في السنوات الأخيرة، أصبح استخدام تكنولوجيا غشاء التناضح العكسي عالي الضغط- لزيادة التركيز وتقليل حجم المياه المالحة الصناعية المركزة هو الاتجاه السائد في معالجة المياه المالحة بدون تصريف-. ومع ذلك، فقد أصبح التحجيم أحد العوامل المقيدة للتركيز العالي-وتخفيض حجم المياه الواردة في أنظمة غشاء التناضح العكسي. السبب الرئيسي لذلك هو أنه أثناء عملية التركيز العالي للمياه الواردة في نظام غشاء التناضح العكسي، تتراكم الكاتيونات ثنائية التكافؤ مثل الكالسيوم والمغنيسيوم والباريوم والسترونتيوم، جنبًا إلى جنب مع الأيونات المتقشرة بسهولة مثل الكربونات والكبريتات والفوسفات والفلورايد والسيليكا القابلة للذوبان، على جانب التركيز من نظام التناضح العكسي، وتصل إلى حالة مفرطة التشبع، وتشكل رواسب و التحجيم. يؤدي ذلك إلى تلوث الغشاء، وزيادة ضغط التشغيل، وصعوبة استعادة تدفق الغشاء، وفي الحالات الشديدة، تلف الطبقة الفاصلة لسطح الغشاء، مما يؤدي إلى خلل في النظام ويصبح غير مستقر.
ولذلك، فإن عملية إزالة التليين والتصلب الموثوقة والفعالة للمحلول الملحي المركز هي خطوة أساسية وحاسمة في عملية تركيز غشاء المحلول الملحي المركز وتقليل الحجم.
1. آلية تفاعل التليين الكيميائي
بالنسبة للمياه الخام ذات الصلابة المتفاوتة، يمكن عمومًا اتخاذ التدابير التالية:
(1) بالنسبة للمياه الخام- ذات العسر المنخفض، اضبط الرقم الهيدروجيني ودرجة حرارة المادة المؤثرة أو استخدم الطرق الفيزيائية لمنع تكون القشور وتحسين قابلية ذوبان الأملاح قليلة الذوبان؛
(2) بالنسبة للمياه الخام المتوسطة- ذات الصلابة المنخفضة، يمكن استخدام مثبطات التكلس، ولكنها تكون فعالة فقط ضمن نطاق معين، على سبيل المثال، يجب أن يكون مؤشر لانجيريل (LSI) بين 0 و1.8؛
(3) بالنسبة للمياه الخام-عالية الصلابة، يعد التبادل الأيوني والترسيب الكيميائي ضروريًا لإزالة الترسبات الكلسية-المكونة للأيونات.
بالنسبة للكميات الكبيرة من المياه المالحة المركزة عالية الصلابة، فإن استخدام التبادل الأيوني المخفف بالكاتيونات مثل الكالسيوم والمغنيسيوم يتطلب كمية كبيرة من عوامل التجديد، مما يؤدي إلى ارتفاع تكاليف التشغيل والتلوث الثانوي. بشكل عام، تتضمن عملية المعالجة الأكثر اقتصادا إضافة عوامل تليين كيميائية (هيدروكسيد الصوديوم، هيدروكسيد الكالسيوم، كربونات الصوديوم، إلخ) لزيادة الرقم الهيدروجيني للمياه، والتفاعل مع أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم في المحلول الملحي المركز لتكوين رواسب مثل كربونات الكالسيوم وهيدروكسيد المغنيسيوم. آلية التفاعل للتليين الكيميائي هي كما يلي:
Ca2+ + CO32- → CaCO3 ↓
Ca2+ + OH- + HCO3- → CaCO3 ↓ + H2O
ملغم 2+ + 2أوه - → ملغم (أوه) 2 ↓
في الصيغ، يشير "↓" إلى أن الراسب قد تشكل، أي مادة صلبة معلقة. يمكن أن يوفر الجير والقلويات السائلة أيونات الهيدروكسيد اللازمة للتفاعل؛ إذا كانت أيونات الكربونات في الماء غير كافية، يمكن إضافة رماد الصودا لتكملة أيونات الكربونات.
SiO2 + 2Mg(OH)2↓ → Mg2SiO4↓ + 2H2O
يعد تفاعل إزالة السيليكا أكثر تعقيدًا، ولكن يمكن فهمه ببساطة على أنه تفاعل ترسيب مشترك بين السيليكا في الماء وهيدروكسيد المغنيسيوم المتولد في تفاعل التليين. وبعد ذلك، يتم فصل السائل الصلب- من خلال طرق مثل الترشيح والتصفية لإزالة السيليكا.
كما تشكل أيونات الفلورايد والباريوم والسترونتيوم الموجودة في المحلول الملحي المركز خطرًا للتقشر على غشاء التناضح العكسي. في ظل ظروف الرقم الهيدروجيني لتفاعل التليين الكيميائي، ستشكل أيونات المعادن الثقيلة هذه في نفس الوقت رواسب غير قابلة للذوبان (فلوريد الكالسيوم، كبريتات الباريوم، كبريتات السترونتيوم، إلخ)، والتي تتم إزالتها لاحقًا عن طريق الترشيح.
2. اختيار المضافات الكيميائية
يمكن استخدام الجير (مع رماد الصودا) أو القلويات السائلة مع رماد الصودا كعوامل تليين لتصلب المحلول الملحي المركز. الغرض من التفاعل هو تحويل أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم الموجودة في الماء إلى مواد غير قابلة للذوبان، والتي يتم إزالتها بعد ذلك عن طريق الترشيح، مع إزالة الباريوم والسترونتيوم والسيليكا وما إلى ذلك في نفس الوقت. الجير أرخص وأكثر سهولة من القلويات السائلة، ولكنه يزيد من كمية الحمأة ويقدم المزيد من أيونات الكالسيوم، وبالتالي يتطلب كمية مكافئة من الكربونات للتفاعل والترسيب.
