Das Leben einer Umkehrosmosemembran, Teil 2

Teil 1 wurde in der Mai-Ausgabe 2023 von Pumps & Systems veröffentlicht.

Hersteller von Umkehrosmosemembranen (RO) geben Richtlinien für die Durchführung einer Reinigung an, die auf der normalisierten Permeatdurchflussrate (die Permeatdurchflussrate korrigiert um Druckänderungen, Salzkonzentration und Wassertemperatur) und der normalisierten Druckdifferenz (dem Membraneinlass) basieren -Druckdifferenz zum Konzentrat, korrigiert um Änderungen der Durchflussrate und der Wassertemperatur).

Sie sind sich im Allgemeinen einig, dass die Umkehrosmose gereinigt werden sollte, wenn die normalisierte Permeatdurchflussrate um 15 % von ihrem sauberen Grundlinienwert abfällt oder wenn die normalisierte Druckdifferenz um 25 % von ihrem Grundlinienwert ansteigt. Da die Fähigkeit, die ursprüngliche RO-Leistung vollständig wiederherzustellen, von der Art der verschmutzenden Feststoffe und anderen Variablen beeinflusst wird, handelt es sich hierbei nur um Richtlinien, sie dienen jedoch als konservative Art und Weise, das RO-System zu betreiben, die die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass die Leistung bei normalem Betrieb vollständig wiederhergestellt wird Reinigungsverfahren mit den meisten Arten von verschmutzenden Feststoffen.

Viele Membranhersteller und RO-Systemhersteller bieten Tabellenkalkulationsprogramme an, die bei der Durchführung dieser Berechnungen helfen. Möglicherweise können Sie diese Variablen auch grafisch darstellen, was einen hervorragenden Einblick in den Zustand der RO-Membranen sowie in die Frage gibt, ob aufgrund angesammelter Verschmutzungen eine Reinigung eingeplant werden sollte. Einige dieser Unternehmen bieten Online-Überwachungs- und Diagrammprogramme zur Trenddarstellung der RO-Leistung über längere Zeiträume an.

Wenn nach den Reinigungen weiterhin ein rückläufiger Trend bei der normalisierten Permeatdurchflussrate oder bei der prozentualen Rückhaltung gelöster Salze (normalerweise anhand der Wasserleitfähigkeit gemessen) oder ein zunehmender Trend bei der normalisierten Druckdifferenz zu beobachten ist, leiden die Membranen unter einem Verfall Gesundheit und eine andere Vorgehensweise sollte in Betracht gezogen werden.

Ineffektive Vor-Ort-Reinigungen können beispielsweise auf unzureichende RO-Ausfallzeiten oder chemische Beschränkungen der Anlage zurückzuführen sein. Dann sollte über eine externe Reinigung durch einen Dritten nachgedacht werden. Wenn auch die Reinigung außerhalb des Standorts die ursprüngliche Leistung bestimmter Membranelemente nicht wiederherstellt, sollten Pläne für den Austausch der leistungsschwachen Membranen erstellt werden.

In vielen Fällen kann der Membranersatz chirurgisch erfolgen. Bei dauerhafter Verschmutzung ist es möglich, dass die Reinigung nur bei den am stärksten verschmutzten Membranen, wie z. B. den Membranen am Einlassende, wirkungslos war und nur diese ausgetauscht werden müssen.

Wenn die Bildung von Ablagerungen zu einem Anstieg der Druckdifferenz in der letzten RO-Stufe führt, der durch die Reinigung nicht wiederhergestellt werden kann, müssen nur die Membranelemente am Konzentratende ausgetauscht werden, um die ursprüngliche Leistung wiederherzustellen.

Es kann schnell zur Bildung von Ablagerungen kommen, wenn die Mittel zur Verhinderung dieser Ablagerungen fehlerhaft sind oder wenn sich die Wasserbedingungen ändern. Zu den häufigsten Ursachen gehören der Ausfall einer chemischen Einspritzpumpe oder eine schlechte Regeneration eines vorgeschalteten Enthärters. Viele Arten von Ablagerungen führen zu einem Anstieg der Druckdifferenz in der letzten Stufe. Eine saure Reinigung vor Ort ist oft erfolgreich, wenn die Ablagerungen hauptsächlich aus Kalziumkarbonat bestehen, was deutlich wird, wenn die Permeatleitfähigkeit der betroffenen Membrangefäße deutlich ansteigt. Sulfat- und Silikatablagerungen sind weitaus weniger löslich als Carbonate, und ihr Vorhandensein kann dazu führen, dass die Membranen am Konzentratende ausgetauscht werden müssen.

