Giới thiệu
Đóng cặn trong hệ thống nước của các nhà máy công nghiệp và cơ sở sinh hoạt thường gây ra các sự cố kỹ thuật và thiệt hại kinh tế đáng kể do làm tắc dòng nước trong đường ống, làm giảm hiệu quả của quá trình khử muối và giảm truyền nhiệt trong các bộ trao đổi nhiệt1,2,3,4,5, 6. Các loại cặn thường gặp trong hệ thống nước là CaCO3, CaSO4, SrSO4, BaSO4, CaF2, Ca3 (PO4) 2, silica và silicat. Sự đóng cặn xảy ra khi nồng độ của một muối hòa tan ít vượt quá khả năng hòa tan của nó trong nước. Nó thường là kết quả của những thay đổi về pH, nhiệt độ, lượng khí thải ra ngoài hoặc áp suất ảnh hưởng đến độ hòa tan của các muối7,8 và nồng độ hoặc quá trình bay hơi. Ví dụ, khi nhiệt độ nước tăng, khả năng hòa tan của CaCO3 giảm, dẫn đến kết tủa trên bề mặt được nung nóng.
Sự hình thành cặn chủ yếu phụ thuộc vào hóa học nước cấp. Các loại cặn phổ biến có thể được phân loại thành kiềm (ví dụ, CaCO3), không kiềm (ví dụ, CaSO4) và gốc silica9,10. CaCO3 là thành phần phổ biến nhất của cáu cặn đến từ các ion canxi và bicacbonat trong nước mặt, nước ngầm, nước muối và nước công nghiệp11,12. Các muối tạo cặn khác liên quan đến nhiều hợp chất có độ hòa tan thấp trong nước, chẳng hạn như MgCO3, BaSO4, Fe2 (CO3) 3, oxit sắt, silicat, florua và photphat7,13. Độ cứng phổ biến, tức là, CaCO3 kết tinh ở ba dạng tinh thể khác nhau: canxit, aragonit và vaterit14,15. Canxit thường dẫn đến đóng cặn cứng hơn trong khi aragonit và vaterit tạo thành vảy mềm hơn, dễ bị loại bỏ hơn .16,17,18,19. CaSO4 và Ca3 (PO4) 2 lần lượt là các thành phần cặn phổ biến trong nước ngầm và nước thải. Silica và silicat thường là axit silicic vô định hình [Si (OH) 4] với các dạng hydroxit của kim loại, phổ biến nhất là liên quan đến Al, Fe, Mg và Ca20,21. Lớp silica do quá bão hòa và trùng hợp của silica hòa tan dính và khó loại bỏ11.
Sự hình thành cáu cặn bao gồm các hiện tượng phức tạp liên quan đến quá bão hòa, tạo mầm, kết tinh và kết tủa7,22,23. Các tinh thể tạo ra sau khi quá bão hòa và tạo mầm, sau đó phát triển từ dung dịch, nhưng quá bão hòa không đủ cho sự kết tinh của dung dịch7. Nói cách khác, sự hiện diện của các hạt, hạt nhân hoặc hạt trong dung dịch để cung cấp các vị trí kết tinh là điều cần thiết cho sự phát triển của tinh thể. Ví dụ, khi hạt CaCO3 tạo ra và bắt đầu kết tủa, các muối hòa tan nhẹ khác, như bari và stronti, thường đồng kết tủa với CaCO3 ngay cả khi chúng chưa đạt đến độ bão hòa. Quá trình tạo hạt nhân có thể được bắt đầu thông qua nhiều cách tiếp cận khác nhau như kích động và gieo hạt .24,25. Sự hình thành cáu cặn xảy ra thông qua hai con đường kết tinh, kết tinh bề mặt và kết tinh khối, còn được gọi là kết tinh không đồng nhất và kết tinh đồng nhất, tương ứng là 7,9,26,27. Sự kết tinh bề mặt / không đồng nhất diễn ra do sự phát triển về phía của các hạt cặn bám trong các hốc như thành bình chứa dung dịch7. Kết tinh hàng loạt / đồng nhất xảy ra khi các hạt tinh thể hình thành ở pha khối từ các dung dịch bão hòa.
