เหตุใดระบบรีเวิร์สออสโมซิสจึงไม่สามารถกำจัดแอมโมเนียไนโตรเจนออกจากน้ำได้อย่างมีประสิทธิภาพ?

ในขณะที่ เทคโนโลยีรีเวิร์สออสโมซิส (RO) แม้ว่าจะแสดงให้เห็นถึงอัตราการกำจัดสารปนเปื้อนไอออนิกในน้ำที่สูง แต่ประสิทธิภาพในการกำจัดแอมโมเนียไนโตรเจนนั้นค่อนข้างจำกัด ปรากฏการณ์นี้เกิดจากปัจจัยหลักดังต่อไปนี้:

1. รูปแบบเฉพาะของแอมโมเนียไนโตรเจนในน้ำ

ไนโตรเจนแอมโมเนียไม่ได้อยู่ในน้ำในรูปแบบคงที่เพียงรูปแบบเดียว แต่จะอยู่ในสมดุลแบบไดนามิกระหว่าง "ไอออนแอมโมเนียม (NH₄⁺)" และ "แอมโมเนียอิสระ (NH₃)" โดยขึ้นอยู่กับค่า pH

ในแหล่งน้ำที่มีความเป็นกลางหรือเป็นกรดเล็กน้อยโดยทั่วไป แอมโมเนียไนโตรเจนจะอยู่ในรูปของไอออนแอมโมเนียมที่มีประจุบวกเป็นหลัก อย่างไรก็ตาม เมื่อค่า pH สูงขึ้น (โดยเฉพาะอย่างยิ่งสูงกว่า 8) สัดส่วนของแอมโมเนียอิสระจะเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ คุณสมบัติทางกายภาพและเคมีที่แตกต่างกันของทั้งสองรูปแบบนี้ส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพการกักเก็บน้ำ เมมเบรน RO.

2. ข้อจำกัดในกลไกการกักเก็บของเยื่อกรอง RO

เยื่อ RO แยกสารต่างๆ โดยหลักๆ แล้วผ่านกลไกสองอย่าง ได้แก่ การแยกตามขนาด (การกรองผ่านรูพรุน) และการแพร่ของสารละลาย:

ในการใช้งานจริง ประจุบนพื้นผิวของเมมเบรนอาจลดลงเนื่องจากการอุดตันหรือความผันผวนของค่า pH นอกจากนี้ รัศมีของไอออนแอมโมเนียมที่ถูกไฮเดรตนั้นค่อนข้างเล็ก (ประมาณ 0.36 นาโนเมตร) ซึ่งใกล้เคียงกับขนาดรูพรุนขั้นต่ำของเมมเบรน ทำให้มีแนวโน้มที่จะเกิดการรั่วไหลได้ง่าย

แอมโมเนียอิสระมีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้า มีขนาดโมเลกุลเล็กมาก (ประมาณ 0.26 นาโนเมตร) และละลายได้ในไขมันในระดับหนึ่ง ดังนั้นจึงละลายและแพร่ผ่านวัสดุเมมเบรนได้ง่าย ส่งผลให้ประสิทธิภาพการกำจัดลดลงอย่างมาก ข้อมูลจากการทดลองบ่งชี้ว่า เมื่อค่า pH เกิน 9 อัตราการกำจัดแอมโมเนียไนโตรเจนโดยรวมอาจลดลงต่ำกว่า 50%

3. อิทธิพลที่สำคัญของสภาวะการทำงาน

ค่า pH ของน้ำป้อนมีผลโดยตรงต่อการกระจายตัวของแอมโมเนียไนโตรเจน ตัวอย่างเช่น ที่ค่า pH ประมาณ 6 อัตราการกำจัดแอมโมเนียไนโตรเจนสามารถสูงถึง 80–90% อย่างไรก็ตาม อัตรานี้อาจลดลงอย่างมากเมื่อบำบัดน้ำเสียอุตสาหกรรมที่เป็นด่าง

คราบสกปรกหรือตะกรันอินทรีย์สามารถเปลี่ยนแปลงประจุบนพื้นผิวของเมมเบรนและสภาพแวดล้อมทางอุทกพลศาสตร์ในบริเวณนั้น ซึ่งอาจสร้างเส้นทางพิเศษที่แอมโมเนียไนโตรเจนสามารถซึมผ่านได้

การถ่ายเทมวลแบบแพร่กระจายของแอมโมเนียอิสระได้รับอิทธิพลอย่างมากจากอุณหภูมิ อุณหภูมิที่สูงขึ้นจะทำให้การซึมผ่านเพิ่มมากขึ้น ในทางกลับกัน การเปลี่ยนแปลงของความดันในการทำงานมีผลกระทบเพียงเล็กน้อยต่อกลไกการแพร่กระจายนี้

4. ปฏิสัมพันธ์เชิงแข่งขันกับสารปนเปื้อนอื่นๆ

ความเข้มข้นสูงของแคตไอออน เช่น โซเดียมและแคลเซียมในน้ำ จะแข่งขันกับแอมโมเนียมไอออนในการจับกับตำแหน่งแรงผลักทางไฟฟ้าสถิตบนพื้นผิวเมมเบรน ส่งผลให้ลดอัตราการกักเก็บแอมโมเนียมไอออนลงโดยอ้อม นอกจากนี้ แอมโมเนียไนโตรเจนอาจก่อตัวเป็นสารประกอบเชิงซ้อนที่เป็นกลางกับสารอินทรีย์บางชนิด ซึ่งยิ่งเพิ่มความเสี่ยงต่อการซึมผ่าน ในทางวิศวกรรมบำบัดน้ำในทางปฏิบัติ มักใช้กระบวนการแบบผสมผสานเพื่อแก้ไขข้อจำกัดของระบบรีเวิร์สออสโมซิส (RO) ตัวอย่างเช่น:

การปรับค่า pH ต้นน้ำ (การทำให้เป็นกรดเพื่อเปลี่ยนแอมโมเนียไนโตรเจนให้เป็นแอมโมเนียมไอออน); การนำกระบวนการไนตริฟิเคชันทางชีวภาพหรือการกำจัดของเสียด้วยอากาศมาใช้ในระหว่างการบำบัดเบื้องต้น; และการบูรณาการปลายน้ำกับกระบวนการแลกเปลี่ยนไอออนหรือการคลอรีนแบบกำหนดจุดแตกหัก