역삼투(RO) 기술 안정적인 담수화 속도, 작은 설치 공간, 자동화, 확장성 등의 장점으로 인해 수처리 분야에 널리 사용됩니다. 그러나 스케일링은 막 작업 중 수처리 담당자에게 골치 아픈 문제입니다. 스케일링은 멤브레인 플럭스 감소, 에너지 소비 증가, 담수화 속도 감소, 멤브레인 수명 감소로 이어져 운영 비용이 증가할 수 있습니다. 따라서 멤브레인 스케일링을 방지하기 위한 조치를 취해야 합니다. 일반적인 스케일링 억제 방법에는 RO 공급수의 pH를 조정하는 것과 공급수에 스케일 억제제를 추가하는 두 가지 주요 접근법이 포함됩니다. 두 가지 방법을 함께 사용할 수도 있습니다. 이 기사에서는 스케일링 억제 메커니즘에 대해 논의하고 억제 방법을 선택하고 필요한 복용량을 계산하는 방법을 제공합니다.
1. 스케일 억제제 메커니즘
막 스케일링은 기음a기음O3, CaSO4, 비aSO4 및 Ca3(PO4)2와 같은 난용성 물질이 막 표면에 침전되는 것을 의미합니다. 이러한 물질이 RO 시스템에 집중되면 과포화 상태에 도달할 수 있습니다. 예를 들어 pH=7.5, 수온 25°C에서 칼슘 경도(CaCO3로 측정)가 200mg/L이고 총 알칼리도(CaCO3로 측정)가 150mg/L이면 CaCO3는 과포화 상태에 가까워집니다. 마찬가지로, pH=7.5 및 수온 25°C에서 바륨 이온 농도가 0.01mg/L에 불과하고 황산염 이온이 4.5mg/L일 때 비aSO4는 과포화되어 침전됩니다.
역삼투 스케일 억제제의 스케일링 억제 메커니즘은 주로 복합화, 분산, 격자 왜곡 및 임계값 효과를 포함합니다.
복합화 및 가용화: 스케일 억제제는 물에서 칼슘, 마그네슘, 바륨 이온과 같은 스케일링 양이온과 가용성 복합체를 형성하여 CaCO3, CaSO4, BaSO4 및 Ca3(PO4)2의 형성을 방지할 수 있습니다.
응고 및 분산: 스케일 억제제에 의해 방출된 음이온은 CaCO3 결정에 부착됩니다. 산업 폐수의 오염 물질은 일반적으로 전하가 서로 밀어내는 것처럼 음전하를 띠기 때문에 CaCO3 결정이 응집되어 더 큰 입자로 성장하는 것을 방지하는 정전기 반발력을 생성합니다. 결정은 용액에 균일하게 분산되어 CaCO3 스케일의 형성을 억제합니다.
격자 왜곡: CaCO3 미세 결정이 응집 및 성장하는 동안 스케일 억제제가 결정 격자 또는 결정 경계면에 통합되어 격자 왜곡을 유발합니다. 이는 결정 성장을 직접적으로 억제하거나 왜곡합니다. 예를 들어, CaCO3는 양전하를 띤 칼슘 이온과 음전하를 띤 중탄산 이온이 특정 방향으로 성장하여 형성됩니다. 개발 과정에서 스케일 억제제가 격자에 통합되어 결정 내 내부 응력이 증가합니다. 응력이 특정 임계값에 도달하면 결정이 파열되어 결정 형성이 방지됩니다.
임계값 효과: 스케일 억제제는 CaCO3, CaSO4, BaSO4, Ca3(PO4)2 미세 결정의 응집 및 정렬 과정을 방해하여 침전을 방지합니다.
