CHƯƠNG 7: CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC ĐẶC BIỆT docx

Làm mềm nước bằng vôi: Hay còn gọi là phương pháp khử độ cứng Cacbonat bằng vôi, được áp dụng khi cần phải giảm độ cứng và độ kiềm... Các phản ứng theo trên làm giảm độ cứng magiênhưng k

CHƯƠNG 7

CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ

NƯỚC ĐẶC BIỆT

Thạc sỹ Lâm Vĩnh Sơn

I LÀM MỀM NƯỚC VÀ XỬ LÝ NỨƠC CHO CÁC HỆ THỐNG

NỒI HƠI LÀM LẠNH

o Nước có độ cứng cao thường gây tác hại cho người sử

dụng làm lãng phí xà phòng và các chất tẩy, tạo racặn kết bám vững chắc bên trong đường ống, thiết bịcông nghiệp làm khả năng hoạt động và tuổi thọ củachúng Làm mềm nước thực chất là quá trình làm

giảm hàm lượng caxi và magiê nhằm giảm độ cứngcủa nước xuống đến mức cho phép Các phương tiệnlàm mềm nứơc cơ bản là: phương pháp hoá học,

phương pháp nhiệt, phương pháp trao đổi ion vàphương pháp tổng hợp

I.1 Phương pháp hoá học

Cơ sở của phương pháp là dựa vào nước các hoá chất có khả năng kết hợp các ion Ca2+ và Mg2+ tạo ra các hợp chất

không tan và loại trừ bằng biện pháp lắng lọc

a Làm mềm nước bằng vôi: Hay còn

gọi là phương pháp khử độ cứng Cacbonat bằng vôi, được áp dụng khi cần phải giảm độ cứng và độ kiềm

Nếu tổng hàm lượng các ion HCO3- và CO32- cótrong nước nhỏ hơn tổng hàm lượng các ion Ca2+

và Mg2+, thì một phần magiê sẽ tồn tại ở dạngmuối của axit mạnh MgSO4, MgCl2 Phản ứng vớivôi sẽ là:

MgSO4 + Ca(OH)2 à Mg(OH)2 ↓+ CaSO4MgCl2 + Ca(OH)2 à Mg(OH)2 ↓+ CaCl2

Các phản ứng theo trên làm giảm độ cứng magiênhưng không giảm độ cứng magiê toàn phần vìlượng magiê tách ra khỏi nước lại được thay thếbằng một lượng tương đương Ca2+, CO32- sao chotích số của nồng độ Ca2+, CO32- đã tham gia thếchỗ Mg2+ lớn hơn tích số hoá tan của CaCO

Thạc sỹ Lâm Vĩnh Sơn

Giới hạn lý thuyết của quá trình làm mềm nước bằng vôi phụ

Trong nước thiên nhiên độ hoà tan của các hợp chất trên phụ

OH - tự do

0.23 0.20

0.03 80

0.55 0.40

0.15 0

mgñl/l mgñl/l

n Các hợp chất CaCO3 và Mg(OH)2 có khả năng tạo

ra dung dịch quá bão hoà, khi đó nước đã làmmềm sẽ còn lại một lượng Ca(OH)2 dư Nếu lượng

dư này quá lớn lại làm tăng độ cứng và độ kiềmcủa nứơc đã làm mềm Như vậy hiệu quả của quátrình làm mềm nước bằng vôi phụ thuộc vào điềukiện cân bằng bão hoà của nước bởi các hợp chấtCaCO3 và Mg(OH)2 được tạo ra

n Liều lượng vôi cần thiết phụ thuộc vào tỷ lệ thành

phẩn của các ion trong nước Nếu hàm lượng

Ca2+ lớn hơn HCO3- (hình dưới đây) thì lượng vôiđược xác định theo bảng trên và tính theo côngthức:

Thạc sỹ Lâm Vĩnh Sơn

n Trong đó:

o av: lượng vôi sử dụng(vôi thô); (mg/l).

o CO2: hàm lượng CO2 tự do trong nước (mg/l).

o HCO3: hàm lượng ion bicabonat trong nước; (mg/l).

