CÔNG TY TNHH SẢN XUẤT – THƯƠNG MẠI VÀ DỊCH VỤ SAO VIỆT
Văn phòng giao dịch: Số 2 Ngõ 97 Nguyễn Ngọc Nại - Thanh Xuân - Hà Nội
Email: saovietxulynuoc@gmail.com
Điện thoại: 0989.41.7777 - 0985.22.33.88

Làm mềm nước bằng trao đổi ion

Làm mềm nước bằng trao đổi ion dựa trên tính chất của một số chất không tan hoặc hầu như không tan trong nước -cationit nhưng có khả năng trao đổi ion. Khi ngâm trong nước các chất này hấp thụ cation của muối hòa tan lên bề mặt hạt và nhả vào nước một số lượng tương đương cation đã được cấy lên bề mặt hạt từ trước.

Sở dĩ cationit có tính chất như vậy vì trong thành phần cấu tạo của nó có nhóm trao đổi ion hay còn gọi là nhóm hoạt tính. Nhóm hoạt tính này có khả năng phân ly và trao đổi vị trí với các ion trong nước như Ca2+ và Mg2+ … Tùy thuộc vào đặc điểm của nhóm hoạt tính những ion di động có khả năng trao đổi có thể tích điện dương hoặc tích điện âm. Khi tích điện dương cation di động là ion H+, cationit như vậy thực chất là một axit đa hóa trị và anionit có nhóm trao đổi OH là kiềm đa hóa trị.

    Mô hình thiết bị làm mềm nước bằng trao đổi ion vận hành tự động

Nguyên lý làm mềm nước bằng trao đổi ion

Khi lọc nước qua lớp hạt cationit, nhóm hoạt tính của chúng sẽ tham gia vào phản ứng trao đổi với cation của các muối hòa tan trong nước. Nếu lúc đầu cho lọc qua lớp hạt cationit dung dịch muối tinh khiết đậm đặc thì cation H+ của nhóm hoạt tính của cationit sẽ tham gia vào phản ứng trao đổi với cation Na+ hòa tan trong dung dịch, kết quả ion Na+ được cấy lên toàn bộ bề mặt cationit thay cho ion H+ và cationit biến thành Na-cationit.

Sau đó lọc nước qua lớp vật liệu hạt Na-cationit xảy ra phản ứng sau:

2 RNa+ Ca(HCO3)2 ↔   R2Ca + 2 NaHCO3

2RNa + Mg(HCO3)2  ↔    R2Mg + 2 NaHCO3

Ký hiệu R chỉ lõi không hòa tan của cationit tổng hợp quy ước gọi là gốc axit không tan trong nước.

Theo mức độ lọc nước qua lớp hạt cation trong bể, ngày càng nhiều nhóm hoạt tính của nó được thay thế bằng ion canxi và magie của nước.

Cuối cùng khả năng trao đổi của cationit hoàn toàn bị kiệt vì tất cả các nhóm hoạt tính của chúng đã bị thay thế bằng ion canxi và magie.

Để khôi phục lại khả năng trao đổi của cation người ta rửa lớp vật liệu lọc bằng dung dịch có nồng độ cao hơn của ion Na+

R2Ca + 2 NaCl  ↔   2RNa + CaCl2

Vì phản ứng trao đổi cũng như bất kỳ phản ứng hóa học nào cũng đều tuân theo định luật khối lượng nên khi lọc dung dịch muối ăn qua lớp cationit đã sử dụng kiệt, trong bể lọc ngày càng tích lại nhiều ion Na+ còn nồng độ Ca2+ và Mg2+ ít dần đi, quá trình cân bằng của phản ứng sẽ chuyển dịch về phía phải, kết quả là toàn bộ Ca2+ và Mg2+ sẽ bị thay thế bằng ion Na+.

Ion Ca2+ và Mg2+ đã bị thay thế sẽ tan trong dung dịch rồi chảy ra ngoài bể lọc. Quá trình hoàn nguyên tiến hành cho đến khi đại bộ phận nhóm hoạt tính của cationit đã được thay thế bằng ion Na+.

