آنتی اسکالانت، موثرترین راه جلوگیری از تشکیل رسوب

آنتی اسکالانت ها می توانند جهت کنترل رسوب در تصفیه آب برج های خنک کننده، بویلرها و همچنین در صنعت تصفیه آب، فاضلاب و آب شیرین کن ها بکار گرفته شوند. ترکیبات فسفونات و پلیمرها  سال هاست که در پکیج های تصفیه آب برج های خنک کننده استفاده می شوند. هدف از تصفیه آب کنترل خوردگی ، رسوب ، فولینگ و رشد میکرو بیولوژیکی در سیستم های آب خنک کننده می باشد.

تشکیل رسوب زمانی آغاز می شود که غلظت يك نمك از حلاليت آن در شرایط محلول بالاتر رود. هسته­های اولیه کریستال نقش کاتالیزوری را برای تشکیل کریستال های بیشتر از نمک بازی می­کند. اين كريستالهاي نمك به شرط اينكه به اندازه و جرم حجمي لازم برسند از حالت معلق خارج مي‌شوند و شروع به رسوب‌دهي مي‌كنند. فرآيند ته‌نشيني رسوب تا زماني ادامه خواهد داشت كه يون های تشکیل دهنده نمک در محلول به صورت فوق اشباع باشند.

مؤثرترين راه براي جلوگيري از تشكيل رسوب ،كاهش PH آب توسط تزريق آنتي اسکالانت مي باشد. تزريق آنتي اسكالانت باعث كاهش PH و در نتيجه افزايش حلاليت كربنات كلسيم مي شود .يكي ديگر از نتايج تزريق آنتي اسكالانت اين است كه غلظت اين ماده به اندازه كافي موجب حل شدن مجدد رسوب هاي كربنات كلسيمي مي شود ،كه قبلاً در محل وجود داشته است. وقتي كه تزريق اسيد به سيستم RO قطع شود ، دي اكسيد كربن فوق اشباع تمايل دارد كه از آب جدا شود ،همين كه اين عمل اتفاق افتد PH آب افزايش مي يابد ،در المنت هاي انتهايي سيستم كه غلظت نمكها در حداكثر مقدار است ممكن است افزايش PH به حدي باشد كه كربنات كلسيم رسوب كند.

علل لایه گذاری شیمیایی بر روی فیلترها

علل لایه گذاری شیمیایی(Scaling)  بر روی فیلتر ممیران RO را می توان به چهار دسته کلی تقسیم بندی نمود :

  1. افزایش غلظت مواد معدنی محلول در آب ورودی به غشا
  2. افزایش PH آب
  3. ایجاد و افزایش سطوح مورد نیاز برای ترسیب که با استمرار لایه گذاری شیمیایی (Scaling) این سطح موردنیاز افزایش می یابد
  4. افزایش دمای آب

مشکلات ناشی از لایه گذاری شیمیایی بر فیلترهای غشایی

معمولا مشکلاتی که در اثر لایه گذاری شیمیایی (Scaling) در فیلتر های غشایی به وجود می آید، عبارتند از:

  1. کاهش کیفیت و مقدار جریان آب عبوری
  2. افزایش افت فشار و فشار مورد نیاز و مصرف انرژی و هزینه ناشی از آن
  3.  شست و شوهای بیشتر و با فواصل زمانی کمتر  برای بهبود عملیات (که منجر به کاهش عمر مفید غشاها و افزایش هزینه می شود)
  4. از کارافتادگی های مکرر و بلند مدت
  5. پارگی و گسیختگی غشا در برخورد با کریستال های رسوبی نوک تیزتشکیل رسوبات مختلف با توجه به ماهیت رسوب قابل کنترل یا غیرکنترل می­باشد. برخی رسوبات نظیر سولفات و سیلیکات پس از تشکیل بسیار سخت شستشو می شوند.همچنین این رسوبات باعث کاهش سریع و شدید کارایی سیستم RO ممبران می­شوند.بنابراین باید با پیش تصفیه مناسب، کار با میزان جریانهای طراحی و تزریق مواد شیمیایی مناسب از تشکیل این رسوبات جلوگیری نمود.

    رسوب و گرفتگي قادر به كاهش فضاي موثر بين مواد بوده و موجب كاهش تلاطم جريان مي‌شوند كه نتيجه آن، افزايش پلاريزاسيون غلظت در سطح غشاء است. هر چه غلظت محلول در سطح غشاء بيشتر باشد به همان نسبت، املاح بيشتري از خود عبور مي‌دهد. وقتي كه سطح موثر غشاء كاهش يابد، تلاطم كاهش خواهد يافت و تميز نمودن سطح غشاء مشكلتر مي‌شود، زيرا امكان فرستادن محلول شيميايي به سطوح مسدود شده توسط مواد جامد كاهش مي يابد. امكان جلوگيري از تشكيل رسوب با استفاده از بازدهي صحيح سيستم و تزريق مواد شيميايي وجود دارد.

