Ces dernières années, l'utilisation de la technologie de membrane d'osmose inverse à haute-pression pour concentrer davantage et réduire le volume de la saumure industrielle concentrée est devenue la tendance dominante dans le traitement de la saumure à rejet nul-. Cependant, l'entartrage est devenu l'un des facteurs limitants pour une concentration élevée-et une réduction du volume de l'eau entrante dans les systèmes à membrane d'osmose inverse. La raison principale en est que pendant le processus de concentration élevée de l'eau entrant dans le système à membrane d'osmose inverse, des cations divalents tels que le calcium, le magnésium, le baryum et le strontium, ainsi que des ions facilement entartrants tels que le carbonate, le sulfate, le phosphate, le fluorure et la silice soluble, s'accumulent du côté concentré du système d'osmose inverse, atteignant un état sursaturé, formant des précipités et du tartre. Cela entraîne un encrassement de la membrane, une augmentation de la pression de fonctionnement, des difficultés à restaurer le flux de la membrane et, dans les cas graves, des dommages à la couche de séparation de la surface de la membrane, provoquant un dysfonctionnement et une instabilité du système.
Par conséquent, un processus fiable et efficace d’élimination du ramollissement et du durcissement de la saumure concentrée est une étape essentielle et cruciale dans le processus industriel de concentration et de réduction du volume des membranes de saumure concentrée.
1. Mécanisme de réaction du ramollissement chimique
Pour les eaux brutes de dureté variable, les mesures suivantes peuvent généralement être prises :
(1) Pour l'eau brute de faible dureté-, ajustez le pH et la température de l'influent ou utilisez des méthodes physiques pour inhiber la formation de tartre et améliorer la solubilité des sels peu solubles ;
(2) Pour l'eau brute de dureté moyenne-faible, des inhibiteurs de tartre peuvent être utilisés, mais ceux-ci ne sont efficaces que dans une certaine plage, c'est-à-dire que l'indice de Langerile (LSI) doit être compris entre 0 et 1,8 ;
(3) Pour l'eau brute à haute dureté-, un échange d'ions et une précipitation chimique sont nécessaires pour éliminer les ions formant du tartre-.
Pour de grands volumes de saumure concentrée à haute dureté-, l'utilisation d'un adoucissement par échange d'ions avec des cations tels que le calcium et le magnésium nécessiterait une grande quantité d'agents de régénération, ce qui entraînerait des coûts d'exploitation élevés et une pollution secondaire. Généralement, le processus de traitement le plus économique consiste à ajouter des adoucissants chimiques (hydroxyde de sodium, hydroxyde de calcium, carbonate de sodium, etc.) pour augmenter le pH de l'eau, en réagissant avec les ions calcium et magnésium présents dans la saumure concentrée pour former des précipités tels que le carbonate de calcium et l'hydroxyde de magnésium. Le mécanisme de réaction de l’adoucissement chimique est le suivant :
Ca2+ + CO32- → CaCO3 ↓
Ca2+ + OH- + HCO3- → CaCO3 ↓ + H2O
Mg2+ + 2OH- → Mg(OH)2 ↓
Dans les formules, "↓" indique qu'un précipité s'est formé, c'est-à-dire un solide en suspension. La chaux et les alcalis liquides peuvent fournir les ions hydroxyde nécessaires à la réaction ; si les ions carbonate dans l’eau sont insuffisants, du carbonate de sodium peut être ajouté pour compléter les ions carbonate.
SiO2 + 2Mg(OH)2↓ → Mg2SiO4↓ + 2H2O
La réaction d'élimination de la silice est plus complexe, mais elle peut être simplement comprise comme une réaction de co-précipitation entre la silice présente dans l'eau et l'hydroxyde de magnésium généré lors de la réaction d'adoucissement. Ensuite, la séparation solide-liquide est réalisée grâce à des méthodes telles que la filtration et la clarification pour éliminer la silice.
Les ions fluorure, baryum et strontium présents dans la saumure concentrée présentent également un risque de tartre sur la membrane d'osmose inverse. Dans les conditions de pH de la réaction chimique d'adoucissement, ces ions de métaux lourds formeront simultanément des précipités insolubles correspondants (fluorure de calcium, sulfate de baryum, sulfate de strontium, etc.), qui sont ensuite éliminés par filtration.
2. Sélection des additifs chimiques
La chaux (avec du carbonate de sodium) ou un alcali liquide avec du carbonate de sodium peuvent tous deux être utilisés comme agents adoucissants pour le durcissement de la saumure concentrée. Le but de la réaction est de convertir les ions calcium et magnésium présents dans l'eau en leurs substances insolubles respectives, qui sont ensuite éliminées par filtration, tout en éliminant simultanément le baryum, le strontium, la silice, etc. La chaux est moins chère et plus facilement disponible que l'alcali liquide, mais elle augmente la quantité de boue et introduit plus d'ions calcium, nécessitant ainsi une quantité équivalente de carbonate pour réagir et précipiter.
