최근 몇 년 동안 산업용 농축 염수의 추가 농축 및 부피 감소를 위해 고압 역삼투막 기술을 사용하는 것이 무방류 염수 처리의 주류 추세가 되었습니다.- 그러나 스케일링은 역삼투막 시스템에 들어오는 물의 높은 농도와 부피 감소를 제한하는 요인 중 하나가 되었습니다.- 그 주된 이유는 역삼투막 시스템에 유입되는 물의 고농도 과정 동안 칼슘, 마그네슘, 바륨, 스트론튬과 같은 2가 양이온이 쉽게 스케일링되는 탄산염, 황산염, 인산염, 불화물 및 가용성 실리카와 같은 이온이 역삼투 시스템의 농축 측에 축적되어 과포화 상태에 도달하여 침전물을 형성하고 스케일링이 발생하기 때문입니다. 이로 인해 멤브레인 오염, 운전압력 상승, 멤브레인 플럭스 복원 어려움, 심한 경우 멤브레인 표면 분리층 손상 등 시스템 오작동 및 불안정화 현상이 발생한다.
따라서 농축 염수에 대한 안정적이고 효율적인 연화 및 경화 제거 공정은 산업용 농축 염수 막 농축 및 부피 감소 공정에서 필수적이고 중요한 단계입니다.
1. 화학적 연화의 반응 메커니즘
경도가 다양한 원수의 경우 일반적으로 다음과 같은 조치를 취할 수 있습니다.
(1) 경도가 낮은- 원수의 경우 유입수의 pH 및 온도를 조정하거나 물리적 방법을 사용하여 스케일 형성을 억제하고 난용성 염의 용해도를 향상시킵니다.
(2) 중-경도가 낮은 원수의 경우 스케일 억제제를 사용할 수 있지만 이는 특정 범위 내에서만 효과적입니다. 즉, 랑게릴 지수(LSI)는 0에서 1.8 사이여야 합니다.
(3) 경도가 높은-원수의 경우 스케일을 형성하는 이온을 제거하기 위해 이온교환 및 화학적 침전이 필요합니다.-
대량의 고경도 농축 염수에 대해 칼슘, 마그네슘과 같은 양이온을 이용한 이온 교환 연화를 사용하려면 많은 양의 재생제가 필요하므로 운영 비용이 많이 들고 2차 오염이 발생합니다. 일반적으로 가장 경제적인 처리공정은 화학적 연화제(수산화나트륨, 수산화칼슘, 탄산나트륨 등)를 첨가하여 물의 pH를 높이고, 농축된 염수 중의 칼슘 및 마그네슘 이온과 반응하여 탄산칼슘, 수산화마그네슘 등의 침전물을 형성하는 공정입니다. 화학적 연화의 반응 메커니즘은 다음과 같습니다.
Ca2+ + CO32- → CaCO3 ↓
Ca2+ + OH- + HCO3- → CaCO3 ↓ + H2O
Mg2+ + 2OH- → Mg(OH)2 ↓
식 중 "↓"는 침전물, 즉 부유 고체가 형성되었음을 나타냅니다. 석회와 액체 알칼리는 반응에 필요한 수산화물 이온을 제공할 수 있습니다. 물 속의 탄산 이온이 부족한 경우 소다회를 첨가하여 탄산 이온을 보충할 수 있습니다.
SiO2 + 2Mg(OH)2↓ → Mg2SiO4↓ + 2H2O
실리카 제거 반응은 좀 더 복잡하지만 간단히 말해서 물 속의 실리카와 연화 반응에서 생성된 수산화마그네슘 사이의 공침 반응으로 이해하면 됩니다.- 그런 다음 여과, 정화 등의 방법을 통해 실리카를 제거하는 방법으로 고액-을 분리합니다.
농축 염수에 함유된 불화물, 바륨, 스트론튬 이온 역시 역삼투막에 스케일링이 발생할 위험이 있습니다. 화학적 연화 반응의 pH 조건에서 이러한 중금속 이온은 동시에 해당 불용성 침전물(불화칼슘, 황산바륨, 황산스트론튬 등)을 형성하며, 이는 이후 여과를 통해 제거됩니다.
2. 화학첨가물의 선택
석회(소다회 포함) 또는 소다회가 포함된 액체 알칼리는 모두 농축된 염수 경화를 위한 연화제로 사용할 수 있습니다. 반응의 목적은 물 속의 칼슘과 마그네슘 이온을 각각의 불용성 물질로 변환한 후 여과를 통해 제거하는 동시에 바륨, 스트론튬, 실리카 등을 제거하는 것입니다. 석회는 액체 알칼리보다 저렴하고 쉽게 구할 수 있지만 슬러지의 양이 늘어나고 칼슘 이온이 더 많이 도입되므로 반응하고 침전하려면 동일한 양의 탄산염이 필요합니다.