Sau khi tái sinh nhựa trao đổi ion, quá trình làm mềm nước bằng trao đổi ion lại tiếp tục.

Làm mềm nước là gì – Các phương pháp làm mềm nước

Quá trình làm mềm bằng nhựa trao đổi ion có thể giảm được độ cứng của nước ( hàm lượng Ca2+ và Mg2+ ) về giá trị rất nhỏ thậm chí có thể bằng 0. Độ kiềm tổng của nước không đổi, cặn sấy khô tăng lên một chút.

Lựa chọn phương pháp làm mềm nước bằng nhựa trao đổi ion phải dựa vào yêu cầu đối với chất lượng nước sau xử lý, thành phần muối hòa tan trong nước nguồn. Trong tất cả các trường hợp khi cần giảm độ cứng của  nước thì phương pháp làm mềm nước rẻ nhất là làm mềm nước bằng trao đổi ion tái sinh bằng dung dịch muối.

Khi nước có độ kiềm cao, độ cứng magie cao hay hàm lượng sắt cao thường áp dụng phương pháp phối hợp: đầu tiên làm mềm nước bằng vôi sau đó làm mềm nước bằng trao đổi ion. Phương pháp này có hiệu quả khi làm mềm nước của các nguồn nước mặt có độ kiềm cao hơn 3 mđlg/l.

Đối với trường hợp trong nước đã làm mềm không cho phép natri hydrocacbonat tạo ra bởi muối cứng cacbonat sau khi làm mềm bằng trao đổi ion tái sinh bằng muối, người ta lọc nước song song hay nối tiếp qua bể lọc H-Na-cationit hoặc làm mềm nước bằng vôi sau đó lọc qua bể lọc Na-cationit.

Khi lọc nước song song qua H-Na-cationit, 1 phần nước qua bể lọc H-cationit, phần còn lại lọc qua Na-cationit. Nước lọc của H-cationit chứa các axit tự do với nồng độ bằng nồng độ của các muối axit mạnh có trong nước nguồn, còn nước lọc qua Na-cationit chứa natri hydrocacbonat với nồng độ tương đương với độ kiềm của nước nguồn.

Khi trộn lẫn 2 loại nước này theo tỷ lệ tính toán, độ axit sẽ trung hòa với độ kiềm, nước hỗn hợp sẽ có độ cứng bé và độ kiềm gần như bằng 0.

Kết quả tương tự cũng có thể nhận được khi lọc nối tiếp H-Na-cationit. Khi lọc nước qua bể lọc H-cationit toàn bộ muối hòa tan trong nước biến thành các axit ương ứng, axit cacbonic phân hủy thành CO2 và H2O. Nước qua bể lọc H-cationit sẽ là dung dịch của axit sunfuric và clohydric. Khi lọc dung dịch này qua bể lọc Na-cationit các axit sẽ biến thành các muối natri tương ứng. Và nước sau bể lọc Na-cationit sẽ có độ cứng và độ kiềm bé.

Nếu trong nước làm mềm không cho phép chứa natri cacbonat hay kali nhưng cho phép tồn tại ion amon (ví dụ nước cấp cho các nồi hơi, hơi của chúng không tiếp xúc với đồng và đồng thau) có thể thay H-Na-cationit bằng amon-natri cationit. Khi hoàn nguyên cationit bằng dung dịch muối amoni, nhóm trao đổi của cationit được thay thế bằng ion amon.

R2Ca + (NH4)2SO4  ↔     2 RNH4 + CaSO4

 Khi lọc nước qua amon-cationit các ion của muối cứng sẽ bị hấp thụ trên bề mặt các hạt cation và từ cation nhả ra một số lượng tương đương ion NH4+

2 RNH4 + Ca(HCO3)2  ↔  R2Ca + 2 NH4HCO3

2 RNH4 + MgCl2 ↔  R2Mg + 2 NH4Cl

Khi đun nóng hoặc đun sôi nước đã lọc qua bể lọc NH4 -cationit, các muối amon sẽ bị phân hủy, amoniac và CO2 sẽ bay ra theo cùng với hơi.

