V posledných rokoch sa používanie vysokotlakovej membránovej technológie s reverznou osmózou na ďalšie znižovanie koncentrácie a objemu priemyselnej koncentrovanej soľanky stalo hlavným trendom v úprave soľanky s nulovým vypúšťaním-. Usadzovanie sa však stalo jedným z limitujúcich faktorov pre vysokú-koncentráciu a zníženie objemu vstupujúcej vody v membránových systémoch s reverznou osmózou. Hlavným dôvodom je to, že počas procesu vysokej{5}}koncentrácie vstupujúcej vody v membránovom systéme reverznej osmózy sa dvojmocné katióny, ako je vápnik, horčík, bárium a stroncium, spolu s ľahko usadzujúcimi iónmi, ako je uhličitan, síran, fosforečnan, fluorid a rozpustný oxid kremičitý, hromadia na strane koncentrátu systému reverznej osmózy, pričom vytvárajú presýtený a presýtený stav. To vedie k zanášaniu membrány, zvýšenému prevádzkovému tlaku, ťažkostiam pri obnove membránového toku a vo vážnych prípadoch k poškodeniu separačnej vrstvy membránového povrchu, čo spôsobí poruchu systému a stane sa nestabilným.
Spoľahlivý a účinný proces odstraňovania zmäkčovania a tvrdnutia koncentrovanej soľanky je preto nevyhnutným a rozhodujúcim krokom v procese priemyselnej koncentrácie koncentrovanej soľanky a procesu znižovania objemu.
1. Reakčný mechanizmus chemického zmäkčovania
Pre surovú vodu s rôznou tvrdosťou možno vo všeobecnosti prijať tieto opatrenia:
(1) V prípade surovej vody s nízkou{1}}tvrdosťou upravte pH a teplotu prítoku alebo použite fyzikálne metódy na inhibíciu tvorby vodného kameňa a zlepšenie rozpustnosti málo rozpustných solí.
(2) Pre surovú vodu so strednou-nízkou tvrdosťou možno použiť inhibítory vodného kameňa, ktoré sú však účinné len v určitom rozsahu, tj Langerileho index (LSI) musí byť medzi 0 a 1,8;
(3) V prípade surovej vody s vysokou-tvrdosťou je potrebná výmena iónov a chemické zrážanie na odstránenie iónov tvoriacich vodný kameň.
Pre veľké objemy koncentrovanej soľanky s vysokou{0}}tvrdosťou by použitie iónomeničového zmäkčovania s katiónmi, ako je vápnik a horčík, vyžadovalo veľké množstvo regeneračných činidiel, čo by viedlo k vysokým prevádzkovým nákladom a sekundárnemu znečisteniu. Vo všeobecnosti najekonomickejší proces úpravy zahŕňa pridávanie chemických zmäkčovadiel (hydroxid sodný, hydroxid vápenatý, uhličitan sodný atď.) na zvýšenie pH vody, reakciu s iónmi vápnika a horčíka v koncentrovanej soľanke za vzniku zrazenín, ako je uhličitan vápenatý a hydroxid horečnatý. Reakčný mechanizmus chemického zmäkčovania je nasledujúci:
Ca2+ + CO32- → CaCO3 ↓
Ca2+ + OH- + HCO3- → CaCO3 ↓ + H2O
Mg2+ + 2OH- → Mg(OH)2 ↓
Vo vzorcoch "↓" znamená, že sa vytvorila zrazenina, tj suspendovaná pevná látka. Vápno a kvapalná zásada môžu poskytnúť hydroxidové ióny potrebné na reakciu; ak sú uhličitanové ióny vo vode nedostatočné, môže sa pridať sóda na doplnenie uhličitanových iónov.
SiO2 + 2Mg(OH)2↓ → Mg2SiO4↓ + 2H2O
Reakcia odstraňovania oxidu kremičitého je zložitejšia, ale dá sa jednoducho chápať ako spolu{0}}zrážaciu reakciu medzi oxidom kremičitým vo vode a hydroxidom horečnatým, ktorý vzniká pri zmäkčovacej reakcii. Potom sa separácia tuhej-kvapaliny dosiahne pomocou metód, ako je filtrácia a čírenie na odstránenie oxidu kremičitého.
Ióny fluoridu, bária a stroncia v koncentrovanej soľanke tiež predstavujú riziko tvorby vodného kameňa na membráne reverznej osmózy. V podmienkach pH chemickej zmäkčovacej reakcie budú tieto ióny ťažkých kovov súčasne vytvárať zodpovedajúce nerozpustné precipitáty (fluorid vápenatý, síran bárnatý, síran strontnatý atď.), ktoré sú následne odstránené filtráciou.
2. Výber chemických prísad
Vápno (so sódou) alebo tekuté alkálie so sódou sa môžu použiť ako zmäkčovadlá na tvrdnutie koncentrovanej soľanky. Účelom reakcie je premeniť ióny vápnika a horčíka vo vode na ich príslušné nerozpustné látky, ktoré sa potom odstránia filtráciou, pričom sa súčasne odstráni bárium, stroncium, oxid kremičitý atď. Vápno je lacnejšie a dostupnejšie ako kvapalné alkálie, ale zvyšuje množstvo kalu a zavádza viac iónov vápnika, čo si vyžaduje ekvivalentné množstvo uhličitanu na reakciu a vyzrážanie.
