Das Leben einer Umkehrosmosemembran, Teil 1

Neue Membranelemente ermöglichen den optimalen Betrieb eines Umkehrosmosesystems (RO-Systems) mit der höchsten Entfernung gelöster Salze (auch als Salzabweisung bekannt) und der größten Produktion von Permeationswasser bei den Auslegungsdrücken. Mit der Zeit werden diese Leistungsmerkmale so weit nachlassen, dass ein Austausch der RO-Membranelemente erforderlich werden kann. Da viele Anlagen auf die Umkehrosmose angewiesen sind, um ihren Bedarf an gereinigtem Wasser zu decken, kann es für den Betrieb der Anlage entscheidend sein, vorherzusehen, wann die Membranen ausgetauscht werden müssen.

Die Membranhersteller verlängern ihre Membrangarantie in der Regel anteilig auf drei Jahre, obwohl es selten vorkommt, dass eine Membran herstellungsbedingt ausfällt. Möglicherweise im Zusammenhang mit der Länge der Herstellergarantie ist eine Lebensdauer von drei Jahren zu einer allgemeinen Erwartung für den Membranaustausch geworden.

Es ist zu beachten, dass es sich bei einem RO-Membranelement nicht um einen Filter handelt, d. Es stimmt zwar, dass die RO-Membran nicht ewig hält, es gibt jedoch Fälle, in denen die Membranen mehr als 10 Jahre lang in Betrieb waren, ohne dass es zu wesentlichen und dauerhaften Leistungseinbußen kam.

Eine RO-Membran funktioniert nicht wie ein Filter. Das gesamte einströmende Wasser wird nicht durch die Membranfolie gedrückt, so dass die suspendierten Feststoffe immer als Partikel an der Oberfläche zurückbleiben. Bei einem gut konzipierten RO-System passiert der Großteil der Schwebstoffe im Einlasswasser die Membranelemente und verlässt das System mit seinem Konzentratstrom. Dies kann überprüft werden, indem die suspendierten Feststoffe im Konzentratstrom relativ zu ihrer Konzentration im Einlassstrom gemessen werden und festgestellt wird, wie ihre erhöhte Konzentration mit dem Konzentrationsfaktorverhältnis des Einlassstroms dividiert durch die Durchflussrate des Konzentratstroms korreliert.

Ein gut konzipiertes RO-System ist eines, dessen Vorbehandlungsausrüstung große Partikel entfernt und die Konzentration kleinerer Partikel ausreichend reduziert, um die RO-Fouling-Rate moderat niedrig zu halten. Es ist möglicherweise nicht wirtschaftlich, RO-Fouling zu beseitigen, indem das Wassersystem mit umfangreicher vorgeschalteter Filterausrüstung und einer niedrigen RO-Permeatflussrate ausgestattet wird. Bei einer hohen Konzentration an Schwebstoffen im Rohwasser ist es jedoch meist sinnvoll, zumindest einen Multimediafilter in die Vorbehandlung einzubeziehen. Es kann möglich sein, den Einbau eines Membranfiltrationssystems wie eines Mikrofiltrations- oder Ultrafiltrationssystems vor der RO zu rechtfertigen, das dann eine erhöhte RO-Permeatflussrate ermöglicht und dennoch die RO-Fouling-Rate reduziert. Um seine Leistung aufrechtzuerhalten, muss der Umkehrosmose dann nur selten mit chemischen Reinigungen gereinigt werden.

Einige der suspendierten Feststoffe können biologischer Natur sein, ihren Ursprung in der Wasserquelle haben oder im Wasservorbehandlungssystem selbst entstehen. Wenn die Bioaktivität in den Rohrleitungen und Aufbereitungskomponenten vor der Umkehrosmose nicht kontrolliert wird, kann die Umkehrosmose-Vorbehandlung zur Quelle biologischer Verschmutzungspartikel werden. Diese biologischen Partikel neigen oft dazu, sich an die RO-Membran zu binden, was es selbst bei einer geringen Permeationsrate schwierig machen kann, zu verhindern, dass sie die Membranen verschmutzen. Es kann erforderlich sein, eine Methode zur Kontrolle dieser Aktivität anzuwenden, beispielsweise durch häufige Schockbehandlungen mit Bioziden oder Desinfektionen an der Quelle dieser Biopartikel.

Eine gängige Methode zur Überwachung dieser Vorbehandlungswirksamkeit ist der Schlammdichteindex (SDI). Der SDI-Wert im Umkehrosmose-Einlasswasser korreliert oft mit der erforderlichen Umkehrosmose-Reinigungshäufigkeit. Ein übliches SDI-Ziel liegt bei weniger als fünf, was dazu führt, dass weniger als fünf Mal pro Jahr eine RO-Reinigung erforderlich ist.