Die Polyamid-Dünnschichtmembran, die üblicherweise für die Umkehrosmose verwendet wird, verträgt viele aggressive Chemikalien, weist jedoch nur eine minimale Toleranz gegenüber der Anwesenheit starker chemischer Oxidationsmittel im Speisewasser auf – das häufigste Problem ist freies Chlor. Selbst Konzentrationen von nur 0,05 Milligramm pro Liter (mg/L) freiem Chlor schädigen das Membranpolymer mit der Zeit. Dieser oxidative Schaden ist kumulativ, da jede Einwirkung zu einem weiteren Bruch der Polymerverbindungen führt, da sich Chloratome im Polymer anlagern. Eine zunehmende normalisierte Permeatflussrate, gefolgt von einer abnehmenden Salzrückhaltung, bedeutet normalerweise, dass eine Membranoxidation stattgefunden hat.

Ozon ist ein weiteres besorgniserregendes Oxidationsmittel, wenn es in das Umkehrosmose-Speisewasser gelangt. Selbst Spurenkonzentrationen reagieren schnell mit der Membran. Doch während die Membranen am Einlassende schnell zerstört werden und ausgetauscht werden müssen, wird das Ozon vollständig erschöpft sein, bevor es die Membranen am Konzentratende erreicht.

Da freies Chlor weniger aggressiv ist, ist der Abbau der RO-Membranen im gesamten RO-System tendenziell gleichmäßiger und alle RO-Membranen müssen ausgetauscht werden, wenn das Problem nicht schnell behoben wird. Membranen am Einlassende können aufgrund einer geringen Konzentration an freiem Chlor oder Chloraminen anfälliger für Oxidation sein, wenn sich Eisen oder andere Übergangsmetalle im Einlasswasser befinden, die dazu neigen, sich in diesen Membranen abzulagern und die Oxidation zu katalysieren.

Wenn im RO-Einlasswasser keine nennenswerten Metalle vorhanden sind, kann es möglich sein, eine angemessene Membranlebensdauer zu erreichen, selbst wenn Chloramine im RO-Einlasswasser vorhanden sein dürfen. Abhängig vom pH-Wert des Wassers können Chloramine stabil und nur minimal oxidativ für die Membran sein. Sofern nicht bereits in der Wasserquelle vorhanden, können dem Umkehrosmose-Einlasswasser zur biologischen Kontrolle Chloramine zugesetzt werden. Bei Wasser mit einem hohen Potenzial für biologische Aktivität verhindert die Zugabe von Chloraminen eine hohe RO-Fouling-Rate, die andernfalls dazu führen könnte, dass häufige RO-Reinigungen erforderlich werden.

Eine übliche Methode zum Abbau des Chlors im Umkehrosmose-Einlasswasser besteht darin, ein chemisches Reduktionsmittel wie Natriumbisulfit einzupumpen. Ein Ausfall der Einspritzpumpe oder einfach ein Mangel an Bisulfitlösung kann innerhalb weniger Stunden zu erheblichen Verlusten der Umkehrosmoseleistung führen, wenn er nicht früher erkannt und behoben wird. Eine unvollständige Durchmischung des Bisulfits im Einlassstrom oder eine nicht ordnungsgemäße Einstellung der Pumpeneinspritzrate für die einströmende Chlorkonzentration kann über einen längeren Zeitraum zu akkumulierten Leistungsverlusten führen.

Bedenken hinsichtlich einer Chlorschädigung können dazu führen, dass das Betriebspersonal dazu neigt, die Bisulfit-Einspritzpumpe auf eine übermäßig hohe Einspritzkonzentration einzustellen, um sicherzustellen, dass das Chlor vollständig abgebaut wird. Eine Überinjektion ist wahrscheinlich, wenn das Kontrollziel für die Einstellung der Bisulfit-Injektionspumpe darauf basiert, ein analytisches Ergebnis von 0,00 freiem Chlor zu erreichen, insbesondere angesichts der Tatsache, dass die beste analytische Empfindlichkeit für viele dieser Testmethoden bei 0,02 mg/l liegt. Die gezielte Messung eines niedrigen Oxidations-Reduktions-Potenzials (ORP) für die Einspritzeinstellung kann ebenfalls zu einer Übereinspritzung führen, da eine erhöhte Bisulfit-Einspritzung den pH-Wert des Speisewassers senken kann und zu einem Anstieg des ORP-Werts führt. Die beste Vorgehensweise wäre, die Bisulfit-Injektion auf der Grundlage eines Sulfit-Restgehalts einzustellen, das eine vollständige Bisulfit-Zerstörung ohne unnötigen Überschuss gewährleistet. Wenn die Konzentration des eingehenden Chlors sowie die Konzentration der Natriumbisulfitlösung konsistent sind, kann es sicher sein, eine angestrebte Natriumbisulfitkonzentration von 2 mg/L für den Rest aufrechtzuerhalten1, ohne dass die Gefahr besteht, dass diese Bisulfitkonzentration jemals auf Null sinkt.

