概要
工業生産と生活排水の増加に伴い、排水中の硬度イオンは環境と後続の処理プロセスに深刻な影響を与えています。本稿では、排水脱硬度の基本原理を体系的に解説し、化学沈殿、イオン交換、膜分離、吸着などの様々な脱硬度方法の技術的特徴、適用範囲、および既存の問題点を詳細に分析し、将来の排水脱硬度技術の発展傾向を展望し、排水脱硬度プロセスの最適化と技術革新のための理論的参考を提供することを目的としています。
1、はじめに
排水の硬度は、主に水中に存在するカルシウムイオンとマグネシウムイオン（炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、硫酸カルシウム、硫酸マグネシウムなどの塩の形態）によって引き起こされます。工業生産において、高硬度排水は設備のスケール付着を引き起こし、熱交換効率を低下させ、エネルギー消費を増加させ、さらには設備の故障につながる可能性があります。生活排水の処理と再利用の過程では、硬水は洗濯効果に影響を与え、生活用水の快適さを低下させる可能性があります。さらに、大量の硬度イオンを含む排水の排出は、自然水域の生態学的バランスにも悪影響を及ぼす可能性があります。したがって、排水から硬度イオンを効果的に除去することは、工業生産の安定的な運営、水資源のリサイクリング、および生態環境の保護にとって非常に重要です。
2、排水脱硬度の原理
排水中の硬度は通常、一時硬度と永久硬度に分けられます。一時硬度は主にカルシウムとマグネシウムの重炭酸塩で構成されており、加熱によって炭酸カルシウムと水酸化マグネシウムの沈殿物に分解して除去できます。永久硬度は、カルシウムとマグネシウムの硫酸塩、塩化物などで構成されており、化学的、物理的、または物理化学的方法によって除去する必要があります。排水脱硬度の基本原理は、主に沈殿反応、イオン交換、選択的膜透過、吸着などに基づいています。沈殿反応は、特定の化学試薬を使用してカルシウムイオンとマグネシウムイオンと反応させて不溶性沈殿物を生成し、それらを排水から分離することです。イオン交換法は、イオン交換樹脂を使用して水中のカルシウムイオンとマグネシウムイオンを交換し、樹脂に固定することです。膜分離法は、異なるイオンに対する膜保持能力の違いに基づいて、硬度イオンを水から分離することを実現します。吸着原理は、吸着剤の表面にある活性部位を介してカルシウムイオンとマグネシウムイオンを吸着して除去することです。
3、排水から硬度を除去する方法
（1）化学沈殿法
1. 石灰ソーダ灰法
石灰ソーダ灰法は、硬度を除去するための最も一般的に使用される化学沈殿法の1つです。この方法では、石灰（Ca（OH）₂）とソーダ灰（Na ₂ CO3）を排水に添加します。石灰は最初に水中の重炭酸イオンと反応して炭酸カルシウム沈殿物を生成し、マグネシウムイオンは水酸化マグネシウム沈殿物に変換されます。ソーダ灰はさらに水中のカルシウムイオンと反応して炭酸カルシウム沈殿物を生成します。反応プロセスは次のとおりです。
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}
この方法の利点は、処理コストが低く、化学物質の供給源が広く、高濃度の硬度排水に対する顕著な処理効果があることです。しかし、欠点も非常に明白であり、大量の汚泥の生成と汚泥処理の高コストなどがあります。反応プロセスでは、pH値と試薬の投与量を正確に制御する必要があり、そうしないと硬度除去効果に影響します。処理された排水は一定量の炭酸ナトリウムを保持する可能性があり、水のアルカリ度の上昇につながります。
1. リン酸塩沈殿法
