In den letzten Jahren hat sich der Einsatz der Hochdruck-Umkehrosmose-Membrantechnologie zur weiteren Konzentration und Volumenreduzierung industrieller konzentrierter Sole zum Mainstream-Trend bei der Soleaufbereitung ohne Auslass entwickelt. Allerdings ist die Ablagerung zu einem der begrenzenden Faktoren für eine hohe-Konzentration und Volumenreduzierung des einströmenden Wassers in Umkehrosmose-Membransystemen geworden. Der Hauptgrund hierfür liegt darin, dass sich während des Hochkonzentrationsprozesses des einströmenden Wassers im Umkehrosmose-Membransystem zweiwertige Kationen wie Kalzium, Magnesium, Barium und Strontium zusammen mit leicht verklumpenden Ionen wie Karbonat, Sulfat, Phosphat, Fluorid und löslicher Kieselsäure auf der Konzentratseite des Umkehrosmosesystems ansammeln, einen übersättigten Zustand erreichen und Niederschläge und Ablagerungen bilden. Dies führt zu Membranverschmutzung, erhöhtem Betriebsdruck, Schwierigkeiten bei der Wiederherstellung des Membranflusses und in schweren Fällen zu Schäden an der Membranoberflächen-Trennschicht, was zu Fehlfunktionen und Instabilität des Systems führt.
Daher ist ein zuverlässiger und effizienter Enthärtungs- und Enthärtungsprozess für konzentrierte Sole ein wesentlicher und entscheidender Schritt im industriellen Membrankonzentrations- und Volumenreduzierungsprozess für konzentrierte Sole.
1. Reaktionsmechanismus der chemischen Enthärtung
Bei Rohwasser unterschiedlicher Härte können grundsätzlich folgende Maßnahmen ergriffen werden:
(1) Passen Sie bei Rohwasser mit geringer -Härte den pH-Wert und die Temperatur des Zuflusses an oder verwenden Sie physikalische Methoden, um die Bildung von Ablagerungen zu verhindern und die Löslichkeit schwer löslicher Salze zu verbessern.
(2) Für Rohwasser mit mittlerer-geringer Härte können Kalkinhibitoren verwendet werden, diese sind jedoch nur innerhalb eines bestimmten Bereichs wirksam, dh der Langerile-Index (LSI) muss zwischen 0 und 1,8 liegen;
(3) Bei Rohwasser mit hoher -Härte sind Ionenaustausch und chemische Fällung erforderlich, um ablagerungsbildende Ionen zu entfernen.
Für große Mengen konzentrierter Sole mit hoher Härte würde die Verwendung einer Ionenaustauscherweichung mit Kationen wie Kalzium und Magnesium eine große Menge an Regenerationsmitteln erfordern, was zu hohen Betriebskosten und Sekundärverschmutzung führt. Im Allgemeinen umfasst das wirtschaftlichste Aufbereitungsverfahren die Zugabe chemischer Weichmacher (Natriumhydroxid, Calciumhydroxid, Natriumcarbonat usw.), um den pH-Wert des Wassers zu erhöhen und mit Calcium- und Magnesiumionen in der konzentrierten Sole zu Niederschlägen wie Calciumcarbonat und Magnesiumhydroxid zu reagieren. Der Reaktionsmechanismus der chemischen Enthärtung ist wie folgt:
Ca2+ + CO32- → CaCO3 ↓
Ca2+ + OH- + HCO3- → CaCO3 ↓ + H2O
Mg2+ + 2OH- → Mg(OH)2 ↓
In den Formeln bedeutet „↓“, dass sich ein Niederschlag, also ein suspendierter Feststoff, gebildet hat. Kalk und flüssiges Alkali können die für die Reaktion benötigten Hydroxidionen liefern; Wenn die Karbonat-Ionen im Wasser nicht ausreichen, kann Soda hinzugefügt werden, um die Karbonat-Ionen zu ergänzen.
SiO2 + 2Mg(OH)2↓ → Mg2SiO4↓ + 2H2O
Die Reaktion zur Entfernung von Siliciumdioxid ist komplexer, kann aber einfach als Co-Fällungsreaktion zwischen Siliciumdioxid im Wasser und Magnesiumhydroxid verstanden werden, das bei der Erweichungsreaktion entsteht. Anschließend erfolgt die Fest-{2}}Flüssigkeitstrennung durch Methoden wie Filtration und Klärung zur Entfernung der Kieselsäure.
Fluorid-, Barium- und Strontiumionen in konzentrierter Sole bergen außerdem die Gefahr der Ablagerung auf der Umkehrosmosemembran. Unter den pH-Bedingungen der chemischen Enthärtungsreaktion bilden diese Schwermetallionen gleichzeitig entsprechende unlösliche Niederschläge (Kalziumfluorid, Bariumsulfat, Strontiumsulfat usw.), die anschließend durch Filtration entfernt werden.
2. Auswahl chemischer Zusatzstoffe
Als Weichmacher für die Härtung mit konzentrierter Sole können sowohl Kalk (mit Soda) als auch flüssiges Alkali mit Soda verwendet werden. Der Zweck der Reaktion besteht darin, Calcium- und Magnesiumionen im Wasser in ihre jeweiligen unlöslichen Substanzen umzuwandeln, die dann durch Filtration entfernt werden, während gleichzeitig Barium, Strontium, Kieselsäure usw. entfernt werden. Kalk ist billiger und leichter verfügbar als flüssiges Alkali, erhöht jedoch die Schlammmenge und führt mehr Calciumionen ein, sodass zur Reaktion und Ausfällung eine entsprechende Menge Carbonat erforderlich ist.