إذا كان التركيز الحالي للبيكربونات + الكربونات في الماء غير كاف لترسيب أيونات الكالسيوم التي يدخلها الجير، فيجب إضافة رماد الصودا بشكل منفصل، لكن رماد الصودا مكلف للغاية. إن إضافة القلويات السائلة لن يؤدي إلى ظهور أيونات الكالسيوم. ومع ذلك، من الضروري الأخذ في الاعتبار أنه إذا كان تركيز أيونات البيكربونات + الكربونات في الماء أعلى بكثير من تركيز أيونات الكالسيوم، فستكون هناك قلوية زائدة. سيؤدي ذلك إلى استهلاك مفرط للحمض عندما يلزم تعديل الرقم الهيدروجيني للنافذة المخففة مرة أخرى إلى الوضع المحايد، وهناك خطر من أن موصلية المادة المتخللة بعد معالجة غشاء التناضح العكسي لن تفي بالمعايير.
باختصار، في معظم ظروف جودة المياه (حيث يكون تركيز أيونات البيكربونات + الكربونات أكبر من تركيز أيونات الكالسيوم)، فإن استخدام الجير + القلويات السائلة كعامل تليين يكون أكثر اقتصادا ومعقولا. عندما يكون الماء الخام ذو صلابة عالية ولكن قلويته منخفضة، فإن إضافة القلويات السائلة فقط هو الأمثل. عندما تكون المياه الخام ذات قلوية عالية للغاية، فإن إضافة الجير فقط يكون أكثر اقتصادا ومعقولا.
تهدف إضافة أملاح المغنيسيوم إلى إزالة السيليكون. ينتج عن تفاعل التليين هيدروكسيد المغنيسيوم، الذي يشكل في الوقت نفسه رواسب مشتركة غير قابلة للذوبان- مع السيليكا في الماء من خلال الامتزاز والتفاعلات الكيميائية. وتشمل أملاح المغنيسيوم المتاحة أكسيد المغنيسيوم وكلوريد المغنيسيوم. أكسيد المغنيسيوم عمومًا غير مكلف ومتوفر بسهولة، لكن من الصعب التعامل معه، ويتفاعل ببطء، ويتطلب درجة حرارة معينة. يعد كلوريد المغنيسيوم أكثر تكلفة نسبيًا، ولكنه قابل للذوبان بسهولة ويمكن تحويله إلى محلول مائي، مما يجعله مناسبًا للتعامل معه والتفاعل بسرعة. في معظم الحالات، تكون أيونات المغنيسيوم الموجودة في المحلول الملحي المركز كافية لترسيب السيليكا، ولكن في مصادر المياه الخاصة، يلزم إضافة ما يكفي من أملاح المغنيسيوم والقلويات السائلة لإزالة السيليكا.
3. تأثير التليين الكيميائي
وبأخذ تخفيف مياه الصرف الصحي الصيدلانية كمثال، فإن المياه الخام هي مياه صرف صحي بعد المعالجة البيولوجية اللاهوائية وتحتاج إلى التركيز باستخدام عملية التناضح العكسي للأنبوب القرصي (DTRO). يتمتع الماء بصلابة إجمالية عالية وقلوية إجمالية ومحتوى منخفض من السيليكا. لتجنب تقشر أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم على جانب الماء المركز أثناء التركيز العالي- ومعالجة تقليل الحجم لـ DTRO، يلزم التخفيف الكيميائي لإزالة الصلابة.
بناءً على خصائص مياه الصرف الصحي الصيدلانية، يتم اختيار القلويات السائلة (محلول هيدروكسيد الصوديوم بنسبة 30%) كعامل تليين كيميائي. الأسباب هي كما يلي: إجمالي عسر الماء الخام هو 1100-1500 ملغم/لتر، مع صلابة الكالسيوم تتجاوز صلابة المغنيسيوم، في حين أن القلوية الإجمالية هي 2300-2500 ملغم/لتر. في ظل الظروف القلوية، تكون أيونات البيكربونات والكربونات الموجودة في الماء الخام كافية للتفاعل مع جميع أيونات الكالسيوم الموجودة في الماء لتكوين راسب كربونات الكالسيوم، وبالتالي إزالة صلابة الكالسيوم تمامًا. في الوقت نفسه، تتفاعل جميع أيونات المغنيسيوم مع أيونات الهيدروكسيد الزائدة في المحلول القلوي لإنتاج راسب هيدروكسيد المغنيسيوم، وتحمل بعض السيليكا من الماء في تفاعل الترسيب المشترك، وبالتالي إزالة صلابة المغنيسيوم وبعض السيليكا.
بناءً على البيانات قبل وبعد التخفيف، يمكن ملاحظة أن التخفيف الكيميائي يحقق معدل إزالة 97% من إجمالي العسر من الماء الخام، وعسر ماء المنتج المخفف أقل من 100 ملجم/لتر، مما يلبي متطلبات عسر الماء الوارد في عملية معالجة التركيز وتقليل الحجم لمعدات الغشاء DTRO.
في مجال تركيز الغشاء الملحي المركز الصناعي ومعالجة تقليل الحجم، يعد التليين الكيميائي تقنية معالجة عالية الكفاءة واقتصادية وعملية لإزالة الصلابة.