Eine übermäßige Injektion von Natriumbisulfit kann zu einer Verringerung der Konzentration an gelöstem Sauerstoff im Umkehrosmosewasser führen, was wiederum dazu führt, dass das Wasser ein starkes Wachstum schleimbildender Bakterienarten begünstigt, die das Umkehrosmosesystem schnell mit stabilen biologischen Substanzen verunreinigen können Materialien, die mit chemischer Reinigung nur schwer zu entfernen sind. Biologisches Fouling ist eines der häufigsten Fouling-Probleme, das die Lebensdauer von Membranen verkürzen kann. Wenn sich die Quelle der biologischen Materialien vor der Umkehrosmose befindet, sind die Membranelemente am Einlassende am stärksten betroffen und müssen möglicherweise ausgetauscht werden.

Wenn es zu einem Rückgang der RO-Salzrückhaltung kommt, kann der Anstieg der Permeatleitfähigkeit häufig auf eine bestimmte Stelle innerhalb des RO-Systems beschränkt werden, indem zunächst die Leitfähigkeit des Permeatwassers aus jedem Druckbehälter gemessen wird – eine Methode, die als Profilierung bezeichnet wird. Wenn die Permeatleitfähigkeit eines einzelnen Behälters hoch ist, liegt das Problem möglicherweise an einem beschädigten O-Ring.

Durch die Untersuchung der minderwertigen Gefäße können die Bereiche weiter isoliert werden, in denen übermäßig viel Salz in den Permeatstrom gelangt. Dabei werden Schläuche in die Permeatverbindungen innerhalb des Druckbehälters eingeführt, um Wasser vom Massenstrom wegzuleiten und die Wasserleitfähigkeit zu messen, die von bestimmten Stellen innerhalb des Behälters kommt. Durch die Prüfung des Permeatwassers, das aus unterschiedlichen Entfernungen innerhalb des verdächtigen Druckbehälters kommt, kann es möglich sein, das Problem auf eine bestimmte Verbindungsleitung oder ein bestimmtes Membranelement innerhalb dieses Behälters einzugrenzen. Der Austausch der O-Ringe der Verbindungsleitung oder eines fehlerhaften Membranelements kann dann ausreichen, um die ursprüngliche Leistung wiederherzustellen.

Der Versuch, die Lebensdauer der RO-Membran zu maximieren, ist für die meisten RO-Systeme ein vernünftiges Ziel. Dies lässt sich am einfachsten mit gut konzipierten RO-Systemen erreichen, die über eine angemessene Vorbehandlung verfügen, sodass sie mit einer überschaubaren Reinigungshäufigkeit betrieben werden können, die die ursprüngliche Leistung vollständig wiederherstellt. Mit einem RO-Überwachungsprogramm, das die Berechnung und Trenddarstellung der normalisierten Permeatdurchflussrate, des normalisierten Differenzdrucks und der Salzrückhaltung umfasst, lässt sich ermitteln, wann die Reinigung am besten ist. Um eine maximale Membranlebensdauer zu erreichen, muss die RO-Membran auch vor Oxidationsmitteln wie freiem Chlor geschützt werden, jedoch nicht durch übermäßige Injektion von Natriumbisulfit. Wenn schließlich ein Leistungsproblem auftritt, sollten dessen Auswirkungen auf die spezifischen Membranen beschränkt werden, die dafür verantwortlich sind, indem die Gefäßpermeatleitfähigkeiten profiliert und verdächtige Gefäße untersucht werden, damit die Membranen, die speziell für die schlechte Leistung verantwortlich sind, chirurgisch ersetzt werden können.

1. Das heißt, die Konzentration, nachdem das Natriumbisulfit vollständig mit dem Chlor im Wasser reagiert hat

Wes Byrne, ein Berater für Kurita America, verfügt über mehr als 43 Jahre Erfahrung in der Konstruktion, dem Betrieb und der Wartung von Umkehrosmosesystemen und ist der Autor von Reverse Osmosis, A Practical Guide for Industrial Users, 2. Auflage (Tall Oaks Publishing). Er hat mit Tausenden von RO-Systemen auf der ganzen Welt gearbeitet und Tausende von Betriebspersonal geschult.