V zadnjih letih je uporaba visokotlačne membranske tehnologije reverzne osmoze za nadaljnjo koncentracijo in zmanjšanje prostornine industrijske koncentrirane slanice postala glavni trend pri obdelavi slanice brez-praznjenja. Vendar pa je nastajanje vodnega kamna postalo eden od omejevalnih dejavnikov za visoko-koncentracijo in zmanjšanje prostornine vhodne vode v membranskih sistemih z reverzno osmozo. Glavni razlog za to je, da se med postopkom visoke -koncentracije vhodne vode v membranski sistem reverzne osmoze dvovalentni kationi, kot so kalcij, magnezij, barij in stroncij, skupaj z ioni, ki jih je mogoče zlahka zbrati, kot so karbonat, sulfat, fosfat, fluorid in topni silicijev dioksid, kopičijo na strani koncentrata sistema reverzne osmoze in dosežejo prenasičeno stanje, nastajanje oborin in luščenje. To vodi do umazanije membrane, povečanega delovnega tlaka, težav pri obnavljanju pretoka membrane in v hujših primerih do poškodbe ločilne plasti površine membrane, zaradi česar sistem ne deluje pravilno in postane nestabilen.
Zato je zanesljiv in učinkovit postopek odstranjevanja mehčanja in strjevanja za koncentrirano slanico bistven in ključen korak v procesu koncentracije in zmanjševanja volumna industrijske membrane za koncentrirano slanico.
1. Reakcijski mehanizem kemičnega mehčanja
Za surovo vodo z različno trdoto se na splošno lahko sprejmejo naslednji ukrepi:
(1) Za surovo vodo z nizko{1}}trdoto prilagodite pH in temperaturo dotoka ali uporabite fizikalne metode za zaviranje nastajanja vodnega kamna in izboljšajte topnost težko topnih soli;
(2) Za surovo vodo s srednje{1}}nizko trdoto se lahko uporabljajo zaviralci vodnega kamna, vendar so ti učinkoviti le v določenem območju, tj. Langerilov indeks (LSI) mora biti med 0 in 1,8;
(3) Pri surovi vodi z visoko{1}}trdoto sta ionska izmenjava in kemično obarjanje potrebni za odstranitev ionov,-ki tvorijo vodni kamen.
Za velike količine koncentrirane- slanice visoke trdote bi uporaba mehčanja z ionsko izmenjavo s kationi, kot sta kalcij in magnezij, zahtevala veliko količino regeneracijskih sredstev, kar bi povzročilo visoke obratovalne stroške in sekundarno onesnaženje. Na splošno najbolj ekonomičen postopek obdelave vključuje dodajanje kemičnih mehčalcev (natrijev hidroksid, kalcijev hidroksid, natrijev karbonat itd.) za povečanje pH vode, ki reagirajo s kalcijevimi in magnezijevimi ioni v koncentrirani slanici, da nastanejo oborine, kot sta kalcijev karbonat in magnezijev hidroksid. Reakcijski mehanizem kemičnega mehčanja je naslednji:
Ca2+ + CO32- → CaCO3 ↓
Ca2+ + OH- + HCO3- → CaCO3 ↓ + H2O
Mg2+ + 2OH- → Mg(OH)2 ↓
V formulah "↓" pomeni, da je nastala oborina, tj. suspendirana trdna snov. Apno in tekoče alkalije lahko zagotovijo hidroksidne ione, potrebne za reakcijo; če je karbonatnih ionov v vodi premalo, lahko dodamo natrijev karbonat, da dopolnimo karbonatne ione.
SiO2 + 2Mg(OH)2↓ → Mg2SiO4↓ + 2H2O
Reakcija odstranjevanja silicijevega dioksida je bolj zapletena, vendar jo je mogoče preprosto razumeti kot reakcijo so-obarjanja med silicijevim dioksidom v vodi in magnezijevim hidroksidom, ki nastane pri reakciji mehčanja. Nato se z metodami, kot sta filtracija in bistrenje za odstranitev silicijevega dioksida, doseže ločitev trdne-tekoče.
Fluoridni, barijevi in stroncijevi ioni v koncentrirani slanici predstavljajo tudi tveganje za nastanek vodnega kamna na membrani reverzne osmoze. V pogojih pH kemične reakcije mehčanja bodo ti ioni težkih kovin hkrati tvorili ustrezne netopne oborine (kalcijev fluorid, barijev sulfat, stroncijev sulfat itd.), ki se nato odstranijo s filtracijo.