Trong hệ thống nước, các vật thể lạ được coi là bề mặt tiếp xúc với nước, có thể là bộ trao đổi nhiệt, đường ống nước và màng. Sự kết tinh hàng loạt và bề mặt có thể xảy ra riêng lẻ hoặc đồng thời ở tất cả các vật thể lạ. Sự hình thành của cáu cặn đã gây ra thiệt hại kinh tế nghiêm trọng cho các hệ thống này. Trong trường hợp hệ thống màng, chi phí do đóng cặn màng liên quan đến chi phí trực tiếp liên quan đến việc làm sạch định kỳ, tiền xử lý nước cấp và tăng nhu cầu năng lượng cho cáu cặn màng, cũng như chi phí gián tiếp dẫn đến giảm năng suất nước và rút ngắn tuổi thọ của màng28. Do đó, các phương pháp điều trị hóa học hoặc vật lý khác nhau đã được sử dụng để giảm thiểu tình trạng đóng cặn. Các phương pháp thông thường để ngăn ngừa sự hình thành cáu cặn bao gồm trao đổi ion, kết tủa trước các muối hòa tan ít, và bổ sung các hóa chất và chất ức chế cáu cặn. Những phương pháp này tốn kém và có thể thay đổi hóa học của dung dịch, gây ra những lo ngại về sức khỏe cho con người hoặc thủy sinh vật7. Bên cạnh đó, các chất ức chế cáu cặn chủ yếu là các hợp chất photphat, có thể gây hại cho môi trường, mang lại những tác động không mong muốn như hiện tượng phú dưỡng và tảo nở hoa.
Ví dụ về hệ thống xử lý nước không dùng hóa chất bao gồm điện từ trường (EMF), sóng siêu âm, vật liệu xúc tác và hợp kim11,29,30,31. Sóng siêu âm có thể mang lại các hiệu ứng cơ học và nhiệt đáng kể, tạo ra sóng xung kích mạnh mẽ và vi dòng để ngăn chặn hiện tượng đóng cặn32. Lượng vết của các vật liệu xúc tác như Zn có thể làm chậm tốc độ tạo mầm của canxi cacbonat và cũng thúc đẩy sự kết tinh của nó ở dạng aragonit hơn là dạng canxit30. EMF như một thiết bị kiểm soát cáu cặn đã được sử dụng trong hơn một thế kỷ33,34,35. Việc sử dụng EMF làm thiết bị xử lý nước không dùng hóa chất để kiểm soát cáu cặn đã được Porter36 đề xuất ban đầu.
Faunce và Cabell37 đã phát minh ra thiết bị điện từ để xử lý nước cấp cho lò hơi. Năm 1873, Hay nhận được bằng sáng chế đầu tiên của Hoa Kỳ cho thiết bị xử lý nước EMF38. Baker và Judd8 đã xem xét các ứng dụng công nghiệp của các thiết bị EMF thương mại từ thế kỷ trước và đánh giá các cơ chế được đề xuất cho EMF. Salman và cộng sự đã phác thảo các nghiên cứu thành công và không thành công về tác dụng chống đóng cặn của EMF, nhưng thiếu phân tích hiệp đồng về các trường hợp này. Ambashta và Sillanpaa40 đã mô tả kỹ thuật lọc nước sử dụng sự hỗ trợ từ tính và giải thích các khía cạnh khác nhau của từ tính và vật liệu từ tính để lọc nước. Piyadasa và cộng sự.11 đã tóm tắt các tài liệu liên quan về vấn đề đóng cặn và tạo màng sinh học trong màng thẩm thấu ngược (RO) và hệ thống trao đổi nhiệt, đặc biệt tập trung vào xử lý EMF xung. Một đánh giá gần đây của Alabi và cộng sự đã thảo luận về các cơ chế có thể có và các tác động quan sát được liên quan đến xử lý nước EMF.