    مواد بازدارنده با جلوگيري از رشد كريستال نمك، سرعت فرآيند ته نشيني را كاهش مي‌دهند. اين مواد در سطح كريستال نمك تشكيل شده جذب و با جلوگيري از جذب بيشتر نمك فوق اشباع در سطوح كريستال، سرعت گسترش كريستال نمك را كاهش مي‌دهند و به این ترتیب هسته های اولیه کریستال هرگز به اندازه یا غلظت کافی برای ترسیب نمی­رسند.

    اكثر مواد بازدارنده، خاصیت معلق نگهدارندگی نیز دارند. خاصیت معلق نگهدارندگی با محاصره‌ ذرات معلق نمك، آهن يا مواد جامد آلي صورت گرفته و سبب دفع آنها توسط سایر آنیونهای موجود در محلول می­شود. این فرایند از تجمع ذرات و تشکیل ذرات بزرگتر که احتمال ترسیب آنها وجود دارد، جلوگیری می­نماید.

    بازدارنده‌هاي رسوب فقط در كاهش فرآيند تشكيل رسوب يا كاهش فرآيند و تراكم ذرات رسوب مؤثرند و فرآیند ترسیب را بطور کامل متوقف نمی­سازند. البته در یک سيستم RO کافی است تا مواد بازدارنده از تشکیل رسوب تا هنگام خروج جریان غلیظ از سیستم بخوبی عمل کند.

انواع مواد بازدارنده رسوب

آنتی اسکالانت پایه فسفوناته (فرمول شیمیایی آنتی اسکالانت)

اغلب آنتی اسکالانت ها دارای ساختار مولکولی با گروههای عاملی شامل اسيد كربوكسيليك (-COOH) یا فسفات هستند. مولكول‌هاي پلي آكريل با وزن مولکولی پایین (جرم مولكولي بين۵۰۰۰-۱۰۰) شامل چندين گروه عامل اسيد كربوكسيليك هستند و به طور مشترك در بسياري از بازدارنده‌ها مورد استفاده قرار مي‌گيرند. اين بازدارنده‌ها در جلوگيري از تشكيل سولفات و كربنات جزء بهترين‌ها هستند، اما خاصيت پراكنده‌سازي آنها محدود است.

آنتی اسکالانت هگزا متا فسفات سديم (SHMP)، يكي از موادي است كه به عنوان بازدارنده انتخاب مي‌شود، زيرا علاوه بر نقش بازدارندگي خوب، ارزان قيمت نیز می­باشد. از جمله معایب اين ماده، ناپايداري و نیز انحلال دشوار آن در آب مي باشد. در حقيقت اگر SHMP هر سه روز مجدداً به هم زده نشود، هگزا متا فسفات، به فسفات هيدروليز مي‌شود كه در PH خنثي با كلسيم تركيب شده و فسفات تشكيل مي‌‌دهد. اين نمك مي‌تواند موجب گرفتگي غشاء سيستم شود. استفاده از هگزا متا فسفات به عنوان يك بازدارنده‌ رسوب براي سيستم‌هاي RO به دليل وابستگي زياد آن به مصرف صحيح، عموميت پيدا نكرده است.

ضد رسوبات ارگانو فسفونات ها در مقايسه با سديم هگزا متا فسفات پايدارتر هستند. خواص بازدارندگي و پراكنده‌سازي اين ماده شبيه به سديم هگزا متا فسفات است. اما بر خلاف سديم هگزا متا فسفات، اين ماده پايدار است.

پلي آكريل با جرم مولكولي سنگين (جرم مولكولي بين ۶۰۰۰ تا ۲۵۰۰۰) در پراكنده ‌سازي بهترين اثر را دارد، اما به اندازه‌ي آكريل هاي سبك در بازدارندگي رسوب مؤثر نيستند.

همانطور که پیش از این گفته شد، کاربرد بازدارنده‌هاي تركيبي، نتايج بهتري را نسبت به بازدارنده‌هاي تك مولكولي از خود نشان مي‌دهند. در صورت استفاده از يك بازدارنده‌ تك مولكولي، احتمال بيشتري وجود دارد كه تزريق بيش از حد بازدارنده موجب شود كه خود بازدارنده به صورت كاتيون چند ظرفيتي از محلول خارج شود. با تركيب توليدات و استفاده از بازدارنده چند مولكولي، ساير بازدارنده‌ها مي‌توانند در جلوگيري از رسوب‌دهي اولين بازدارنده مؤثر باشند. همچنين به غلظت كمتري از هر يك از اجزاي مستقل بازدارنده‌ها نياز خواهد بود.

بعضی انواع بازدارنده‌هاي تركيبي، شامل پلي آكريل با جرم مولكولي سبك وسنگين هستند تا از قدرت كافي براي باز دارندگي و پراكنده‌ سازي برخوردار باشند. به علاوه ساير بازدارنده‌ها، تركيبي از ارگانوفسفات اكريلات با جرم مولكولي سبكتر هستند كه علاوه بر متفرق نمودن خوب، خصوصيات يك بازدارنده را دارا مي‌باشند.

