Metode Penghambatan Penskalaan Reverse Osmosis dan Perhitungan Dosis

Teknologi osmosis balik (RO). banyak digunakan dalam pengolahan air karena kelebihannya, seperTi laju desalinasi yang sTabil, tapak yang kecil, otomatisasi, dan skalabilitas. Namun, kerak merupakan masalah yang menyusahkan bagi personel pengolahan air selama pengoperasian membran. Penskalaan dapat menyebabkan penurunan fluks membran, peningkatan konsumsi energi, penurunan laju desalinasi, dan penurunan masa pakai membran, sehingga meningkatkan biaya operasional. Oleh karena itu, tindakan harus diambil untuk mencegah pengelupasan membran. Metode penghambatan kerak yang umum mencakup dua pendekatan utama: menyesuaikan pH air umpan RO dan menambahkan penghambat kerak ke air umpan. Kedua metode tersebut juga dapat digunakan bersamaan. Artikel ini membahas mekanisme penghambatan skala dan memberikan metode untuk memilih metode penghambatan dan menghitung dosis yang diperlukan.

1. Mekanisme Penghambat Skala
Penskalaan membran mengacu pada pengendapan zat yang sukar larut, seperti CaCO3, CaSO4, BaSO4, dan Ca3(PO4)2, pada permukaan membran. Ketika zat-zat ini terkonsentrasi dalam sistem RO, mereka dapat mencapai keadaan jenuh. Misalnya, pada pH=7,5 dan suhu air 25°C, ketika kesadahan kalsium (diukur sebagai CaCO3) adalah 200 mg/L dan alkalinitas total (diukur sebagai CaCO3) adalah 150 mg/L, CaCO3 akan mendekati keadaan jenuh. Demikian pula pada pH=7,5 dan suhu air 25°C, ketika konsentrasi ion barium hanya 0,01 mg/L dan ion sulfat 4,5 mg/L, BaSO4 akan menjadi lewat jenuh dan mengendap.

Mekanisme penghambatan penskalaan dari penghambat skala osmosis balik terutama melibatkan kompleksasi, dispersi, distorsi kisi, dan efek ambang batas.

Kompleksasi dan pelarutan: Inhibitor kerak dapat membentuk kompleks larut dengan kation kerak dalam air, seperti ion kalsium, magnesium, dan barium, sehingga mencegah pembentukan CaCO3, CaSO4, BaSO4, dan Ca3(PO4)2.
Koagulasi dan dispersi: Anion yang dilepaskan oleh penghambat kerak menempel pada kristal CaCO3. Karena kontaminan dalam air limbah industri biasanya membawa muatan negatif, muatan serupa akan saling tolak menolak, menciptakan tolakan elektrostatis yang mencegah kristal CaCO3 berkumpul dan tumbuh menjadi partikel yang lebih besar. Kristal-kristal tersebut tersebar secara merata dalam larutan sehingga menghambat pembentukan kerak CaCO3.
Distorsi kisi: Selama agregasi dan pertumbuhan mikrokristal CaCO3, penghambat kerak dimasukkan ke dalam kisi kristal atau pada antarmuka kristal, menyebabkan distorsi kisi. Ini secara langsung menghambat atau mendistorsi pertumbuhan kristal. Misalnya, CaCO3 dibentuk oleh ion kalsium bermuatan positif dan ion bikarbonat bermuatan negatif, yang tumbuh ke arah tertentu. Selama perkembangannya, penghambat kerak dimasukkan ke dalam kisi, meningkatkan tekanan internal di dalam kristal. Ketika tegangan mencapai ambang batas tertentu, kristal akan pecah sehingga mencegah pembentukan kristal.
Efek ambang batas: Inhibitor kerak mengganggu proses agregasi dan pemesanan mikrokristal CaCO3, CaSO4, BaSO4, Ca3(PO4)2, sehingga mencegah pengendapan.

2. Pemilihan Metode Penghambatan Penskalaan

Indikator utama yang digunakan untuk mengevaluasi risiko penskalaan dalam sistem reverse osmosis (RO) adalah Langelier Saturation Index (LSI). Ketika LSI < 0, air tidak mempunyai kecenderungan untuk bersisik (walaupun mungkin sedikit korosif). Ketika LSI ≥ 0, air rentan terhadap kerak. Metode penyesuaian pH mencegah pembentukan kerak dengan menurunkan pH air umpan, sehingga mengubah LSI dari lebih besar dari 0 menjadi kurang dari 0. Menambahkan inhibitor kerak dapat mencegah pembentukan kerak bahkan ketika LSI ≥ 0, karena mikrokristal yang tidak larut dalam air tidak dapat tumbuh, beragregasi, atau mengendap. Mekanisme utama penghambatan ini adalah empat mekanisme yang dijelaskan di atas. Saat ini, produk inhibitor kerak dalam negeri dapat memastikan bahwa zat yang tidak larut tidak akan mengendap meskipun LSI = 3. Inhibitor merek ternama internasional dapat menjamin tidak ada pengendapan pada LSI = 5. Namun, penting untuk berhati-hati saat membeli inhibitor, karena beberapa vendor dalam negeri mengimpor terkonsentrasi inhibitor merek internasional dan encerkan dengan air dalam jumlah besar, menyebabkan perbedaan yang signifikan dalam kinerja penghambatan kerak yang sebenarnya, meskipun produk tersebut diberi label sebagai LSI = 5.