2. 스케일링 억제 방법의 선택
역삼투(RO) 시스템의 스케일링 위험을 평가하는 데 사용되는 기본 지표는 LSI(랑젤리에 포화 지수)입니다. LSI < 0이면 물에 스케일이 생기는 경향이 없습니다(약간의 부식성은 있을 수 있음). LSI ≥ 0이면 물에 스케일링이 발생하기 쉽습니다. pH 조정 방법은 공급수의 pH를 낮추어 LSI를 0보다 큰 상태에서 0 미만으로 이동시켜 스케일링을 방지하는 방식입니다. 스케일 방지제를 첨가하면 LSI ≥ 0인 경우에도 물 속의 불용성 미세 결정이 성장, 응집, 생성될 수 없기 때문에 스케일링을 방지할 수 있습니다. 또는 침전. 이러한 억제의 주요 메커니즘은 위에서 설명한 네 가지입니다. 현재 국내 규모의 억제제 제품은 LSI = 3에서도 불용성 물질이 석출되지 않도록 보장할 수 있다. 해외 최고급 억제제는 LSI = 5에서도 침전이 없음을 보장할 수 있다. 그러나 국내 일부 업체에서 수입하는 억제제가 있기 때문에 구매 시 주의가 중요하다. 국제브랜드 억제제를 농축하여 다량의 물에 희석하여 LSI=5로 표기된 제품임에도 불구하고 실제 스케일링 억제 성능에 큰 차이가 발생합니다.
1. pH 조정 방법
적격한 투과수 생산을 보장하기 위해 RO 공급수 pH는 일반적으로 6~9 사이로 제어되며 일부 회사에서는 7.0~8.5와 같은 더 좁은 범위 내에서 보다 정교한 제어를 구현합니다. 공급수의 pH 수준이 극도로 낮거나 높으면 RO 투과물이 필요한 수질 기준을 충족하지 못할 수 있습니다. 따라서 스케일링 억제를 위한 pH 조정 방법은 RO 투과 pH가 원하는 범위 내에 있을 것이라고 가정합니다. pH 조정 방법은 주로 CaCO3 스케일링을 대상으로 하며 다른 유형의 스케일링 물질에는 효과가 없다는 점에 유의하는 것이 중요합니다.
2. 스케일 억제제 첨가 방법
앞서 언급했듯이 스케일 억제제를 추가하면 RO 멤브레인이 더 높은 LSI 값을 견딜 수 있습니다. 그러나 RO 스케일 억제제는 국내 제품의 가격이 0.008~0.012 RMB/g이고, 국제 최고 브랜드 농축 제품의 가격이 0.055~0.075 RMB/g으로 고가인 경향이 있어 운영 비용이 높습니다.
또한 시중에는 다양한 유형의 스케일 억제제가 있으며, 일부 제조업체는 입증되지 않은 새로운 개념을 지속적으로 홍보하여 스케일 억제제를 선택할 때 혼란을 야기합니다. 일반적으로 성숙한 상업용 스케일 억제제는 인 기반 스케일 억제제, 폴리머 기반 스케일 억제제 및 환경 친화적인 스케일 억제제의 세 가지 범주로 분류될 수 있습니다.
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인 기반 스케일 억제제: 여기에는 무기 인산염 억제제(예: 트리폴리인산나트륨 또는 헥사메타인산나트륨)와 유기 포스포네이트 억제제(예: 하이드록시에틸리덴 디포스폰산, 아미노-트리메틸렌포스폰산 및 포스폰산 유도체)가 포함됩니다. 무기 인산염 억제제는 장쇄 음이온을 함유하고 있으며 특히 고온에서 가수분해되기 쉽습니다. 가수분해되면 인산염이 형성되고, 이는 칼슘 이온과 반응하여 CaCO3보다 용해도 생성물이 낮은 스케일인 Ca3(PO4)2를 형성할 수 있습니다. 따라서 무기 인산염 억제제는 온도가 높거나 칼슘 이온 농도가 높은 물에는 적합하지 않습니다.
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유기 인산염 스케일 억제제: 이러한 억제제에는 일반적으로 C-O-P 결합이 특징인 유기 포스포네이트가 포함되어 있습니다. 고온 및 알칼리성 환경에 노출되면 유기 포스포네이트는 인산 에스테르 및 알코올로 가수분해되어 스케일링 억제 효율성을 크게 감소시킬 수 있습니다. 결과적으로 유기 포스포네이트는 온도가 높거나 pH 값이 높은 물에 사용하기에 적합하지 않습니다.
