Dalam beberapa tahun terakhir, penggunaan-teknologi membran osmosis balik bertekanan tinggi untuk konsentrasi lebih lanjut dan pengurangan volume air garam pekat industri telah menjadi tren utama dalam pengolahan air garam-tanpa pembuangan. Namun, kerak telah menjadi salah satu faktor pembatas tingginya-konsentrasi dan pengurangan volume air yang masuk dalam sistem membran osmosis balik. Alasan utamanya adalah selama proses konsentrasi-tinggi air yang masuk dalam sistem membran osmosis balik, kation divalen seperti kalsium, magnesium, barium, dan strontium, bersama dengan ion-ion yang mudah mengalami kerak seperti karbonat, sulfat, fosfat, fluorida, dan silika larut, terakumulasi pada sisi konsentrat sistem osmosis balik, mencapai keadaan lewat jenuh, membentuk endapan dan kerak. Hal ini menyebabkan pengotoran membran, peningkatan tekanan pengoperasian, kesulitan memulihkan fluks membran, dan dalam kasus yang parah, kerusakan pada lapisan pemisah permukaan membran, menyebabkan sistem tidak berfungsi dan menjadi tidak stabil.
Oleh karena itu, proses penghilangan pelunakan dan pengerasan yang andal dan efisien untuk air garam pekat merupakan langkah penting dan krusial dalam proses konsentrasi dan pengurangan volume membran air garam pekat industri.
1. Mekanisme Reaksi Pelunakan Kimia
Untuk air baku dengan tingkat kesadahan yang bervariasi, langkah-langkah berikut umumnya dapat diambil:
(1) Untuk air mentah dengan kesadahan rendah, sesuaikan pH dan suhu influen atau gunakan metode fisik untuk menghambat pembentukan kerak dan meningkatkan kelarutan garam yang sedikit larut;
(2) Untuk air mentah dengan kesadahan sedang-rendah, penghambat kerak dapat digunakan, namun ini hanya efektif dalam kisaran tertentu, yaitu Indeks Langerile (LSI) harus antara 0 dan 1,8;
(3) Untuk air mentah dengan kesadahan tinggi, pertukaran ion dan pengendapan kimia diperlukan untuk menghilangkan ion-ion pembentuk kerak.
Untuk air garam pekat-kekerasan tinggi dalam jumlah besar, menggunakan pelunakan pertukaran ion dengan kation seperti kalsium dan magnesium akan memerlukan sejumlah besar bahan regenerasi, sehingga mengakibatkan biaya pengoperasian yang tinggi dan polusi sekunder. Umumnya, proses pengolahan yang paling ekonomis melibatkan penambahan bahan pelembut kimia (natrium hidroksida, kalsium hidroksida, natrium karbonat, dll.) untuk meningkatkan pH air, bereaksi dengan ion kalsium dan magnesium dalam air garam pekat untuk membentuk endapan seperti kalsium karbonat dan magnesium hidroksida. Mekanisme reaksi pelunakan kimia adalah sebagai berikut:
Ca2+ + CO32- → CaCO3 ↓
Ca2+ + OH- + HCO3- → CaCO3 ↓ + H2O
Mg2+ + 2OH- → Mg(OH)2 ↓
Dalam rumusnya, "↓" menunjukkan bahwa telah terbentuk endapan, yaitu padatan tersuspensi. Kapur dan alkali cair dapat menyediakan ion hidroksida yang diperlukan untuk reaksi; jika ion karbonat dalam air tidak mencukupi, soda abu dapat ditambahkan untuk melengkapi ion karbonat.
SiO2 + 2Mg(OH)2↓ → Mg2SiO4↓ + 2H2O
Reaksi penghilangan silika lebih kompleks, namun secara sederhana dapat dipahami sebagai reaksi pengendapan bersama antara silika dalam air dan magnesium hidroksida yang dihasilkan dalam reaksi pelunakan. Kemudian, pemisahan padat-cair dilakukan melalui metode seperti filtrasi dan klarifikasi untuk menghilangkan silika.
Ion fluorida, barium, dan strontium dalam air garam pekat juga menimbulkan risiko kerak pada membran reverse osmosis. Di bawah kondisi pH reaksi pelunakan kimia, ion logam berat ini secara bersamaan akan membentuk endapan tidak larut yang sesuai (kalsium fluorida, barium sulfat, strontium sulfat, dll.), yang kemudian dihilangkan dengan penyaringan.
2. Pemilihan Bahan Aditif Kimia
Kapur (dengan soda abu) atau alkali cair dengan soda abu keduanya dapat digunakan sebagai bahan pelembut untuk pengerasan air garam pekat. Tujuan dari reaksi ini adalah untuk mengubah ion kalsium dan magnesium dalam air menjadi zat-zat yang tidak larut, yang kemudian dihilangkan dengan penyaringan, sekaligus menghilangkan barium, strontium, silika, dll. Kapur lebih murah dan lebih mudah didapat daripada alkali cair, tetapi kapur meningkatkan jumlah lumpur dan memasukkan lebih banyak ion kalsium, sehingga memerlukan jumlah karbonat yang setara untuk bereaksi dan mengendap.