물 속 기존 농도의 중탄산염+탄산염이 석회에 의해 도입된 칼슘이온을 침전시키기에 부족할 경우 소다회를 별도로 첨가해야 하는데 소다회 가격이 매우 비싸다. 액체 알칼리를 첨가하면 칼슘 이온이 유입되지 않습니다. 그러나 물 속 중탄산염+탄산염 이온의 농도가 칼슘 이온 농도보다 현저히 높을 경우 과잉 알칼리도가 발생한다는 점을 고려해야 합니다. 이는 연화된 투과액의 pH를 중성으로 다시 조정해야 할 때 과도한 산 소비로 이어질 수 있으며, 역삼투막 처리 후 투과액의 전도도가 기준을 충족하지 못할 위험이 있습니다.
요약하면, 대부분의 수질 조건(중탄산 + 탄산 이온 농도가 칼슘 이온 농도보다 높은 경우)에서는 석회 + 액체 알칼리를 연화제로 사용하는 것이 더 경제적이고 합리적입니다. 원수의 경도는 높으나 알칼리도가 낮은 경우에는 액상 알칼리만을 첨가하는 것이 최적입니다. 원수의 알칼리도가 매우 높은 경우에는 석회만 첨가하는 것이 더 경제적이고 합리적입니다.
마그네슘염을 첨가하는 것은 실리콘을 제거하는 것을 목표로 합니다. 연화 반응은 수산화마그네슘을 생성하며, 이는 흡착 및 화학 반응을 통해 물 속의 실리카와 함께 불용성 공{1}}공침전물을 동시에 형성합니다. 사용 가능한 마그네슘염에는 산화마그네슘과 염화마그네슘이 포함됩니다. 산화마그네슘은 일반적으로 저렴하고 쉽게 구할 수 있지만 취급이 어렵고 반응이 느리며 특정 온도가 필요합니다. 염화마그네슘은 상대적으로 가격이 비싸지만 쉽게 녹고 수용액으로 만들 수 있어 취급이 편리하고 반응이 빠르다. 대부분의 경우 농축된 염수에 있는 마그네슘 이온은 실리카를 침전시키기에 충분하지만 특수 수원에서는 실리카를 제거하기 위해 충분한 마그네슘염과 액체 알칼리를 첨가해야 합니다.
3. 화학적 연화효과
제약폐수의 연화를 예로 들면, 원수는 혐기성 생물학적 처리를 거친 폐수로, 디스크관 역삼투(DTRO) 공정을 이용해 농축해야 한다. 물의 총 경도와 총 알칼리도는 높고 실리카 함량은 낮습니다. DTRO의 고농도 및 부피 감소 처리 중에 농축된 물 측에서 칼슘 및 마그네슘 이온 스케일링을 방지하려면 경도를 제거하기 위한 화학적 연화가 필요합니다.
의약폐수의 특성을 고려하여 화학연화제로 액체알칼리(30% 수산화나트륨용액)를 선택합니다. 그 이유는 다음과 같습니다. 원수의 총 경도는 1100-1500 mg/L이며 칼슘 경도는 마그네슘 경도를 초과하고 총 알칼리도는 2300-2500 mg/L입니다. 알칼리성 조건에서는 원수의 중탄산 이온과 탄산 이온이 물 속의 모든 칼슘 이온과 충분히 반응하여 탄산 칼슘 침전물을 형성하여 칼슘 경도가 완전히 제거됩니다. 동시에, 모든 마그네슘 이온은 알칼리 용액 내의 과잉 수산화물 이온과 반응하여 수산화마그네슘 침전물을 생성하고, 공침 반응에서 물로부터 일부 실리카를 운반하여 마그네슘 경도와 일부 실리카를 제거합니다.
연화 전후의 데이터를 보면, 화학적 연화는 원수 전체 경도 제거율 97%를 달성하고, 연화 제품수의 경도는 100mg/L 미만으로 DTRO 분리막 장비의 농축 및 감량 처리 공정에서 유입수 경도 요건을 충족하는 것을 알 수 있다.
산업용 농축 염수막 농축 및 부피 감소 처리에 있어 화학적 연화는 경도 제거를 위한 매우 효율적이고 경제적이며 실용적인 처리 기술입니다.