Na+, Ca2+, Ba2+, Sr2+, Mn2+, Fe2+
4-Nồng độ Cl-, SO42-, NO3-, F-, CHCO3-, CO32- ( từ giá trị m & p) 5-Nồng độ SiO2, Cl2, O2 và CO2 tự do ( từ giá trị m & p)
Các số liệu để tính toán giới hạn hòa tan cũng như nồng độ cao nhất được phép trong các modul có thể lấy trong các tài liệu tham khảo [13], [19]
Nói chung, đối với những chất gây kết tủa quan trọng nhất như CaSO4 và BaSO4 khi có mặt ion Chlore hoặc hợp chất Chlore hữu cơ, tích số hòa tan của chúng dịch chuyển về phía cao hơn so với tích số hòa tan chỉ trong dung dịch của chúng. Đối với thành phần của nước, chẳng hạn khi chúng ở trong nước giếng, nước mặn và nước biển, cũng có những mô hình tính toán thực nghiệm, chẳng hạn của Stoff-Davis và Marshall-Slusher [9] cho phép tính toán giới hạn hòa tan của các chất tạo cứng trên cơ sở thành phần của nước.
Ví dụ: Tính toán hiệu suất nước cho phép khi CaSO4 là chất gây nên kết tủa Cho: nồng độ Ca2+ trong nước đầu vào ( nguyên liệu) Cca2+ = 2,5.10-3mol/l Nồng độ SO42- trong nước đầu vào ( nguyên liệu) Cs 2- = 1,57.10-3
Tích số hòa tan K = Cca2+. Cs 2- = 34.10-4 mol/l. Tại T = 100C [11]
Nồng độ cao nhất trong modul được tính theo nồng độ muối trong nước cấp và hiệu suất thông qua phương trình cân bằng chất [13]:
Trang 65
(3.12)
Điều kiện cho vận hành an toàn là: Tích số hòa tan K tích số ion. Như vậy hiệu suất nước cao nhất max sẽ được tính theo quan hệ K
(3.13)
Và từ đó tính được: max = 0,7265
Các giải pháp hiện hành để chống sự tạo thành kết tủa CaSO4 là:
(1) Hạn chế cũng như ngăn chặn hiện tượng tăng nồng độ sao cho ngăn chặn được kết tủa CaSO4 trong mọi trường hợp.
(2) Khử cứng của nước ( trao đổi ion Ca+2 bằng Na+) (3) Kết tủa CaCO3 (Ca2+ => CaCO3 )
(4) Ổn định bằng Polyphosphat, phosphonat, axit polyacrylic và chống kết tủa CaCO3 bằng cách:
+ “Châm” axit (sao cho HCO3 => CO2 ) + Kết tủa
+ Khử cứng của nước trao đổi ( Ca2+
bằng Na+)
Để ổn định hệ, đặc biệt là với CaCO3, từ lâu đã sử dụng Axit. Đặc biệt vì những giá trị pH hạn chế đối với màng Cellulose Acetat trong nhiều năm liền đã dùng Axit như là phương tiện chống tạo kết tủa. Ngày nay sử dụng chủ yếu là các chất chống kết tủa trên cơ sở hóa học Phosphat, hoặc hóa học Polymer trong những tên thương mại khác nhau. Một số thiết bị vẫn còn tiếp tục sử dụng Axit cũng như Natrihexameta Phosphat như là phương tiện chống kết tủa có hiệu lực.
Trang 66
Hình 3.8: Quá trình hình thành tinh thể muối
Nói chung quá trình hình thành tinh thể muối, như trình bày ở hình 3.8 có thể phân thành 3 bước. Ở bước thứ nhất bắt đầu với việc tập trung khoảng 100 ion đến sát nhau. Các “Tập hợp” ion này nằm ở lớp biên của màng và rất không ổn định: chúng có thể sát nhập với nhau hoặc bị phân rã.
Ở bước thứ 2 các “tập hợp” ion ấy trở nên lớn hơn và sắp xếp với nhau trật tự hơn và tạo thành các mầm tinh thể, mặc dầu các mầm tinh thể này vẫn có thể bị phân rã nhưng rõ ràng là bền hơn so với ở bước thứ nhất.
Ở bước không thuận nghịch thứ 3 sẽ tạo nên các tinh thể, các tinh thể này lớn lên cho đến khi thấp xuống dưới giới hạn hòa tan. Quá trình kết tinh phát triển theo phương thức này và không phụ thuộc vào chất tạo tinh thể có mặt. Sự khác nhau (phân biệt) ở tích số hoà tan. Các tác nhân chống kết tinh có hiệu quả sẽ ngăn cản ít nhất một trong các bước kể trên. Các cơ chế chống kết tinh có thể chia ra: Hiệu ứng giới hạn độ hòa tan, hiệu ứng cấu trúc hình dạng, hiệu ứng phân tán và hiệu ứng tạo phức.
Các sản phẩm (tác nhân) chống lại sự tập trung của các ion, mở rộng giới hạn hòa tan hoặc ngăn cản quá trình lắng. Các chất loại này tác động lên quá trình tập trung hoặc sắp xếp của quá trình kết tinh. Một số polymer có khối lượng phân tử dưới 5000g/mol có khả năng làm thay đổi hình dạng mầm tinh thể hoặc thay đổi trạng thái của tinh thể. Do đó cấu trúc hình thể sẽ mất qui luật và hạn chế sự lớn lên
Trang 67
của chúng. Một số polymer loại này còn tạo ra hiệu ứng lên giới hạn hòa tan hoặc còn có đặc trưng như chất trợ phân tán. Chất phân tán sẽ bị hấp phụ lên bề mặt tinh thể và tạo nên một lớp điện tích bề mặt và để đạt được một lớp điện tích bề mặt đủ lớn phải có một lớp hấp phụ hoàn chỉnh. Khối lượng mol của các polymer này khoảng chừng 20.000 đvc (đơn vị cacbon).
Tác dụng của các chất tạo phức dựa trên quá trình tạo phức của các cation đa hóa trị, do đó làm cho nồng độ của chúng giảm. Chất tạo phức sẽ cạnh tranh với anion của muối để kết hợp với các cation tự do. Tác dụng này không hạn chế giới hạn hòa tan của cấu tử có mặt nên trong quá trình cần phải bổ sung đến dư [5].
Một giải pháp hoàn toàn khác là vận hành quá trình thẩm thấu ngược bằng kỹ thuật Seeding-technik [7]. Ở phương án này xem như sử dụng những modul có rãnh mở. Kinh nghiệm thực tế của kỹ thuật này đã đạt được kết quả mỹ mãn để chống bám cặn trong các thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng nước cứng (nước có CaSO4
và MgSO4).
Hình 3.9 cho thấy sơ đồ công nghệ của thiết bị bán sản xuất, xử lý nước chứa CaSO4 từ một mỏ ở Nam Phi [12]. Ở đây huyền phù 3-10% thạch cao được bơm tuần hoàn, sao cho có thể giảm được hiện tượng quá bão hòa các tinh thể thạch cao mịn. Các màng Cellulose Acetat đã làm việc ở thiết bị này đến 500h mà không bị các tinh thể thạch cao (CaSO4) xâm hại.
Trang 68