Axit tạo ra khi phân hủy muối amoni của các axit mạnh sẽ biến nước nồi hơi thành dung dịch axit. Để tránh hiện tượng này cùng với NH4 -cationit phải cho 1 phần nước lọc qua Na-cationit nhằm tạo ra xút NaOH khi phân hủy nhiệt natri cacbonat để trung hòa với axit tạo ra khi phân hủy nhiệt sunfat và clorit amon.

Thời gian làm việc của bể lọc Na-cationit giữa 2 lần tái sinh

Sau khi tái sinh và rửa hạt cation, các hạt cation bị phủ một màng nước mỏng. Vì thế để cho các cation của muối cứng hòa tan trong nước có thể tham gia vào phản ứng trao đổi với cation hoạt tính của lớp vật liệu cationit cần phải hoàn thành các quá trình sau:

  • Khuếch tán muối cứng qua màng nước trên bề mặt hạt cationit
  • Khuếch tán muối cứng vào hạt cationit
  • Trao đổi ion của muối cứng đã khuếch tán được cho cation trao đổi của cationit
  • Khuếch tán sản phẩm trao đổi ra bề mặt cationit qua màng nước vào dòng nước xử lý đang chuyển động qua lớp cationit trong bể lọc.

Tốc độ của các quá trình này và thời gian cần thiết để hoàn thiện chúng phụ thuộc vào nồng độ của muối cứng trong nước làm mềm, hệ số khuếch tán của các muối này qua màng nước trên bề mặt và trong hạt caionit, tốc độ khuếch tán của sản phẩm trao đổi từ hạt cationit ra.

Độ cứng của nước làm mềm càng lớn và hệ số khuếch tán của muối cứng trong nước và trong các hạt cationit càng bé thì thời gian cần thiết để hoàn thành quá trình làm mềm nước càng lớn.

Quá trình vận hành của hệ thống làm mềm nước bằng trao đổi ion

Có 4 công đoạn cơ bản trong vận hành hệ thống làm mềm nước bằng trao đổi ion

  • Làm mềm
  • Rửa ngược để xới lớp vật liệu
  • Tái sinh cationit bằng dung dịch muối
  • Rửa sạch dung dịch hoàn nguyên

Quá trình làm mềm

Nước nguồn theo dàn ống phân phối đi từ trên xuống với tốc độ tính toán, khi nước lọc ra có độ cứng tăng lên trên mức cho phép thì ngừng lọc để hoàn nguyên tái sinh lớp caionit

Rửa ngược để xới vật liệu

Trước khi tái sinh, cần phải xới tơi lớp vật liệu để rửa cặn bẩn, có thể dùng nước rửa bể lọc sau khi hoàn nguyên để xới bởi vì trong nước rửa có chất hoàn nguyên cho nên đồng thời với việc xới, bể lọc đã được hoàn nguyên một phần.

Thể tích thùng chứa nước rửa bể lọc Na-cationit sau khi hoàn nguyên lấy không nhỏ hơn 5m3 cho 1m2 diện tích bể lọc cho phép thu và sử dụng gần 50% lượng nước rửa để xới tơi bể lọc.

Nước xới phân phối đều theo diện tích đáy bể bằng hệ thống thu nước lọc. Thời gian xới thường từ 12 -15 phút. Cường độ xới được lựa chọn  theo bảng dưới sao cho toàn bộ lớp cationit kể cả lớp dưới gồm các hạt lớn nhất đều lơ lửng trong dòng nước và có độ dãn nở 5 -10%

Cỡ hạt mm 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2
Cường độ xới l/s.m2 1,5 1,8 2 2,5 3,3 3,5 4 4,5 5

Khoảng cách từ mép máng hay phễu thu đến bề mặt lớp cationit lấy bằng nửa chiều dày của lớp, tốc độ chuyển động của nước trong ống dẫn lấy 1,5 – 2 m/s

Hoàn nguyên

Mục đích của việc hoàn nguyên là khôi phục lại khả năng trao đổi của cationit.