2. Izbira kemičnih dodatkov
Apno (z natrijevo sodo) ali tekočo alkalijo z natrijevo sodo lahko uporabimo kot mehčalo za utrjevanje koncentrirane slanice. Namen reakcije je pretvorba kalcijevih in magnezijevih ionov v vodi v ustrezne netopne snovi, ki se nato odstranijo s filtracijo, hkrati pa se odstranijo barij, stroncij, silicijev dioksid itd. Apno je cenejše in lažje dostopno kot tekoča alkalija, vendar poveča količino blata in vnese več kalcijevih ionov, zato je za reakcijo potrebna enaka količina karbonata in oborina.
Če je obstoječa koncentracija bikarbonata + karbonata v vodi nezadostna za obarjanje kalcijevih ionov, ki jih vnese apno, je treba natrijev karbonat dodati posebej, vendar je natrijev karbonat zelo drag. Dodajanje tekoče alkalije ne bo vneslo kalcijevih ionov. Vendar pa je treba upoštevati, da če je koncentracija bikarbonatnih + karbonatnih ionov v vodi znatno višja od koncentracije kalcijevih ionov, bo prišlo do presežne alkalnosti. To bo povzročilo prekomerno porabo kisline, ko je treba pH zmehčanega permeata prilagoditi nazaj na nevtralen, in obstaja tveganje, da prevodnost permeata po obdelavi membrane z reverzno osmozo ne bo ustrezala standardom.
Če povzamemo, je v večini pogojev kakovosti vode (kjer je koncentracija bikarbonatnih + karbonatnih ionov večja od koncentracije kalcijevih ionov) uporaba apna + tekoče alkalije kot mehčala bolj ekonomična in razumna. Kadar ima surova voda visoko trdoto, a nizko alkalnost, je optimalno dodajanje samo tekoče alkalije. Kadar ima surova voda izjemno visoko alkalnost, je dodajanje samo apna bolj ekonomično in razumno.
Namen dodajanja magnezijevih soli je odstraniti silicij. Pri reakciji mehčanja nastane magnezijev hidroksid, ki hkrati z adsorpcijo in kemičnimi reakcijami tvori netopne ko-oborine s kremenom v vodi. Magnezijeve soli, ki so na voljo, vključujejo magnezijev oksid in magnezijev klorid. Magnezijev oksid je na splošno poceni in lahko dostopen, vendar je z njim težko ravnati, reagira počasi in zahteva določeno temperaturo. Magnezijev klorid je relativno dražji, vendar je lahko topen in ga je mogoče pripraviti v vodno raztopino, zaradi česar je priročno za rokovanje in hitro reagira. V večini primerov magnezijevi ioni v koncentrirani slanici zadostujejo za obarjanje silicijevega dioksida, toda v posebnih vodnih virih je treba za odstranitev silicijevega dioksida dodati dovolj magnezijevih soli in tekočih alkalij.
3. Kemični učinek mehčanja
Če za primer vzamemo mehčanje farmacevtske odpadne vode, je surova voda odpadna voda po anaerobni biološki obdelavi in jo je treba koncentrirati s postopkom reverzne osmoze (DTRO) z diskasto cevjo. Voda ima visoko skupno trdoto in skupno alkalnost ter nizko vsebnost kremena. Da bi se izognili nabiranju kalcijevih in magnezijevih ionov na strani koncentrirane vode med obdelavo z visoko-koncentracijo in zmanjšanjem prostornine DTRO, je za odstranitev trdote potrebno kemično mehčanje.
Na podlagi značilnosti farmacevtske odpadne vode je kot kemično mehčalo izbrana tekoča alkalija (30% raztopina natrijevega hidroksida). Razlogi so naslednji: Skupna trdota surove vode je 1100-1500 mg/L, pri čemer trdota kalcija presega trdoto magnezija, medtem ko je skupna alkalnost 2300-2500 mg/L. V alkalnih pogojih je dovolj bikarbonatnih in karbonatnih ionov v surovi vodi, da reagirajo z vsemi kalcijevimi ioni v vodi in tvorijo oborino kalcijevega karbonata, s čimer popolnoma odstranijo trdoto kalcija. Hkrati vsi magnezijevi ioni reagirajo s presežnimi hidroksidnimi ioni v alkalijski raztopini, da proizvedejo oborino magnezijevega hidroksida in prenesejo nekaj silicijevega dioksida iz vode v reakciji soobarjanja, s čimer odstranijo magnezijevo trdoto in nekaj silicijevega dioksida.
Na podlagi podatkov pred in po mehčanju je razvidno, da kemično mehčanje doseže 97-odstotno stopnjo odstranitve skupne trdote iz surove vode, trdota zmehčane proizvodne vode pa je manjša od 100 mg/L, kar izpolnjuje zahteve za trdoto vhodne vode v postopku obdelave z zmanjševanjem koncentracije in volumna opreme DTRO.
Pri obdelavi z membransko koncentracijo in zmanjšanjem volumna industrijske koncentrirane slanice je kemično mehčanje zelo učinkovita, ekonomična in praktična tehnologija obdelave za odstranjevanje trdote.