Хімічне пом’якшення – це процес, який передбачає додавання до води спеціальних хімічних речовин для перетворення іонів кальцію та магнію, що твердіють, у нерозчинні сполуки, які потім видаляються шляхом осадження та фільтрації. Це класична і ефективна технологія видалення твердості.
I. Зміщення рівноваги-розчинення опадів
Теоретичною основою цього методу є принцип добутку розчинності. Тобто, додаючи хімічні речовини у воду, концентрація аніонів, які можуть утворювати нерозчинні осади з іонами кальцію та магнію (таких як CO3^2-, OH-, PO4^3- тощо), збільшується, що призводить до того, що іонний продукт перевищує константу добутку розчинності, таким чином утворюючи осад.
Основні реакції осадження включають:
1. Зняття карбонатної жорсткості:
Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 ->2CaCO3↓ + 2H2O
Mg(HCO3)2 + 2Ca(OH)2 ->2CaCO3↓ + Mg(OH)2↓ + 2H2O
Вапно забезпечує іони OH- для перетворення іонів бікарбонату на іони карбонату та підвищує рН з утворенням осаду гідроксиду магнію.
2. Усунення не-карбонатної жорсткості (кальцію):
CaSO4 + Na2CO3 ->CaCO3↓ + Na2SO4
CaCl2 + Na2CO3 ->CaCO3↓ + 2NaCl
Кальцинована сода забезпечує іони CO3^2-, які з’єднуються з іонами кальцію, утворюючи осад карбонату кальцію.
3. Видалення не-карбонатної твердості (магній):
MgSO4 + Ca(OH)2 ->Mg(OH)2↓ + CaSO4
Утворений CaSO4 все ще потребує подальшого видалення кальцинованою содою. Вапно використовується для отримання іонів OH- для утворення осаду гідроксиду магнію з меншим продуктом розчинності.
II. Зазвичай використовувані хімічні реактиви та їх функції
1. Вапно: його основним компонентом є Ca(OH)2.
Усуває карбонатну жорсткість (включаючи карбонатну жорсткість кальцію та магнію) і забезпечує середовище з високим pH. Необхідно точно розрахувати дозування; надмірне додавання не тільки є марнотратним, але також може призвести до повторного розчинення іонів магнію або створити нову твердість.
2. Кальцинована сода: її основним компонентом є Na2CO3.
Усуває не-карбонатну жорсткість (кальцієву жорсткість) з води. Він сам по собі розчиняється у воді, не вводячи нових іонів жорсткості, а вводячи Na+, маючи відносно незначний вплив на якість води.
3. Гідроксид натрію: NaOH.
Іноді використовується як часткова заміна вапна, надаючи іони OH-, що робить роботу простішою, але дорожчою. Реакція подібна до реакції вапна.
4. Фосфати: такі як триполіфосфат натрію, гексаметафосфат натрію тощо.
Цей метод не є традиційним методом осадження, а запобігає утворенню накипу шляхом утворення диспергованих колоїдів або утворення комплексів іонів кальцію та магнію. Це «прихований метод» або «пороговий ефект», який часто використовується для допоміжного лікування або в ситуаціях з низькими вимогами.
III. Класичний технологічний процес: вапняно-метод кальцинованої соди
Це найбільш репрезентативний процес хімічного розм'якшення, і його процес виглядає наступним чином:
1. Реакційний резервуар/бак для пом'якшення:
Сира вода спочатку надходить в реакційну ємність, куди додають вапняну суспензію і розчин кальцинованої соди відповідно до розрахункової дози. Ємність оснащена механічним перемішуючим пристроєм для забезпечення ретельного перемішування та реакції реагентів і забезпечення достатнього часу та умов для утворення осаду.
Усі основні хімічні реакції, згадані вище, завершуються тут, утворюючи велику кількість флокулянтів CaCO3 і Mg(OH)2.
2. Відстійник/відстійник:
Вода, що прореагувала, надходить у відстійник, де швидкість потоку сповільнюється. Оскільки CaCO3 є важким осадом, він швидко осідає природним шляхом; у той час як Mg(OH)2 є легким флокулентним осадом, він осідає повільніше. Флокулянти (такі як PAM) зазвичай додають для сприяння росту флок і прискорення седиментації. Освітлена верхня частина переходить на наступний етап, а нижній осад періодично видаляється.
3. Ємність для фільтрації:
Вода після відстоювання може все ще містити дрібні зважені частинки, що потребує точної фільтрації через багато-фільтр (наприклад, антрацит або кремнеземний пісок), щоб видалити залишковий дрібний осад і переконатися, що каламутність стічних вод відповідає стандартам.
4. Ємність для регулювання pH:
Вода, оброблена вапном, має дуже високий рН (зазвичай вище 10), що робить її корозійною та непридатною для подальшого використання чи скидання.
Тому кислоту (наприклад, сірчану або соляну кислоту) або CO2 потрібно додати після фільтрації, щоб нейтралізувати pH і повернути його до нейтрального діапазону (наприклад, 6,5-8,5). Метод введення CO2, також відомий як «рекарбонізація», також може перетворювати невеликі кількості розчинених іонів кальцію в карбонат кальцію для подальшого видалення.
IV. Технічні характеристики
Переваги:
1. Значні та надійні результати: технологія зріла і може зменшити твердість до низького рівня (залишкова твердість може досягати 0,5-1,0 ммоль/л).
2. Одночасне видалення інших домішок: у процесі усунення жорсткості він також може ефективно зменшити лужність, вміст кремнію, деяких важких металів і зважених твердих речовин у воді.
3. Низька вартість обробки: використовувані реагенти (вапно, кальцинована сода) широко доступні та відносно недорогі.
Недоліки та обмеження:
1. Велике утворення осаду: утворюється велика кількість хімічного осаду (в основному складається з карбонату кальцію та гідроксиду магнію), а обробка та утилізація цього осаду збільшить додаткові витрати та тиск на навколишнє середовище.
2. Комплексна робота та управління: Дозування реагентів необхідно точно розраховувати та регулювати відповідно до змін якості сирої води, що вимагає висококваліфікованих операторів.
3. Обмежена якість стоків: Важко досягти надзвичайно низьких вимог до жорсткості глибокого пом’якшення (наприклад,<0.03 mmol/L), and the residual hardness is still higher than that of advanced treatment processes such as ion exchange.
4. Велика площа: обладнання потребує низки структур, таких як реакція, седиментація та фільтрація, що призводить до великих інвестицій у інфраструктуру.