В останні роки використання мембранної технології зворотного осмосу високого тиску для подальшої концентрації та зменшення об’єму промислового концентрованого розсолу стало основною тенденцією в обробці розсолу без{1}}скиду. Однак утворення накипу стало одним із обмежувальних факторів для високої-концентрації та зменшення об’єму води, що надходить у мембранні системи зворотного осмосу. Основна причина цього полягає в тому, що під час процесу високої -концентрації води, що надходить у мембранну систему зворотнього осмосу, двовалентні катіони, такі як кальцій, магній, барій і стронцій, а також іони, які легко утворюють накип, такі як карбонат, сульфат, фосфат, фторид і розчинний кремнезем, накопичуються на стороні концентрату системи зворотного осмосу, досягаючи перенасиченого стану, утворення осаду і накипу. Це призводить до засмічення мембрани, підвищення робочого тиску, труднощів у відновленні мембранного потоку, а в важких випадках до пошкодження розділового шару поверхні мембрани, що призводить до несправності та нестабільності системи.
Таким чином, надійний і ефективний процес видалення пом’якшення та затвердіння для концентрованого розсолу є важливим і вирішальним кроком у промисловому процесі концентрації та зменшення об’єму мембрани для концентрованого розсолу.
1. Механізм реакції хімічного розм'якшення
Для сирої води різної жорсткості зазвичай можна вжити таких заходів:
(1) Для сирої води з низькою -жорсткістю відрегулюйте рН і температуру води, що входить, або використовуйте фізичні методи, щоб запобігти утворенню накипу та покращити розчинність важкорозчинних солей;
(2) Для сирої води середньої -низької жорсткості можна використовувати інгібітори накипу, але вони ефективні лише в певному діапазоні, тобто індекс Ланжеріла (LSI) має бути від 0 до 1,8;
(3) Для сирої води з високою-жорсткістю необхідний іонний обмін і хімічне осадження для видалення іонів,-утворюючих накип.
Для великих обсягів концентрованого розсолу високої-жорсткості використання іонообмінного пом’якшення за допомогою таких катіонів, як кальцій і магній, потребуватиме великої кількості регенеруючих агентів, що призведе до високих експлуатаційних витрат і вторинного забруднення. Як правило, найбільш економічний процес очищення передбачає додавання хімічних пом’якшувачів (гідроксид натрію, гідроксид кальцію, карбонат натрію тощо) для підвищення рН води, реакцію з іонами кальцію та магнію в концентрованому розсолі з утворенням осадів, таких як карбонат кальцію та гідроксид магнію. Механізм реакції хімічного розм'якшення такий:
Ca2+ + CO32- → CaCO3 ↓
Ca2+ + OH- + HCO3- → CaCO3 ↓ + H2O
Mg2+ + 2OH- → Mg(OH)2 ↓
У формулах «↓» означає, що утворився осад, тобто зависла речовина. Вапно та рідкий луг можуть забезпечити гідроксид-іони, необхідні для реакції; якщо карбонатних іонів у воді недостатньо, можна додати кальциновану соду, щоб доповнити карбонатні іони.
SiO2 + 2Mg(OH)2↓ → Mg2SiO4↓ + 2H2O
Реакція видалення кремнезему складніша, але її можна просто зрозуміти як реакцію спів-осадження між кремнеземом у воді та гідроксидом магнію, що утворюється в реакції пом’якшення. Потім за допомогою таких методів, як фільтрація та освітлення для видалення кремнезему, відбувається відділення твердої-рідинної речовини.
Іони фтору, барію та стронцію в концентрованому розсолі також становлять ризик утворення накипу на мембрані зворотного осмосу. В умовах pH хімічної реакції пом’якшення ці іони важких металів одночасно утворять відповідні нерозчинні осади (фторид кальцію, сульфат барію, сульфат стронцію тощо), які згодом видаляються шляхом фільтрації.
