Làm mềm nước là gì – Các phương pháp làm mềm nước
Làm mềm nước là quá trình làm giảm nồng độ của ion canxi và magie là chất gây ra độ cứng của nước. Có nhiều phương pháp làm mềm nước vì vậy phải căn cứ vào yêu cầu độ cứng của nước sau làm mềm, chất lượng nước nguồn và chi phí để lựa chọn phương pháp làm mềm phù hợp
Các phương pháp làm mềm nước
- Làm mềm nước bằng hóa chất: Pha các hóa chất khác nhau vào nước để kết hợp với ion Ca2+ và Mg2+ tạo thành hợp chất không tan trong nước
- Làm mềm nước bằng nhiệt: Đun nóng hoặc chưng cất nước
- Làm mềm nước bằng trao đổi ion: Nước cần làm mềm đi qua lớp lọc cationit có khả năng trao đổi ion Na+ hoặc H+ có trong thành phần của hạt cationit với ion Ca2+ và Mg2+ hòa tan trong nước và giữ chúng lại trên bề mặt của các hạt lớp vật liệu lọc
- Làm mềm nước bằng màng bán thấm, màng thẩm thấu ngược RO
Mô hình thiết bị làm mềm nước bằng nhựa trao đổi ion cation
Làm mềm nước bằng hóa chất
Phương pháp làm mềm nước bằng hóa chất với mục đích kết hợp các ion Ca2+ và Mg2+ hòa tan trong nước thành các hợp chất không tan dễ lắng và lọc.
Các hóa chất thường dùng để làm mềm nước là vôi, soda, xút, bari hydroxit, natri photphat
Làm mềm nước bằng hóa chất có thể thực hiện khi đun nóng hoặc không đun nóng nước.
Việc lựa chọn phương pháp làm mềm nước bằng hóa chất phải dựa vào chất lượng nước nguồn và mức độ làm mềm yêu cầu. Trong một số trường hợp có thể kết hợp làm mềm nước với khử sắt, khử silic, khử photphat.
- Làm mềm nước khử độ cứng cacbonat của nước bằng vôi
Phương pháp khử độ cứng cacbonat độ cứng tạm thời của nước bằng vôi có thể áp dụng trong trường hợp ngoài yêu cầu giảm độ cứng cần phải giảm cả độ kiềm của nước cũng như trong những trường hợp giảm độ kiềm là yêu cầu chính. Phương pháp này có thể kết hợp với phương pháp làm mềm nước bằng hạt nhựa trao đổi ion cation để thu được nước có độ cứng bé nhất theo yêu cầu và có độ kiềm thấp.
Quá trình khử độ cứng tạm thời (độ cứng cacbonat) của nước
Khi cho dung dịch vôi bão hòa hay sữa vôi vào nước, trước hết chúng kết hợp với CO2 hòa tan trong nước tạo thành ion hydrocacbonat theo phản ứng
2CO2 + Ca(OH)2 → Ca(HCO3)2
Tiếp tục cho vôi vào nước, vôi kết hợp với ion hydrocacbonat thành ion cacbonat. Ion cacbonat mới tạo thành kết hợp với ion canxi có trong nước, nếu tích số nồng độ của ion cacbonat và ion canxi lớn hơn tích số hòa tan của CaCO3 thì cặn CaCO3 sẽ lắng đọng, tách ra khỏi nước
Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 → 2CaCO3 + 2 H2O
Để khử độ cứng magie phải pha vào nước một lượng vôi đủ để tạo thành magie hydroxit không tan
Mg(HCO3)2 + 2 Ca(OH)2 → Mg(OH)2 + 2CaCO3 + 2 H2O
Nếu trong nước có hydrocacbonat natri thì khi pha vôi vào nước sẽ tạo ra cặn CaCO3 và natri cacbonat
2 NaHCO3 + Ca(OH)2 → CaCO3 + Na2CO3 + H2O
Nếu tổng hàm lượng của các ion HCO3– + CO3– có trong nước nhỏ hơn tổng hàm lượng của Ca2+ và Mg2+ thì sẽ có một lượng magie hòa tan trong nước dưới dạng muối của axit mạnh. Trong trường hợp này nếu chỉ xử lý nước bằng vôi sẽ xảy ra việc chuyển các muối cứng không cacbonat của ion magie thành magie hydroxit không tan đồng thời tạo ra một lượng tương đương muối cứng canxi của các axit mạnh tan trong nước
MgSO4 + Ca(OH)2 → Mg(OH)2 + CaSO4
MgCl2 + Ca(OH)2 → Mg(OH)2 + CaCl2
Quá trình này làm giảm độ cứng magie nhưng độ cứng tổng không giảm vì ion caxi của vôi hòa tan trong nước thay thế cho ion magie tách ra khỏi nước đúng một lượng tương đương với nó.