リン酸塩沈殿法は、リン酸塩を排水に添加してカルシウムイオンとマグネシウムイオンと反応させ、不溶性のリン酸カルシウムとリン酸マグネシウム沈殿物を生成する方法です。たとえば、トリポリリン酸ナトリウム（Na ₅ P ∝ O ₁₀）はカルシウムイオンと反応して不溶性のリン酸カルシウム沈殿物を生成します。この方法は、高い硬度除去効率と低濃度の硬度排水に対する良好な処理効果があります。しかし、この方法は大量のリン元素を導入し、水域の富栄養化につながる可能性があり、リン酸塩試薬の比較的高い価格は処理コストを増加させます。
（2）イオン交換法
イオン交換法は、イオン交換樹脂の交換可能なイオンを利用して、排水中のカルシウムイオンとマグネシウムイオンと交換します。強酸性カチオン交換樹脂（スルホン酸樹脂など）は、一般的に使用されるイオン交換体であり、その交換プロセスは次のとおりです。
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^{+}
樹脂の交換可能なイオンがカルシウムイオンとマグネシウムイオンで飽和すると、樹脂の交換能力を回復するために酸（塩酸や硫酸など）を使用して再生する必要があります。イオン交換法の利点は、良好な硬度除去効果、安定した流出水質、およびより高い水質要件を満たす能力です。設備は比較的狭い面積を占め、操作が比較的簡単です。しかし、この方法は、樹脂価格が高く、再生プロセス中に大量の酸性およびアルカリ性排水が発生するという欠点があり、適切に処理する必要があり、そうしないと二次汚染を引き起こします。樹脂は、流入水の品質に対する高い要件があり、排水中の浮遊固形物や有機物などの不純物は、樹脂の目詰まりや中毒を引き起こしやすく、耐用年数などに影響を与えます。
（3）膜分離法
1. 逆浸透（RO）
逆浸透は、圧力下で半透膜を介して溶液中の溶質と溶媒を分離する技術です。逆浸透膜の細孔サイズは非常に小さく（約0.1〜1nm）、カルシウムイオンとマグネシウムイオンを効果的に遮断し、排水の硬度除去を実現できます。硬度を除去する過程では、水分子は圧力下で逆浸透膜を通過し、硬度イオンは遮断され、低硬度の生成水が得られます。逆浸透法は、硬度除去に高い効率を持ち、流出水の硬度を非常に低いレベルに下げることができます。電子工業用水、ボイラー給水など、非常に高い水質を必要とする場合に適しています。しかし、その欠点は、高い作動圧力と高いエネルギー消費です。膜コンポーネントは高価であり、有機物、微生物、およびその他の汚染物質によって容易に汚染されるため、定期的な洗浄と交換が必要であり、高いメンテナンスコストがかかります。一方、逆浸透プロセスは一定量の濃縮水を生成し、濃縮水の処理も課題です。
2. ナノろ過（NF）
ナノろ過膜の細孔サイズは、逆浸透膜と限外ろ過膜の間（約1〜10nm）であり、二価イオン（カルシウムイオンとマグネシウムイオンなど）に対する高い保持率を持ち、一価イオン（ナトリウムイオンと塩化物イオンなど）に対する保持率は比較的低いです。ナノろ過プロセスは、より低い圧力で動作できるため、逆浸透と比較してエネルギー消費を削減します。ナノろ過は、硬度イオンを効果的に除去できるだけでなく、有機物や重金属イオンも部分的に除去できます。ただし、ナノろ過膜も汚染されやすいという問題があり、流入水の厳密な前処理が必要です。さらに、ナノろ過膜の耐用年数と硬度除去効果は、水質や運転条件などの要因によって大きく影響を受けます。
（4）吸着法
吸着法は、吸着剤の表面にある活性部位を利用して、カルシウムイオンとマグネシウムイオンを吸着して除去する方法です。一般的な吸着剤には、活性炭、ゼオライト、ベントナイト、金属酸化物などがあります。たとえば、ゼオライトは独自の細孔構造とイオン交換性能を持ち、その交換可能なカチオンは排水中のカルシウムイオンとマグネシウムイオンとの交換吸着を受けることができます。吸着法は操作が簡単で、低濃度の硬度排水に対して一定の処理効果があります。さらに、一部の吸着剤は再生を通じて再利用できます。ただし、吸着剤の吸着容量には限りがあり、高濃度の硬度排水に対する処理効率が低いという結果になります。吸着剤の再生プロセスは比較的複雑であり、再生効果が不安定であり、吸着剤の耐用年数と硬度除去効果に影響を与える可能性があります。