o Ap:lượng phèn ( FeCl3 hoặc FeSO4 tính theo sản phẩm không ngậm nước; (mg/l).

o e: đương lượng của phèn hoạt tính (e=54 với FeCl3 và e=76 với FeSO4).

o Cv: tỷ lệ vôi tinh khiết theo CaO trong vôi thô; (%).

o 0.5: lượng dự phòng để đảm bảo lắng cặn CaCO3 khi pH xấp xỉ 9.5

(**)

1005

061

22

v

p v

C e

a HCO

Biểu đồ thành phần giá trị của ion trong các nguồn nước khác nhau

Thạc sỹ Lâm Vĩnh Sơn

Số hạng ap/e trong (công thức trên) lấy dấu dương khi cho phèn vào nước cùng với vôi hoặc sau khi cho vôi, dấu âm khi cho phèn trước vôi (vì khi phèn thuỷ phân đã làm giảm độ kiềm tự nhiên của nước Trong trường hợp hàm lượng Ca2+

nhỏ hơn hàm lượng HCO3-(hình b) thì lượng vôi cần thíêt xác định trên cơ sở (*) và tính theo:

Trong đó:

- Ca2+: lượng Ca2+ trong nước; 9mg/l)

n Các kí hiệu khác như trong (**); lượng dự

phòng lấy 1mgđ/l vì phải chuyển Mg(HCO3)2thành Mg(OH)2 không hòa tan

n Để tăng cường cho quá trình lắng cặn CaCO3 và

Mg(OH)2 khi làm mềm bằng vôi, pha thêm phènvào nứơc Do phản ứng làm mềm diễn ra ở pH lớn hơn 9 nên không dùng được phèn nhôm, trong môi trường kiềm phèn nhôm tạo ra

aluminat hoà tan

*)

*(*

1001

2061

222

28

2 3

2

v

p v

C e

a Ca

*

5 100

100 61

50

2 22

0

v v

C a

HCO CO

M

M= + + × × + −

ap = 3 M 1/3 (mg/l) (4*)

*) 6

( 100

100 50

12

29 61

50

2 22

50

2 3

2 0

v v

v

C a

C Mg

HCO CO

M

M = + + × × + + + + −

Ở đây – M0 Hàm lượng cặn không tan trong nước nguồn, (mg/l); các kí hiệu khác như trong (**) và (***).

n Để kiểm tra kết quả của quá trình làm mềm

bằng vôi, chỉ cần xác định giá trị của pH sau khipha vôi vào nước Như đã biết, phản ứng sẽ diễn

ra khi đã đạt đến sự cân bằng bão hoà củaCaCO3 và Mg(OH)2 trong nước Tương ứng vớitrạng thái bão hoà đó, độ ổn định của nước thảiđược thể hiện ở một giá trị pH0 nào đó Tại trạngthái bão hoà tự nhiên ứng với pH0 của nước, tốc

độ phản ứng lắng cặn diễn ra rất chậm Để tăngtốc độ lên cần phải có một lượng dư ion OH-

biểu thị bằng giá trị ∆pH Như vậy giá trị pH0 sẽ

có được biểu thị bằng công thức:

o pH = pH + ∆ pH

Thạc sỹ Lâm Vĩnh Sơn

Trong đó pH0 : độ pH bão hoà của nước ở cuối quá trình làm mềm Giá trị của pH0 có thể xác định bằng các phương pháp đã nêu trong Mực ổn định

Đối với độ cứng Magiê, trạng thái cân bằng bão hoà của nước bắt đầu khi tích số nồng độ Mg 2+ và OH- bằng tích số hoà tan của Mg(OH)2 Giá trị pHSMg xác định như sau:

Mg(OH)2 lấy theobảng sau

ion Mg2+ trongnước, tính bằng g ion/l

n µ: lực ion của

dung dịch [f]

