Veelvoorkomende calciumzouten in waterige oplossingen en technologieën voor verwijdering en zuivering
Calciumverbindingen lossen op of dissociëren in water, afhankelijk van hun chemische eigenschappen. In verdunde waterige stromen is calcium voornamelijk aanwezig als opgeloste calciumionen (Ca2+) en daarmee samenhangende opgeloste chemische soorten, niet als intacte zoutmoleculen. Calcium komt van nature voor in water en wordt ook aangevoerd door industriële processen en chemicaliën voor waterbehandeling.
Heeft u te maken met hardheid, calciumafzettingen of calciumrijke pekel? De juiste behandeling hangt af van de volledige wateranalyse, waaronder calcium, magnesium, alkaliniteit, sulfaat, pH, temperatuur en de gewenste waterterugwinning. De calciumconcentratie alleen bepaalt niet of afzettingen zullen ontstaan.
Veelvoorkomende calciumverbindingen en waar ze voorkomen
| Calciumverbinding | Formule | Typische toepassing / bedrijfstak / gebruik | Typische waterige stromen waarin de verbinding voorkomt |
|---|---|---|---|
| Calciumwaterstofcarbonaat (opgeloste carbonaatsoorten) | Ca(HCO3)2 | Wordt vaak gebruikt als verkorte aanduiding voor calcium en waterstofcarbonaat die samen voorkomen in de chemie van natuurlijk water; het wordt doorgaans niet als afzonderlijk, stabiel droog zout verwerkt. | Grond- en oppervlaktewater waarin koolstofdioxide is opgelost en dat in contact is geweest met kalksteen of andere carbonaatgesteenten; water met carbonaathardheid. |
| Calciumcarbonaat (calciet, krijt, kalksteen) | CaCO3 | Bouwmaterialen, mineraalverwerking, neutralisatie en waterbehandeling met kalk; ook een veelvoorkomende afzetting. | Grond- en proceswater dat in contact staat met carbonaatmineralen; neergeslagen vaste stoffen bij ontharding, neutralisatie en afzettingsprocessen. |
| Calciumsulfaat (gips / anhydriet) | CaSO4·2H2O / CaSO4 | Gipsproductie, mijnbouw, cement- en mineraalverwerking; een zout dat bij concentratieprocessen afzettingen kan vormen. | Grondwater dat in contact staat met gips, mijnwater, industrieel afvalwater, pekel afkomstig van zeewater en membraanconcentraten. |
| Calciumchloride | CaCl2 | Gladheidsbestrijding, stofbestrijding, olie- en gaswinning, voedselverwerking en chemische productie. | Afstromend water met strooizout, pekel uit olievelden, proceswater en stromen waarin calciumchloride als behandelings- of proceschemisch middel wordt gebruikt. |
| Calciumnitraat | Ca(NO3)2 | Productie en gebruik van meststoffen, betontoevoegingen en bepaalde chemische processen. | Landbouwdrainage, afstromend water afkomstig van meststoffen en industrieel proceswater. |
| Calciumfluoride (fluoriet) | CaF2 | Winning en verwerking van fluoriet en fluoridebehandeling op basis van neerslag. | Fluoridehoudend grondwater en water uit mijnen of mineraalverwerking; het kan ook voorkomen als neerslag uit een behandeling. |
| Calciumhydroxide (gebluste kalk) | Ca(OH)2 | pH-aanpassing van water en afvalwater, kalkontharding en neutralisatie. | Stromen waaraan kalk is gedoseerd; bij de behandeling kunnen vaste stoffen van calciumcarbonaat of metaalhydroxiden ontstaan die moeten worden afgescheiden. |
| Calciumfosfaten | CaHPO4, Ca3(PO4)2 en verwante fasen | Fosfaatverwijdering en -terugwinning, meststoffenproductie en biologische of chemische behandeling. | Fosfaathoudend afvalwater en behandelingsslib; neerslag hangt af van de pH en de concentraties calcium en fosfaat. |
| Calciumhypochloriet | Ca(OCl)2 | Desinfectie van drinkwater, zwembadwater en proceswater. | Water tijdens en na de dosering van hypochloriet; het daardoor aanwezige calcium kan in sommige systemen bijdragen aan hardheid of afzettingen. |
Oplosbaarheid en chemie van calcium
De oplosbaarheid van calciumverbindingen loopt sterk uiteen. Calciumchloride en calciumnitraat zijn goed oplosbaar, terwijl calciumcarbonaat, calciumfluoride en veel calciumfosfaatmineralen onder normale omstandigheden slecht oplosbaar zijn. Calciumsulfaat heeft een beperkte oplosbaarheid die varieert met de temperatuur en de samenstelling van de oplossing. Dit zijn algemene vergelijkingen, geen vaste grenswaarden voor werkelijk proceswater.
In natuurlijke wateren kan koolstofdioxide bijdragen aan het oplossen van carbonaatmineralen, waardoor calcium en waterstofcarbonaat in oplossing komen. Veranderingen in pH, temperatuur, druk of opgelost koolstofdioxide kunnen dit evenwicht verschuiven en calciumcarbonaat doen neerslaan. Het concentreren van een waterstroom kan ook calciumsulfaat of andere mineralen dichter bij verzadiging brengen. In pekel beïnvloeden de ionsterkte en interacties tussen ionen de relevante activiteiten; oplosbaarheidswaarden voor zuiver water alleen volstaan daarom niet om afzettingen te voorspellen.
