En los últimos años, el uso de tecnología de membrana de ósmosis inversa de alta-presión para una mayor concentración y reducción del volumen de salmuera concentrada industrial se ha convertido en la tendencia principal en el tratamiento de salmuera con cero-descarga. Sin embargo, la incrustación se ha convertido en uno de los factores limitantes para la alta-concentración y reducción del volumen del agua entrante en los sistemas de membranas de ósmosis inversa. La razón principal de esto es que durante el proceso de alta-concentración del agua entrante en el sistema de membrana de ósmosis inversa, cationes divalentes como calcio, magnesio, bario y estroncio, junto con iones que se incrustan fácilmente como carbonato, sulfato, fosfato, fluoruro y sílice soluble, se acumulan en el lado concentrado del sistema de ósmosis inversa, alcanzando un estado sobresaturado, formando precipitados e incrustaciones. Esto provoca suciedad en la membrana, aumento de la presión operativa, dificultad para restaurar el flujo de la membrana y, en casos graves, daños a la capa de separación de la superficie de la membrana, lo que provoca un mal funcionamiento del sistema y se vuelve inestable.
Por lo tanto, un proceso confiable y eficiente de eliminación del ablandamiento y endurecimiento de la salmuera concentrada es un paso esencial y crucial en el proceso industrial de concentración y reducción de volumen de la membrana de salmuera concentrada.
1. Mecanismo de reacción del ablandamiento químico
Para agua bruta de diferente dureza, generalmente se pueden tomar las siguientes medidas:
(1) Para agua cruda de baja-dureza, ajustar el pH y la temperatura del afluente o utilizar métodos físicos para inhibir la formación de incrustaciones y mejorar la solubilidad de las sales poco solubles;
(2) Para agua cruda de dureza media-baja, se pueden usar inhibidores de incrustaciones, pero estos sólo son efectivos dentro de un cierto rango, es decir, el índice de Langerile (LSI) debe estar entre 0 y 1,8;
(3) Para agua cruda de alta-dureza, el intercambio iónico y la precipitación química son necesarios para eliminar los iones que forman incrustaciones-.
Para grandes volúmenes de salmuera concentrada de alta-dureza, el uso de ablandamiento por intercambio iónico con cationes como calcio y magnesio requeriría una gran cantidad de agentes de regeneración, lo que generaría altos costos operativos y contaminación secundaria. Generalmente, el proceso de tratamiento más económico consiste en agregar agentes suavizantes químicos (hidróxido de sodio, hidróxido de calcio, carbonato de sodio, etc.) para aumentar el pH del agua, reaccionando con los iones de calcio y magnesio en la salmuera concentrada para formar precipitados como carbonato de calcio e hidróxido de magnesio. El mecanismo de reacción del ablandamiento químico es el siguiente:
Ca2+ + CO32- → CaCO3 ↓
Ca2+ +OH- + HCO3- → CaCO3 ↓ + H2O
Mg2+ + 2OH- → Mg(OH)2 ↓
En las fórmulas, "↓" indica que se ha formado un precipitado, es decir, un sólido suspendido. La cal y el álcali líquido pueden proporcionar los iones de hidróxido necesarios para la reacción; Si los iones de carbonato en el agua son insuficientes, se puede agregar carbonato de sodio para complementar los iones de carbonato.
SiO2 + 2Mg(OH)2↓ → Mg2SiO4↓ + 2H2O
La reacción de eliminación de sílice es más compleja, pero puede entenderse simplemente como una reacción de co-precipitación entre la sílice en el agua y el hidróxido de magnesio generado en la reacción de ablandamiento. Luego, la separación sólido-líquido se logra mediante métodos como filtración y clarificación para eliminar la sílice.
Los iones de fluoruro, bario y estroncio en salmuera concentrada también presentan un riesgo de formación de incrustaciones en la membrana de ósmosis inversa. En las condiciones de pH de la reacción de ablandamiento químico, estos iones de metales pesados formarán simultáneamente los correspondientes precipitados insolubles (fluoruro de calcio, sulfato de bario, sulfato de estroncio, etc.), que posteriormente se eliminan mediante filtración.