Diese Korrelation mit SDI tritt jedoch nur dann auf, wenn die RO mit mäßig niedrigen Permeationsraten im gesamten System ausgelegt ist. Der kritischste Bereich des RO-Systems, in dem es am wahrscheinlichsten zu einer Verschmutzung durch suspendierte Feststoffe kommt, ist dort, wo das Wasser zuerst in die RO-Membranen eintritt, da hier die Wasserpermeationsrate am höchsten ist. Wenn das Speisewasser über die Membranoberfläche und durch die Membranelemente fließt, sinkt der Membrandruck.

Die Wahl der RO-Membran kann sich auf diese Verschmutzungsrate auswirken. Wenn Niedrigenergiemembranen mit einer warmen Wasserquelle mit niedrigem Salzgehalt verwendet werden, kann es unmöglich sein, zu verhindern, dass die Membranelemente am Einlassende viel schneller Wasser durchdringen als die Elemente am Konzentratende des Umkehrosmosesystems. Beispielsweise kann der Membranzufuhrdruck nur 80 Pfund pro Quadratzoll (psi) betragen. Wenn es also zu einem Druckverlust von 40 psi kommt, während das Wasser auf seinem Weg durch die RO-Membranen zum Konzentrataustrittsstrom fließt, wird das Konzentrat- Der Endmembrandruck darf nur 40 psi betragen und die Membranelemente am Konzentratende erzeugen weniger als die Hälfte der Permeatflussrate der Membranelemente am Vorderende.1

Es sind RO-Membranen mit geringem Fouling erhältlich, die widerstandsfähiger gegen die anfängliche Anhaftung von Fouling-Partikeln an der Membranoberfläche sind. Dies kann die anfängliche Verschmutzung der RO-Membranen verzögern und sollte bei vielen Verschmutzungsanwendungen in Betracht gezogen werden.2 Auch bei Verschmutzungsanwendungen sollte das ausgewählte Membranmodell ein 34-mil (Tausendstel Zoll) großes Abstandsmaterial zwischen Zuführung und Konzentrat verwenden , das weniger dazu neigt, seine Strömungskanäle durch größere Partikel zu verstopfen, und sich besser reinigen lässt.3

Auch wenn die Vorbehandlung oder das RO-Design nicht ideal ist, ist die Reinigung des RO, bevor sich die verschmutzenden Feststoffe übermäßig stabilisieren, eine weitere Methode, um die Lebensdauer der Membran auf unbestimmte Zeit zu verlängern. Selbst häufiges Reinigen beschädigt die Membran nicht, wenn keine aggressiven Reinigungsmittel verwendet werden müssen, um die ursprüngliche RO-Leistung vollständig wiederherzustellen.

Bei einer hohen RO-Verschmutzungsrate besteht ein häufiger Fehler darin, zu lange mit der Reinigung zu warten. Wenn die verschmutzenden Feststoffe zu stark gegen die Membran gedrückt werden, reagieren sie weniger gut auf die Reinigungslösung. Da die ursprüngliche Membranleistung nicht vollständig wiederhergestellt werden kann, bleiben verschmutzende Feststoffe zurück. Nach der Wiederinbetriebnahme der Umkehrosmose führen diese verbleibenden Feststoffe oft dazu, dass die Membranen eine erhöhte Fouling-Rate erfahren, weil die Strömungskanäle verstopft sind oder möglicherweise weil die suspendierten Feststoffe eine größere Anziehungskraft auf die verdichteten Fouling-Feststoffe ausüben, die die Oberfläche des Membranpolymers bedecken.

Wenn das Fouling stärker wird, behindern die Fouling-Feststoffe die Fähigkeit gelöster Salze, von der Membranoberfläche zurückzudiffundieren, was zu einem erhöhten Salzdurchgang in den Permeatstrom führt. Eine schlechte Salzabweisung oder eine geringe Permeatproduktion können dann dazu führen, dass die Membranelemente ausgetauscht werden müssen. Wenn starke Verschmutzung einen ausreichenden Teil der Membranströmungskanäle verstopft, kann dies zu einer hohen Druckdifferenz zwischen Zufuhr und Konzentrat (mehr als 60 psi Differenz) an den Membranelementen führen, die ausreichen kann, um die Elemente am Konzentratende zu zerdrücken.

Bei Wasser mit niedrigem Salzgehalt ist die Wasserpermeationsrate ungefähr proportional zum Membrandruck.

„Verbessern Sie die Leistung des RO-Systems und senken Sie die Betriebskosten mit FilmTec-Fouling-resistenten (FR) Elementen“, JA Redondo, Desalination, November 1999, S. 249-259

„Auswirkung der Dicke der Futterabstandshalter auf das Verschmutzungsverhalten im Umkehrosmoseprozess – Eine Pilotstudie.“ Hyung-Gyu Park et al., Desalination, Februar 2016, S. 155–163

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.