Reicht die vorhandene Konzentration an Bicarbonat + Carbonat im Wasser nicht aus, um die durch den Kalk eingebrachten Calciumionen auszufällen, muss Soda separat zugegeben werden, allerdings ist Soda sehr teuer. Durch die Zugabe von flüssigem Alkali werden keine Calciumionen eingetragen. Es muss jedoch berücksichtigt werden, dass es zu einer übermäßigen Alkalität kommt, wenn die Konzentration an Bikarbonat- und Karbonat-Ionen im Wasser deutlich höher ist als die Kalziumionenkonzentration. Dies führt zu einem übermäßigen Säureverbrauch, wenn der pH-Wert des enthärteten Permeats wieder auf neutral eingestellt werden muss, und es besteht die Gefahr, dass die Leitfähigkeit des Permeats nach der Umkehrosmose-Membranbehandlung nicht den Standards entspricht.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass unter den meisten Wasserqualitätsbedingungen (bei denen die Konzentration an Bikarbonat- und Karbonat-Ionen höher ist als die Kalziumionen-Konzentration) die Verwendung von Kalk + flüssigem Alkali als Weichmacher wirtschaftlicher und sinnvoller ist. Wenn das Rohwasser eine hohe Härte, aber eine geringe Alkalität aufweist, ist die ausschließliche Zugabe von flüssigem Alkali optimal. Wenn das Rohwasser eine extrem hohe Alkalität aufweist, ist die alleinige Zugabe von Kalk wirtschaftlicher und sinnvoller.
Durch die Zugabe von Magnesiumsalzen soll Silizium entfernt werden. Bei der Erweichungsreaktion entsteht Magnesiumhydroxid, das durch Adsorption und chemische Reaktionen gleichzeitig unlösliche Ko-niederschläge mit Kieselsäure im Wasser bildet. Zu den verfügbaren Magnesiumsalzen gehören Magnesiumoxid und Magnesiumchlorid. Magnesiumoxid ist im Allgemeinen kostengünstig und leicht verfügbar, allerdings ist es schwierig zu handhaben, reagiert langsam und erfordert eine bestimmte Temperatur. Magnesiumchlorid ist relativ teurer, aber es ist leicht löslich und kann in eine wässrige Lösung umgewandelt werden, wodurch es bequem zu handhaben ist und schnell reagiert. In den meisten Fällen reichen die Magnesiumionen in konzentrierter Sole aus, um Kieselsäure auszufällen, in speziellen Wasserquellen müssen jedoch ausreichend Magnesiumsalze und flüssiges Alkali zugesetzt werden, um Kieselsäure zu entfernen.
3. Chemischer Weichmachereffekt
Am Beispiel der Enthärtung von Pharmaabwasser handelt es sich bei dem Rohwasser um Abwasser nach einer anaeroben biologischen Behandlung, das mithilfe eines Tellerrohr-Umkehrosmoseverfahrens (DTRO) konzentriert werden muss. Das Wasser hat eine hohe Gesamthärte und Gesamtalkalität sowie einen geringen Kieselsäuregehalt. Um eine Ablagerung von Kalzium- und Magnesiumionen auf der Seite des konzentrierten Wassers während der Hochkonzentrations- und Volumenreduzierungsbehandlung des DTRO zu vermeiden, ist eine chemische Enthärtung erforderlich, um die Härte zu entfernen.
Basierend auf den Eigenschaften des Pharmaabwassers wird als chemischer Weichmacher flüssiges Alkali (30 %ige Natronlauge) ausgewählt. Die Gründe dafür sind folgende: Die Gesamthärte des Rohwassers beträgt 1100-1500 mg/L, wobei die Calciumhärte die Magnesiumhärte übersteigt, während die Gesamtalkalität 2300-2500 mg/L beträgt. Unter alkalischen Bedingungen reichen die Bikarbonat- und Karbonat-Ionen im Rohwasser aus, um mit allen Kalziumionen im Wasser zu reagieren und einen Kalziumkarbonat-Niederschlag zu bilden, wodurch die Kalziumhärte vollständig beseitigt wird. Gleichzeitig reagieren alle Magnesiumionen mit überschüssigen Hydroxidionen in der Alkalilösung, um einen Magnesiumhydroxidniederschlag zu erzeugen und in einer Co-Fällungsreaktion etwas Kieselsäure aus dem Wasser zu transportieren, wodurch Magnesiumhärte und etwas Kieselsäure entfernt werden.
Anhand der Daten vor und nach der Enthärtung lässt sich erkennen, dass durch die chemische Enthärtung eine Entfernungsrate der Gesamthärte aus dem Rohwasser von 97 % erreicht wird und die Härte des enthärteten Produktwassers weniger als 100 mg/L beträgt, was den Anforderungen an die Härte des Eingangswassers im Konzentrations- und Volumenreduzierungsbehandlungsprozess der DTRO-Membranausrüstung entspricht.
Bei der industriellen Konzentrations- und Volumenreduzierungsbehandlung mit konzentrierter Solemembran ist die chemische Enthärtung eine hocheffiziente, wirtschaftliche und praktische Behandlungstechnologie zur Entfernung von Härte.