abstract
Con il continuo aumento della produzione industriale e dello scarico di acque reflue domestiche, gli ioni di durezza nelle acque reflue hanno un grave impatto sull'ambiente e sui successivi processi di trattamento. Questo articolo espone sistematicamente i principi fondamentali della rimozione della durezza dalle acque reflue, analizza in dettaglio le caratteristiche tecniche, l'ambito di applicazione e i problemi esistenti di vari metodi di rimozione della durezza come la precipitazione chimica, lo scambio ionico, la separazione a membrana e l'adsorbimento, e guarda al futuro delle tendenze di sviluppo della tecnologia di rimozione della durezza dalle acque reflue, con l'obiettivo di fornire un riferimento teorico per l'ottimizzazione e l'innovazione tecnologica dei processi di rimozione della durezza dalle acque reflue.
1、 Introduzione
La durezza delle acque reflue è principalmente causata dalla presenza di ioni calcio e magnesio (sotto forma di sali come carbonato di calcio, carbonato di magnesio, solfato di calcio, solfato di magnesio, ecc.) nell'acqua. Nella produzione industriale, le acque reflue ad alta durezza possono causare incrostazioni delle apparecchiature, ridurre l'efficienza dello scambio termico, aumentare il consumo di energia e persino portare al guasto delle apparecchiature; Nel processo di trattamento e riutilizzo delle acque reflue domestiche, l'acqua dura può influire sull'effetto di lavaggio e ridurre il comfort dell'acqua domestica. Inoltre, lo scarico di acque reflue contenenti una grande quantità di ioni di durezza può anche avere effetti negativi sull'equilibrio ecologico dei corpi idrici naturali. Pertanto, la rimozione efficace degli ioni di durezza dalle acque reflue è di grande importanza per il funzionamento stabile della produzione industriale, il riciclaggio delle risorse idriche e la protezione dell'ambiente ecologico.
2、 Principio della rimozione della durezza dalle acque reflue
La durezza nelle acque reflue è solitamente divisa in durezza temporanea e durezza permanente. La durezza temporanea è composta principalmente da sali di bicarbonato di calcio e magnesio, che possono essere decomposti in precipitati di carbonato di calcio e idrossido di magnesio e rimossi mediante riscaldamento; La durezza permanente è composta da solfati, cloruri, ecc. di calcio e magnesio, che devono essere rimossi attraverso metodi chimici, fisici o fisico-chimici. I principi fondamentali della rimozione della durezza dalle acque reflue si basano principalmente sulla reazione di precipitazione, sullo scambio ionico, sulla permeazione selettiva della membrana, sull'adsorbimento, ecc. La reazione di precipitazione è l'uso di determinati agenti chimici per reagire con gli ioni calcio e magnesio per generare precipitati insolubili, separandoli così dalle acque reflue; Il metodo dello scambio ionico è l'uso di resina a scambio ionico per scambiare ioni calcio e magnesio nell'acqua e fissarli sulla resina; Il metodo di separazione a membrana si basa sulla differenza nella capacità di ritenzione della membrana per diversi ioni per ottenere la separazione degli ioni di durezza dall'acqua; Il principio di adsorbimento è quello di rimuovere gli ioni calcio e magnesio mediante adsorbimento attraverso i siti attivi sulla superficie dell'adsorbente.
