În ultimii ani, utilizarea tehnologiei cu membrane cu osmoză inversă de înaltă presiune-pentru concentrarea suplimentară și reducerea volumului de saramură industrială concentrată a devenit tendința principală în tratarea cu saramură cu descărcare zero-. Cu toate acestea, detartrajul a devenit unul dintre factorii limitanți pentru concentrația mare-și reducerea volumului apei care intră în sistemele cu membrane cu osmoză inversă. Motivul principal pentru aceasta este că, în timpul procesului de-concentrație ridicată a apei care intră în sistemul membranar de osmoză inversă, cationii divalenți precum calciu, magneziu, bariu și stronțiu, împreună cu ionii ușor de detartrar, cum ar fi carbonatul, sulfatul, fosfatul, fluorura și siliciul solubil, se acumulează pe partea concentrată a sistemului de osmoză inversă, precipitând, formând un sistem supersaturat în stare inversă. Acest lucru duce la murdărirea membranei, creșterea presiunii de funcționare, dificultăți în restabilirea fluxului membranei și, în cazuri severe, deteriorarea stratului de separare a suprafeței membranei, ceea ce provoacă funcționarea defectuoasă a sistemului și devine instabil.
Prin urmare, un proces de înmuiere și întărire fiabil și eficient pentru saramură concentrată este o etapă esențială și crucială în procesul de concentrare și reducere a volumului membranei de saramură concentrată industrială.
1. Mecanismul de reacție de înmuiere chimică
Pentru apa brută de duritate variabilă, se pot lua, în general, următoarele măsuri:
(1) Pentru apa brută cu duritate redusă-, ajustați pH-ul și temperatura influentului sau utilizați metode fizice pentru a inhiba formarea depunerilor și pentru a îmbunătăți solubilitatea sărurilor puțin solubile;
(2) Pentru apa brută cu duritate medie-scăzută, pot fi utilizați inhibitori de calcar, dar aceștia sunt eficienți doar într-un anumit interval, adică indicele Langerie (LSI) trebuie să fie între 0 și 1,8;
(3) Pentru apa brută cu duritate ridicată-, schimbul de ioni și precipitarea chimică sunt necesare pentru a îndepărta ionii care formează-calar.
Pentru cantități mari de saramură concentrată de-duritate ridicată, utilizarea dedurizarii prin schimb ionic cu cationi precum calciul și magneziul ar necesita o cantitate mare de agenți de regenerare, ceea ce duce la costuri de operare ridicate și poluare secundară. În general, cel mai economic proces de tratare presupune adăugarea de agenți chimici de înmuiere (hidroxid de sodiu, hidroxid de calciu, carbonat de sodiu etc.) pentru a crește pH-ul apei, reacționând cu ionii de calciu și magneziu în saramură concentrată pentru a forma precipitate precum carbonatul de calciu și hidroxidul de magneziu. Mecanismul de reacție de înmuiere chimică este următorul:
Ca2+ + CO32- → CaCO3 ↓
Ca2+ + OH- + HCO3- → CaCO3 ↓ + H2O
Mg2+ + 2OH- → Mg(OH)2 ↓
În formule, „↓” indică faptul că s-a format un precipitat, adică un solid în suspensie. Varul și alcalii lichidi pot furniza ionii de hidroxid necesari reacției; dacă ionii de carbonat din apă sunt insuficienti, se poate adăuga carbon de sodiu pentru a suplimenta ionii de carbonat.
SiO2 + 2Mg(OH)2↓ → Mg2SiO4↓ + 2H2O
Reacția de îndepărtare a silicei este mai complexă, dar poate fi înțeleasă pur și simplu ca o reacție de co-precipitare între silice din apă și hidroxidul de magneziu generat în reacția de înmuiere. Apoi, separarea solidului-lichidelor este realizată prin metode precum filtrarea și clarificarea pentru îndepărtarea silicei.
Ionii de fluor, bariu și stronțiu din saramură concentrată prezintă, de asemenea, un risc de detartrare pe membrana de osmoză inversă. În condițiile de pH ale reacției chimice de înmuiere, acești ioni de metale grele vor forma simultan precipitații insolubile corespunzătoare (fluorura de calciu, sulfatul de bariu, sulfatul de stronțiu etc.), care sunt ulterior îndepărtați prin filtrare.