Ak existujúca koncentrácia hydrogénuhličitanu + uhličitanu vo vode nie je dostatočná na vyzrážanie iónov vápnika zavedených vápnom, sóda musí byť pridaná oddelene, ale sóda je veľmi drahá. Pridaním tekutých alkálií sa nezavedú vápenaté ióny. Je však potrebné vziať do úvahy, že ak je koncentrácia bikarbonátových + uhličitanových iónov vo vode výrazne vyššia ako koncentrácia vápenatých iónov, dôjde k prebytku alkality. To povedie k nadmernej spotrebe kyseliny, keď je potrebné upraviť pH zmäkčeného permeátu späť na neutrálne a existuje riziko, že vodivosť permeátu po úprave membránou reverznou osmózou nebude spĺňať normy.
Stručne povedané, vo väčšine podmienok kvality vody (kde je koncentrácia bikarbonátových + uhličitanových iónov vyššia ako koncentrácia vápenatých iónov) je použitie vápna + kvapalné alkálie ako zmäkčovadla ekonomickejšie a rozumnejšie. Ak má surová voda vysokú tvrdosť, ale nízku zásaditosť, je optimálne pridávať iba tekutú zásadu. Keď má surová voda extrémne vysokú zásaditosť, pridávanie iba vápna je ekonomickejšie a rozumnejšie.
Pridanie horečnatých solí má za cieľ odstrániť kremík. Zmäkčovacia reakcia vytvára hydroxid horečnatý, ktorý súčasne vytvára nerozpustné spolu{1}}zrazeniny s oxidom kremičitým vo vode prostredníctvom adsorpcie a chemických reakcií. Dostupné soli horčíka zahŕňajú oxid horečnatý a chlorid horečnatý. Oxid horečnatý je vo všeobecnosti lacný a ľahko dostupný, ale je ťažké s ním manipulovať, reaguje pomaly a vyžaduje určitú teplotu. Chlorid horečnatý je relatívne drahší, ale je ľahko rozpustný a dá sa z neho urobiť vodný roztok, takže sa s ním pohodlne manipuluje a rýchlo reaguje. Vo väčšine prípadov sú horčíkové ióny v koncentrovanej soľanke dostatočné na vyzrážanie oxidu kremičitého, ale v špeciálnych vodných zdrojoch je potrebné na odstránenie oxidu kremičitého pridať dostatočné množstvo horečnatých solí a kvapalných alkálií.
3. Chemický zmäkčujúci účinok
Ak si vezmeme ako príklad zmäkčovanie odpadovej vody z liečiv, surová voda je odpadová voda po anaeróbnom biologickom čistení a je potrebné ju koncentrovať pomocou procesu reverznej osmózy s kotúčovou trubicou (DTRO). Voda má vysokú celkovú tvrdosť a celkovú zásaditosť a nízky obsah oxidu kremičitého. Aby sa predišlo usadzovaniu vápnikových a horčíkových iónov na strane koncentrovanej vody počas úpravy vysokej{2}}koncentrácie a zníženia objemu DTRO, je na odstránenie tvrdosti potrebné chemické zmäkčenie.
Na základe charakteristík farmaceutickej odpadovej vody sa ako chemické zmäkčovadlo vyberie kvapalná zásada (30 % roztok hydroxidu sodného). Dôvody sú nasledovné: Celková tvrdosť surovej vody je 1100-1500 mg/L, pričom tvrdosť vápnika prevyšuje tvrdosť horčíka, pričom celková alkalita je 2300-2500 mg/L. V alkalických podmienkach sú hydrogénuhličitanové a uhličitanové ióny v surovej vode dostatočné na to, aby reagovali so všetkými iónmi vápnika vo vode za vzniku zrazeniny uhličitanu vápenatého, čím sa úplne odstráni vápenatá tvrdosť. Súčasne všetky ióny horčíka reagujú s prebytočnými hydroxidovými iónmi v alkalickom roztoku za vzniku zrazeniny hydroxidu horečnatého a nesú určité množstvo oxidu kremičitého z vody v ko-precipitačnej reakcii, čím sa odstraňuje horčíková tvrdosť a trochu oxidu kremičitého.
Na základe údajov pred a po zmäkčení možno vidieť, že chemickým zmäkčovaním sa dosiahne 97% miera odstránenia celkovej tvrdosti zo surovej vody a tvrdosť zmäkčenej produktovej vody je menšia ako 100 mg/l, čo spĺňa požiadavky na tvrdosť vstupnej vody v procese úpravy koncentrácie a objemu membránového zariadenia DTRO.
Pri koncentrácii a redukcii objemu membrány v priemyselnej koncentrovanej soľanke je chemické zmäkčenie vysoko účinnou, ekonomickou a praktickou technológiou úpravy na odstránenie tvrdosti.