Ursachen für die Verunreinigung von Umkehrosmosemembranen

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　　Nachrichten von Chemie707: Membranverschmutzung bezeichnet den Prozess, bei dem Partikel, kolloidale Teilchen oder große Moleküle im Flüssigkeitstyp, der mit der Membran in Berührung kommt, physikalische oder chemische Wechselwirkungen mit der Membran eingehen. Zudem kann durch Konzentrationsgradienten die Konzentration bestimmter Stoffe an der Membranoberfläche über ihre Löslichkeit hinaus steigen. Durch mechanische Einflüsse kann es außerdem zu einer Adsorption oder Ablagerung an der Membranoberfläche oder in den Membranporen kommen. Dadurch verringert sich die Poregröße der Membran oder sie wird blockiert. Dies führt zu irreversiblen Veränderungen in der Durchflussrate sowie in den Trenneigenschaften der Membran. 　　Der Rückgang des Durchflusses sowie die Verringerung der Trennfähigkeit, die durch die Adsorption von Schadstoffen – insbesondere großen Molekülen wie Proteinen – an der Membranoberfläche und in den Membranporen verursacht wird, sind die Hauptgründe für den Rückgang des Membrandurchflusses. Doch der durch die Membranverschmutzung verursachte Rückgang des Flusses vermischt sich oft mit dem durch die Konzentrationspolarisierung hervorgerufenen, reversiblen Rückgang des Flusses, wodurch die Effektivität der Membranuntrennung weiter abnimmt. 　　Ursachen für die Verunreinigung der Umkehrosmosemembranen
Während des Betriebs eines Umkehrosmosesystems kommen Metallionen, Mikroorganismen, schwer lösliche Ablagerungen, organische Schadstoffe, biologischer Schlamm, Kolloide sowie Fette aus dem Abwasser über einen längeren Zeitraum in Kontakt mit der Membran. Dadurch kommt es zur Verunreinigung der Membran, wodurch ihre Durchflussfähigkeit und Trennfähigkeit erheblich abnehmen und der Druckaufbau zunimmt. Die Hauptgründe dafür sind folgende:
1) Konzentrationspolarisierung
In Systemen zur Entsalzung durch Umkehrosmose ermöglicht die selektive Durchlässigkeit der Membran es den Wassermolekülen, ständig von der Hochdruckseite durch die Membran zu gelangen. Die Stoffmoleküle hingegen bleiben im ursprünglichen Lösungsmittel zurück. Dadurch entsteht zwischen der Flüssigkeit auf der Membranoberfläche und der Eingangslösung ein Konzentrationsunterschied. In schweren Fällen entsteht sogar ein sehr hoher Konzentrationsgradient. Dieses Phänomen wird als Konzentrationspolarisierung bezeichnet. Die Konzentrationspolarisierung erhöht den Osmotikdruck der Lösung. Dadurch verringert sich die effektive Antriebskraft, was wiederum zu einer Abnahme der Wasserdurchflussrate sowie des Entsalzungsrates führt. 　　2) Ionenverkrustung: Salze mit einer geringen Löslichkeitsprodukt wie CaCO3, CaSO4, BaSO4, SrSO4, CaF2 und SiO2 können im Prozess der Umkehrosmose aufgrund der Konzentrierung über ihr Löslichkeitsprodukt ausfällen. Dadurch entstehen Ablagerungen, die sich auf der Membranoberfläche sowie in den Eingangskanälen ansammeln und zu Verkalkungen führen. J.H. Bruus und Kollegen stellten fest, dass das Entfernen von Ca2+ aus dem Schlamm zu einer Zunahme der Anzahl der kleinen Partikel sowie zu einem erhöhten Filterwiderstand führt. 　　3) Ablagerung von Metalloxiden: Einige Quellen mit salzhaltigem Wasser, die in der Regel Eisen- und Manganionen in niedriger Konzentration enthalten, weisen eine gewisse Reduktionsfähigkeit auf. Die Hauptursache für die Verunreinigung der Membranen durch solche Quellen ist die Bildung von kolloidalen Partikeln aus Eisen, Aluminium, Mangan usw. auf der Membranoberfläche. Der für die Oxidation von Eisen erforderliche pH-Wert ist niedrig, wodurch im Reverse-Osmose-System häufig Verstopfungen durch Eisen auftreten. Mögliche Ursachen für die Ablagerung löslicher divalenter und trigvalenter Eisensorten auf der Membranoberfläche sind: Das Eindringen von Sauerstoff in das Wasser, das bereits divalentes Eisen enthält; hohe Alkalität im Wasser, die zur Bildung von FeCo3 führt; Reaktionen zwischen Eisen und Silizium, die unlösliches Eisensilikat erzeugen; durch die Oxidation durch