2. Вибір хімічних добавок
Як пом'якшувачі для твердіння концентрованого розсолу можна використовувати як вапно (з кальцинованою содою), так і рідкий луг з кальцинованою содою. Метою реакції є перетворення іонів кальцію та магнію у воді на відповідні нерозчинні речовини, які потім видаляються шляхом фільтрації, одночасно видаляючи барій, стронцій, кремнезем тощо. Вапно дешевше та доступніше, ніж рідкий луг, але воно збільшує кількість осаду та вводить більше іонів кальцію, таким чином, вимагаючи еквівалентної кількості карбонату для реакції та осад.
Якщо існуюча концентрація бікарбонату + карбонату у воді недостатня для осадження іонів кальцію, що вводяться вапном, кальциновану соду необхідно додавати окремо, але кальцинована сода дуже дорога. Додавання рідкого лугу не вводить іони кальцію. Однак необхідно враховувати, що якщо концентрація іонів бікарбонату + карбонату у воді значно перевищує концентрацію іонів кальцію, буде надлишкова лужність. Це призведе до надмірного споживання кислоти, коли рН пом’якшеного пермеату потрібно відрегулювати до нейтрального значення, і існує ризик того, що провідність пермеату після обробки мембраною зворотного осмосу не відповідатиме стандартам.
Таким чином, у більшості умов якості води (де концентрація іонів бікарбонату + карбонату перевищує концентрацію іонів кальцію) використання вапна + рідкого лугу як пом'якшувач є більш економічним і розумним. Якщо сира вода має високу жорсткість, але низьку лужність, оптимальним є додавання лише рідкого лугу. Якщо сира вода має надзвичайно високу лужність, додавання лише вапна є більш економічним і розумним.
Додавання солей магнію спрямоване на видалення кремнію. Реакція пом’якшення утворює гідроксид магнію, який одночасно утворює нерозчинні ко-осади з кремнеземом у воді шляхом адсорбції та хімічних реакцій. Доступні солі магнію включають оксид магнію та хлорид магнію. Оксид магнію, як правило, недорогий і легкодоступний, але з ним важко працювати, він повільно реагує та потребує певної температури. Хлорид магнію відносно дорожчий, але він легко розчинний і може бути перетворений у водний розчин, що робить його зручним у роботі та швидкою реакцією. У більшості випадків іонів магнію в концентрованому розсолі достатньо для осадження кремнезему, але в спеціальних джерелах води для видалення кремнезему необхідно додати достатню кількість солей магнію та рідкого лугу.
3. Ефект хімічного пом'якшення
Візьмемо як приклад пом’якшення фармацевтичних стічних вод. Необроблена вода – це стічна вода після анаеробної біологічної обробки, і її потрібно концентрувати за допомогою процесу зворотного осмосу (DTRO). Вода має високу загальну жорсткість і загальну лужність, а також низький вміст кремнезему. Щоб уникнути утворення накипу іонів кальцію та магнію на стороні концентрованої води під час обробки високою-концентрацією та зменшенням об’єму DTRO, потрібне хімічне пом’якшення для усунення жорсткості.
Виходячи з характеристик фармацевтичних стічних вод, в якості хімічного пом'якшувача обрано рідкий луг (30% розчин гідроксиду натрію). Причини наступні: загальна жорсткість сирої води становить 1100-1500 мг/л, при цьому твердість кальцію перевищує твердість магнію, тоді як загальна лужність становить 2300-2500 мг/л. У лужних умовах іонів бікарбонату та карбонату в сирій воді достатньо, щоб прореагувати з усіма іонами кальцію у воді з утворенням осаду карбонату кальцію, таким чином повністю усуваючи твердість кальцію. Одночасно всі іони магнію реагують із надлишком гідроксид-іонів у лужному розчині з утворенням осаду гідроксиду магнію та переносять трохи кремнезему з води в реакції спільного осадження, таким чином видаляючи твердість магнію та частину кремнезему.
На підставі даних до та після пом’якшення можна побачити, що хімічне пом’якшення забезпечує 97% видалення загальної жорсткості із сирої води, а жорсткість пом’якшеної води для продукту становить менше 100 мг/л, що відповідає вимогам до жорсткості води, що надходить у процесі обробки концентрацією та зменшенням об’єму мембранного обладнання DTRO.
У промисловому концентрованому розсолі мембранної концентрації та обробці зменшення об’єму хімічне пом’якшення є високоефективною, економічною та практичною технологією обробки для видалення твердості.