Zmiękczanie chemiczne to proces polegający na dodaniu do wody określonych środków chemicznych w celu przekształcenia twardniejących jonów wapnia i magnezu w nierozpuszczalne związki, które następnie są usuwane poprzez wytrącanie i filtrację. Jest to klasyczna i skuteczna technologia usuwania stwardnień.
I. Przesunięcie opadów-Równowaga rozpuszczania
Podstawą teoretyczną tej metody jest zasada iloczynu rozpuszczalności. Oznacza to, że dodając do wody środki chemiczne, zwiększa się stężenie anionów, które mogą tworzyć nierozpuszczalne osady z jonami wapnia i magnezu (takie jak CO3^2-, OH-, PO4^3- itd.), powodując, że produkt jonowy przekracza stałą produktu rozpuszczalności, powodując w ten sposób wytrącanie się.
Główne reakcje strącania obejmują:
1. Usuwanie twardości węglanowej:
Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 ->2CaCO3↓ + 2H2O
Mg(HCO3)2 + 2Ca(OH)2 ->2CaCO3↓ + Mg(OH)2↓ + 2H2O
Wapno dostarcza jony OH- do konwersji jonów wodorowęglanowych w jony węglanowe i podnosi pH, tworząc osad wodorotlenku magnezu.
2. Usuwanie twardości nie-węglanowej (wapń):
CaSO4 + Na2CO3 ->CaCO3↓ + Na2SO4
CaCl2 + Na2CO3 ->CaCO3↓ + 2NaCl
Soda kalcynowana dostarcza jony CO3^2-, które łączą się z jonami wapnia, tworząc osad węglanu wapnia.
3. Usuwanie twardości nie-węglanowej (magnez):
MgSO4 + Ca(OH)2 ->Mg(OH)2↓ + CaSO4
Wytworzony CaSO4 nadal wymaga dalszego usuwania za pomocą sody kalcynowanej. Wapno służy do dostarczania jonów OH- w celu wytrącenia osadu wodorotlenku magnezu o produkcie o mniejszej rozpuszczalności.
II. Powszechnie stosowane odczynniki chemiczne i ich funkcje
1. Wapno: jego głównym składnikiem jest Ca(OH)2.
Usuwa twardość węglanową (w tym twardość węglanową wapnia i magnezu) i zapewnia środowisko o wysokim pH. Dawkę należy dokładnie obliczyć; nadmierne dodawanie jest nie tylko marnotrawstwem, ale może również prowadzić do ponownego rozpuszczenia jonów magnezu lub wprowadzenia nowej twardości.
2. Soda kalcynowana: Jej głównym składnikiem jest Na2CO3.
Usuwa twardość nie-węglanową (twardość wapniową) z wody. Rozpuszcza się w samej wodzie, nie wprowadzając nowych jonów zwiększających twardość, a raczej wprowadza Na+, mając stosunkowo niewielki wpływ na jakość wody.
3. Wodorotlenek sodu: NaOH.
Czasami używany jako częściowy substytut wapna, dostarczający jony OH-, dzięki czemu obsługa jest prostsza, ale droższa. Reakcja jest podobna do reakcji wapna.
4. Fosforany: takie jak tripolifosforan sodu, heksametafosforan sodu itp.
Metoda ta nie jest tradycyjną metodą wytrącania, lecz zapobiega tworzeniu się kamienia kotłowego poprzez wytwarzanie zdyspergowanych koloidów lub kompleksowanie jonów wapnia i magnezu. Jest to „metoda ukryta” lub „efekt progowy”, często stosowana przy zabiegach pomocniczych lub w sytuacjach o niskich wymaganiach.