Trong trường hợp này để giảm độ cứng cần phải pha thêm vào nước một lượng ion CO32- sao cho tích số nồng độ CO32- mới cho vào và nồng độ ion Ca2+ của vôi đã thay thế cho ion Mg2+ lớn hơn tích số hòa tan của CaCO3.
Giới hạn lý thuyết làm mềm nước bằng vôi khi không đun nóng nước được xác định bằng độ hòa tan của canxi cacbonat và magie hydroxit. Độ hòa tan của canxi cacbonat trong dung dịch đơn chất ở 00C bằng 0,15mđlg/l, ở 800 C bằng 0,03 mđlg/l. Còn với magie hydroxit tương ứng bằng 0,4 và 0,2 mđlg/l. Do đó giới hạn về mặt lý thuyết bằng phương pháp trên khi không có lượng dư ion CO32- và ion OH– ở 00C bằng 0,55 mđlg/l và ở 800C bằng 0,23 mđlg/l.
- Làm mềm nước bằng vôi và soda
Làm mềm nước bằng vôi và soda là phương pháp có hiệu quả đối với thành phần ion bất kỳ của nước. Khi cho vôi vào nước khử được độ cứng canxi và magie ở mức tương đương với hàm lượng của ion hydrocacbonat trong nước.
Nếu cho thêm vôi vào nước sau khi đã chuyển tất cả CO2 và ion hydrocacbonat thành ion cacbonat và để lắng xuống dưới dạng hợp chất CaCO3 thì tuy trong nước có tạo ra cặn không tan Mg(OH)2 làm giảm độ cứng magie nhưng tổng độ cứng lúc đó không giảm vì Ca2+ của vôi mới cho vào thay ion Mg2+ kết hợp với anion của các axit mạnh tạo thành muối canxi của các axit mạnh tan trong nước.
Vì vậy ngoài vôi phải cho thêm vào nước hóa chất có chứa CO32- để chuyển lượng ion dư Ca2+của vôi thành hợp chất không tan CaCO3. Trong thực tế hợp chất được sử dụng thường là soda Na2CO3.
- Làm mềm nước bằng phốt phát và bari
Khi làm mềm nước bằng vôi và soda do độ cứng của nước sau khi làm mềm còn tương đối lớn, nên bổ sung làm mềm triệt để bằng phốt phát. Hóa chất thường dùng là trinatri photphat hay dinatri photphat.
Khi cho các hóa chất này vào nước chúng sẽ phản ứng với ion canxi và magie tạo ra muối phốt phát của canxi và magie không tan trong nước
Quá trình làm mềm nước bằng phốt phát thường tiến hành ở nhiệt độ lớn hơn 1000C để đạt được độ cứng bé. Với quá trình này nước sau làm mềm có độ cứng gần 0,04 – 0,05 mđlg/l.