1. Metode Penyesuaian pH

Untuk memastikan produksi air permeat yang berkualitas, pH air umpan RO biasanya dikontrol antara 6 dan 9, dengan beberapa perusahaan menerapkan kontrol yang lebih halus dalam kisaran yang lebih sempit, seperti 7,0 hingga 8,5. Tingkat pH yang sangat rendah atau tinggi dalam air umpan dapat mencegah permeat RO memenuhi standar kualitas air yang disyaratkan. Oleh karena itu, metode penyesuaian pH untuk penghambatan skala mengasumsikan bahwa pH permeat RO akan berada dalam kisaran yang diinginkan. Penting untuk dicatat bahwa metode penyesuaian pH terutama menargetkan kerak CaCO3 dan tidak efektif terhadap jenis zat kerak lainnya.

2. Metode Penambahan Inhibitor Skala

Seperti disebutkan sebelumnya, menambahkan inhibitor skala dapat memungkinkan membran RO mentolerir nilai LSI yang lebih tinggi. Namun, inhibitor skala RO cenderung mahal, dengan produk dalam negeri berkisar antara 0,008 hingga 0,012 RMB/g dan produk konsentrat merek ternama internasional berharga antara 0,055 dan 0,075 RMB/g, sehingga mengakibatkan biaya pengoperasian yang tinggi.

Selain itu, ada banyak jenis penghambat kerak di pasaran, dan beberapa produsen terus-menerus mempromosikan konsep baru yang belum terbukti, sehingga menimbulkan kebingungan saat memilih penghambat kerak. Secara umum, penghambat kerak komersial yang matang dapat diklasifikasikan menjadi tiga kategori: penghambat kerak berbasis fosfor, penghambat kerak berbasis polimer, dan penghambat kerak yang ramah lingkungan.

• Inhibitor Skala Berbasis Fosfor: Ini termasuk inhibitor fosfat anorganik (seperti natrium tripolifosfat atau natrium heksametafosfat) dan inhibitor fosfonat organik (seperti asam hidroksietilidena difosfonat, asam amino-trimetilenafosfonat, dan turunan asam fosfonat). Inhibitor fosfat anorganik mengandung anion rantai panjang dan rentan terhadap hidrolisis, terutama pada suhu yang lebih tinggi. Ketika dihidrolisis, mereka membentuk garam asam fosfat, yang dapat bereaksi dengan ion kalsium membentuk Ca3(PO4)2, suatu kerak dengan produk kelarutan lebih rendah daripada CaCO3. Oleh karena itu, inhibitor fosfat anorganik tidak cocok untuk air dengan suhu tinggi atau konsentrasi ion kalsium tinggi.

• Inhibitor Skala Fosfonat Organik: Inhibitor ini mengandung fosfonat organik, biasanya ditandai dengan ikatan C-O-P. Ketika terkena suhu tinggi dan lingkungan basa, fosfonat organik dapat terhidrolisis menjadi ester fosfat dan alkohol, sehingga secara signifikan mengurangi efisiensi penghambatan kerak. Akibatnya, fosfonat organik tidak cocok untuk digunakan dalam air dengan suhu tinggi atau nilai pH tinggi.

Inhibitor skala berbasis polimer terutama dibagi menjadi inhibitor polimer anionik dan kationik. Yang pertama terutama digunakan untuk mencegah penskalaan ion logam, sedangkan yang kedua terutama digunakan untuk menghambat penskalaan silika. Bahan utama inhibitor berbasis polimer adalah asam akrilat dan asam maleat, dan selama formulasi, berbagai gugus fungsi dimasukkan ke dalam molekul. Hasilnya, penghambat kerak polimer tersedia dalam berbagai formulasi. Saat menggunakan inhibitor ini, penting untuk mempertimbangkan tidak hanya kondisi kualitas air tetapi juga jenis timbangan yang ada. Misalnya, inhibitor polimer dengan gugus karboksil terutama menargetkan penskalaan kalsium, inhibitor polimer berbasis asam sulfonat terutama digunakan untuk penskalaan oksida logam, dan inhibitor polimer berbasis amina efektif untuk penskalaan silika. Oleh karena itu, inhibitor skala polimer bukanlah agen spektrum luas; mereka dirancang untuk mengatasi kekurangan inhibitor spektrum luas. Selain itu, karena komponen utama inhibitor berbasis polimer adalah polimer, maka inhibitor tersebut rentan terhadap oksidasi oleh klorin dan biosida oksidatif lainnya, yang dapat menjadikannya tidak efektif. Oleh karena itu, sebelum menambahkan inhibitor tersebut, perlu dinetralkan terlebih dahulu sisa klorin dalam air dengan menambahkan zat pereduksi.