Jika konsentrasi bikarbonat + karbonat yang ada di dalam air tidak cukup untuk mengendapkan ion kalsium yang dimasukkan oleh kapur, soda abu harus ditambahkan secara terpisah, tetapi harga soda abu sangat mahal. Menambahkan alkali cair tidak akan memasukkan ion kalsium. Namun, perlu diingat bahwa jika konsentrasi ion bikarbonat + karbonat dalam air jauh lebih tinggi daripada konsentrasi ion kalsium, maka akan terjadi kelebihan alkalinitas. Hal ini akan menyebabkan konsumsi asam yang berlebihan ketika pH permeat yang melunak perlu diatur kembali ke netral, dan terdapat risiko bahwa konduktivitas permeat setelah perlakuan membran osmosis balik tidak akan memenuhi standar.
Singkatnya, pada sebagian besar kondisi kualitas air (di mana konsentrasi ion bikarbonat + karbonat lebih besar daripada konsentrasi ion kalsium), penggunaan kapur + alkali cair sebagai bahan pelembut lebih ekonomis dan masuk akal. Jika air mentah memiliki kesadahan tinggi tetapi alkalinitasnya rendah, penambahan alkali cair saja sudah optimal. Jika air baku memiliki alkalinitas yang sangat tinggi, menambahkan kapur saja akan lebih ekonomis dan masuk akal.
Penambahan garam magnesium bertujuan untuk menghilangkan silikon. Reaksi pelunakan menghasilkan magnesium hidroksida, yang secara bersamaan membentuk endapan ko-yang tidak larut dengan silika di dalam air melalui adsorpsi dan reaksi kimia. Garam magnesium yang tersedia termasuk magnesium oksida dan magnesium klorida. Magnesium oksida umumnya murah dan mudah didapat, namun sulit ditangani, bereaksi lambat, dan memerlukan suhu tertentu. Magnesium klorida relatif lebih mahal, tetapi mudah larut dan dapat dibuat menjadi larutan air, sehingga mudah ditangani dan bereaksi dengan cepat. Dalam kebanyakan kasus, ion magnesium dalam air garam pekat cukup untuk mengendapkan silika, tetapi dalam sumber air khusus, garam magnesium dan alkali cair dalam jumlah yang cukup perlu ditambahkan untuk menghilangkan silika.
3. Efek Pelunakan Kimia
Mengambil contoh pelunakan air limbah farmasi, air bakunya adalah air limbah setelah pengolahan biologis anaerobik dan perlu dipekatkan menggunakan proses disc tube reverse osmosis (DTRO). Air memiliki kesadahan total dan alkalinitas total yang tinggi, serta kandungan silika yang rendah. Untuk menghindari penskalaan ion kalsium dan magnesium pada sisi air pekat selama-pengolahan DTRO dengan konsentrasi tinggi dan pengurangan volume, diperlukan pelunakan kimia untuk menghilangkan kesadahan.
Berdasarkan karakteristik air limbah farmasi, alkali cair (larutan natrium hidroksida 30%) dipilih sebagai bahan pelembut kimia. Alasannya adalah sebagai berikut: Kesadahan total air baku adalah 1100-1500 mg/L, dengan kesadahan kalsium melebihi kesadahan magnesium, sedangkan alkalinitas total adalah 2300-2500 mg/L. Dalam kondisi basa, ion bikarbonat dan karbonat dalam air mentah cukup untuk bereaksi dengan semua ion kalsium dalam air untuk membentuk endapan kalsium karbonat, sehingga menghilangkan kesadahan kalsium sepenuhnya. Secara bersamaan, semua ion magnesium bereaksi dengan ion hidroksida berlebih dalam larutan alkali untuk menghasilkan endapan magnesium hidroksida, dan membawa sebagian silika dari air dalam reaksi pengendapan bersama, sehingga menghilangkan kesadahan magnesium dan sebagian silika.
Berdasarkan data sebelum dan sesudah pelunakan, terlihat bahwa pelunakan kimia mencapai tingkat penghilangan kesadahan total dari air baku sebesar 97%, dan kesadahan air produk yang dilunakkan kurang dari 100 mg/L, memenuhi persyaratan kesadahan air yang masuk dalam proses pengolahan konsentrasi dan pengurangan volume peralatan membran DTRO.
Dalam perlakuan konsentrasi dan pengurangan volume membran air garam pekat industri, pelunakan kimia adalah teknologi perawatan yang sangat efisien, ekonomis, dan praktis untuk menghilangkan kekerasan.