Negli ultimi anni, l'uso della tecnologia delle membrane ad osmosi inversa ad alta-pressione per un'ulteriore concentrazione e riduzione del volume della salamoia concentrata industriale è diventata la tendenza principale nel trattamento della salamoia a-scarico zero. Tuttavia, le incrostazioni sono diventate uno dei fattori limitanti per l'elevata-concentrazione e la riduzione del volume dell'acqua in entrata nei sistemi a membrana ad osmosi inversa. La ragione principale di ciò è che durante il processo ad alta-concentrazione dell'acqua in entrata nel sistema a membrana ad osmosi inversa, cationi bivalenti come calcio, magnesio, bario e stronzio, insieme a ioni che si incrostano facilmente come carbonato, solfato, fosfato, fluoruro e silice solubile, si accumulano sul lato concentrato del sistema ad osmosi inversa, raggiungendo uno stato sovrasaturo, formando precipitati e incrostazioni. Ciò porta all'intasamento della membrana, all'aumento della pressione operativa, alla difficoltà nel ripristinare il flusso della membrana e, nei casi più gravi, al danneggiamento dello strato di separazione della superficie della membrana, causando il malfunzionamento del sistema e l'instabilità.
Pertanto, un processo di rimozione dell'addolcimento e dell'indurimento affidabile ed efficiente per la salamoia concentrata è un passaggio essenziale e cruciale nel processo industriale di concentrazione e riduzione del volume della membrana della salamoia concentrata.
1. Meccanismo di reazione dell'addolcimento chimico
Per l'acqua grezza di diversa durezza si possono generalmente adottare le seguenti misure:
(1) Per l'acqua grezza a bassa-durezza, regolare il pH e la temperatura dell'affluente o utilizzare metodi fisici per inibire la formazione di calcare e migliorare la solubilità dei sali scarsamente solubili;
(2) Per acqua grezza di durezza medio-bassa, è possibile utilizzare inibitori di calcare, ma questi sono efficaci solo entro un certo intervallo, ovvero l'indice di Langerile (LSI) deve essere compreso tra 0 e 1,8;
(3) Per l'acqua non trattata ad elevata-durezza, sono necessari lo scambio ionico e la precipitazione chimica per rimuovere gli ioni che formano incrostazioni-.
Per grandi volumi di salamoia concentrata ad alta-durezza, l'utilizzo dell'addolcimento a scambio ionico con cationi come calcio e magnesio richiederebbe una grande quantità di agenti di rigenerazione, con conseguenti costi operativi elevati e inquinamento secondario. Generalmente, il processo di trattamento più economico prevede l'aggiunta di agenti chimici ammorbidenti (idrossido di sodio, idrossido di calcio, carbonato di sodio, ecc.) per aumentare il pH dell'acqua, reagendo con gli ioni calcio e magnesio nella salamoia concentrata per formare precipitati come carbonato di calcio e idrossido di magnesio. Il meccanismo di reazione dell’ammorbidimento chimico è il seguente:
Ca2+ + CO32- → CaCO3 ↓
Ca2+ + OH- + HCO3- → CaCO3 ↓ + H2O
Mg2+ + 2OH- → Mg(OH)2 ↓
Nelle formule "↓" indica che si è formato un precipitato, cioè un solido sospeso. La calce e gli alcali liquidi possono fornire gli ioni idrossido necessari per la reazione; se gli ioni carbonato nell'acqua sono insufficienti, è possibile aggiungere carbonato di sodio per integrare gli ioni carbonato.
SiO2 + 2Mg(OH)2↓ → Mg2SiO4↓ + 2H2O
La reazione di rimozione della silice è più complessa, ma può essere semplicemente intesa come una reazione di co-precipitazione tra la silice nell'acqua e l'idrossido di magnesio generato nella reazione di addolcimento. Quindi, la separazione solido-liquido viene ottenuta attraverso metodi quali filtrazione e chiarificazione per rimuovere la silice.
Anche gli ioni fluoruro, bario e stronzio nella salamoia concentrata comportano il rischio di incrostazioni sulla membrana ad osmosi inversa. Nelle condizioni di pH della reazione chimica di addolcimento, questi ioni di metalli pesanti formeranno contemporaneamente corrispondenti precipitati insolubili (fluoruro di calcio, solfato di bario, solfato di stronzio, ecc.), che verranno successivamente rimossi mediante filtrazione.
2. Selezione degli additivi chimici
La calce (con carbonato di sodio) o gli alcali liquidi con carbonato di sodio possono essere entrambi utilizzati come agenti ammorbidenti per l'indurimento della salamoia concentrata. Lo scopo della reazione è convertire gli ioni calcio e magnesio presenti nell'acqua nelle rispettive sostanze insolubili, che vengono poi rimosse mediante filtrazione, rimuovendo contemporaneamente bario, stronzio, silice, ecc. La calce è più economica e più facilmente disponibile degli alcali liquidi, ma aumenta la quantità di fanghi e introduce più ioni calcio, richiedendo quindi una quantità equivalente di carbonato per reagire e precipitare.