Si la concentration existante en bicarbonate + carbonate dans l'eau est insuffisante pour précipiter les ions calcium introduits par la chaux, il faut ajouter du carbonate de sodium séparément, mais le carbonate de sodium coûte très cher. L'ajout d'alcali liquide n'introduira pas d'ions calcium. Cependant, il faut considérer que si la concentration en ions bicarbonate + carbonate dans l'eau est nettement supérieure à la concentration en ions calcium, il y aura un excès d'alcalinité. Cela entraînera une consommation excessive d'acide lorsque le pH du perméat ramolli devra être ramené à neutre, et il existe un risque que la conductivité du perméat après le traitement par membrane d'osmose inverse ne réponde pas aux normes.
En résumé, dans la plupart des conditions de qualité de l'eau (où la concentration en ions bicarbonate + carbonate est supérieure à la concentration en ions calcium), l'utilisation de chaux + alcali liquide comme agent adoucissant est plus économique et raisonnable. Lorsque l’eau brute a une dureté élevée mais une faible alcalinité, il est optimal d’ajouter uniquement un alcali liquide. Lorsque l’eau brute a une alcalinité extrêmement élevée, l’ajout uniquement de chaux est plus économique et raisonnable.
L'ajout de sels de magnésium vise à éliminer le silicium. La réaction d'adoucissement produit de l'hydroxyde de magnésium, qui forme simultanément des co-précipités insolubles avec la silice dans l'eau par adsorption et réactions chimiques. Les sels de magnésium disponibles comprennent l'oxyde de magnésium et le chlorure de magnésium. L'oxyde de magnésium est généralement peu coûteux et facilement disponible, mais il est difficile à manipuler, réagit lentement et nécessite une certaine température. Le chlorure de magnésium est relativement plus cher, mais il est facilement soluble et peut être transformé en solution aqueuse, ce qui le rend facile à manipuler et réagit rapidement. Dans la plupart des cas, les ions magnésium présents dans la saumure concentrée sont suffisants pour précipiter la silice, mais dans les sources d'eau spéciales, suffisamment de sels de magnésium et d'alcali liquide doivent être ajoutés pour éliminer la silice.
3. Effet adoucissant chimique
En prenant comme exemple l'adoucissement des eaux usées pharmaceutiques, l'eau brute est une eau usée après traitement biologique anaérobie et doit être concentrée à l'aide d'un processus d'osmose inverse à tube à disque (DTRO). L'eau a une dureté totale et une alcalinité totale élevées, ainsi qu'une faible teneur en silice. Pour éviter le tartre des ions calcium et magnésium du côté de l'eau concentrée pendant le traitement à haute -concentration et réduction de volume du DTRO, un adoucissement chimique est nécessaire pour éliminer la dureté.
Sur la base des caractéristiques des eaux usées pharmaceutiques, un alcali liquide (solution d'hydroxyde de sodium à 30 %) est sélectionné comme agent adoucissant chimique. Les raisons sont les suivantes : la dureté totale de l'eau brute est de 1 100 -1 500 mg/L, la dureté calcique dépassant la dureté magnésienne, tandis que l'alcalinité totale est de 2 300 à 2 500 mg/L. Dans des conditions alcalines, les ions bicarbonate et carbonate présents dans l'eau brute sont suffisants pour réagir avec tous les ions calcium présents dans l'eau pour former un précipité de carbonate de calcium, éliminant ainsi complètement la dureté calcique. Simultanément, tous les ions magnésium réagissent avec l'excès d'ions hydroxyde dans la solution alcaline pour produire un précipité d'hydroxyde de magnésium et transportent un peu de silice de l'eau dans une réaction de co-précipitation, éliminant ainsi la dureté du magnésium et un peu de silice.
Sur la base des données avant et après l'adoucissement, on peut voir que l'adoucissement chimique atteint un taux d'élimination de 97 % de la dureté totale de l'eau brute, et que la dureté de l'eau produite adoucie est inférieure à 100 mg/L, répondant aux exigences de dureté de l'eau entrante dans le processus de traitement de concentration et de réduction de volume de l'équipement à membrane DTRO.
Dans le traitement industriel de concentration et de réduction de volume de membrane de saumure concentrée, l'adoucissement chimique est une technologie de traitement très efficace, économique et pratique pour l'élimination de la dureté.