Độ cứng tạm thời của nước là gì

Độ cứng tạm thời của nước là độ cứng của nước do sự hiện diện của canxi và magie cacbonat và bicacbonat. Độ cứng tạm thời của nước còn được gọi là độ cứng cacbonat. Độ cứng tạm thời của nước có thể được loại bỏ bằng cách đun nóng nước, làm mềm bằng vôi sau đó tách kết tủa ra khỏi nước.

Các tính toán độ cứng tạm thời (độ cứng cacbonat) của nước

Độ cứng tạm thời của nước được tính bằng tổng hàm lượng ion Ca²⁺ và Mg²⁺ trong các muối cacbonat và hydrocacbonat canxi, hydrocacbonat magie.

Nếu trong nước hàm lượng của ion HCO₃^– > Ca²⁺ và Mg²⁺(mđlg/l)  thì trị số độ cứng cacbonat bằng tổng hàm lượng của ion canxi và magie. Lượng dư HCO₃^– là natri cacbonat và kali cacbonat

Nếu trong nước hàm lượng của ion HCO₃^–< Ca²⁺ và Mg²⁺ (mđlg/l) thì trị số độ cứng cacbonat bằng nồng độ ion HCO₃^–

Để biểu thị nồng độ ion Ca²⁺, Mg²⁺ và HCO₃^– bằng mg/l thì độ cứng tổng các các độ cứng thành phần được tính theo các công thức sau:

Độ cứng toàn phần: C₀ = Ca²⁺/20,04 + Mg²⁺/12,16

Độ cứng cacbonat

Khi Ca²⁺/20,04 + Mg²⁺/12,16 >HCO₃^– /61,02      

C_K= HCO₃^–/61,02

Khi    Ca²⁺/20,04 + Mg²⁺/12,16 <HCO₃^– /61,02

C_K=C₀=      Ca²⁺/20,04 + Mg²⁺/12,16

Tác hại của độ cứng tạm thời của nước trong sản xuất công nghiệp

Độ cứng tạm thời của nước là rất phổ biến và là nguyên nhân chính khiến hình thành các cáu cặn canxi cacbonat trong đường ống và thiết bị. Sự hình thành cáu cặn này dẫn đến hệ thống ống nước bị tắc và giảm hiệu quả các bộ trao đổi nhiệt. Trong nồi hơi cặn làm suy yếu dòng nhiệt vào nước, làm giảm hiệu suất sưởi ấm và cho phép các thành phần kim loại của nồi hơi trở nên quá nóng. Trong một hệ thống điều áp, sự quá nhiệt này có thể dẫn đến làm hỏng thậm chí gây nổ nồi hơi. Mức độ thiệt hại gây ra bởi sự lắng đọng canxi cacbonat thay đổi tùy thuộc vào dạng tinh thể.

Trong chất điện phân, nước cứng tạm thời cũng có thể dẫn đến ăn mòn điện, trong đó một kim loại ưu tiên ăn mòn khi tiếp xúc với loại kim loại khác khi cả hai tiếp xúc với chất điện phân. Trong trường hợp này việc làm mềm nước cứng bằng trao đổi ion sẽ không làm tăng tính ăn mòn của nó.

Đơn vị đo độ cứng

Hiện nay chưa thống nhất được đơn vị quốc tế để đo độ cứng, các nước có quy ước riêng của mình để đo độ cứng của nước, đơn vị đo độ cứng của Pháp là ⁰f, của Đức là ⁰dH, của Anh là ⁰e. Việt Nam dùng đơn vị đo độ cứng là mili đương lượng trong 1 lít ( mđlg/l), khi đo độ cứng bé dùng micro đương lượng gam trong lít ( mcrđlg/l)

Bảng chuyển đổi đo độ cứng

Ppm: 1 mg/l CaCO₃

Gpg: 64,8 mg canxi cacbonat mỗi gallon( 3,79 lít) hoặc 17,118 ppm

1 mmol/l tương đương với 100,09 mg/l CaCO₃ hoặc 40,08 mg/l Ca²⁺

⁰dH : 10 mg/l CaO hoặc 17,848 ppm

^de: 64,8 mg CaCO₃ mỗi 4,55 lít nước tương đương 14,254 ppm

⁰f : 10 mg/l CaCO₃ tương đương với 10 ppm

Mối quan hệ giữa độ cứng tạm thời của nước với độ kiềm của nước

Độ kiềm của nước tồn tại ở 3 dạng: cacbonat, bicacbonat, hydroxide. Độ kiềm hydroxit hiếm khi gặp trong các ứng dụng tháp giải nhiệt vì nó chỉ tồn tại khi được thêm vào hoặc khi PH vượt quá 10. Độ kiềm cacbonat và bicacbonat tự do thay đổi từ dạng này sang dạng khác tùy thuộc vào độ PH của nước. Các ion cacbonat ít khi gặp trong nước có độ PH thấp. Khi tăng độ PH của nước, một số ion bicacbonat trở thành ion cacbonat. Một sự khác biệt quan trọng là các ion bicacbonat hòa tan đáng kể hơn các ion cacbonat. Canxi chỉ có khả năng hòa tan hạn chế với cacbonat nhưng hòa tan đáng kể hơn với bicacbonat. Nếu độ PH của nước <10 có thể giả định rằng độ kiềm hydroxit bằng 0, lúc này nồng độ kiềm cacbonat bằng 2 lần độ kiềm phenoltalein.  Tổng độ kiềm bằng độ kiềm bicacbonat + độ kiềm cacbonat.

Điều này có nghĩa là nồng độ của độ cứng tạm thời phụ thuộc vào tỷ lệ độ kiềm bicacbonat và độ kiềm cacbonat. Nồng độ của độ cứng tạm thời có thể được định nghĩa là nồng độ tính theo phần triệu của độ kiềm cacbonat kết tủa để đưa nước về trạng thái cân bằng mà tại đó không còn kết tủa canxi nữa

Làm thế nào để loại bỏ độ cứng tạm thời của nước

Độ cứng tạm thời của nước có thể loại bỏ bằng đun sôi, sử dụng vôi, hay sử dụng phương pháp trao đổi ion.

• Đun sôi đơn giản là chuyển đổi các ion bicacbonat rất hòa tan thành các ion cacbonat ít hòa tan sau đó kết tủa thành canxi cacbonat và loại bỏ ra khỏi nước
• Phương pháp loại bỏ độ cứng tạm thời của nước bằng vôi áp dụng trong trường hợp ngoài yêu cầu giảm độ cứng còn có yêu cầu làm giảm độ kiềm của nước, theo đó sử dụng dung dịch vôi cho vào nước để tạo thành các phản ứng tạo ra các hợp chất kết tủa không tan trong nước, có thể dễ dàng tách ra khỏi nước.
• Phương pháp trao đổi ion: Sử dụng các hạt nhựa trao đổi ion hạt cation làm mềm nước có gắn các hạt điện tích dương Na⁺ sẽ trao đổi thay thế vị trí với các ion Ca²⁺ và Mg²⁺ có trong nước. Theo thời gian các ion Na⁺ được thay thế ngày càng nhiều bằng các ion Ca²⁺ và Mg²⁺ cho đến khi cạn kiệt. Đây là lúc hạt nhựa trao đổi ion cần được tái sinh bằng dung dịch muối tinh khiết NaCl theo đó thay thế toàn bộ các ion Ca²⁺ và Mg²⁺ có trong nước đã trao đổi gắn trên bề mặt hạt nhựa bằng các ion Na⁺ và thải các ion Ca²⁺ và Mg²⁺ này ra ngoài theo đường nước thải.