Nos últimos anos, o uso da tecnologia de membrana de osmose reversa de alta-pressão para maior concentração e redução de volume de salmoura concentrada industrial tornou-se a tendência principal no tratamento de-descarga zero de salmoura. No entanto, a incrustação tornou-se um dos fatores limitantes para a alta-concentração e redução de volume da água recebida em sistemas de membrana de osmose reversa. A principal razão para isso é que durante o processo de alta-concentração da água que entra no sistema de membrana de osmose reversa, cátions divalentes como cálcio, magnésio, bário e estrôncio, juntamente com íons facilmente incrustáveis, como carbonato, sulfato, fosfato, fluoreto e sílica solúvel, acumulam-se no lado concentrado do sistema de osmose reversa, atingindo um estado supersaturado, formando precipitados e incrustações. Isto leva à incrustação da membrana, aumento da pressão operacional, dificuldade em restaurar o fluxo da membrana e, em casos graves, danos à camada de separação da superfície da membrana, causando mau funcionamento do sistema e tornando-o instável.
Portanto, um processo confiável e eficiente de remoção de amolecimento e endurecimento para salmoura concentrada é uma etapa essencial e crucial no processo industrial de concentração de membrana de salmoura concentrada e redução de volume.
1. Mecanismo de reação de amolecimento químico
Para água bruta de dureza variável, geralmente podem ser tomadas as seguintes medidas:
(1) Para água bruta de baixa-dureza, ajuste o pH e a temperatura do influente ou use métodos físicos para inibir a formação de incrustações e melhorar a solubilidade de sais pouco solúveis;
(2) Para água bruta de dureza média-baixa, inibidores de incrustação podem ser usados, mas estes só são eficazes dentro de uma determinada faixa, ou seja, o Índice de Langerile (LSI) deve estar entre 0 e 1,8;
(3) Para água bruta de alta-dureza, a troca iônica e a precipitação química são necessárias para remover íons-formadores de incrustações.
Para grandes volumes de salmoura concentrada de alta{0}}dureza, o uso do amolecimento por troca iônica com cátions como cálcio e magnésio exigiria uma grande quantidade de agentes de regeneração, resultando em altos custos operacionais e poluição secundária. Geralmente, o processo de tratamento mais econômico envolve a adição de agentes amaciantes químicos (hidróxido de sódio, hidróxido de cálcio, carbonato de sódio, etc.) para aumentar o pH da água, reagindo com íons cálcio e magnésio na salmoura concentrada para formar precipitados como carbonato de cálcio e hidróxido de magnésio. O mecanismo de reação do amolecimento químico é o seguinte:
Ca2+ + CO32- → CaCO3 ↓
Ca2+ + OH- + HCO3- → CaCO3 ↓ + H2O
Mg2+ + 2OH- → Mg(OH)2 ↓
Nas fórmulas, “↓” indica que se formou um precipitado, ou seja, um sólido suspenso. A cal e o álcali líquido podem fornecer os íons hidróxido necessários para a reação; se os íons carbonato na água forem insuficientes, o carbonato de sódio pode ser adicionado para complementar os íons carbonato.
SiO2 + 2Mg(OH)2↓ → Mg2SiO4↓ + 2H2O
A reação de remoção de sílica é mais complexa, mas pode ser entendida simplesmente como uma reação de co-precipitação entre a sílica na água e o hidróxido de magnésio gerado na reação de amolecimento. Em seguida, a separação sólido-líquido é obtida por meio de métodos como filtração e clarificação para remover a sílica.
Os íons flúor, bário e estrôncio em salmoura concentrada também representam um risco de incrustação na membrana de osmose reversa. Sob as condições de pH da reação química de amolecimento, esses íons de metais pesados formarão simultaneamente precipitados insolúveis correspondentes (fluoreto de cálcio, sulfato de bário, sulfato de estrôncio, etc.), que são posteriormente removidos por filtração.
2. Seleção de Aditivos Químicos
Cal (com carbonato de sódio) ou álcali líquido com carbonato de sódio podem ser usados como agentes amaciantes para o endurecimento de salmoura concentrada. O objetivo da reação é converter os íons de cálcio e magnésio da água em suas respectivas substâncias insolúveis, que são então removidas por filtração, ao mesmo tempo que remove bário, estrôncio, sílica, etc. A cal é mais barata e mais facilmente disponível do que o álcali líquido, mas aumenta a quantidade de lodo e introduz mais íons de cálcio, exigindo assim uma quantidade equivalente de carbonato para reagir e precipitar.
