Phương pháp xử lý nước cứng làm giảm độ cứng của nước bằng trao đổi ion

Phương pháp xử lý nước cứng làm giảm độ cứng của nước bằng trao đổi ion là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất theo đó nước nguồn được đưa qua một lớp nhựa cation axit mạnh SAC ở dạng natri, các ion gây ra độ cứng của nước là Ca²⁺ và Mg²⁺ được trao đổi với natri và natri khuếch tán vào nước. Nước sau khi được xử lý có độ cứng rất thấp thậm chí có thể bằng 0 được sử dụng cho nước cấp nồi hơi áp suất thấp đến trung bình, hệ thống thẩm thấu ngược, một số quy trình hóa học và ứng dụng thương mại như giặt là.

Nguyên lý phương pháp xử lý nước cứng làm giảm độ cứng của nước bằng trao đổi ion

Phương pháp xử lý nước cứng làm giảm độ cứng của nước bằng trao đổi ion được mô tả bằng phản ứng sau:

Phương pháp xử lý nước cứng làm giảm độ cứng của nước bằng trao đổi ion nếu được thực hiện đúng cách cho phép độ cứng sau xử lý về mức rất thấp thậm chí có thể về 0. Tuy nhiên một số lượng nhỏ độ cứng có trong nước sau xử lý (được gọi là rò rỉ độ cứng). Mức độ rò rỉ độ cứng phụ thuộc vào độ cứng của nước cấp và mức natri trong nước và lượng muối được sử dụng để tái sinh.

Nhựa trao đổi cation axit mạnh dễ dàng nhận các ion canxi và magie để đổi lấy các ion natri. Khi nhựa bị cạn kiệt là lúc cần được tái sinh, một nồng độ ion natri được cấy vào bề mặt nhựa để thay thế ion canxi và magie đã được cấy trên nhựa từ quá trình xử lý nước cứng làm giảm độ cứng của nước bằng trao đổi ion. Nhựa được tái sinh bằng dung dịch natri clorua 10% từ muối viên tinh khiết và quá trình tái sinh được thực hiện theo phương trình sau:

Trong quá trình tái sinh một lượng lớn chất tái sinh (muối viên tinh khiết) được sử dụng (gấp khoảng 3 lần lượng canxi và magie trong nhựa). Lượng canxi và magie này sẽ được loại bỏ nhờ quá trình thải và rửa nhựa trong quá trình tái sinh.

Bài viết:

Thời gian của một chu kỳ xử lý nước cứng làm giảm độ cứng của nước bằng trao đổi ion phụ thuộc vào:

Tốc độ dòng chảy làm mềm
Hàm lượng độ cứng trong nước
Lượng muối được sử dụng để tái sinh.

Bảng dưới đây cho thấy ảnh hưởng của mức độ tái sinh đến khả năng làm mềm của nhựa trao đổi cation axit mạnh dạng gel. Cần lưu ý rằng công suất của nhựa tăng khi liều tái sinh tăng nhưng mức tăng không tỷ lệ thuận, việc tái sinh kém hiệu quả hơn ở các mức tái sinh cao hơn. Do đó chi phí vận hành chất làm mềm tăng khi mức độ tái sinh tăng.

Muối (lb/ft³)	Công suất (gr/ft³)
6	18.000
8	20.000
10	24.000
15	30.000

Thiết bị xử lý nước cứng làm giảm độ cứng của nước bằng trao đổi ion

Thiết bị xử lý nước cứng làm giảm độ cứng của nước bằng trao đổi ion bao gồm:

Cột chứa nhựa trao đổi ion được dùng làm bình trao đổi chất làm mềm
Van điều khiển
Thùng chứa dung dịch tái sinh
Hệ thống đường ống kết nối.

Thông thường bình trao đổi chất làm mềm là cột áp lực bằng thép hoặc bằng vật liệu cột composite thẳng đứng với các bộ phận: hệ thống phân phối đầu vào, hệ thống phân phối tái sinh, nhựa trao đổi ion và hệ thống lưới.

Hệ thống phân phối đầu vào thường được đặt ở đầu bể. Nó cũng hoạt động như một bộ thu nước rửa ngược.

Hệ thống phân phối tái sinh là hệ thống phân phối đồng đều nước muối tái sinh trong quá trình tái sinh, nó giúp ngăn chặn sự pha loãng của chất tái sinh bằng nước trong cột. Nó cũng làm giảm yêu cầu về nước và thời gian để dịch chuyển và rửa nhanh.

Hệ thống lưới nằm ở đáy cột giữ lại nhựa trao đổi ion, thu thập đều dòng chảy dịch vụ và phân phối đều dòng chảy ngược. Việc thu gom nước không đồng đều trong quá trình làm mềm nước hoặc phân phối nước rửa ngược không đồng đều có thể dẫn đến việc tạo thành các dòng, làm bẩn nhựa hoặc thất thoát nhựa.