Do phốt phát có giá thành cao nên thường không dùng thuần túy phốt phát để làm mềm nước mà thường chỉ dùng phốt phát sau khi đã làm mềm trước bằng vôi và soda
Làm mềm nước bằng nhiệt
Làm mềm nước bằng phương pháp nhiệt dựa trên nguyên tắc: khi đun nóng nước cân bằng hợp chất cacbonic chuyển dịch về phía tạo ra cặn không tan canxi cacbonat
Ca(HCO3)2 → CaCO3 + CO2 + H2O
Sự chuyển dịch cân bằng xảy ra do giảm độ hòa tan trong nước của CO2 khi tăng nhiệt độ nước.
Khi đun sôi có thể khử được hoàn toàn khí CO2 do đó giảm được 1 lượng độ cứng tạm thời (độ cứng cacbonat). Tuy nhiên không thể khử hoàn toàn độ cứng cacbonat bằng đun sôi mặc dù độ hòa tan của nó rất bé (13mg/l khi nhiệt độ nước bằng 180C) và trong nước vẫn có CaCO3 hòa tan.
Khi trong nước có magie cacbonat quá trình biến nó thành cặn như sau: đầu tiên tạo ra hợp chất magie cacbonat hòa tan trong nước, muối magie cacbonat khi tiếp tục đun sôi bị thủy phân tạo thành cặn khó hòa tan Mg(OH)2.
Như vậy khi đun sôi nước, độ cứng cacbonat giảm đi rất nhiều. Cặn tạo ra trong quá trình làm mềm nước bằng hóa chất có đun nóng nước là những bông cặn lớn và nặng.
Phương pháp làm mềm nước ở nhiệt độ cao hầu như chỉ dùng khi xử lý nước cấp cho nồi hơi vì trong trường hợp này lượng nhiệt dùng để đun nóng nước được sử dụng một cách hợp lý.
Làm mềm nước bằng nhựa trao đổi ion cation
Làm mềm nước bằng cationit 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.
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 NaCl đậm đặc thì cation H+ của nhóm hoạt tính của cationit sẽ tham gia vào phản ứng trao đổivới cation Na+ hòa tan trong dung dịch, kết quản ion Na+ được cấy lên toàn bộ bề mặt cationit thay cho ion H+ và cationit biến hành cationit-Na.
Quá trình làm mềm nước bằng nhựa trao đổi ion cation diễn ra, các ion Na+ thay thế cho các ion Ca2+, Mg2+ trong các muối. Theo mức độ lọc nước ngày càng nhiều các nhóm hoạt tính Na+ của các cationit được thay thế bằng ion canxi và magie của nước.
Cuối cùng khả năng trao đổi của cationit hoàn toàn bị cạn kiệt vì tất cả các nhóm hoạt tính của chúng đã bị thay thế bằng ion canxi và magie tức là các ion canxi và magie không còn trong các muối hoàn tan trong nước nữa mà nó thế chỗ cho ion natri trong các lớp hạt nhựa trao đổi ion.
Để khôi phục lại khả năng trao đổi của cationit, tiến hành rửa lớp vật liệu lọc bằng dung dịch có nồng độ cao của ion Na+ từ muối . Quá trình này được gọi là quá trình hoàn nguyên hạt nhựa trao đổi ion (thường sử dụng muối tinh khiết để hoàn nguyên như muối viên Ấn Độ, muối bột).
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 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, 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 hoàn nguyên, quá trình làm mềm nước lại tiếp tục.Quá trình làm mềm nước nhựa trao đổi ion cation có thể làm giảm độ cứng của nước về giá trị rất nhỏ.
Việc lựa chọn phương pháp làm mềm nước bằng nhựa trao đổi ion cation 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 chỉ cần làm giảm độ cứng của nước thì phương pháp làm mềm nước rẻ nhất là dùng nhựa trao đổi ion dạng cation gốc Na+. Khi nước nguồn 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 nhựa cation gốc Na+. 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 hydrocacbonat natri tạo ra bởi các muối cứng cacbonat khi làm mềm bằng cationit-Na, 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
Tham khảo các bài viết về công nghệ làm mềm nước: Tại đây
Thiết bị làm mềm nước cs 70m3/h tại công ty CP Xi măng Hướng Dương
