Powszechne sole boru w roztworach wodnych oraz technologie ich usuwania i oczyszczania
W wodach naturalnych i przemysłowych oznacza się bor całkowity, ale jego forma rozpuszczona zmienia się w zależności od pH i składu chemicznego wody. Kwas borowy i formy boranowe to główne formy występujące w roztworach wodnych; minerały boranowe i sole zawierające bor mogą być jego źródłem w wodach podziemnych, wodach procesowych i stężonych solankach.
Masz do czynienia z podwyższonym stężeniem boru w wodzie zasilającej, strumieniu procesowym lub solance? Wybór metody uzdatniania zależy od form występowania boru, zasolenia, wymaganej jakości wody oraz sposobu postępowania z koncentratem lub odpadami z regeneracji.
Powszechne sole i formy boru w wodzie
Tabela odróżnia związki stosowane lub występujące w postaci stałej od form rozpuszczonych oznaczanych w wodzie. Wynik analizy laboratoryjnej podaje się zwykle jako stężenie boru (B); nie dowodzi on obecności w próbce konkretnej soli w niezmienionej postaci.
| Związek lub forma boru | Wzór | Typowe zastosowanie / branża / miejsce wykorzystania | Typowe strumienie wodne, w których występuje | Rozpuszczalność i zachowanie w wodzie |
|---|---|---|---|---|
| Kwas borowy | H3BO3 lub B(OH)3 | Produkcja szkła, ceramiki, produktów chemicznych i związków boru. | Woda morska, wody podziemne pozostające pod wpływem złóż boranowych, wody geotermalne i przemysłowe wody procesowe. | Rozpuszczalny w wodzie; według cytowanej karty informacyjnej rozpuszczalność wynosi około 4,72% m/m w temperaturze 20 °C. Rozpuszczalność wzrasta wraz z temperaturą. W większości wód słodkich o pH zbliżonym do obojętnego jest główną formą rozpuszczoną. |
| Dziesięciowodny tetraboran sodu (boraks) | Na2B4O7·10H2O | Produkcja szkła i emalii, środki czyszczące oraz przetwórstwo boranów. | Spływy powierzchniowe lub wody procesowe w pobliżu złóż boranów, miejsc przeładunku boraksu oraz zakładów przemysłowego czyszczenia lub produkcji. | Rozpuszczalny w wodzie; według cytowanej karty informacyjnej rozpuszczalność wynosi około 4,71% m/m w temperaturze 20 °C. Na tę wartość wpływają forma uwodniona i temperatura. Rozpuszczony boraks jest źródłem sodu oraz form związanych z boranami. |
| Inne hydraty tetraboranu sodu | Na2B4O7·5H2O; Na2B4O7 | Przemysłowe produkty boranowe, szkło, detergenty i produkcja chemiczna. | Wody z płukania procesowego, roztwory powstające przy rozpuszczaniu produktów i solanki bogate w borany. | Rozpuszczalne; rozpuszczalność zależy od temperatury i stopnia uwodnienia. Wartości nie należy porównywać bez określenia postaci stałej związku i podstawy pomiaru. |
| Metaboran sodu (formy uwodnione) | NaBO2·nH2O | Produkcja specjalistycznych chemikaliów i receptury alkalicznych środków czyszczących. | Przemysłowe wody popłuczne i roztwory z przetwórstwa boranów. | Łatwo rozpuszczalny; formy występujące w roztworze wodnym zależą od stężenia, pH i temperatury. |
| Tetraboran potasu (formy uwodnione) | K2B4O7·nH2O | Szkło specjalistyczne, ceramika oraz zastosowania laboratoryjne lub chemiczne. | Roztwory powstające przy rozpuszczaniu produktów i strumienie ze specjalistycznych procesów produkcyjnych; występuje rzadziej niż borany sodu. | Rozpuszczalny; aby podać wartość ilościową, należy określić formę uwodnioną i temperaturę. |
| Kolemanit i uleksyt (naturalne minerały boranowe) | Ca2B6O11·5H2O; NaCaB5O6(OH)6·5H2O | Naturalne rudy boranowe wydobywane w celu wytwarzania produktów zawierających bor. | Wody podziemne, wody drenażowe i odcieki mające kontakt ze złożami boranów, wyrobiskami górniczymi lub odpadami wydobywczymi. | Rozpuszczanie minerałów jest wolniejsze i zachodzi w bardziej ograniczonym stopniu niż rozpuszczanie łatwo rozpuszczalnych boranów sodu; szybkość zależy od pH, temperatury, wielkości cząstek i składu wody. |
| Jony boranowe w roztworze | Głównie B(OH)4− przy wyższym pH | Formy występujące w roztworze wodnym, a nie odrębna sucha sól. | Alkaliczne wody podziemne, przemysłowe wody procesowe i stężone solanki. | Forma rozpuszczona. Jej udział w stosunku do obojętnego kwasu borowego wzrasta wraz ze wzrostem pH; na obserwowany rozkład form wpływa również zasolenie. |
Uwaga dotycząca wzoru: Uleksyt zapisuje się zwykle jako NaCaB5O6(OH)6·5H2O (równoważny zapis: NaCaB5O9·8H2O). Należy stosować wzór minerału, nie zaś twierdzić, że uleksyt pozostaje w roztworze jako nienaruszona cząsteczka.