[ ]Mg u PS

pK pHS Mg = w − Mg OH − 2 + +

) ( lg

2

1 2

1

2

Giá trị của PSMg(OH)2 = -lgSMg(OH)2

11.36 11.22

11.08 10.96

10.84 10.75

10.71 10.67

10.64 10.61

P.S Mg(OH) 2

80 70

60 50

40 30

25 20

10 0

Nhiệt độ nước, 0 C

Thạc sỹ Lâm Vĩnh Sơn

Nếu biểu thị nồng độ ion Mg2+ bằng mg/l và rút gọn về dạng kí hiệu ta có

[ ] ( ) ( ) ( ) 19

2 ) lg(

2

1 2

1

3

2 2

1 3

2 2

) ( 1

)

pH Mg OH =  w − Mg OH + − + + + µ = + + +

Trong đó:

+ f1(t): hàm số phụ thuộc vào nhiệt độ nước;

+ f2(Mg2+): hàm số phụ thuộc vào nồn độ ion Mg2+ tại thời điểm bắt đầu trạng thái

cân bằn bão hoà;

+ f3(t): hàm số phụ thuộc vào tổng hàm lượng muối của nước.

Trong thực tế, khi làm mềm nước bằng vôi để khử CaCO3, pHS thường có giá trị từ 9.5-9.8 với Mg(OH)2, pHS có giá trị từ 10.5-11.5.

b Làm mềm nước bằng vôi và sôđa.

n Như đã nêu ở điểm a, khi tổng hàm lượng các ion

Mg2+ và Ca2+ lớn hơn tổng hàm lượng các ion HCO3- và CO32- nếu sử dụng vôi để khử được độ cứng magiê, nhưng độ cứng toàn phần không giảm

Dể khắc phục điều này, cho thêm sôđa và nước các phản ứng sẽ là:

MgSO4 + Ca(OH)2 à Mg(OH)2 ↓ + CaSO4 MgCl2 + Ca(OH)2 → Mg(OH)2 ↓ + CaCl2

và CaSO4 + Na2CO3 à CaCO3 ↓ + Na2 SO4

CaCl2 + Na2CO3 à CaCO3 ↓ + NaCl

n Như vậy ion CO3- của sô đa đã thay thế ion của các

axit mạnh tạo ra CaCO3 ↓ Theo các phãn ứng trên

Thạc sỹ Lâm Vĩnh Sơn

Trong đó:

+ As: lượng sô đa tính theo sản phẩm thô

(mg/l) + CS: hàm lượng Na2CO3 tinh khiết trong

sản phẩm thô (%) Các kí hiệu còn lại giống như (**) và (***).

v

p v

C e

a Mg

HCO CO

12 61

2 22 28

2 3

× +

S

p S

C e

a Mg

HCO Ca

1261

2053

2 3

−

c Làm mềm nước bằng phốt phát

Khi cần làm mềm triệt để, sử dụng vôi và sô đa vẫn

chưahạ độ cứng của nước xuống mức tối thiểu Để đạt được điều này, cho vào nước Na3PO4 sẽ khử được hết các ion Ca2+ và Mg2+ ra khỏi nước ở dạng các muối không tan theo phản ứng:

3CaCl2 + 2Na3PO4 à Ca3(PO4)2 ↓ + 6NaCl;

3MgSO4 + 2Na3PO4 à Mg3(PO4)2 ↓ + 3Na2SO4;

3Ca(HCO3)2 + 2Na3PO4 à Ca3(PO4)2 ↓ + 6NaHCO3; 3Ca(HCO3)2 + 2Na3PO4 à Ca3(PO4)2 ↓ + 6NaHCO3; 3Mg (HCO3)2 + 2Na3PO4 à Mg3(PO4)2 ↓ + 6NaHCO3; Quá trình làm mềm nước bằng phốt phát chỉ diễn ra

thuận lợi ở nhiệt độ lớn hơn 1000C Sau xử lý, độ cứng của nước giảm xuống còn 0.04 đến 0.05 mgđ/l

Thạc sỹ Lâm Vĩnh Sơn

I.2 Làm mềm nước bằng phương pháp nhiệt

n Nguyên lý cơ bản của phương pháp là khi đun nóng nước, khí

cabonic hoà tan sẽ bị khử hết thông qua sự bốc hơi, trạn thái cân bằng của các hợp chất cabonic sẽ chuyển dịch theo

phương trình

Ca(HCO3)2 à CaCO3 ↓ + CO2 ↑ + H2O;

Tuy nhiên đun sôi nước chỉ hết khí CO2và giảm độ cứng

cabonat của nước, trong nước vẫn còn một lượng CaCO3 hoà tan Đối với magiê quá trình lắng cặn xảy ra qua hai bước, khi nhiệt độ nước đạt 180C.