Van điều khiển và hệ thống đường ống dẫn dòng nước và chất tái sinh đến vị trí thích hợp. Hệ thống van có thể vận hành bằng tay hoặc là van tự động vận hành hoàn nguyên tái sinh.

Hầu hết các hệ thống sử dụng van phao vận hành để kiểm soát việc đổ đầy và rút xuống của bể cung cấp do đó kiểm soát lượng muối được sử dụng trong quá trình tái sinh. Thông thường nước muối cô đặc được loại bỏ bằng hệ thống educator cũng làm loãng nước muối đến cường độ tái sinh tối ưu 8 -10%. Nước muối cũng có thể được bơm từ thùng muối và trộn với nước pha loãng để tái sinh.

Quy trình xử lý nước cứng làm giảm độ cứng của nước bằng trao đổi ion

Hoạt động xử lý nước cứng làm giảm độ cứng của nước bằng trao đổi ion hoạt động qua 2 chu kỳ cơ bản: chu kỳ dịch vụ tạo ra nước mềm và chu kỳ tái sinh phục hồi công suất nhựa khi cạn kiệt.

Trong chu kỳ dịch vụ, nước đi vào các lớp nhựa trao đổi ion thông qua hệ thống phân phối đầu vào. Các ion cứng khuếch tán vào nhựa và trao đổi với các ion natri được bổ sung vào nước số lượng lớn. Lưu lượng nước cho quá trình làm mềm phải liên tục để ngăn nước dâng đột ngột.

Do yêu cầu của nhựa trao đổi ion cation và thiết kế cột trao đổi ion, quá trình xử lý nước cứng làm giảm độ cứng của nước bằng trao đổi ion hiệu quả nhất khi tốc độ dòng dịch vụ từ 6 -12 GPM trên mỗi feet vông diện tích bề mặt nhựa. Hầu hết các thiết bị được thiết kế để hoạt động trong phạm vi này nhưng một số thiết kế đặc biệt sử dụng sử dụng lớp nhựa sâu để cho phép hoạt động ở tốc độ 15 -20 GPM/ft².

Nếu cột nhựa trao đổi ion hoạt động liên tục trên giới hạn đề xuất của nhà sản xuất có thể dẫn đến nén nhựa, phân dòng, và rò rỉ độ cứng nhưng nếu hoạt động dưới tốc độ dòng chảy cũng ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất làm mềm vì tốc độ dòng chảy thấp nước không được phân phối đầy đủ và không thể tiếp xúc với lớp nhựa tối ưu.

Khi nhựa trao đổi ion bị cạn kiệt là lúc cần phải tiến hành tái sinh, dấu hiệu cho thấy độ cứng của nước thải tăng lên.

Quá trình tái sinh nhựa trong xử lý nước cứng làm giảm độ cứng của nước bằng trao đổi ion

Quá trình tái sinh nhựa trao đổi ion bao gồm 4 bước:

Rửa ngược
Tái sinh
Rửa chậm
Rửa nhanh

Rửa ngược: Trong chu kỳ dịch vụ, dòng nước chảy xuống làm cho các hạt lơ lửng tích tụ trên lớp nhựa. Nhựa là bộ lọc có thể giữ lại các hạt lơ lửng đã đi qua thiết bị lọc ngược dòng. Bước rửa ngược loại bỏ các hạt lơ lửng tích lũy và phân loại lại lớp nhựa. Trong bước rửa ngược, nước chảy từ hệ thống phân phối dưới lên qua lớp nhựa và thải ra ngoài. Dòng chảy từ dưới lên cho phép loại bỏ các hạt và phân loại nhựa mang các hạt nhỏ hơn lên trên cùng trong khi các hạt lớn hơn lắng xuống phía dưới. Điều này giúp tăng cường sự phân phối của hóa chất tái sinh.

Rửa ngược nên thực hiện trong ít nhất 10 phút hoặc cho đến khi nước thải từ cửa xả ngược được làm sạch. Lưu lượng rửa ngược phải đủ để xới tơi lớp nhựa làm tăng thể tích lớp nhựa từ 50% trở lên. Rửa ngược không đủ có thể dẫn đến tắc nghẽn nhựa và tạo dòng riêng. Tốc độ dòng chảy ngược quá mức dẫn đến mất nhựa. Tốc độ dòng chảy rửa ngược thường dao động trong khoảng 4-8 GPM/ft² (nhiệt độ thường) và 12 -15 GPM/ft² (nóng) và nên tuân thủ khuyến nghị của nhà sản xuất. Khả năng xới tơi lớp nhựa bị ảnh hưởng rất nhiều bởi nhiệt độ. Cần ít dòng chảy để xới tơi nhựa bằng nước lạnh hơn so với nước ấm. Xới tơi nhựa nên được kiểm tra thường xuyên và điều chỉnh tốc độ dòng chảy khi cần thiết.