（5）その他の方法
1. 電気透析法
電気透析は、イオン交換膜の選択的透過性と電界効果を利用して、水中のイオンの方向性移動を誘発し、それによって排水からの硬度除去を実現します。電気透析中、カチオン交換膜はカチオンのみを通過させ、アニオン交換膜はアニオンのみを通過させます。電界の作用下で、排水中のカルシウムイオンとマグネシウムイオンは、カチオン交換膜を介して負極に移動し、それによって水から分離されます。硬度を除去するための電気透析法は、化学試薬の添加を必要とせず、汚泥を生成しないため、操作プロセスは比較的環境に優しいです。ただし、この方法は、設備の投資が大きく、運転中に電気エネルギーを消費し、流入水の品質に対する高い要件があり、膜のファウリングを防ぐために厳密な前処理が必要です。
2. 微生物法
微生物法は、微生物の代謝活性または微生物の細胞外ポリマーとカルシウムイオンおよびマグネシウムイオンとの反応を利用して、排水からの硬度除去を実現する方法です。たとえば、一部の微生物は、アルカリ性物質を分泌することにより周囲環境のpH値を上昇させ、カルシウムイオンとマグネシウムイオンの沈殿を促進します。微生物細胞外ポリマー中の官能基（カルボキシル基やヒドロキシル基など）も、カルシウムイオンとマグネシウムイオンとの錯体形成と吸着を受ける可能性があります。微生物法は、処理コストが低く、環境に優しいという利点がありますが、処理プロセスは遅く、温度、pH値、溶存酸素などの微生物の生育条件に大きく影響されます。現在、実用的なアプリケーションにはまだ一定の制限があります。
4、硬度を除去するためのさまざまな方法の比較と選択
排水から硬度を除去するためのさまざまな方法は、それぞれ独自の利点と欠点があり、その適用性も異なります。実際のアプリケーションでは、排水の水質特性（硬度イオン濃度、その他の汚染物質成分など）、処理規模、処理コスト、流出水質要件、および環境保護要件などの要因を総合的に考慮し、硬度を除去するための適切な方法を選択する必要があります。高濃度の硬度排水の場合、化学沈殿がより経済的で効果的な方法となる可能性があります。高い水質を必要とする小規模処理の場合、イオン交換または逆浸透法がより適しています。コストに敏感な低濃度の硬度排水の場合、吸着または微生物法が一定の適用可能性を持つ可能性があります。さらに、多くの場合、硬度を除去するための複数の方法の組み合わせを使用して、各方法の利点を最大限に活用し、除去効果を向上させ、処理コストを削減できます。
5、結論と展望
排水から硬度を除去する技術は、工業生産の確保、水資源のリサイクリングの実現、および生態環境の保護にとって非常に重要です。現在、化学沈殿、イオン交換、膜分離、吸着など、硬度を除去するためのさまざまな方法が実際のエンジニアリングで広く使用されていますが、各方法には一定の制限があります。将来、排水脱硬度技術の発展傾向は主に次の側面を含みます。まず、効率的で環境に優しく、経済的な新しい脱硬度剤と吸着材料を開発して、脱硬度効率を向上させ、処理コストと二次汚染を削減することです。次に、膜材料の研究開発を強化し、膜の汚染防止性能、保持率、および耐用年数を改善し、膜分離技術の運用コストを削減することです。第三に、微生物硬度除去のメカニズムに関する詳細な研究を実施し、微生物処理プロセスを最適化し、その安定性と処理効率を向上させることです。第四に、硬度を除去するための複数の方法の共同適用プロセスを模索し、相互の利点を達成し、全体的な処理効果を向上させることです。継続的な技術革新とプロセスの最適化を通じて、排水脱硬度技術は、将来の水資源の持続可能な利用と環境保護において、より重要な役割を果たすでしょう。