Mg(HCO3)2 à MgCO3+ CO2 ↑ + H2O;

n Khi tiếp tục tăng nhiệt độ thì MgCO3 bị phân thuỷ phân.

MgCO3 + H2O à Mg(OH)2 ↓ + CO2 ↑

n Như vậy khi đun nóng nước, độ cứng cabonat sẽ giảm đi đáng

kể Nếu kết hợp xử lý hoá chất với đun nóng, bông cặn tạo ra

sẽ có kích thích lớn và lắng nhanh do độ nhớt của nước giảm, đồng thời giảm lượng hoá chất cần sử dụng Làm mềm nước bằng đun nóng thường chỉ áp dụng cho các hệ cấp nước công nghiệp như nước nồi hơi vì kết hợp sử dụng lượng nhiệt dư của nồi hơi Các công trình làm mềm bao gồm: pha chế và định lượng hoá chất, thiết bị đun nóng nươc, bể lắng và bể lọc Các chỉ tiêu kĩ thụât và cấu tạo lấy như trong các trường hợp khác.

I.3 Làm mềm nước bằng trao đổi ion

a Hạt trao đổi ion (Ionit) và phương pháp sử

dụng:

n Ngành công nghiệp hoá học đã chế tạo ra loại

hạt nhựa hữu cơ tổng hợp không tan trong nướcnhưng có bề mặt hoạt tính hoá học, có thể cấylên bề mặt các hạt này (ionit) một loại cationhay anion chọn trứơc như Na+, H+, NH4+, OH-, Cl- Khi ngâm các hạt ionit vào nước, các ion đãđược cấy trên bề mặt sẽ tham gia vào phản ứngtrao đổi với các ion của muối hoà tan trong

nước Ví dụ nếu cấy lên bề mặt hạt cation Na+ ( bằng cách ngâm các hạt nhựa ionit vào dung

dịch muối NaCl) hạt ionit sẽ biến thành

2R-Na + Ca(HCO3)2 ⇔ R2-Ca + 2NaHCO3.

2R-Na + Mg(HCO3)2 ⇔ R2-Mg + 2NaHCO3.

2R-Na + CaCl2 ⇔ R2-Ca + 2NaCl.

2R-Na + CaSO4 ⇔ R2-Ca + Na2SO4.

2R-Na + MgSO4 ⇔ R2-Mg + Na2SO4.

o Theo mức độ lọc nước qua lớp hạt Na-cationit ngày

càng nhiều nhóm hạt tính Na của nó được thay thếbằng ion canci và magiê của nước Cuối cùng khả năng trao đổi của Na-cationit hoàn toàn bị cạn kiệt

Để khôi phục lại khả năng trao đổi của Na-cationit nguời ta rửa lớp vật liệu lọc bằng dung dịch có nồng

độ cao của ion Na+ ví dụ dung dịch muối ăn

a Hạt trao đổi ion (Ionit) và phương

pháp sử dụng

n Quá trình này gọi là quá trì nh hoàn nguyên:

R2-Ca + NaCl ⇔ 2R-Na + CaCl2.

n Quá trình làm mềm nước bằng Na- cationit có thể

giảm được hàm lượng Ca2+ và Mg2+ trong nước đến trị số rất bé, pH và độ kiềm tổng của nước không

thay đổi, cặn sấy khô do tăng lên một chút do đã thay thế một ion Ca2+ hoà tan trong nước có trong lượng nguyên tử 40.08 bằng 2 ion Na+ có trọng

lượng nguyên tử: 2*22.99=45.98.

