El ablandamiento químico es un proceso que implica agregar químicos específicos al agua para convertir los iones endurecidos de calcio y magnesio en compuestos insolubles, que luego se eliminan mediante precipitación y filtración. Esta es una tecnología de eliminación de endurecimiento clásica y eficaz.
I. Cambio de precipitación-Equilibrio de disolución
La base teórica de este método es el principio de solubilidad del producto. Es decir, al agregar químicos al agua, se aumenta la concentración de aniones que pueden formar precipitados insolubles con iones de calcio y magnesio (como CO3^2-, OH-, PO4^3-, etc.), provocando que el producto iónico exceda su constante de producto de solubilidad, generando así precipitación.
Las principales reacciones de precipitación incluyen:
1. Eliminación de dureza de carbonatos:
Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 ->2CaCO3↓ + 2H2O
Mg(HCO3)2 + 2Ca(OH)2 ->2CaCO3↓ + Mg(OH)2↓ + 2H2O
La cal proporciona iones OH- para convertir iones bicarbonato en iones carbonato y eleva el pH para formar un precipitado de hidróxido de magnesio.
2. Eliminación de dureza no-carbonato (calcio):
CaSO4 + Na2CO3 ->CaCO3↓ + Na2SO4
CaCl2 + Na2CO3 ->CaCO3↓ + 2NaCl
La carbonato de sodio proporciona iones CO3^2-, que se combinan con iones de calcio para formar un precipitado de carbonato de calcio.
3. Eliminación de dureza sin carbonatos (magnesio):
MgSO4 + Ca(OH)2 ->Mg(OH)2↓ + CaSO4
El CaSO4 generado todavía necesita ser eliminado mediante carbonato de sodio. La cal se utiliza para proporcionar iones OH- para formar un precipitado de hidróxido de magnesio con un producto de menor solubilidad.
II. Reactivos químicos de uso común y sus funciones
1. Cal: Su componente principal es Ca(OH)2.
Elimina la dureza de los carbonatos (incluida la dureza de los carbonatos de calcio y magnesio) y proporciona un ambiente de pH alto. La dosis debe calcularse con precisión; La adición excesiva no sólo es un desperdicio sino que también puede provocar la redisolución del ion magnesio o introducir nueva dureza.
2. Ceniza de Soda: Su principal componente es el Na2CO3.
Elimina la dureza no-de carbonatos (dureza de calcio) del agua. Se disuelve en el agua sin introducir nuevos iones de dureza, sino que introduce Na+, lo que tiene un impacto relativamente pequeño en la calidad del agua.
3. Hidróxido de sodio: NaOH.
A veces se utiliza como sustituto parcial de la cal, proporcionando iones OH-, lo que hace que la operación sea más sencilla, pero más costosa. La reacción es similar a la de la cal.
4. Fosfatos: como tripolifosfato de sodio, hexametafosfato de sodio, etc.
Este método no es un método de precipitación tradicional, sino que previene la formación de incrustaciones generando coloides dispersos o formando complejos con iones de calcio y magnesio. Es un "método oculto" o "efecto umbral", que se utiliza a menudo como tratamiento auxiliar o en situaciones de bajos requerimientos.
III. Flujo de proceso clásico: método de cal-soda calcinada
Este es el proceso de ablandamiento químico más representativo, y su flujo es el siguiente:
1. Tanque de reacción/tanque de ablandamiento:
El agua bruta ingresa primero al tanque de reacción, donde se agregan lechada de cal y solución de carbonato de sodio según la dosis calculada. El tanque está equipado con un dispositivo de agitación mecánico para asegurar una mezcla y reacción completas de los reactivos y para proporcionar tiempo y condiciones suficientes para la formación del precipitado.
Todas las reacciones químicas principales mencionadas anteriormente se completan aquí, generando una gran cantidad de precipitados floculentos de CaCO3 y Mg(OH)2.
2. Tanque de Sedimentación/Tanque de Clarificación:
El agua reaccionada fluye hacia el tanque de sedimentación, donde el caudal disminuye. Dado que el CaCO3 es un precipitado pesado, se sedimenta rápidamente de forma natural; mientras que el Mg(OH)2 es un precipitado floculento ligero, se sedimenta más lentamente. Por lo general, se agregan floculantes (como PAM) para promover el crecimiento de los flóculos y acelerar la sedimentación. La porción superior clarificada pasa al siguiente paso, mientras que los lodos del fondo se eliminan periódicamente.
3. Tanque de filtración:
El agua después de la sedimentación aún puede contener pequeñas partículas suspendidas, lo que requiere una filtración precisa a través de un filtro multi-medio (como antracita o arena de sílice) para eliminar los sedimentos finos residuales y garantizar que la turbidez del efluente cumpla con los estándares.
4. Tanque de ajuste de pH:
El agua tratada con cal tiene un pH muy alto (normalmente superior a 10), lo que la hace corrosiva y no apta para su posterior uso o vertido.
Por lo tanto, se debe agregar ácido (como ácido sulfúrico o ácido clorhídrico) o CO2 después de la filtración para neutralizar el pH y devolverlo a un rango neutro (por ejemplo, 6,5-8,5). El método de introducción de CO2, también conocido como "recarbonatación", también puede convertir pequeñas cantidades de iones de calcio disueltos en carbonato de calcio para su posterior eliminación.
IV. Características técnicas
Ventajas:
1. Resultados significativos y confiables: la tecnología está madura y puede reducir la dureza a un nivel bajo (la dureza residual puede alcanzar 0,5-1,0 mmol/L).
2. Eliminación simultánea de otras impurezas: en el proceso de eliminación de la dureza, también puede reducir eficazmente la alcalinidad, el contenido de silicio, algunos metales pesados y los sólidos suspendidos en el agua.
3. Bajo costo del tratamiento: Los reactivos utilizados (cal, carbonato de sodio) están ampliamente disponibles y son relativamente económicos.
Desventajas y limitaciones:
1. Gran Producción de Lodos: Genera una gran cantidad de lodos químicos (compuestos principalmente por carbonato de calcio e hidróxido de magnesio), y el tratamiento y eliminación de estos lodos aumentará los costos adicionales y la presión ambiental.
2. Operación y gestión complejas: la dosis de reactivos debe calcularse y ajustarse con precisión de acuerdo con los cambios en la calidad del agua cruda, lo que requiere operadores altamente capacitados.
3. Calidad limitada del efluente: Es difícil lograr los requisitos de dureza extremadamente bajos para un ablandamiento profundo (p. ej.,<0.03 mmol/L), and the residual hardness is still higher than that of advanced treatment processes such as ion exchange.
4. Gran huella: El equipo requiere una serie de estructuras como instalaciones de reacción, sedimentación y filtración, lo que resulta en una alta inversión en infraestructura.