Se a concentração existente de bicarbonato + carbonato na água for insuficiente para precipitar os íons de cálcio introduzidos pela cal, o carbonato de sódio deve ser adicionado separadamente, mas o carbonato de sódio é muito caro. A adição de álcali líquido não introduzirá íons de cálcio. Porém, é necessário considerar que se a concentração de íons bicarbonato + carbonato na água for significativamente maior que a concentração de íons cálcio, haverá excesso de alcalinidade. Isto levará ao consumo excessivo de ácido quando o pH do permeado amolecido precisar ser ajustado de volta para neutro, e há o risco de que a condutividade do permeado após o tratamento com membrana de osmose reversa não atenda aos padrões.
Em resumo, na maioria das condições de qualidade da água (onde a concentração de íons bicarbonato + carbonato é maior que a concentração de íons cálcio), usar cal + álcali líquido como agente amaciante é mais econômico e razoável. Quando a água bruta tem alta dureza, mas baixa alcalinidade, adicionar apenas álcali líquido é ideal. Quando a água bruta apresenta alcalinidade extremamente elevada, adicionar apenas cal é mais econômico e razoável.
A adição de sais de magnésio visa remover o silício. A reação de amolecimento produz hidróxido de magnésio, que forma simultaneamente co-precipitados insolúveis com sílica na água por meio de adsorção e reações químicas. Os sais de magnésio disponíveis incluem óxido de magnésio e cloreto de magnésio. O óxido de magnésio é geralmente barato e facilmente disponível, mas é difícil de manusear, reage lentamente e requer uma certa temperatura. O cloreto de magnésio é relativamente mais caro, mas é facilmente solúvel e pode ser transformado em solução aquosa, tornando-o conveniente para manusear e reagir rapidamente. Na maioria dos casos, os íons de magnésio na salmoura concentrada são suficientes para precipitar a sílica, mas em fontes de água especiais, é necessário adicionar sais de magnésio e álcalis líquidos suficientes para remover a sílica.
3. Efeito de suavização química
Tomando como exemplo o amaciamento de águas residuais farmacêuticas, a água bruta é água residual após tratamento biológico anaeróbico e precisa ser concentrada usando um processo de osmose reversa de tubo de disco (DTRO). A água apresenta alta dureza total e alcalinidade total, além de baixo teor de sílica. Para evitar a incrustação de íons de cálcio e magnésio no lado da água concentrada durante o tratamento de alta-concentração e redução de volume do DTRO, o amaciamento químico é necessário para remover a dureza.
Com base nas características das águas residuais farmacêuticas, o álcali líquido (solução de hidróxido de sódio a 30%) é selecionado como agente amaciante químico. As razões são as seguintes: A dureza total da água bruta é de 1100-1500 mg/L, com a dureza do cálcio excedendo a dureza do magnésio, enquanto a alcalinidade total é de 2300-2500 mg/L. Sob condições alcalinas, os íons bicarbonato e carbonato na água bruta são suficientes para reagir com todos os íons cálcio na água para formar um precipitado de carbonato de cálcio, removendo assim completamente a dureza do cálcio. Simultaneamente, todos os íons de magnésio reagem com o excesso de íons hidróxido na solução alcalina para produzir precipitado de hidróxido de magnésio e carregam um pouco de sílica da água em uma reação de co-precipitação, removendo assim a dureza do magnésio e um pouco de sílica.
Com base nos dados antes e depois do amolecimento, pode-se observar que o amolecimento químico atinge uma taxa de remoção de 97% da dureza total da água bruta, e a dureza da água produto amolecida é inferior a 100 mg/L, atendendo aos requisitos de dureza da água de entrada no processo de tratamento de concentração e redução de volume do equipamento de membrana DTRO.
No tratamento industrial de concentração de membrana de salmoura concentrada e redução de volume, o amolecimento químico é uma tecnologia de tratamento altamente eficiente, econômica e prática para remoção de dureza.