n Chọn phương pháp làm mềm nứơc phải dựa vào chất

lượng nước yêu cầu sau xử lý, thành phần muối hoà tan trong nước nguồn Trong tấc cả các trường hợp khi chỉ cần duy nhất là giảm độ cứng, thì phương pháp làm mềm bằng Na-cationit là rẻ nhất Khi nguồn nước có độ kiềm cao, độ cứng magiê cao hay hàm lượng sắt cao thì dùng phương pháp phối hợp

Thạc sỹ Lâm Vĩnh Sơn

Hiện nay cơng nghiệp hố học đã sản xuất ra hàng lọat loại vật liệu trao đổi ion Đặc tính của cationit được dùng phổ biến ở Nga và Mỹ giới thiệu ở bảng sau:

1.700 2.800 800 2.000 2.800

0.3-1.2 0.3-1 0.3-1 0.3-1 0.3-1

0.65 0.40 0.50 0.68 0.42

0.73 0.50 0.60 0.75 0.50

Ky-2 Kh-2 Emberlait IR-100 Emberlait IR-120 Emberlait IR-50

Nở trong nước

Trong không

khíkhô

Khả năng trao

đổi toàn phần (E=gdl/m 3 )

Kích thước

hạt(mm) Trọng lượng đổ thành đống (T/m 3 )

Loại vật liệu

b Tính toán bể lọc Na-Cationit

Na-cationit bao gồm việc xác định tổng diện tích và số bể lọc cần thiết để làm mềm lượng nước yêu cầu có độ cứng nhất định.

Na-cationit xác định theo công thức sau:

Thạc sỹ Lâm Vĩnh Sơn

)) (

(

1 x h r

ngay

t t

t n T

v

Q F

+ +

−

=

Trong đó:

+ Q: lưu lượng có ích của các bể lọc (m3/ ngày).

+ T: số giờ làm việc của trạm trong ngày.

+ n: số lần hoàn nguyên trong ngày.

+ tx: thời gian xới lớp cationit thường lấy bằng 0.25 giờ (phút) + th:thời gian hoàn nguyên từ 25-30 phút (0.42-0.5 giờ).

+ tr: thời gian rửa bể sau khi hoàn nguyên 0.75-0.83 giờ (50 phút).

+ vt: vận tốc tính toán m/h xác định theo côngthức:

) ln

(ln 02

0

.

1 0

80

2 0

T

H

E v

tv

lv t

− +

n Elv: khả năng trao đổi cân bằng trong

trạng thái làm việc của Na-cationit.

+ α : hệ số hồn nguyên chọn theo bảng:

0.91 0.9

0.86 0.81

0.74 0.62

Hệ số hiệu quả hoàn

nguyên α

400 300

250 200

150 100

Lượng muối tiêu thụ

để hoàn nguyên tính theo gram muối/gdl trao đổi

Thạc sỹ Lâm Vĩnh Sơn

Na-cationit với ion Ca2+, Mg2+ do trong nước nguồn có sẵn ion Na+

0.50 0.53

0.57 0.60

0.65 0.7

0.83 0.88

0.9 0.93

βNa

10 5

3 2

1 0.5

0.1 0.05

0.03 0.01

C 2

Na /C0

+ CNa: nồng độ ion Na+ trong nước (mgd/l) hay (mgNa/23)

3m/h và khơng được lớn hơn trị số ghi trong bảng:

Tằng cường Bình thường

Tốc độ lọc m/h khi chế độ làm việc Độ cứng của nước nguồn (mgd/l)

Khi tính toán bể lọc Na-cationit

hoặc chọn trước chiều cao lớp hạt cationit H=2.5m và cho trước số lần hoàn

nguyên trong ngày n, rồi tính ra tốc độ lọc Hoặc chọn trứơc tốc độ lọc theo bảng và số lần hoàn

nguyên n rồi tính ra chiều cao lớp lọc.