Đối với làm mềm nước bằng nhựa trao đổi ion cation, dung dịch hoàn nguyên là dung dịch muối. Để nâng cao hiệu quả hoàn nguyên thường tăng nồng độ muối ăn ở cuối quá trình hoàn nguyên.

Đầu quá trình dùng dung dịch muối nồng độ 1,5 – 2%, cuối quá trình dùng dung dịch muối 7 – 8%.

Khi chọn chế độ hoàn nguyên cần chú ý rằng: để có thể khử được hoàn toàn canxi và magi era khỏi các hạt cationit bằng dung dịch muối ăn ở nhiệt độ thấp cần không ít hơn 3 lần thay đổi dung dịch hoàn nguyên tiếp xúc với bề mặt các lỗ rỗng trong lớp lọc cationit.

Trong thời gian 30 phút thể tích của dung dịch hoàn nguyên lấy không ít hơn 1,5 m3 ứng với 1m3 thể tích của lớp cation trong bể lọc. Tăng nhiệt độ của dung dịch hoàn nguyên đến 30 -400C làm tăng nhanh quá trình khuếch tán và cho phép nâng cao hiệu quả quá trình hoàn nguyên.

Căn cứ vào độ cứng yêu cầu sau làm mềm nước, có thể tính được hệ số hiệu quả hoàn nguyên cần thiết sau đó tính toán lượng muối để hoàn nguyên.

Đối với bể lọc Na-cationit bậc 1 trong sơ đồ Na-cationit 2 bậc, hoàn nguyên bằng dung dịch muối nồng độ 2-3% lượng muối tiêu thụ từ 125 -150 gam NaCl/1 gam đương lượng của khả năng trao đổi của cationit, còn đối với bể lọc Na-cationit bậc 2 hoàn nguyên bằng dung dịch muối 10% lượng muối tiêu thụ cho 1 gam đương lượng trao đổi của Na-cationit.

Muối được sử dụng để hoàn nguyên phải là muối tinh khiết không bị nhiễm các tạp chất khác nếu không sẽ làm giảm hệ số hiệu quả hoàn nguyên và tăng độ cứng của nước sau khi làm mềm.

Khi làm mềm nước có độ cứng cao  hay hàm lượng muối cao cũng như trong trường hợp dùng 1 cột làm mềm, để tiết kiệm lượng muối hoặc axit và để đảm bảo độ triệt để cần thiết của quá trình làm mềm, thường hoàn nguyên theo nguyên tắc ngược dòng: Khi làm việc bình thường nước lọc đi từ trên xuống dưới, khi hoàn nguyên cho dung dịch đi từ dưới lên trên. Để tránh hiện tượng kéo các hạt cation theo dung dịch hoàn nguyên ra khỏi bể lọc thì tốc độ chuyển động của dung dịch hoàn nguyên và nước rửa trong bể lọc không được lớn hơn 8 -10 m/h, điều này đòi hỏi phải tăng thời gian hoàn nguyên lên một chút.

Nhược điểm đó của quá trình hoàn nguyên ngược chiều được bù lại bằng sự sử dụng triệt để dung dịch hoàn nguyên và hoàn nguyên hết được các lớp cationit nằm phía dưới của bể lọc, góp phần nâng cao hiệu quả hoàn nguyên và độ triệt để của quá trình làm mềm nước bằng trao đổi ion.

Tái sinh nhựa trao đổi ion là gì – các phương pháp tái sinh – nồng độ dung dịch tái sinh nhựa trao đổi ion

Rửa nước sau khi hoàn nguyên

Cho nước nguồn vào bể lọc với tốc độ chậm 5 -8m/h để rửa dung dịch muối hoàn nguyên còn đọng lại trong lớp vật liệu, xả nước lọc đầy đến khi nồng độ ion clo trong nước rửa bằng nồng độ ion clo trong nước nguồn thì ngừng lại và cho bể lọc vận hành với quy trình lọc bình thường.

Các bài viết tham khảo

scroll top