EMF có một lịch sử lâu dài và gây tranh cãi về hiệu quả chống đóng cặn của nó trong các hệ thống nước mặc dù nó đã được báo cáo là có hiệu quả đối với nhiều ứng dụng công nghiệp41. Hơn 4.000 nghiên cứu đã báo cáo hoạt động chống đóng cặn và chống bám cặn liên quan đến EMF từ thế kỷ trước, và số lượng các ấn phẩm đã tăng lên theo cấp số nhân trong thế kỷ này (Hình 1), cho thấy EMF là một kỹ thuật quan trọng để kiểm soát quy mô. Trong các ấn phẩm này, EMF đã được áp dụng để giảm thiểu ô nhiễm vi khuẩn, tắc nghẽn hữu cơ và vô cơ; cải thiện khả năng tách dầu và tách nước; hỗ trợ các công nghệ xử lý nước khác, ví dụ: đông tụ điện, các quá trình oxy hóa nâng cao. Tuy nhiên, cho đến nay, người ta vẫn chưa chứng minh được một cách khoa học rằng phơi nhiễm EMF đủ mạnh để tạo ra các hiệu ứng chống đóng cặn mạnh, và các tác động và cơ chế khác nhau vẫn chưa rõ ràng. Sự không nhất quán của các nghiên cứu EMF có thể là do việc sử dụng các phương pháp không được tiêu chuẩn hóa, sự thay đổi về thành phần nước hoặc sự khác biệt trong quá trình hoạt động11. Hiệu quả của việc xử lý nước từ tính cũng có thể phụ thuộc vào bản chất của vật liệu ống1. Trong nhiều trường hợp, các quy trình vận hành được tiêu chuẩn hóa thường không rõ ràng và các thông số quan trọng bao gồm vật liệu làm ống, thời gian tiếp xúc và đặc tính của hiện trường, chỉ được báo cáo một phần. Chưa đạt được sự đồng thuận chung nào về ảnh hưởng của các biến thể này đối với việc áp dụng EMF.
Cần có sự hiểu biết khoa học trước để điều tra các cơ chế của EMF và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả của công nghệ. Do đó, chúng tôi đã tiến hành một đánh giá tài liệu sâu rộng về các ứng dụng EMF và tập trung vào tác động của điều kiện vận hành đối với hiệu quả chống đóng cặn trong hệ thống nước. Xử lý EMF được thảo luận trong bài tổng quan này bao gồm điện trường, từ trường và EMF, được gọi chung là EMF trong bài tổng quan này. Việc xử lý đề cập đến việc cho nước đi qua EMF có các đặc tính nhất định. Các thiết bị EMF có thể được đặt trên nước đã qua xử lý trước khi đi vào hệ thống nước, hoặc ở vị trí bề mặt đóng cặn, được gọi là tiền xử lý và đồng xử lý, tương ứng. Các cơ chế ngăn ngừa đóng cặn có thể có, các phương pháp xác định đặc điểm, các yếu tố liên quan đến xử lý nước EMF và tính kinh tế của các hiệu ứng chống đóng cặn, được thảo luận ở đây.
Tóm tắt các nghiên cứu điều trị EMF gần đây
Trong số đáng kể các tài liệu, 48 nghiên cứu với các phương pháp và kết quả thí nghiệm chi tiết (được công bố sau năm 2000) đã được chọn để phân tích chuyên sâu. Bảng 1–4 tóm tắt chi tiết của các nghiên cứu này bao gồm giải pháp nước cấp, thiết bị EMF và xử lý, điều kiện thử nghiệm (phòng thí nghiệm, thí điểm hoặc quy mô công nghiệp) và thời gian, vật liệu và điều kiện vận hành, phương pháp mô tả đặc tính và kết quả chính. Mặc dù các kết quả khác nhau đã được báo cáo về ảnh hưởng của EMF trong việc kết tủa khoáng chất, nhưng các kết quả đều ủng hộ giả thuyết giống nhau rằng EMF tạo ra kết tủa hàng loạt các tinh thể hơn là bám dính vào bề mặt của lò phản ứng, đường ống và bình (Bảng 1–3) hoặc bề mặt màng ( Bảng 4). Nếu chúng ta coi việc tăng cường kết tủa hàng loạt là xử lý EMF hiệu quả, tỷ lệ các trường hợp EMF hiệu quả có thể đạt 95% đối với 48 nghiên cứu đã thảo luận, 5% các nghiên cứu quan sát thấy sự cải thiện không đáng kể với xử lý EMF, không có nghiên cứu nào có kết quả âm tính. Cải thiện đáng kể với EMF đã được quan sát do hóa học nước cấp hoặc thu hồi nước cao, chi tiết hơn đã được thảo luận trong phần “Vận hành hệ thống RO & Hóa học nước”. Cũng cần lưu ý rằng nhiều nghiên cứu không báo cáo kết quả tiêu cực, do đó tỷ lệ trường hợp thành công có thể thấp hơn trong thực tế.