2. Selección de aditivos químicos
La cal (con carbonato de sodio) o el álcali líquido con carbonato de sodio se pueden usar como agentes suavizantes para el endurecimiento de la salmuera concentrada. El propósito de la reacción es convertir los iones de calcio y magnesio en el agua en sus respectivas sustancias insolubles, que luego se eliminan mediante filtración, al mismo tiempo que se eliminan el bario, el estroncio, la sílice, etc. La cal es más barata y más fácilmente disponible que el álcali líquido, pero aumenta la cantidad de lodo e introduce más iones de calcio, por lo que se requiere una cantidad equivalente de carbonato para reaccionar y precipitar.
Si la concentración existente de bicarbonato + carbonato en el agua es insuficiente para precipitar los iones calcio introducidos por la cal, se debe añadir carbonato de sodio por separado, pero el carbonato de sodio es muy caro. Agregar álcali líquido no introducirá iones de calcio. Sin embargo, es necesario considerar que si la concentración de iones bicarbonato + carbonato en el agua es significativamente mayor que la concentración de iones calcio, habrá exceso de alcalinidad. Esto conducirá a un consumo excesivo de ácido cuando sea necesario ajustar el pH del permeado ablandado a neutral, y existe el riesgo de que la conductividad del permeado después del tratamiento con membrana de ósmosis inversa no cumpla con los estándares.
En resumen, en la mayoría de las condiciones de calidad del agua (donde la concentración de iones bicarbonato + carbonato es mayor que la concentración de iones calcio), usar cal + álcali líquido como agente suavizante es más económico y razonable. Cuando el agua cruda tiene alta dureza pero baja alcalinidad, lo óptimo es agregar solo álcali líquido. Cuando el agua bruta tiene una alcalinidad extremadamente alta, añadir sólo cal es más económico y razonable.
La adición de sales de magnesio tiene como objetivo eliminar el silicio. La reacción de ablandamiento produce hidróxido de magnesio, que simultáneamente forma co-precipitados insolubles con sílice en el agua mediante adsorción y reacciones químicas. Las sales de magnesio disponibles incluyen óxido de magnesio y cloruro de magnesio. El óxido de magnesio es generalmente económico y fácil de conseguir, pero es difícil de manipular, reacciona lentamente y requiere una determinada temperatura. El cloruro de magnesio es relativamente más caro, pero es fácilmente soluble y puede convertirse en una solución acuosa, lo que lo hace cómodo de manipular y reacciona rápidamente. En la mayoría de los casos, los iones de magnesio en la salmuera concentrada son suficientes para precipitar la sílice, pero en fuentes de agua especiales, es necesario agregar suficientes sales de magnesio y álcali líquido para eliminar la sílice.
3. Efecto suavizante químico
Tomando como ejemplo el ablandamiento de aguas residuales farmacéuticas, el agua cruda es agua residual después de un tratamiento biológico anaeróbico y debe concentrarse mediante un proceso de ósmosis inversa con tubo de disco (DTRO). El agua tiene alta dureza total y alcalinidad total, y bajo contenido de sílice. Para evitar la formación de incrustaciones de iones de calcio y magnesio en el lado del agua concentrada durante el tratamiento de alta-concentración y reducción de volumen del DTRO, se requiere un ablandamiento químico para eliminar la dureza.
Según las características de las aguas residuales farmacéuticas, se selecciona un álcali líquido (solución de hidróxido de sodio al 30%) como agente suavizante químico. Las razones son las siguientes: La dureza total del agua cruda es 1100-1500 mg/L, con una dureza del calcio superior a la dureza del magnesio, mientras que la alcalinidad total es 2300-2500 mg/L. En condiciones alcalinas, los iones de bicarbonato y carbonato en el agua cruda son suficientes para reaccionar con todos los iones de calcio en el agua para formar un precipitado de carbonato de calcio, eliminando así por completo la dureza del calcio. Simultáneamente, todos los iones de magnesio reaccionan con el exceso de iones de hidróxido en la solución alcalina para producir un precipitado de hidróxido de magnesio y transportan algo de sílice del agua en una reacción de coprecipitación, eliminando así la dureza del magnesio y algo de sílice.
Con base en los datos antes y después del ablandamiento, se puede ver que el ablandamiento químico logra una tasa de eliminación del 97% de la dureza total del agua cruda, y la dureza del agua del producto ablandado es inferior a 100 mg/L, cumpliendo con los requisitos de dureza del agua entrante en el proceso de tratamiento de concentración y reducción de volumen del equipo de membrana DTRO.
En el tratamiento industrial de concentración de membranas de salmuera concentrada y reducción de volumen, el ablandamiento químico es una tecnología de tratamiento altamente eficiente, económica y práctica para la eliminación de dureza.