Inhibitor skala lingkungan biasanya mengandung bahan aktif seperti asam poliaspartat, asam poliepoksisuksinat, dan turunannya. Inhibitor ini terutama digunakan untuk mengatasi kerak berbasis kalsium seperti CaCO3, CaSO4, dan CaF2. Keuntungan inhibitor ini adalah dapat mentoleransi konsentrasi ion kalsium yang relatif tinggi. Misalnya, bahkan ketika konsentrasi ion kalsium mencapai 500 mg/L, mereka masih dapat mencapai lebih dari 80% penghambatan penskalaan kalsium. Namun, inhibitor ini memerlukan dosis yang lebih tinggi, menyebabkan perubahan signifikan pada pH air, dan kurang efektif pada suhu di bawah 40°C. Karena suhu air umpan maksimum yang diperbolehkan untuk membran osmosis balik adalah 35-40°C, inhibitor ini umumnya tidak cocok untuk digunakan dalam sistem osmosis balik tetapi lebih umum digunakan dalam sistem air pendingin.

3. Perhitungan Dosis

Seperti disebutkan sebelumnya, apakah air rentan terhadap kerak tergantung pada nilai Langelier Saturation Index (LSI). Oleh karena itu, baik menggunakan takaran asam untuk mengatur pH atau menambahkan penghambat kerak untuk mencegah kerak membran osmosis balik, intinya adalah mengendalikan LSI air. Perhitungan LSI adalah sebagai berikut:

Dalam rumusnya:

• pH adalah nilai pH terukur dari konsentrat osmosis balik.
• pH_s adalah nilai pH saturasi yang sesuai dengan sistem karbonat dalam air pada suhu air sebenarnya, yang dikenal sebagai pH saturasi.

Itu pH Konsentrat reverse osmosis dapat dengan mudah diperoleh melalui instrumen online atau pengukuran manual. Oleh karena itu, kunci dalam menghitung LSI adalah penentuan pH_s . Menurut Metode Standar Pemeriksaan Air dan Air Limbah , pH_s dapat dihitung dengan menggunakan rumus berikut.

Dalam rumusnya:

• A adalah koefisien total padatan terlarut (TDS).
• B adalah koefisien suhu air.
• C adalah koefisien kekerasan kalsium.
• D adalah koefisien alkalinitas total.

Metode perhitungan untuk A , B , C , Dan D adalah sebagai berikut.

• TDS adalah kandungan total padatan terlarut dalam konsentrat osmosis balik, dalam mg/L.
• t adalah suhu konsentrat osmosis balik, dalam °C.
• CC adalah kekerasan kalsium dari konsentrat osmosis balik, dinyatakan sebagai CaCO3, dalam mg/L.
• C_alkalinitas total adalah alkalinitas total konsentrat osmosis balik, dinyatakan sebagai CaCO3, dalam mg/L.

Menggunakan contoh yang disebutkan sebelumnya, dimana pH = 7,5 , TDS = 2000mg/L , suhu t = 25°C , kekerasan kalsium CC = 200 mg/L , Dan alkalinitas total C_alkalinitas total = 150 mg/L , proses penghitungan LSI adalah sebagai berikut:

Hal ini sejalan dengan pernyataan sebelumnya, dimana pada kondisi tersebut CaCO3 hampir jenuh. Selanjutnya dapat kita amati bahwa perhitungan dosis dapat dinyatakan dengan tiga rumus berikut.

Metode aplikasi spesifiknya adalah sebagai berikut:

Pertama, kita mengukur TDS, suhu t , kekerasan kalsium Cca , dan alkalinitas total C_alkalinitas total dari konsentrat reverse osmosis. Kemudian, dengan menggunakan rumus, kami menghitung pH_s .

• Jika pH_s ≥ pH , tidak diperlukan penyesuaian lebih lanjut atau penghambat kerak untuk mencegah kerak kalsium.
• Jika pH_s , kami memastikan bahwa setelah penyesuaian pH, pH air umpan osmosis balik tidak turun di bawah 6,5 (karena pH yang lebih rendah dapat menyebabkan air produk osmosis balik bersifat asam). Dalam hal ini, kita dapat mengatur pH dengan menambahkan asam hingga pH_s ≥ pH . Ini hanya berlaku ketika pH_s ≥ 6,5 . Jika pH_s <6,5 , kita perlu mengatur pH dengan asam hingga mencapai 6,5 atau bahkan lebih rendah lagi, yang akan menyebabkan air produk reverse osmosis menjadi asam.
• Jika pH_s <6,5 , penghambat skala harus ditambahkan.