Se la concentrazione esistente di bicarbonato+carbonato nell'acqua non è sufficiente a far precipitare gli ioni calcio introdotti dalla calce, è necessario aggiungere separatamente il carbonato di sodio, ma il carbonato di sodio è molto costoso. L'aggiunta di alcali liquidi non introdurrà ioni calcio. Bisogna però considerare che se la concentrazione di ioni bicarbonato+carbonato nell'acqua è significativamente superiore alla concentrazione di ioni calcio, ci sarà un eccesso di alcalinità. Ciò porterà a un consumo eccessivo di acido quando è necessario riportare il pH del permeato ammorbidito a neutro e vi è il rischio che la conduttività del permeato dopo il trattamento con membrana a osmosi inversa non soddisfi gli standard.
In sintesi, nella maggior parte delle condizioni di qualità dell’acqua (dove la concentrazione di ioni bicarbonato + carbonato è maggiore della concentrazione di ioni calcio), l’uso di calce + alcali liquidi come agente ammorbidente è più economico e ragionevole. Quando l'acqua grezza ha un'elevata durezza ma una bassa alcalinità, l'aggiunta solo di alcali liquidi è ottimale. Quando l'acqua grezza ha un'alcalinità estremamente elevata, aggiungere solo calce è più economico e ragionevole.
L'aggiunta di sali di magnesio mira a rimuovere il silicio. La reazione di addolcimento produce idrossido di magnesio, che forma contemporaneamente co-precipitati insolubili con la silice nell'acqua attraverso adsorbimento e reazioni chimiche. I sali di magnesio disponibili includono ossido di magnesio e cloruro di magnesio. L'ossido di magnesio è generalmente poco costoso e facilmente disponibile, ma è difficile da maneggiare, reagisce lentamente e richiede una certa temperatura. Il cloruro di magnesio è relativamente più costoso, ma è facilmente solubile e può essere trasformato in una soluzione acquosa, il che lo rende comodo da maneggiare e reagisce rapidamente. Nella maggior parte dei casi, gli ioni di magnesio nella salamoia concentrata sono sufficienti per far precipitare la silice, ma in fonti d'acqua speciali è necessario aggiungere sufficienti sali di magnesio e alcali liquidi per rimuovere la silice.
3. Effetto ammorbidente chimico
Prendendo come esempio l'addolcimento delle acque reflue farmaceutiche, l'acqua grezza è acqua di scarico dopo il trattamento biologico anaerobico e deve essere concentrata utilizzando un processo di osmosi inversa (DTRO) con tubo a disco. L'acqua ha un'elevata durezza totale e alcalinità totale e un basso contenuto di silice. Per evitare il deposito di ioni di calcio e magnesio sul lato dell'acqua concentrata durante il trattamento ad alta-concentrazione e riduzione del volume del DTRO, è necessario un addolcimento chimico per rimuovere la durezza.
In base alle caratteristiche delle acque reflue farmaceutiche, come agente ammorbidente chimico viene selezionato l'alcali liquido (soluzione di idrossido di sodio al 30%). I motivi sono i seguenti: la durezza totale dell'acqua non depurata è 1100-1500 mg/l, con la durezza del calcio che supera quella del magnesio, mentre l'alcalinità totale è 2300-2500 mg/l. In condizioni alcaline, gli ioni bicarbonato e carbonato nell'acqua grezza sono sufficienti per reagire con tutti gli ioni calcio presenti nell'acqua per formare un precipitato di carbonato di calcio, rimuovendo così completamente la durezza del calcio. Contemporaneamente, tutti gli ioni magnesio reagiscono con gli ioni idrossido in eccesso nella soluzione alcalina per produrre un precipitato di idrossido di magnesio e trasportano parte della silice dall'acqua in una reazione di coprecipitazione, rimuovendo così la durezza del magnesio e parte della silice.
Sulla base dei dati prima e dopo l'addolcimento, si può vedere che l'addolcimento chimico raggiunge un tasso di rimozione del 97% della durezza totale dall'acqua grezza e la durezza dell'acqua prodotta addolcita è inferiore a 100 mg/l, soddisfacendo i requisiti di durezza dell'acqua in entrata nel processo di trattamento di concentrazione e riduzione del volume dell'apparecchiatura a membrana DTRO.
Nel trattamento industriale concentrato di concentrazione e riduzione del volume della membrana salina, l'addolcimento chimico è una tecnologia di trattamento altamente efficiente, economica e pratica per la rimozione della durezza.