3、 Metodi per la rimozione della durezza dalle acque reflue
（1） Metodo di precipitazione chimica
1. Metodo calce soda
Il metodo calce soda è uno dei metodi di precipitazione chimica più comunemente utilizzati per la rimozione della durezza. Questo metodo prevede l'aggiunta di calce (Ca (OH) ₂) e soda (Na ₂ CO3) alle acque reflue. La calce reagisce prima con gli ioni bicarbonato nell'acqua per formare precipitato di carbonato di calcio, mentre gli ioni magnesio vengono convertiti in precipitato di idrossido di magnesio. La soda reagisce ulteriormente con gli ioni calcio nell'acqua per formare precipitato di carbonato di calcio. Il processo di reazione è il seguente:
Ca(HCO_{3})_{2}+Ca(OH)_{2}rightarrow 2CaCO_{3}downarrow +2H_ {2}O
Mg(HCO_{3})_{2}+2Ca(OH)_{2}rightarrow 2CaCO_{3}downarrow +Mg(OH)_{2}downarrow +2H_ {2}O
CaSO_{4}+Na_ {2}CO_ {3}rightarrow CaCO_{3}downarrow +Na_ {2}SO_ {4}
I vantaggi di questo metodo sono il basso costo di trattamento, l'ampia gamma di fonti chimiche e l'effetto significativo sul trattamento delle acque reflue ad alta concentrazione di durezza. Ma anche gli svantaggi sono abbastanza evidenti, come la produzione di una grande quantità di fanghi e l'alto costo del trattamento dei fanghi; Il processo di reazione richiede un controllo preciso del valore del pH e del dosaggio dei reagenti, altrimenti influirà sull'effetto di rimozione della durezza; Le acque reflue trattate possono trattenere una certa quantità di carbonato di sodio, portando a un aumento dell'alcalinità dell'acqua.
1. Metodo di precipitazione del fosfato
Il metodo di precipitazione del fosfato prevede l'aggiunta di fosfato alle acque reflue per reagire con gli ioni calcio e magnesio per formare precipitati insolubili di fosfato di calcio e magnesio. Ad esempio, il tripolifosfato di sodio (Na ₅ P ∝ O ₁₀) reagisce con gli ioni calcio per formare precipitati insolubili di fosfato di calcio. Questo metodo ha un'elevata efficienza di rimozione della durezza e un buon effetto di trattamento sulle acque reflue a bassa concentrazione di durezza. Tuttavia, questo metodo introduce una grande quantità di elemento fosforo, che può portare all'eutrofizzazione dei corpi idrici, e il prezzo relativamente alto degli agenti fosfatici aumenta i costi di trattamento.
（2） Metodo di scambio ionico
Il metodo di scambio ionico utilizza ioni scambiabili su resine a scambio ionico per scambiare con ioni calcio e magnesio nelle acque reflue. La resina a scambio cationico fortemente acida (come la resina acido solfonico) è uno scambiatore ionico comunemente usato e il suo processo di scambio è il seguente:
2R - SO_ {3}H + Ca^{2 + }rightarrow (R - SO_{3})_ {2}Ca + 2H^{+}
2R - SO_ {3}H + Mg^{2 + }rightarrow (R - SO_{3})_ {2}Mg + 2H^{+}
Quando gli ioni scambiabili sulla resina sono saturi di ioni calcio e magnesio, è necessario utilizzare acidi (come acido cloridrico e acido solforico) per la rigenerazione per ripristinare la capacità di scambio della resina. I vantaggi del metodo di scambio ionico sono un buon effetto di rimozione della durezza, una qualità stabile dell'effluente e la capacità di soddisfare requisiti di qualità dell'acqua più elevati; L'apparecchiatura occupa un'area relativamente piccola ed è relativamente facile da usare. Tuttavia, questo metodo presenta gli svantaggi di prezzi elevati delle resine e una grande quantità di acque reflue acide e alcaline generate durante il processo di rigenerazione, che devono essere trattate correttamente, altrimenti causeranno inquinamento secondario; La resina ha requisiti elevati per la qualità dell'acqua in entrata e le impurità come solidi sospesi e materia organica nelle acque reflue possono facilmente causare il blocco e l'avvelenamento della resina, influenzando la sua durata e altri problemi.