Thông thường nước rửa ngược được lọc từ nước thô, nước từ cổng xả ngược không thay đổi về mặt hóa học nhưng có thể chứa chất rắn lơ lửng. Để tiết kiệm nước nước thải rửa ngược có thể được đưa trở lại bể lắng hoặc bể lọc để xử lý

Tái sinh

Sau khi rửa ngược là quá trình tái sinh nhựa trao đổi ion bằng dung dịch muối. Dung dịch muối đi vào thiết bị thông qua bộ phân phối tái sinh và chảy xuống lớp nhựa với tốc độ chậm (thường từ 0,5 – 1GPM/ft²). Tốc độ dòng chảy chậm làm tăng tiếp xúc giữa nước muối và nhựa.Nồng độ muối phải là 10%.

Rửa chậm

Dòng nước chảy chậm tiếp tục qua hệ thống phân phối tái sinh. Dòng nước này thay thế chất tái sinh qua nhựa với tốc độ dòng chảy mong muốn.Bước chuyển hoàn thành việc tái sinh nhựa bằng cách đảm bảo sự tiếp xúc đúng của chất tái sinh với đáy của lớp nhựa. Tốc độ dòng chảy của nước thường cùng tốc độ được sử dụng để pha loãng dung dịch muối. Thời gian của bước rửa chậm phải đủ để cho phép khoảng một thể tích nhựa chảy qua thiết bị.

Rửa nhanh

Sau khi hoàn thành việc rửa chậm nước được đưa vào bộ phân phối đầu vào với tốc độ dòng chảy cao. Nước loại bỏ dung dịch muối còn lại cũng như bất kỳ độ cứng còn lại từ lớp nhựa. Tốc độ dòng chảy nhanh thường là 1,5 – 2 GPM/ft²

Ưu và nhược điểm của phương pháp xử lý nước cứng làm giảm độ cứng của nước bằng trao đổi ion

Ưu điểm

Nước sau xử lý có độ cứng rất thấp có thể về mức 0 ppm phổ biến là dưới 2ppm
Hoạt động đơn giản, thiết bị dễ dàng vận hành đối với van vận hành thủ công hoặc tự động vận hành
Không tạo ra bùn thải trong quá trình xử lý nên không phát sinh thêm yêu cầu xử lý chất thải
Trong một số giới hạn nhất định sự thay đổi của tốc độ dòng nước ít ảnh hưởng đến chất lượng nước
Phương pháp xử lý nước cứng làm giảm độ cứng của nước bằng trao đổi ion có hiệu quả với bất kỳ kích thước cột lọc nào nên nó phù hợp cho cả những thiết bị xử lý công suất lớn và nhỏ

Nhược điểm

Phương pháp xử lý nước cứng làm giảm độ cứng của nước bằng trao đổi ion không làm giảm tổng hàm lượng chất rắn trong nước TDS, độ kiềm và silica. Vì vậy nó không phải là phương pháp làm mềm thay thế trực tiếp cho phương pháp làm mềm bằng vôi soda nóng. Các nhà máy đã thay thế phương pháp làm mềm bằng vôi soda bằng trao đổi ion đã gặp vấn đề với mức độ silica và độ kiềm trong nồi hơi.
Phương pháp xử lý nước cứng làm giảm độ cứng của nước bằng trao đổi ion không hoạt động hiệu quả với nước cấp bị đục. Hoạt động liên tục với độ đục của nước trên 1 JTU gây ra tình trạng tắc nghẽn trên các lớp nhựa, thời gian dịch vụ ngắn và chất lượng nước thải kém.
Nhựa trao đổi ion có thể bị ô nhiễm bởi các kim loại nặng như sắt, nhôm không được loại bỏ trong quá trình tái sinh bình thường. Nếu nước nhiễm sắt mangan, nhựa phải được làm sạch định kỳ hoặc nếu chất keo tụ nhôm được sử dụng cần kiểm soát chặt chẽ độ PH của chất làm sạch.
Các tác nhân oxy hóa mạnh trong nước thô có thể làm suy giảm nhựa. Clo là chất oxy hóa mạnh có mặt trong hầu hết nước máy cần được loại bỏ trước khi làm mềm bằng cách lọc than hoạt tính hoặc phản ứng với natri sulfit.

Các phương pháp làm mềm khác

Phương pháp xử lý nước cứng làm giảm độ cứng của nước bằng trao đổi ion

BÀI VIẾT LIÊN QUAN