Eisenreduktionsbakterien wird das Wachstum von Biofilmen sowie die Ablagerung von Eisenablagerungen gefördert; kolloidales Eisen, das durch den Einsatz von eisenhaltigen Fällungsmitteln entsteht; Metallverunreinigungen durch Eisen, Aluminium, Mangan usw., deren Folgen eine Verringerung der Wassermenge sowie ein Anstieg des Druckunterschieds sind. 　　4) Entstehung von biologischem Schlamm  Wenn die Membranoberfläche mit lebendigen Mikroorganismen bedeckt ist, bleiben die von der Membran entfernten Salze in dieser Schicht zurück und können nicht so leicht durch Wasser weggespült werden. Dadurch entstehen reiche Nährstoffquellen für das Wachstum der Mikroorganismen. Zudem fördern die zur Vorbehandlung des Wassers vor der Umkehrosmose hinzugefügten Verunreinigungshemmer (wie Polymaleinsäure, Aminotrimethylphosphat usw.) sowie Weichmacher das Wachstum der Mikroorganismen. Organische und anorganische lösliche Stoffe sowie Partikel können durch eine effektive Vorbehandlung entfernt werden. Doch mikrobielle Partikel, die sich vermehren können, können selbst dann noch weiter wachsen, wenn nach der Vorbehandlung nur noch 0,01 % davon übrig sind – und zwar mithilfe der im Wasser vorhandenen biologisch abbaubaren Stoffe. Das ist einer der Hauptgründe dafür, warum biologischer Schlamm in jedem System zu Verunreinigungen führt. 　　5) Kolloidale Verunreinigungen Sowohl Grundwasser als auch Oberflächenwasser enthalten Stoffe wie Eisen, Aluminium, Silizium sowie organische Substanzen. Diese Stoffe bilden zusammen mit den bei der Vorbehandlung zugesetzten Koagulanzien, Flockungsmitteln und Schmutzhemmern kolloidale Ablagerungen auf der Membranoberfläche – was zu kolloidalen Verunreinigungen führt. Silikatkolloide hydrolysieren in Wasser zu Si(OH)4. Unter bestimmten Bedingungen findet eine Polymerisationsreaktion statt: mSi(OH)4-(SiO2)m + 2mH2O führt zur Bildung von SiO2-Kernchen. Diese Kernchen ionisieren anschließend schrittweise, wodurch H+-Ionen freigesetzt werden und ein negativ geladenes Kolloid entsteht. 　　Die Beseitigung von Kolloidverunreinigungen ist schwierig, da sie denselben Ladungszustand aufweisen, relativ stabil sind, sich nur schwer absetzen lassen und die Membranen verunreinigen, was zu einem Rückgang des Wasserdurchflusses führt. Im Allgemeinen wird diese Tendenz mit dem Verschmutzungsindex (SDI) bewertet. In der Regel tritt bei SDI3 Verkalkung auf. 　　6) Das „Wasserkolben“-Phänomen Bei Reverse-Osmose-Systemen kann es aufgrund einer unangemessenen Konstruktion sowie während der Anlaufphase dazu kommen, dass sich im Membranbehälter große Mengen an Luft befinden. Wenn die zu behandelnde Flüssigkeit plötzlich in den Membranbehälter strömt, kann die Luft aufgrund ihrer Kompressibilität nicht sofort vollständig entweichen. Wenn der Druck der Luft im Membranbehälter einen bestimmten Wert erreicht, kommt es zu einem plötzlichen Ausbruch der Luft – dadurch kommt es zu Kollisionen, Druckausübung sowie Bewegungen der Membranen untereinander. Dies führt zum sogenannten „Wasserkolben“-Phänomen. Im Umkehrosmoseverfahren besteht die Gefahr durch Wasserhammer darin, dass es zu irreparablen Schäden an den Umkehrosmosemembranen kommt. 　　7）Verschmutzung durch schwebende Partikel 　　Wenn beim Sicherheitsfilter ein „Kurzschluss“ oder ein Defekt auftritt, kann es zu einem Durchsickern des Filtermediums sowie von Korrosionsfragmenten und Fremdkörpern (wie z. B. kleinen Fasern) kommen. Zudem kann bei einer unzureichenden Reinigung des Membranelements bei der ersten Inbetriebnahme eine Verschmutzung der Membran entstehen. Dadurch können die Eingangskanäle verstopft werden und am Membranoberfläche kristalline Ablagerungen entstehen. Diese Situation tritt selten auf. 　　8) Verschmutzung durch andere Faktoren Kohlenwasserstoffe sowie ölige und fettige Stoffe auf Silberbasis können die Oberfläche der Membran bedecken und so zu einer Verschmutzung der Membran führen. Zudem können Hydrolyseprozesse, Angriffe durch organische Lösungsmittel sowie oxidierende Stoffe dazu führen, dass sich die Eigenschaften des Membranmaterials verändern