（3） Metodo di separazione a membrana
1. Osmosi inversa (RO)
L'osmosi inversa è una tecnologia che separa soluti e solventi in una soluzione attraverso una membrana semipermeabile sotto pressione. La dimensione dei pori della membrana ad osmosi inversa è molto piccola (circa 0,1-1 nm), che può intercettare efficacemente gli ioni calcio e magnesio e ottenere la rimozione della durezza delle acque reflue. Nel processo di rimozione della durezza, le molecole d'acqua passano attraverso la membrana ad osmosi inversa sotto pressione, mentre gli ioni di durezza vengono intercettati, con conseguente produzione di acqua a bassa durezza. Il metodo dell'osmosi inversa ha un'elevata efficienza nella rimozione della durezza e la durezza dell'effluente può essere ridotta a un livello molto basso. È adatto per occasioni che richiedono una qualità dell'acqua estremamente elevata, come l'acqua per l'industria elettronica, l'acqua di alimentazione delle caldaie, ecc. Ma i suoi svantaggi sono l'elevata pressione di esercizio e l'elevato consumo di energia; I componenti della membrana sono costosi e facilmente contaminati da materia organica, microrganismi e altri inquinanti nelle acque reflue, richiedendo una pulizia e una sostituzione regolari, con conseguente elevati costi di manutenzione; Nel frattempo, il processo di osmosi inversa genera una certa quantità di acqua concentrata e anche il trattamento dell'acqua concentrata è una sfida.
2. Nanofiltrazione (NF)
La dimensione dei pori della membrana di nanofiltrazione è compresa tra la membrana ad osmosi inversa e la membrana di ultrafiltrazione (circa 1-10 nm) e ha un'elevata velocità di ritenzione per gli ioni bivalenti (come gli ioni calcio e magnesio), mentre la velocità di ritenzione per gli ioni monovalenti (come gli ioni sodio e cloruro) è relativamente bassa. Il processo di nanofiltrazione può operare a pressioni inferiori, il che riduce il consumo di energia rispetto all'osmosi inversa. La nanofiltrazione può non solo rimuovere efficacemente gli ioni di durezza, ma anche rimuovere parzialmente materia organica e ioni di metalli pesanti. Tuttavia, anche le membrane di nanofiltrazione presentano il problema della facile contaminazione e richiedono un rigoroso pretrattamento dell'acqua in entrata; Inoltre, la durata e l'effetto di rimozione della durezza delle membrane di nanofiltrazione sono notevolmente influenzati da fattori quali la qualità dell'acqua e le condizioni operative.
（4） Metodo di adsorbimento
Il metodo di adsorbimento è l'uso di siti attivi sulla superficie degli adsorbenti per adsorbire e rimuovere ioni calcio e magnesio. Gli adsorbenti comuni includono carbone attivo, zeolite, bentonite, ossidi metallici, ecc. Ad esempio, la zeolite ha una struttura porosa unica e prestazioni di scambio ionico e i suoi cationi scambiabili possono subire l'adsorbimento di scambio con ioni calcio e magnesio nelle acque reflue. Il metodo di adsorbimento è semplice da usare e ha un certo effetto di trattamento sulle acque reflue a bassa concentrazione di durezza. Inoltre, alcuni adsorbenti possono essere riutilizzati attraverso la rigenerazione. Tuttavia, la capacità di adsorbimento dell'adsorbente è limitata, il che si traduce in una scarsa efficienza di trattamento per le acque reflue ad alta concentrazione di durezza; Il processo di rigenerazione degli adsorbenti è relativamente complesso e l'effetto di rigenerazione è instabile, il che può influire sulla durata e sull'effetto di rimozione della durezza degli adsorbenti.
（5） Altri metodi
1. Metodo di elettrodialisi
L'elettrodialisi utilizza la permeabilità selettiva e l'effetto del campo elettrico delle membrane a scambio ionico per indurre la migrazione direzionale degli ioni nell'acqua, ottenendo così la rimozione della durezza dalle acque reflue. Durante l'elettrodialisi, le membrane a scambio cationico consentono il passaggio solo dei cationi, mentre le membrane a scambio anionico consentono il passaggio solo degli anioni. Sotto l'azione di un campo elettrico, gli ioni calcio e magnesio nelle acque reflue migrano verso l'elettrodo negativo attraverso le membrane a scambio cationico, separandosi così dall'acqua. Il metodo di elettrodialisi per la rimozione della durezza non richiede l'aggiunta di agenti chimici e non produce fanghi, rendendo il processo operativo relativamente rispettoso dell'ambiente. Tuttavia, questo metodo richiede un grande investimento in apparecchiature, consuma energia elettrica durante il funzionamento e ha requisiti elevati per la qualità dell'acqua in entrata, richiedendo un rigoroso pretrattamento per prevenire l'incrostazione della membrana.
