A "dureza" em água com alto teor-de sal refere-se principalmente a cátions incrustados, como cálcio (Ca²⁺), magnésio (Mg²⁺), estrôncio (Sr²⁺) e bário (Ba²⁺). Se não forem removidos no pré--tratamento, esses cátions formarão camadas duras de incrustações, como sulfato de cálcio, carbonato de cálcio e silicato de magnésio durante o processo subsequente de alta-concentração. Estes podem obstruir os poros da membrana, danificar os elementos da membrana ou aderir aos tubos de troca de calor do evaporador, reduzindo significativamente a eficiência da transferência de calor e aumentando a frequência de limpeza e os custos operacionais.
A seguir estão vários processos de pré-tratamento de amolecimento e remoção de dureza comumente usados e altamente eficazes:
1. Suavização de precipitação química
Este é o processo mais clássico e amplamente utilizado. Seu princípio fundamental é adicionar produtos químicos para converter íons de dureza em um precipitado com solubilidade extremamente baixa, que é então separado por sedimentação ou filtração.
a) Processo de carbonato de sódio com cal-: Este é o método preferido para tratar águas residuais de-dureza alta, especialmente quando a dureza do cálcio é alta e a dureza do magnésio é baixa.
A reação é um processo de duas-etapas:
Remoção de calcificação: Primeiro, adiciona-se cal (Ca(OH)₂) para converter o bicarbonato de cálcio da água em precipitado de carbonato de cálcio. Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ → 2CaCO₃↓ + 2H₂O
Dureza não-carbonatada: Em seguida, o carbonato de sódio (Na₂CO₃) é adicionado para reagir com a dureza não-carbonatada de cálcio e magnésio na água.
CaSO₄ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓ + Na₂SO₄
MgSO₄ + Ca(OH)₂ → Mg(OH)₂↓ + CaSO₄ (o CaSO₄ resultante então reage com carbonato de sódio).
Características: O pH ideal para descalcificação com cal é geralmente 9,5-10,5; para remoção avançada de magnésio, o pH precisa ser aumentado para 10,5-11,0 ou até mais, pois a precipitação do hidróxido de magnésio requer uma alcalinidade mais elevada. Teoricamente, as concentrações de cálcio podem ser reduzidas para 30-40 mg/L (medidas como CaCO₃) e as concentrações de magnésio para menos de 10 mg/L.
Vantagens: Baixos custos de reagentes (cal e carbonato de sódio são baratos), tecnologia madura e alta capacidade de tratamento.
Desvantagens: Gera grande quantidade de lodo químico (aproximadamente 1-3% do volume de água tratada), necessitando de unidades adicionais de desidratação de lodo; aumentar o pH aumenta o total de sólidos dissolvidos (TDS) na água.
b) Método de hidróxido de sódio-de carbonato de sódio: Este método usa soda cáustica líquida (NaOH) em vez de cal e é adequado para aplicações com alta dureza de magnésio ou quando a introdução de íons de cálcio adicionais é indesejável.
Princípio:
Mg²⁺ + 2NaOH → Mg(OH)₂↓ + 2Na⁺
Ca²⁺ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓ + 2Na⁺
Características: Em comparação com o método da cal, a quantidade de lama produzida é aproximadamente 30-50% menor. Como não são introduzidos íons cálcio, o lodo é composto principalmente de Mg(OH)₂ e CaCO₃, resultando em um lodo mais puro.
Custo: O custo do NaOH é significativamente superior ao da cal, resultando em custos operacionais mais elevados. Este método é comumente usado para volumes de água pequenos a médios ou onde a alta qualidade do lodo é crucial.
Operação: O equipamento de moagem e preparação necessário para sistemas de dosagem de cal não é necessário, resultando em um ambiente operacional mais limpo.
c) Co-precipitação (adição de auxiliares coagulantes)
Para melhorar a eficiência da precipitação e a qualidade do efluente, uma pequena quantidade de floculante (como PAM) e auxiliar coagulante (como cloreto férrico FeCl₃) é normalmente adicionada durante o processo de precipitação química. Isto pode reduzir a turbidez do efluente para menos de 10 NTU, reduzindo a carga nas unidades de filtração subsequentes.
2. Método de troca iônica
Embora a precipitação química seja econômica-, a dureza residual de seu efluente ainda pode ser muito alta para sistemas de membrana sensíveis, como a osmose reversa (OR). A troca iônica pode ser usada como um processo de polimento para remoção profunda de dureza.
Usando resinas de troca catiônica de ácido forte, os íons de sódio (Na⁺) substituem os íons de cálcio e magnésio na água.
2R-Na + Ca²⁺ → R₂-Ca + 2Na⁺
Características: Excelente qualidade de efluente, com dureza residual controlada de forma estável em<1 mg/L (as CaCO₃), perfectly meeting the feed water requirements of RO membranes (generally <1-2 mg/L). After the resin reaches saturation, it needs to be regenerated with a 5-10% NaCl solution (brine), which produces high-hardness waste brine.