폴리머 기반 스케일 억제제는 크게 음이온성 폴리머 억제제와 양이온성 폴리머 억제제로 구분됩니다. 전자는 주로 금속이온 스케일링을 방지하는데 사용되고, 후자는 주로 실리카 스케일링을 억제하는데 사용됩니다. 고분자 기반 억제제의 주요 성분은 아크릴산과 말레산이며, 제제화 과정에서 다양한 관능기가 분자에 도입됩니다. 결과적으로 폴리머 스케일 억제제는 다양한 제형으로 제공됩니다. 이러한 억제제를 사용할 때는 수질 조건뿐만 아니라 존재하는 스케일의 유형도 고려하는 것이 중요합니다. 예를 들어, 카르복실기를 갖는 고분자 억제제는 칼슘 스케일링에 주로 사용되고, 설폰산 기반 고분자 억제제는 금속산화물 스케일링에 주로 사용되고, 아민계 고분자 억제제는 실리카 스케일링에 효과적이다. 따라서 폴리머 스케일 억제제는 광범위한 작용제가 아닙니다. 이는 광범위한 스펙트럼 억제제의 단점을 해결하도록 설계되었습니다. 또한 폴리머 기반 억제제의 주요 구성 요소는 폴리머이기 때문에 염소 및 기타 산화성 살생물제에 의한 산화에 취약하여 효과가 없을 수 있습니다. 따라서 이러한 억제제를 첨가하기 전에 먼저 환원제를 첨가하여 물 속의 잔류 염소를 중화시키는 것이 필요합니다.
환경 규모 억제제에는 일반적으로 폴리아스파르트산, 폴리에폭시숙신산 및 그 유도체와 같은 활성 성분이 포함되어 있습니다. 이러한 억제제는 주로 CaCO3, CaSO4 및 CaF2와 같은 칼슘 기반 스케일을 처리하는 데 사용됩니다. 이들 억제제의 장점은 상대적으로 높은 칼슘 이온 농도를 견딜 수 있다는 것입니다. 예를 들어, 칼슘 이온 농도가 500mg/L에 도달하더라도 칼슘 스케일링을 80% 이상 억제할 수 있습니다. 그러나 이러한 억제제는 더 많은 용량이 필요하고 물의 pH에 상당한 변화를 일으키며 40°C 미만의 온도에서는 효과가 떨어집니다. 역삼투막에 허용되는 최대 급수 온도는 35~40°C이므로 이러한 억제제는 일반적으로 역삼투 시스템에 사용하기에 적합하지 않지만 냉각수 시스템에 더 일반적으로 사용됩니다.
3. 복용량 계산
앞서 언급했듯이 물이 스케일링되기 쉬운지는 LSI(Langelier Sa티ura티ion Index) 값에 따라 달라집니다. 따라서 pH를 조정하기 위해 산을 투여하든, 역삼투압 막 스케일링을 방지하기 위해 스케일 억제제를 추가하든, 핵심은 물의 LSI를 제어하는 것입니다. LSI의 계산은 다음과 같습니다.
공식에서:
- pH 는 역삼투 농축액의 측정된 pH 값입니다.
- pH_s 포화 pH로 알려진 실제 수온에서 물의 탄산염 시스템에 해당하는 포화 pH 값입니다.
그만큼 pH 역삼투 농축액은 온라인 장비나 수동 측정을 통해 쉽게 얻을 수 있습니다. 따라서 LSI 계산의 핵심은 다음을 결정하는 것입니다. pH_s . 에 따르면 물 및 폐수 검사를 위한 표준 방법 , pH_s 다음 공식을 사용하여 계산할 수 있습니다.
공식에서:
- 에이 총 용존 고형물(T디S) 계수입니다.
- B 수온계수이다.
- C 칼슘 경도 계수입니다.
