Phương pháp khử độ cứng cacbonat độ cứng tạm thời 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 CO₃^2- sao cho tích số nồng độ CO₃^2- 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 CO₃^2- và ion OH^– ở 0⁰C bằng 0,55 mđlg/l và ở 80⁰C bằng 0,23 mđlg/l.

Thực tế trong nước thiên nhiên độ hòa tan của các hợp chất này phụ thuộc vào thành phần ion của nước, lượng dư các ion CO₃^2- và OH^–, CaCO₃ cũng như Mg(OH)₂ có khả năng tạo ra dung dịch quá bão hòa, tiến gần đến trạng thái cân bằng rất chậm ngay cả khi tiếp xúc với nước cứng do cặn CaCO₃ và Mg(OH)₂ tạo ra. Do đó nước sau khi được khử độ cứng sẽ còn lại một lượng Ca(OH)₂  nào đó.

Nếu lượng vôi còn lại quá nhiều sẽ làm tăng độ cứng của nước đồng thời làm tăng độ kiềm hydrat của nước.

Kết quả của quá trình khử độ cứng cacbonat độ cứng tạm thời của nước bằng vôi phụ thuộc vào tỷ số của các ion canxi, magie, hydrocacbonat (tính bằng mđlg/l) có trong nước.

Nếu nồng độ của ion canxi có trong nước lớn hơn nồng độ của ion hydrocacbonat thì lượng vôi cần thiết để khử độ cứng cacbonat có thể xác định bằng lượng vôi cần thiết để chuyển CO₂ và ion hydrocacbonat thành ion cacbonat là ion sẽ kết hợp với ion canxi có trong nước tạo thành hợp chất không tan CaCO₃

Nếu nồng độ của ion canxi có trong nước nhỏ hơn nồng độ của ion hydrocacbonat (tính theo miligam đương lượng/lít) thì liều lượng vôi cần thiết để khử độ cứng cacbonat được xác định xuất phát từ các yếu tố thứ nhất tạo ra cặn CaCO₃, thứ hai là lắng cặn hydroxit magie tương đương với nồng độ Mg(HCO₃)₂ có trong nước. Lương vôi dư lấy 1 mđlg/l vì phải chuyển Mg(HCO₃)₂ thành hợp chất không hòa tan Mg(OH)₂. Để lắng Mg(OH)₂ đòi hỏi phải có độ PH cao hơn trường hợp trên.

Nhằm tăng cường quá trình lắng cặn CaCO₃ và Mg(OH)₂ trong quá trình khử độ cứng của nước bằng vôi, sử dụng thêm phèn vào nước. Do quá trình khử độ cứng cacbonat của nước bằng vôi diễn ra trong khoảng PH>9 nên không dùng được phèn nhôm mà phải dùng phèn sắt hoặc PFS.

Người ta thường dùng trị số PH của nước sau khi pha vôi để kiểm tra liều lượng vôi pha vào nước. Để kiểm tra quá trình khử độ cứng cacbonat của nước bằng vôi theo giá trị độ PH cần phải xác định trước giá trị nào của PH làm cho quá trình diễn ra nhanh chóng và triệt để. Giá trị này trước hết phụ thuộc vào giá trị PH cân bằng bão hòa của nước bằng canxi cacbonat hay magie hydroxit (PH_s) – trị số xác định nồng độ thấp nhất của ion OH^– để đảm bảo quá trình làm mềm nước diễn ra triệt để. Trị số thấp nhất này của PH có thể đảm bảo lắng triệt để cặn CaCO₃ và Mg(OH)₂ chỉ sau khi bắt đầu trạng thái cân bằng bão hòa nước bằng canxi cacbonat hay magie hydroxit và đòi hỏi thời gian khá lớn.

Để đạt được nồng độ ion canxi và magie còn dư lại trong nước đã làm mềm theo yêu cầu sau một quãng thời gian cần phải có lượng dư ion OH^– xác định bằng lượng dư ΔPH.

Trị số PHc cần thiết để đảm bảo quá trình diễn ra với tốc độ yêu cầu gồm 2 trị số

PHc=PHs+ ΔPH

Trị số PHc phụ thuộc vào nhiệt độ của nước, hàm lượng ion Ca²⁺ còn lại trong nước , tổng hàm lượng muối, độ kiềm …

Ảnh hưởng của nước cứng đến giặt là công nghiệp như thế nào