Cenário de aplicação: A nanofiltração geralmente não é usada apenas para abrandamento primário de águas residuais de alta-salinidade porque a alta salinidade (alto TDS) da água bruta compete com íons de dureza pelos locais de troca na resina, resultando em uma queda acentuada na capacidade da resina, regeneração frequente e baixa eficiência econômica. É mais adequado para amolecimento profundo secundário após pré-tratamento por precipitação química.
3. Nanofiltração de membrana
A nanofiltração é uma tecnologia de membrana entre a osmose reversa e a ultrafiltração. Sua carga única e efeitos de peneiramento proporcionam vantagens distintas no campo de amaciamento.
Nanofiltration membranes have a high rejection rate (>95-98%) para íons divalentes (como Ca⁺, Mg⁺ e SO₄²⁻), enquanto a taxa de rejeição para íons monovalentes (como Na⁺ e Cl⁻) é menor (20-80%).
Características: A taxa teórica de remoção de sulfato de cálcio (CaSO₄) pode chegar a 99,8%, evitando efetivamente a formação de incrustações de sulfato. A pressão operacional é normalmente de 5 a 15 bar, muito inferior à das membranas RO, resultando em consumo de energia relativamente baixo.
Vantagens: Processo físico, sem necessidade de reagentes, sem geração de lodo químico; pode remover simultaneamente alguma matéria orgânica e cor.
Desvantagens: Deve ser baseado em um bom pré-tratamento (como ultrafiltração (UF)) para evitar incrustações na membrana; produz uma solução concentrada (água do mato) com maior dureza, necessitando de tratamento posterior; e tem altos custos de investimento.
Aplicações: Particularmente adequado para pré-tratar água de alta-salinidade com alta dureza de sulfato e alto conteúdo orgânico.
4. Microfiltração Tubular (TMF)
Usa uma reação de precipitação química (como o processo de cal-soda) para converter íons de dureza em precipitados insolúveis (como CaCO₃ e Mg(OH)₂). No entanto, a etapa subsequente de separação da água-do lodo não depende mais da sedimentação por gravidade, mas é realizada através da filtração-de alta eficiência da membrana de microfiltração tubular.
Unidade de reação química: As águas residuais são completamente misturadas e reagem com agentes amaciadores (como cal, carbonato de sódio e NaOH) em um tanque de reação ou reator, formando partículas precipitadas de tamanho mícron- ou mesmo nanômetros-.
Unidade de separação de membrana: o efluente de reação rico em precipitado entra diretamente no sistema de membrana de microfiltração tubular. Os microporos (normalmente 0,1-0,2 μm) na parede da membrana permitem a passagem apenas de água e sais dissolvidos, enquanto interceptam completamente todas as partículas precipitadas, matéria em suspensão, colóides e a maioria das bactérias e vírus, conseguindo uma separação instantânea e eficiente da água lamacenta.
Módulo de Membrana: Consiste em múltiplas membranas tubulares paralelas, normalmente de 5 a 12 mm de diâmetro, com um suporte interno e uma camada de filtro na superfície. Este design de grande diâmetro oferece excepcional resistência à contaminação e ao desgaste.
Bomba de circulação: fornece velocidade de fluxo-cruzado através da membrana (normalmente 3-4,5 m/s). Esta alta taxa de fluxo limpa vigorosamente a superfície da membrana, evitando efetivamente incrustações e entupimentos.
Modo Operacional: É utilizado um sistema de filtração circulante, com o concentrado recirculando continuamente de volta ao reator para manter uma alta concentração de sólidos (até 1-3%). O permeado (água produto) é descarregado continuamente. Quando a concentração de lodo no reator atinge um determinado nível (por exemplo, 2,5-3%), uma porção do lodo concentrado é automaticamente descarregada.
Vantagens: Qualidade de efluente excelente e estável, com turbidez consistentemente baixa de<0.2 NTU and an SDI15 value of <3 (typically <1).
Alta concentração de lodo com volume mínimo: O sistema TMF descarrega lodo a uma concentração de 2,5% a 3,5% (em peso). Esta redução no volume de lodo em mais de 60% reduz significativamente a carga e o custo das unidades subsequentes de desidratação de lodo (por exemplo, consumo de produtos químicos e de energia para centrífugas e filtros-prensa de placas e estruturas).
O tamanho compacto e o design modular eliminam a necessidade de tanques de sedimentação volumosos e filtros multimídia, resultando em um sistema altamente integrado que pode reduzir o espaço ocupado em 50% a 70%.
Desvantagens: requer uma bomba de circulação para fornecer altas velocidades de-fluxo cruzado, resultando em um consumo de energia do sistema relativamente alto (embora isso seja parcialmente compensado pela redução dos custos de tratamento de lodo). Os elementos da membrana requerem limpeza química regular (CIP), normalmente com uma lavagem ácida (por exemplo, ácido cítrico) para remover incrustações inorgânicas e uma lavagem alcalina (por exemplo, NaOH) para remover contaminantes orgânicos. Membranas tubulares de alta-qualidade, quando mantidas adequadamente, podem durar de 5 a 7 anos.