بعضي اوقات، فعاليت بيولوژيكي در تانك بازدارنده رسوب مي‌تواند موجب ايجاد مشكل شود. رشد بيولوژيكي مي‌تواند موجب انسداد مسير خوراك پمپ تزريق شده و در نتيجه جريان بازدارنده‌ متوقف شود. معمولاً مواد بازدارنده یا معلق نگهدارنده حاوی مقداری مواد بایوساید نیز می باشند. اما باید در زمان رقیق سازی این محلولها در تانکهای مصرف روزانه دقت کافی مبذول گردد تا غلظت این مواد بایوساید در محلول رقیق از حداقل مقدار موثر کمتر نشود. این مقدار معمولاً از سوی سازندگان قید می شود. با توجه به اینکه مواد بازدارنده فرایند ترسیب را کند نه متوقف می¬نمایند، لذا نباید سیستم برای مدت طولانی در حالت فوق اشباع از نمکها، خارج از سرویس باقی بماند. معمولاً یک شیر اتوماتیک برقی بطور موازی با جریان دفعی نصب می¬شود تا درست قبل از سرویس و خارج شدن سیستم باز شده و از نمکهای فوق اشباع تخلیه گردد.

در برخی موارد از یک تانک برای تزریق دو یا چند ماده شیمیایی در زمانهای مختلف استفاده می شود. در این صورت باید دقت کافی معطوف به عدم اختلاط مواد با یکدیگر گردد تا لطمه ای به کارایی آنها و سیستم وارد نشود.

آنتی اسکالانت پایه پلیمر

مزایای آنتی اسکالانت های پلیمری:

  • غلظت بالایی دارند.
  • اجازه رسوب گذاری به هیچ نوع رسوب کربناتی و فسفاتی را نمی دهد.
  • جهت طیف وسیعی از آب ها از جمله آب دریا، آب شور چاه ها، آب های سخت شیرین، آب های با سختی زیر ۱۰۰۰ ppm  استفاده می گردند.
  • به علت قدرت بالای کیلیت کنندگی (chelating agent) عملکرد بهتری از خود نشان می دهد.
  • با نرخ خوردگی بسیار پایین تر (ضدخوردگی).
  • غیرسمی بوده و مشکلات پوستی و تنفسی جهت انسان ندارند.
  • عملکرد خوب پراکنده کنندگی (dispersant) در برابر رسوبات کربناتی و سولفاتی دارند.
  • نیاز به شستشوی ممبراین را در فاصله زمانی طولانی تری فراهم می کنند.

احتمال تشکیل جلبک و آلاینده های زیستی را به مقدار زیادی کاهش می دهند.

اشکال مختلف استفاده از ضد رسوب

فسفونات ها ، پلیمرها و مشتقات اینولین، دیسپرسانت های خیلی موثری هستند که از فولینگ جلوگیری می کنند . تولید بخار در بویلرها اغلب نیازمند سطح بالایی از تصفیه آب و نگهداری سیستم های آن ها می باشد. در دماهای بالای درون بویلرها، ایجاد  رسوب می تواند به عنوان مشکلی جدی مطرح شود که سبب گرم تر شدن بیشتر لوله ها و افزایش پتانسیل شکستن شان گردد . آنتی اسکالانت های فسفوناته و پلیمری می توانند درون بویلرها به دو شکل استفاده شوند:

الف- آنتی اسکالانت های فسفونات ها و پلیمری می توانند به جای تشکیل ترکیب سخت و چسبنده کربنات کلسیم، تشکیل فسفات کلسیم دهند که چسبندگی کمتری داشته و پراکنده است.

ب- آنتی اسکالانت های فسفوناته و پلیمری می توانند در فرایندھای تکمیلی جلوگیری از رسوب کربنات کلسیم، با کاهش مقدار کی لیت، سبب کاهش میزان خورنده بودن این فرایند شوند.

به طور کلی میزان تزریق انواع مواد ضد رسوب آب بستگی به پارامترهایی متعددی مانند آنالیز آب، میزان دبی، دما، pH ، میزان ریکاوری سیستم، منبع آب، نوع ممبران و نحوه آرایش ممبران ها دارد. به طور معمول میزان تزریق آنتی اسکالانت هادر محدوده ١ الی ۶ ppm  می باشد. رابطه ذیل نحوه محاسبه میزان تزریق آنتی اسکالانت را بیان می کند:

نحوه محاسبه میزان تزریق ضد رسوب

معايب استقاده از آنتي اسکالانت نا مرغوب

  • کاهش ظرفيت توليد
  • بالا رفتن ميزان نمک هاي محلول در آب توليد TDS خروجي توليد
  • افزايش فشار بر پمپ هاي طبقاتي و کاهش طول عمر پمپ و افزايش برق مصرفي ناشي از بالا رفتن ميزان آمپر
  • تعدد شستشوي ممبران ناشي از گرفتگي و کاهش طول عمر در ممبران ها و تعويض زود هنگام ممبران ها