2. Metodo microbico
Il metodo microbico consiste nell'utilizzare l'attività metabolica dei microrganismi o la reazione tra i polimeri extracellulari dei microrganismi e gli ioni calcio e magnesio per ottenere la rimozione della durezza dalle acque reflue. Ad esempio, alcuni microrganismi possono aumentare il valore del pH dell'ambiente circostante secernendo sostanze alcaline, che promuove la precipitazione di ioni calcio e magnesio; I gruppi funzionali nei polimeri extracellulari microbici, come i gruppi carbossilici e idrossilici, possono anche subire complessazione e adsorbimento con ioni calcio e magnesio. I metodi microbici presentano i vantaggi di un basso costo di trattamento e del rispetto dell'ambiente, ma il processo di trattamento è lento e notevolmente influenzato dalle condizioni di crescita microbica come temperatura, valore del pH, ossigeno disciolto, ecc. Attualmente, ci sono ancora alcune limitazioni nelle applicazioni pratiche.
4、 Confronto e selezione di diversi metodi per la rimozione della durezza
Diversi metodi per la rimozione della durezza dalle acque reflue hanno i propri vantaggi e svantaggi e la loro applicabilità varia. Nelle applicazioni pratiche, è necessario considerare in modo completo fattori quali le caratteristiche di qualità dell'acqua delle acque reflue (come la concentrazione di ioni di durezza, altri componenti inquinanti, ecc.), la scala di trattamento, i costi di trattamento, i requisiti di qualità dell'effluente e i requisiti di protezione ambientale e selezionare metodi appropriati per la rimozione della durezza. Per le acque reflue ad alta concentrazione di durezza, la precipitazione chimica può essere un metodo più economico ed efficace; Per il trattamento su piccola scala che richiede un'elevata qualità dell'acqua, i metodi di scambio ionico o osmosi inversa sono più adatti; Per le acque reflue a bassa concentrazione di durezza che sono sensibili ai costi, l'adsorbimento o i metodi microbici possono avere un certo potenziale applicativo. Inoltre, in molti casi, è possibile utilizzare una combinazione di più metodi per la rimozione della durezza per sfruttare appieno i vantaggi di ciascun metodo, migliorare l'effetto di rimozione e ridurre i costi di elaborazione.
5、 Conclusione e prospettiva
La tecnologia di rimozione della durezza dalle acque reflue è di grande importanza per garantire la produzione industriale, realizzare il riciclaggio delle risorse idriche e proteggere l'ambiente ecologico. Allo stato attuale, vari metodi per la rimozione della durezza, come la precipitazione chimica, lo scambio ionico, la separazione a membrana, l'adsorbimento, ecc., sono stati ampiamente utilizzati nell'ingegneria pratica, ma ogni metodo presenta alcune limitazioni. In futuro, la tendenza di sviluppo della tecnologia di rimozione della durezza dalle acque reflue comprende principalmente i seguenti aspetti: in primo luogo, sviluppare nuovi agenti di rimozione della durezza ed efficienti, rispettosi dell'ambiente ed economici e materiali di adsorbimento per migliorare l'efficienza di rimozione della durezza, ridurre i costi di trattamento e l'inquinamento secondario; Il secondo è rafforzare la ricerca e lo sviluppo di materiali membranari, migliorare le prestazioni anti-inquinamento, la velocità di ritenzione e la durata delle membrane e ridurre i costi operativi della tecnologia di separazione a membrana; Il terzo è condurre ricerche approfondite sul meccanismo di rimozione della durezza microbica, ottimizzare i processi di trattamento microbico e migliorarne la stabilità e l'efficienza del trattamento; Il quarto è esplorare il processo di applicazione congiunta di più metodi per la rimozione della durezza, ottenere vantaggi complementari e migliorare l'effetto di trattamento complessivo. Attraverso la continua innovazione tecnologica e l'ottimizzazione dei processi, la tecnologia di rimozione della durezza dalle acque reflue svolgerà un ruolo più importante nell'utilizzo sostenibile delle risorse idriche e nella protezione ambientale in futuro.