- 디 총 알칼리도 계수입니다.
계산 방법 에이 , B , C , 그리고 D 다음과 같습니다.
- TDS 역삼투 농축액의 총 용존 고형분 함량(mg/L)입니다.
- t 는 역삼투 농축액의 온도(°C)입니다.
- Cca 는 역삼투 농축액의 칼슘 경도로, CaCO3(mg/L)로 표시됩니다.
- C_총알칼리도 는 CaCO3로 표현되는 역삼투 농축액의 총 알칼리도(mg/L)입니다.
앞에서 언급한 예를 사용하면 pH = 7.5 , TDS = 2000mg/L , 온도 t = 25°C , 칼슘 경도 Cca = 200mg/L , 그리고 총 알칼리도 C_총 알칼리도 = 150mg/L , LSI를 계산하는 과정은 다음과 같습니다.
이는 이러한 조건에서 CaCO3가 거의 포화된다는 이전 설명과 일치합니다. 또한, 복용량 계산은 다음 세 가지 공식으로 표현될 수 있음을 확인할 수 있습니다.
구체적인 신청방법은 다음과 같습니다.
먼저 TDS, 온도를 측정합니다. t , 칼슘 경도 Cca 및 총 알칼리도 C_총알칼리도 역삼투 농축액. 그런 다음 공식을 사용하여 계산합니다. pH_s .
- 만약에 pH_s ≥ pH , 칼슘 스케일링을 방지하기 위해 추가 조정이나 스케일 억제제가 필요하지 않습니다.
- 만약에 pH_s < pH , 우리는 pH 조정 후 역삼투 공급수의 pH가 6.5 이하로 떨어지지 않도록 보장합니다(pH가 낮아지면 산성 역삼투 제품수가 생성될 수 있으므로). 이 경우 산을 첨가하여 pH를 조정할 수 있습니다. pH_s ≥ pH . 이는 다음 경우에만 적용됩니다. pH_s ≥ 6.5 . 만약에 pH_s < 6.5 , pH가 6.5 이하가 될 때까지 산으로 pH를 조정해야 하며, 이로 인해 역삼투 제품수가 산성화됩니다.
- 만약에 pH_s < 6.5 , 스케일 억제제를 추가해야 합니다.
앞서 언급했듯이 pH 조정을 위한 산 투여는 주로 목표를 목표로 한다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. CaCO3 스케일링은 다른 유형의 스케일링에는 효과적이지 않습니다. 기타 스케일링 물질의 경우 제어를 위해 스케일 억제제가 필요합니다.
pH 조정을 위한 산 투여의 경우 실제 측정된 pH를 통해 투여량을 조절할 수 있습니다. 스케일 억제제 투여량에 관해서는 국내외 학자들의 광범위한 연구 결과에 따르면 다음과 같습니다.
- 스케일억제제 투여량이 이하인 경우 2.5g/m3 , 억제 효율은 상대적으로 낮습니다.
- 복용량을 초과하는 경우 3.0g/m3 , 억제 효율이 더 이상 크게 향상되지 않습니다.
따라서 스케일 억제제의 최적 용량은 다음과 같습니다. 2.5-3.0g/m³ , 다음 차트에 표시된 것처럼.
요약하면, 역삼투막 스케일링을 방지할 때 먼저 이 기사에서 제공하는 공식을 사용하여 역삼투 농축액의 LSI를 계산하여 스케일링이 발생할 가능성이 있는지 평가해야 합니다. 둘째, Ca²⁺, Mg²⁺, HCO₃⁻, Ba²⁺, SiO2 등과 같은 지표를 테스트하여 확인할 수 있는 투과액의 주요 스케일링 물질을 분석해야 합니다. 이 분석을 통해 투과물에 포함된 주요 스케일링 물질을 분석해야 합니다. 산으로 pH를 조정하거나 스케일 억제제를 추가합니다. 스케일 억제제가 필요한 경우 사용할 억제제의 적절한 유형과 용량을 결정해야 합니다.