2. Selectarea aditivilor chimici
Varul (cu sodă) sau alcalii lichide cu sodă pot fi ambele utilizate ca agenți de înmuiere pentru întărirea saramură concentrată. Scopul reacției este de a transforma ionii de calciu și magneziu din apă în substanțele lor insolubile respective, care sunt apoi îndepărtate prin filtrare, îndepărtând simultan bariu, stronțiu, dioxid de siliciu etc. Varul este mai ieftin și mai ușor disponibil decât alcalii lichide, dar crește cantitatea de nămol și introduce mai mulți ioni de calciu, necesitând astfel un echivalent de carbon pentru a reacționa.
Daca concentratia existenta de bicarbonat + carbonat in apa este insuficienta pentru a precipita ionii de calciu introdusi de var, carbonul de sodiu trebuie adaugat separat, insa soda este foarte scumpa. Adăugarea de alcali lichid nu va introduce ioni de calciu. Cu toate acestea, este necesar să se ia în considerare faptul că, dacă concentrația de ioni de bicarbonat + carbonat în apă este semnificativ mai mare decât concentrația de ioni de calciu, va exista o alcalinitate în exces. Acest lucru va duce la un consum excesiv de acid atunci când pH-ul permeatului înmuiat trebuie ajustat înapoi la neutru și există riscul ca conductivitatea permeatului după tratarea membranei cu osmoză inversă să nu respecte standardele.
Pe scurt, în majoritatea condițiilor de calitate a apei (unde concentrația de ioni de bicarbonat + carbonat este mai mare decât concentrația de ioni de calciu), utilizarea varului + alcalii lichide ca agent de înmuiere este mai economică și mai rezonabilă. Când apa brută are o duritate mare, dar o alcalinitate scăzută, adăugarea numai de alcali lichid este optimă. Când apa brută are o alcalinitate extrem de ridicată, adăugarea numai de var este mai economică și mai rezonabilă.
Adăugarea de săruri de magneziu are ca scop eliminarea siliciului. Reacția de înmuiere produce hidroxid de magneziu, care formează simultan co-coprecipitate insolubile cu silice în apă prin adsorbție și reacții chimice. Sărurile de magneziu disponibile includ oxidul de magneziu și clorura de magneziu. Oxidul de magneziu este în general ieftin și ușor disponibil, dar este dificil de manipulat, reacționează lent și necesită o anumită temperatură. Clorura de magneziu este relativ mai scumpă, dar este ușor solubilă și poate fi transformată într-o soluție apoasă, făcându-l convenabil de manipulat și reacționând rapid. În cele mai multe cazuri, ionii de magneziu din saramură concentrată sunt suficienți pentru a precipita silice, dar în sursele speciale de apă trebuie adăugate suficiente săruri de magneziu și alcalii lichide pentru a îndepărta silice.
3. Efect de înmuiere chimică
Luând ca exemplu dedurizarea apelor uzate farmaceutice, apa brută este apă uzată după tratarea biologică anaerobă și trebuie concentrată folosind un proces de osmoză inversă cu tub disc (DTRO). Apa are o duritate totală ridicată și o alcalinitate totală și un conținut scăzut de silice. Pentru a evita detartrarea ionilor de calciu și magneziu pe partea concentrată a apei în timpul tratamentului cu concentrație mare și reducerea volumului DTRO, este necesară înmuierea chimică pentru a elimina duritatea.
Pe baza caracteristicilor apei uzate farmaceutice, ca agent chimic de dedurizare este selectat alcaliul lichid (soluție de hidroxid de sodiu 30%). Motivele sunt următoarele: duritatea totală a apei brute este de 1100-1500 mg/L, cu duritatea calciului depășind duritatea magneziului, în timp ce alcalinitatea totală este de 2300-2500 mg/L. În condiții alcaline, ionii de bicarbonat și carbonat din apa brută sunt suficienți pentru a reacționa cu toți ionii de calciu din apă pentru a forma precipitat de carbonat de calciu, îndepărtând astfel complet duritatea calciului. Simultan, toți ionii de magneziu reacționează cu ionii de hidroxid în exces din soluția alcalină pentru a produce precipitat de hidroxid de magneziu și transportă puțin silice din apă într-o reacție de co-precipitare, îndepărtând astfel duritatea magneziului și puțin silice.
Pe baza datelor dinainte și după dedurizare, se poate observa că dedurizarea chimică realizează o rată de îndepărtare de 97% a durității totale din apa brută, iar duritatea apei de produs dedurizate este mai mică de 100 mg/L, îndeplinind cerințele pentru duritatea apei de intrare în procesul de tratare a concentrației și reducerii volumului echipamentului cu membrană DTRO.
În tratamentul concentrației și reducerii volumului cu membrane de saramură concentrată industrial, înmuierea chimică este o tehnologie de tratament extrem de eficientă, economică și practică pentru îndepărtarea durității.