L'addolcimento chimico è un processo che prevede l'aggiunta di sostanze chimiche specifiche all'acqua per convertire gli ioni calcio e magnesio indurenti in composti insolubili, che vengono poi rimossi attraverso precipitazione e filtrazione. Questa è una tecnologia di rimozione indurente classica ed efficace.
I. Spostamento delle precipitazioni-Equilibrio di dissoluzione
La base teorica di questo metodo è il principio del prodotto di solubilità. Cioè, aggiungendo sostanze chimiche all'acqua, la concentrazione di anioni che possono formare precipitati insolubili con ioni calcio e magnesio (come CO3^2-, OH-, PO4^3-, ecc.) viene aumentata, facendo sì che il prodotto ionico superi la sua costante di prodotto di solubilità, generando così precipitazioni.
Le principali reazioni di precipitazione includono:
1. Rimozione della durezza carbonatica:
Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 ->2CaCO3↓ + 2H2O
Mg(HCO3)2 + 2Ca(OH)2 ->2CaCO3↓ + Mg(OH)2↓ + 2H2O
La calce fornisce ioni OH- per convertire gli ioni bicarbonato in ioni carbonato e aumenta il pH per formare un precipitato di idrossido di magnesio.
2. Rimozione della durezza non-carbonatica (calcio):
CaSO4 + Na2CO3 ->CaCO3↓ + Na2SO4
CaCl2 + Na2CO3 ->CaCO3↓ + 2NaCl
Il carbonato di sodio fornisce ioni CO3^2-, che si combinano con gli ioni calcio per formare un precipitato di carbonato di calcio.
3. Rimozione della durezza non-carbonatica (magnesio):
MgSO4 + Ca(OH)2 ->Mg(OH)2↓ + CaSO4
Il CaSO4 generato deve ancora essere ulteriormente rimosso dal carbonato di sodio. La calce viene utilizzata per fornire ioni OH- per formare un precipitato di idrossido di magnesio con un prodotto di solubilità inferiore.
II. Reagenti chimici comunemente usati e loro funzioni
1. Calce: il suo componente principale è Ca(OH)2.
Rimuove la durezza carbonatica (compresa la durezza carbonatica di calcio e magnesio) e fornisce un ambiente a pH elevato. Il dosaggio deve essere calcolato con precisione; un'aggiunta eccessiva non solo è uno spreco ma può anche portare alla ridissoluzione degli ioni magnesio o introdurre nuova durezza.
2. Soda: il suo componente principale è Na2CO3.
Rimuove la durezza non-carbonatica (durezza del calcio) dall'acqua. Si dissolve nell'acqua stessa senza introdurre nuovi ioni di durezza, ma introduce piuttosto Na+, con un impatto relativamente piccolo sulla qualità dell'acqua.
3. Idrossido di sodio: NaOH.
A volte utilizzato come sostituto parziale della calce, fornisce ioni OH-, rendendo l'operazione più semplice, ma più costosa. La reazione è simile a quella della calce.
4. Fosfati: come tripolifosfato di sodio, esametafosfato di sodio, ecc.
Questo metodo non è un metodo di precipitazione tradizionale, ma piuttosto previene la formazione di incrostazioni generando colloidi dispersi o complessando ioni di calcio e magnesio. Si tratta di un "metodo nascosto" o "effetto soglia", spesso utilizzato per trattamenti ausiliari o in situazioni con basse esigenze.
III. Flusso del processo classico: metodo della calce-soda
Questo è il processo di addolcimento chimico più rappresentativo e il suo svolgimento è il seguente:
1. Serbatoio di reazione/serbatoio di addolcimento:
L'acqua grezza entra prima nel serbatoio di reazione, dove vengono aggiunti l'impasto liquido di calce e la soluzione di carbonato di sodio secondo il dosaggio calcolato. Il serbatoio è dotato di un dispositivo di agitazione meccanica per garantire una miscelazione e una reazione complete dei reagenti e per fornire tempo e condizioni sufficienti per la formazione del precipitato.
Qui si completano tutte le reazioni chimiche principali sopra menzionate, generando una grande quantità di precipitati flocculanti di CaCO3 e Mg(OH)2.
2. Serbatoio di sedimentazione/vasca di chiarificazione:
L'acqua reagita scorre nella vasca di sedimentazione, dove la portata rallenta. Poiché il CaCO3 è un precipitato pesante, si deposita rapidamente in modo naturale; mentre Mg(OH)2 è un precipitato leggermente flocculante, sedimenta più lentamente. I flocculanti (come il PAM) vengono generalmente aggiunti per promuovere la crescita dei fiocchi e accelerare la sedimentazione. La porzione superiore chiarificata procede alla fase successiva, mentre i fanghi di fondo vengono periodicamente rimossi.
3. Serbatoio di filtrazione:
L'acqua dopo la sedimentazione può contenere ancora minuscole particelle sospese, che richiedono una filtrazione di precisione attraverso un filtro multi-media (come sabbia di antracite o silice) per rimuovere i sedimenti fini residui e garantire che la torbidità dell'effluente soddisfi gli standard.
4. Serbatoio di regolazione del pH:
L'acqua trattata con calce ha un pH molto elevato (solitamente superiore a 10), che la rende corrosiva e inadatta ad un successivo utilizzo o scarico.
Pertanto, dopo la filtrazione è necessario aggiungere acido (come acido solforico o acido cloridrico) o CO2 per neutralizzare il pH e riportarlo a un intervallo neutro (ad esempio, 6,5-8,5). Il metodo di introduzione della CO2, noto anche come "ricarbonatazione", può anche convertire piccole quantità di ioni calcio disciolti in carbonato di calcio per un'ulteriore rimozione.
IV. Caratteristiche Tecniche
Vantaggi:
1. Risultati significativi e affidabili: la tecnologia è matura e può ridurre la durezza a un livello basso (la durezza residua può raggiungere 0,5-1,0 mmol/L).
2. Rimozione simultanea di altre impurità: nel processo di rimozione della durezza, può anche ridurre efficacemente l'alcalinità, il contenuto di silicio, alcuni metalli pesanti e i solidi sospesi nell'acqua.
3. Basso costo di trattamento: i reagenti utilizzati (calce, carbonato di sodio) sono ampiamente disponibili e relativamente economici.
Svantaggi e limitazioni:
1. Grande produzione di fanghi: genera una grande quantità di fanghi chimici (composti principalmente da carbonato di calcio e idrossido di magnesio) e il trattamento e lo smaltimento di questi fanghi aumenterà i costi aggiuntivi e la pressione ambientale.
2. Funzionamento e gestione complessi: il dosaggio dei reagenti deve essere calcolato e regolato con precisione in base ai cambiamenti nella qualità dell'acqua non depurata, richiedendo operatori altamente qualificati.
3. Qualità dell'effluente limitata: è difficile raggiungere i requisiti di durezza estremamente bassi dell'addolcimento profondo (ad es.<0.03 mmol/L), and the residual hardness is still higher than that of advanced treatment processes such as ion exchange.
4. Ampio ingombro: l'attrezzatura richiede una serie di strutture come impianti di reazione, sedimentazione e filtraggio, con conseguenti elevati investimenti infrastrutturali.