Calciumhardheid wordt vaak uitgedrukt in milligram per liter als calciumcarbonaat (mg/L als CaCO3). Dit is een conventie om de hardheid als equivalent uit te drukken; het betekent niet dat al het opgeloste calcium als calciumcarbonaat aanwezig is. De calculator voor afzetting en oplosbaarheid van calciumcarbonaat en de calculator voor afzetting en oplosbaarheid van calciumsulfaat bieden illustratieve vergelijkingen; ze vervangen geen volledige wateranalyse of gevalideerd procesmodel.
Oplossingen voor scheiding, zuivering en concentratie
Lenntech kan behandelingsroutes beoordelen voor water dat calciumverbindingen bevat. Het geschikte proces hangt af van de watersamenstelling, de gewenste waterkwaliteit, de beoogde terugwinning, het afzettingsrisico en het beheer van reststromen. De onderstaande opties zijn mogelijke benaderingen; geen enkele technologie is geschikt voor elke stroom.
| Uitdaging bij waterbehandeling | Mogelijke procesroute | Aandachtspunten bij de keuze |
|---|---|---|
| Hardheid in gemeentelijk water, utiliteitswater of proceswater | Ontharding met kalk of ionenwisseling | Behandeling met kalk kan calciumcarbonaat doen neerslaan; bij ionenwisseling in de natriumcyclus worden calcium en magnesium uitgewisseld tegen natrium en ontstaat regeneratiepekel. |
| Calcium en andere opgeloste ionen in voedingswater | Nanofiltratie (NF), omgekeerde osmose (RO) of elektrodialyse met omkering van de polariteit (EDR) | NF vermindert vaak bij voorkeur de concentratie van tweewaardige ionen, terwijl RO en EDR verschillende scheidingseigenschappen hebben. De terugwinning wordt beperkt door verzadiging, voorbehandeling, bedrijfsomstandigheden en het beheer van het concentraat. |
| Risico op kalkaanslag door calciumcarbonaat of calciumsulfaat | Wateranalyse en beoordeling van het risico op afzettingen, waar geschikt gevolgd door ontharding, aanpassing van de pH of alkaliniteit, dosering van een antiscalant of een bedrijfsstrategie met een lagere terugwinning | De geschikte beheersmaatregel hangt af van de mineraalfase en de chemische samenstelling van de waterstroom. Een index voor het risico op afzettingen vormt op zichzelf geen volledige ontwerpbeoordeling. |
| Calciumhoudende neerslagen of fosfaatrijke waterstromen | Selectieve precipitatie gevolgd door afscheiding van vaste stoffen; kristallisatie kan worden overwogen wanneer terugwinning geschikt is | De precipitatiechemie, slibeigenschappen, restconcentraties en productkwaliteit moeten voor de specifieke waterstroom worden beoordeeld. |
| Geconcentreerde pekel of reststromen | Verdere concentratie met membranen of opties voor nullozing van vloeibare reststromen (ZLD) en kristallisatie | De energievraag, beheersing van afzettingen, materiaalkeuze en de kwaliteit en verwerking van teruggewonnen vaste stoffen beïnvloeden de haalbaarheid. |
Operationele gevolgen en vereisten
Opgelost calcium draagt bij aan de waterhardheid. Afhankelijk van de alkaliniteit, pH, temperatuur en andere ionen kan calcium bijdragen aan afzettingen in leidingen, warmtewisselaars, ketels en membraansystemen. Hardheid kan ook invloed hebben op het zeepverbruik en de specificaties voor proceswater. Calcium is een essentiële voedingsstof en drinkwater kan bijdragen aan de inname via de voeding; de toepasselijke eisen hangen af van het rechtsgebied en het beoogde gebruik.
Bij irrigatie en industrieel hergebruik moet calcium worden beschouwd in samenhang met het zoutgehalte, natrium, magnesium en de beoogde toepassing. In behandelingssystemen kan de verwijdering van calcium aandacht vereisen voor corrosiebeheersing, stabilisatie, het beheer van concentraat of slib en de gevolgen van de behandeling voor andere waterkwaliteitsparameters.
Een behandelingsoplossing ontwikkelen
Een representatieve wateranalyse helpt bij het identificeren van calciumvormen, risico's op afzettingen en geschikte behandelingsroutes. Waar passend kunnen laboratoriumonderzoek en validatie op pilotschaal de prestaties onder representatieve bedrijfsomstandigheden beoordelen voordat een ontwerp op volledige schaal wordt gekozen. Lenntechs beoordeling van de proceshaalbaarheid beschrijft deze beoordelingsaanpak.
Bespreek een uitdaging op het gebied van waterbehandeling
Neem contact op met Lenntech om een specifieke watersamenstelling of pekelsamenstelling te bespreken via info@lenntech.com.
Bronnen en aanvullende literatuur
- U.S. Geological Survey: Waterhardheid.
- U.S. Geological Survey: Bestanddelen en eigenschappen van grondwater.
- U.S. Geological Survey: Oplosbaarheid van calciet, aragoniet en vateriet in CO₂–H₂O-oplossingen.
- PubChem: Calciumchloride.
- PubChem: Calciumsulfaat.
- Wereldgezondheidsorganisatie: Hardheid van drinkwater.