Dlaczego pH ma znaczenie przy usuwaniu boru
Kwas borowy jest słabym kwasem. Przy pH zbliżonym do obojętnego rozpuszczony bor występuje głównie w postaci obojętnego B(OH)3; ujemnie naładowany jon boranowy B(OH)4− zyskuje na znaczeniu, gdy pH w wodzie słodkiej zbliża się do około 9,2 i przekracza tę wartość. Zasolenie i siła jonowa mogą przesuwać pozorny punkt przejścia. Ponieważ wiele analiz podaje stężenie boru całkowitego jako B, przy projektowaniu procesu uzdatniania należy uwzględnić pH i pełny skład wody, zamiast zakładać obecność jednej określonej soli.
Możliwości usuwania, separacji i odzysku
| Cel | Potencjalna technologia | Uwagi dotyczące doboru |
|---|---|---|
| Zmniejszenie stężenia boru w wodzie pitnej lub procesowej | Odwrócona osmoza (RO) | Obojętny kwas borowy jest na ogół zatrzymywany mniej skutecznie niż naładowany jon boranowy. Na skuteczność wpływają rodzaj membrany, pH, zasolenie i stopień odzysku wody. Drugi stopień z dostosowanym pH lub membrana dobrana pod kątem zatrzymywania boru mogą poprawić jego usuwanie; należy zbadać rzeczywistą wodę zasilającą. |
| Doczyszczanie wody do niskiego docelowego stężenia boru | Selektywna względem boru wymiana jonowa lub adsorpcja | Specjalistyczne materiały mogą wychwytywać bor, ale ich pojemność i selektywność zależą od składu wody. Regeneracja powoduje powstanie strumienia odpadowego wymagającego odpowiedniego zagospodarowania. |
| Usuwanie boru ze stężonej solanki lub odzysk produktu zawierającego bor | Selektywna adsorpcja lub wymiana jonowa; ekstrakcja rozpuszczalnikowa; strącanie lub krystalizacja | Są to możliwe kierunki postępowania, a nie rozwiązania uniwersalne. O wykonalności decydują konkurujące sole, stężenie boru, wymagania dotyczące produktu, zużycie odczynników i postępowanie z pozostałościami. Wskazane mogą być badania pilotażowe lub laboratoryjne. |
| Zmniejszenie ogólnej zawartości soli rozpuszczonych | Elektrodializa (ED) lub ciąg technologiczny bez zrzutu cieczy (ZLD) | Procesy te służą do zmiany stężenia jonów lub gospodarowania solanką, ale nie są automatycznie etapami selektywnego usuwania boru. Należy ocenić formy występowania boru oraz zamierzony produkt lub docelowe parametry zrzutu. |
Konwencjonalna koagulacja, sedymentacja, filtracja i chlorowanie zwykle nie usuwają rozpuszczonego boru w istotnym stopniu. Proces należy dobrać na podstawie reprezentatywnej analizy obejmującej bor całkowity, pH, TDS, główne jony, zasadowość, krzemionkę, temperaturę i natężenie przepływu. W całym projekcie należy uwzględnić dalsze postępowanie z koncentratem RO, zużytymi materiałami filtracyjnymi lub roztworami po regeneracji.
Porozmawiajmy o wyzwaniach związanych z uzdatnianiem wody
Porozmawiajmy o wyzwaniach związanych z uzdatnianiem wody
Aby omówić konkretny skład wody lub solanki, skontaktuj się z Lenntech pod adresem info@lenntech.com.
Źródła i dodatkowe materiały
- WHO: Bor — występowanie i skuteczność uzdatniania
- Health Canada: Bor — zagadnienia analityczne i dotyczące uzdatniania
- USGS: Chemia i występowanie boru w wodach naturalnych
- National Pesticide Information Center: Karta informacji technicznych dotyczących kwasu borowego
- Kim i in. (2023): Odzysk boru z solanki jezior słonych, wody morskiej i ścieków — przegląd