)

(

3 0

m E

n

C

Q W

LV

×

=

Tổn thất áp lực trong lớp cationit cĩ thể lấy theo bảng:

7.5 7.0

10 9.0

25

6.5 6.0

7.0 6.5

20

6.0 5.5

6.5 6.0

15

5.5 5

6 5.5

10

4.5 4

5.5 5

5

2.5 2

2.5 2

Chiều cao lớp cationit trong bể lọc (m)

0.5 ÷1.1mm 0.3÷0.8mm

Tổn thất trong lớp lọc Cationit với cỡ hạt Tốc độ

lọc

Thạc sỹ Lâm Vĩnh Sơn

I.3 Cấu tạo bể lọc Na-cationit:

o Bể lọc Na-cationit có thể là bể lọc áp lực,

làm bằng thép không rỉ, thép thường bọc lớp chống ăn mòn, các thiết bị trong và ngoài bể lọc đều có khả năng bảo vệ chống

ăn mòn

o Bể lọc Na-cationit loại hở, xây bằng bêtông

cốt thép mặt trong mặt mặt ngoài quét lớp bảo vệ chống ăn mòn và xâm thực Các

thiết bị trong và ngoài đều có khả năng bảo

vệ chống ăn mòn

I.4 Quá trình vận hành bể lọc Na- cationit:

Có bốn công đoạn cơ bản trong vận hành

bể lọc Cationit.

NaCl.

Thạc sỹ Lâm Vĩnh Sơn

1 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 trên mức cho phép đã định (thường

được báo bằng máy đo tự động theo độ dẫn điện của

nước Conductivity) thì ngừng lọc để hoàn nguyên lớp

Cationit.

2 Rửa ngược để xới lớp vật liệu: trước khi hoàn nguyên 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 vùng chứa bể lọc Na- cationit sau khi hoàn nguyên lấy không nhỏ hơn 5m3 cho 1m3 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 ống thu nước lọc Thời gian xới thường từ 12-15 phút Cường độ xới chọn theo bảng sau cho toàn bộ lớp Cationit kể cả lớp dưới gồm các hạt lớn nhất đều

lơ lửng trong dòng nước và có độ giản nở từ 5 ÷ 10%

5 4.5 4

3.5 3.3

2.5 2

1.8 1.5

Cường độ xới

l/s.m 2

1.2 1.1

1 0.9

0.8 0.7

0.6 0.5

0.4 Cỡ hạt d80 mm

Khoảng cách từ mép máng hay phễu thu đến bề mặt lớp Cationit lấy bằng nửa chiều dày của lớp.

3 Hồn nguyên: dùng dung dịch muối NaCl để hồn nguyên Đầu quá trình dùng dung dịch muối nồng độ 2% cuối quá trình dùng dung dịch nồng độ 8%-10% Đầu tiên bơm vào bể lọc dung dịch muối 2% với khối lượn 0.6m3 cho 1m3 vật liệu với cường độ 2.6l/s.m2 Sau đĩ bơm liên tục dung dịch muối 8%-10% vào bể lọc với cường độ2.6l/s.m2 trong thời gian từ 20- 35phút Lượng tiêu thụ muối hay thời gian hồn nguyên chọn theo bảng căn cứ vào hệ số hiệu quả hồn nguyên α Dung dịch muối hồn nguyên

cĩ thể đi từ trên xuống hoặc đi từ dưới lên Nước xả khi hồn nguyên phải được tập trung để xử lý hay pha lỗng trứơc khi thảy ra cống thành phố.

Thạc sỹ Lâm Vĩnh Sơn

4 Rửa nước sau khi hoàn nguyên hay còn gọi làthời

gian xả nước lọc đầu, cho nước nguồn vào bể lọcvới tốc độ chậm 5-8m/h để rửa dung dịch muốihoàn nguyên còn đọng lại trong lớp vật liệu, xảnước lọc đầu đến khi nồng độ ion Clo trong

nước rửa bằng Clo trong nước nguồn thì ngừnglại và cho bể lọc vận hành với qui trình lọc bìnhthường Nên có bể giữ lại ½ nước rửa để xới bểlọc

n Hiện nay trên thị trường có bán sẵn bộ lọc trao

đổi ion làm mềm nước gồm: bể lọc, thùng muối

để hoàn nguyên, máy bơm dung dịch muối, van khóa và các thiết bị điều khiển tự động