Kesan Kemasinan Air Suapan terhadap Sistem Osmosis Songsang

Kemasinan air suapan, biasanya dinyatakan sebagai jumlah pepejal terlarut (TDS), ialah jumlah kepekatan semua garam tak organik (seperti natrium, kalsium, magnesium, klorida, sulfat, dll.) di dalam air. Ia merupakan salah satu parameter paling kritikal dalam reka bentuk, operasi dan kecekapan ekonomi sesebuah Osmosis Songsang sistem, dan kesannya adalah menyeluruh dan saling berkaitan.

1. Kesan Langsung terhadap Tekanan Osmotik dan Tekanan Operasi

Intipati proses RO adalah untuk mengatasi tekanan osmotik semula jadi air, memaksa molekul air melalui membran separa telap, sementara garam dikekalkan. Menurut persamaan van der Hoff, tekanan osmotik larutan adalah berkadar terus dengan kepekatan molarnya (berkaitan langsung dengan TDS).

Tekanan osmotik ≈ 0.8 bar / (1000 mg/L TDS). Ini adalah formula empirikal yang dipermudahkan, tetapi ia sangat intuitif. Jika TDS air suapan ialah 1000 mg/L, tekanan osmotik teorinya ialah kira-kira 0.8 bar. Jika TDS air suapan meningkat kepada 5000 mg/L (seperti air payau), tekanan osmotik teorinya meningkat kepada kira-kira 4 bar. Bagi air laut, TDS ialah kira-kira 35,000 mg/L, dengan tekanan osmotik teori setinggi kira-kira 28 bar.

Untuk menjana daya penggerak meresap berkesan (tekanan penggerak bersih), tekanan operasi bagi Sistem Ro mestilah jauh lebih tinggi daripada tekanan osmosis. Oleh itu, bagi setiap peningkatan magnitud kemasinan air suapan, tekanan operasi yang diperlukan meningkat hampir secara linear. RO penyahgaraman air laut biasanya beroperasi pada 55-80 bar, manakala RO air payau biasa hanya beroperasi pada 10-25 bar. Ini menunjukkan penggunaan kuasa yang lebih tinggi dan keperluan yang lebih tinggi untuk peralatan dan bahan.

2. Kesan terhadap Kadar Penyahgaraman Sistem

Kadar penolakan membran RO untuk ion yang berbeza adalah agak stabil. Walau bagaimanapun, perubahan dalam kemasinan air suapan mempengaruhi prestasi penyahgaraman sistem pada dua tahap.

Penurunan Kadar Penyahgaraman Ketara: Kadar penyahgaraman dikira sebagai (1 - kemasinan meresap / kemasinan air suapan) * 100%. Dengan mengandaikan kebolehtelapan garam mutlak yang malar (jumlah garam yang melaluinya setiap unit masa), apabila kemasinan air suapan meningkat dengan mendadak, walaupun sifat fizikal membran kekal tidak berubah, "kadar penyahgaraman" yang dikira akan berkurangan.

Lebih penting lagi, kemasinan yang tinggi bermakna kecerunan kepekatan garam yang lebih besar merentasi membran, yang meningkatkan daya penggerak untuk resapan garam dari permukaan membran ke bahagian permeat (memburukkan lagi polarisasi kepekatan), sekali gus membawa kepada peningkatan dalam fluks garam sebenar. Pada kemasinan yang sangat tinggi, kadar penyahgaraman membran sememangnya menunjukkan penurunan yang ketara.

3. Kesan ke atas Permeate dan Pemulihan

Pada tekanan operasi tetap, tekanan pemacu bersih = tekanan operasi - tekanan osmosis. Seperti yang dinyatakan di atas, kemasinan yang tinggi membawa kepada tekanan osmosis yang tinggi, sekali gus mengurangkan tekanan pemacu bersih secara langsung.

Aliran meresap adalah berkadar terus dengan tekanan pemacu bersih. Jika tekanan operasi kekal malar, peningkatan TDS suapan daripada 1000 mg/L kepada 5000 mg/L boleh menyebabkan penurunan tekanan pemacu bersih sebanyak 3-4 bar, mengakibatkan penurunan aliran meresap sebanyak 20%-30% atau lebih.

Apabila kadar pemulihan sistem (meresap/suapan) meningkat, kemasinan suapan di hujung elemen membran akan tertumpu secara eksponen. Untuk mengelakkan lonjakan tekanan osmosis dan risiko penskalaan disebabkan oleh TDS yang terlalu tinggi di hujung sistem air suapan, sistem air suapan bermasinan tinggi mesti menggunakan kadar pemulihan yang lebih konservatif.

Kadar pemulihan RO air perbandaran biasa boleh mencapai 75%. Kadar pemulihan RO air payau tinggi biasanya direka bentuk pada 60%-70%. Kadar pemulihan RO air laut selanjutnya dihadkan kepada 40%-50%. Kadar pemulihan yang rendah bermakna lebih banyak pelepasan pekat dan penggunaan air yang lebih rendah.

4. Peningkatan Kecenderungan Pengotoran Membran dan Penskalaan

Kemasinan yang tinggi itu sendiri tidak secara langsung menyebabkan pengotoran, tetapi ia mewujudkan persekitaran yang lebih mudah tercemar dan bersisik.

Peningkatan Polarisasi Kepekatan: Apabila air TDS tinggi tertumpu pada permukaan membran, kepekatan garam dan bahan cemar lain (seperti silikat, sulfat dan bahan organik) adalah jauh lebih tinggi berbanding aliran air pukal. Ini meningkatkan risiko garam yang sedikit larut (seperti CaSO₄, CaCO₃, BaSO₄) dengan ketara melebihi hasil darab keterlarutannya dan termendak keluar, yang membawa kepada penskalaan.

Degradasi kestabilan koloid: Kekuatan ionik yang tinggi memampatkan lapisan berganda elektrik zarah koloid, mengganggu kestabilannya dan menjadikannya lebih mudah termendap pada permukaan membran, membentuk pengotoran koloid.

Pembersihan yang sukar: Sebaik sahaja pengotoran berlaku dalam persekitaran yang tinggi garam, lapisan pengotoran biasanya lebih padat dan lebih sukar dibersihkan, lalu memendekkan jangka hayat membran.

5. Kesan tegas terhadap penggunaan tenaga dan ekonomi

Kesan keseluruhan akhirnya tercermin dalam kos operasi. Dalam sistem osmosis songsang, tenaga elektrik digunakan terutamanya oleh pam suapan. Tekanan operasi secara amnya berkadar terus dengan penggunaan tenaga.

Penyahgaraman 1000 mg/L air payau kepada isipadu permeat yang sama hanya boleh menggunakan 0.8-1.2 kWh/m³. Walau bagaimanapun, penyahgaraman 35000 mg/L air laut biasanya menggunakan 2.5-4.0 kWh/m³, 3-4 kali ganda lebih banyak.

Penggunaan tenaga yang tinggi merupakan sebab utama mengapa penyahgaraman air laut jauh lebih mahal berbanding penyahgaraman air payau. Di samping itu, operasi tekanan tinggi memerlukan lebih banyak bahan pam, saluran paip dan selongsong diafragma, yang turut meningkatkan pelaburan awal.