III. Klasyczny przebieg procesu: metoda wapna-soda kalcynowana
Jest to najbardziej reprezentatywny proces zmiękczania chemicznego, a jego przebieg jest następujący:
1. Zbiornik reakcyjny/zbiornik zmiękczający:
Surowa woda trafia najpierw do reaktora, gdzie według wyliczonej dawki dodaje się zawiesinę wapienną i roztwór sody kalcynowanej. Zbiornik wyposażony jest w mechaniczne urządzenie mieszające, które zapewnia dokładne wymieszanie i reakcję odczynników oraz zapewnia wystarczający czas i warunki do wytrącenia osadu.
Wszystkie podstawowe reakcje chemiczne wymienione powyżej są tutaj zakończone, generując dużą ilość kłaczkowatych osadów CaCO3 i Mg(OH)2.
2. Zbiornik sedymentacyjny/zbiornik klarujący:
Przereagowana woda wpływa do osadnika, gdzie zmniejsza się natężenie przepływu. Ponieważ CaCO3 jest ciężkim osadem, szybko osiada w sposób naturalny; podczas gdy Mg(OH)2 jest lekkim, kłaczkowatym osadem, osiada wolniej. Flokulanty (takie jak PAM) dodaje się zwykle w celu pobudzenia wzrostu kłaczków i przyspieszenia sedymentacji. Sklarowana część górna przechodzi do kolejnego etapu, natomiast osad dolny jest okresowo usuwany.
3. Zbiornik filtrujący:
Woda po sedymentacji może nadal zawierać drobne zawieszone cząstki, co wymaga precyzyjnej filtracji przez-filtr wielomedialny (taki jak antracytowy lub piasek krzemionkowy) w celu usunięcia pozostałości drobnego osadu i zapewnienia zmętnienia ścieków spełniających normy.
4. Zbiornik do regulacji pH:
Woda uzdatniona wapnem ma bardzo wysokie pH (zwykle powyżej 10), co powoduje korozję i nie nadaje się do późniejszego wykorzystania lub zrzutu.
Dlatego po filtracji należy dodać kwas (taki jak kwas siarkowy lub kwas solny) lub CO2, aby zneutralizować pH i przywrócić je do zakresu neutralnego (np. 6,5-8,5). Metoda wprowadzania CO2, znana również jako „rekarbonatyzacja”, może również przekształcić niewielkie ilości rozpuszczonych jonów wapnia w węglan wapnia w celu dalszego usunięcia.
IV. Charakterystyka techniczna
Zalety:
1. Znaczące i wiarygodne wyniki: Technologia jest dojrzała i może obniżyć twardość do niskiego poziomu (twardość resztkowa może osiągnąć 0,5-1,0 mmol/l).
2. Jednoczesne usuwanie innych zanieczyszczeń: W procesie usuwania twardości może również skutecznie zmniejszyć zasadowość, zawartość krzemu, niektórych metali ciężkich i zawieszonych w wodzie.
3. Niski koszt leczenia: Stosowane odczynniki (wapno, soda kalcynowana) są powszechnie dostępne i stosunkowo niedrogie.
Wady i ograniczenia:
1. Produkcja dużych osadów: Generuje dużą ilość osadów chemicznych (składających się głównie z węglanu wapnia i wodorotlenku magnezu), a obróbka i usuwanie tych osadów zwiększy dodatkowe koszty i presję na środowisko.
2. Złożona obsługa i zarządzanie: Dozowanie odczynników musi być precyzyjnie obliczone i dostosowane w zależności od zmian w jakości wody surowej, co wymaga wysoko wykwalifikowanych operatorów.
3. Ograniczona jakość ścieków: Trudno jest osiągnąć ekstremalnie niskie wymagania dotyczące twardości w przypadku głębokiego zmiękczania (np.<0.03 mmol/L), and the residual hardness is still higher than that of advanced treatment processes such as ion exchange.
4. Duża powierzchnia: sprzęt wymaga szeregu konstrukcji, takich jak urządzenia reakcyjne, sedymentacyjne i filtracyjne, co skutkuje dużymi inwestycjami w infrastrukturę.