Cấp thoát nước - Chương 5 pdf

Làm mềm nước 2 Làm mềm mước Nước có độ cứng cao thường gây nên nhiều tác hại cho người sử dụng, làm l!ng phí xà phòng và các chất tẩy, tạo ra cặn kết bám vững chắc bên trong đường ống, t

Trang 1

Chương 5

Làm mềm nước

2

Làm mềm mước

Nước có độ cứng cao thường gây nên nhiều tác hại cho người sử dụng, làm l!ng phí xà phòng và các chất tẩy, tạo ra cặn kết bám vững chắc bên trong đường ống, thiết bị công nghiệp, làm giảm khả

năng hoạt động và tuổi thọ của chúng

Làm mềm nước thực chất là quá trình xử lý giảm hàm lượng canxi và magie, nhằm hạ độ cứng của nước xuống đến mức cho phép

Các phương pháp làm mềm nước cơ bản là:

+ Phương pháp hoá học, + Phương pháp nhiệt, + Phương pháp trao đổi ion + Phương pháp kết hợp

Trang 2

5.1 Làm mềm nước bằng phương pháp hoá học

Cơ sở của phương pháp này là đưa vào nước các hoá chất có khả

năng kết hợp với các ion Ca2+ và Mg2+ tạo ra các hợp chất không tan và loại trừ khỏi nước bằng biện pháp lắng, lọc

Các phương pháp làm mềm nước hoá học:

+ Làm mềm nước bằng vôi

+ Làm mềm nước bằng vôi và sođa

+ Làm mềm nước bằng photphat + Ngoài ra: làm mềm bằng xút, muối bari,

5.1.1 Làm mềm nước bằng vôi

Là phương pháp khử độ cứng được áp dụng khi cần phải giảm cả

độ cứng và độ kiềm của nước Khi vôi vào nước, các phản ứng xảy

ra theo trình tự sau:

Ca(HCO3)2+ Ca(OH)2→ 2CaCO3↓+ 2H2O (2) Mg(HCO3)2+ 2Ca(OH)2→ Mg(OH)2↓+ 2CaCO3↓+ 2H2O (3)

Nếu trong nước có NaHCO3sẽ có phản ứng:

2NaHCO + Ca(OH) →CaCO ↓+ Na CO + H O (4)

Trang 3

Nếu tổng hợp hàm lượng các ion HCO3- và CO32- có trong nước nhỏ hơn tổng hàm lượng các ion Ca2+và Mg2+, thì một phần magie

sẽ tồn tại ở dạng muối của axit mạnh như MgSO4, MgCl2 Phản ứng với vôi sẽ là:

MgSO4+ Ca(OH)2 → Mg(OH)2↓+ CaSO4 (5) MgCl2+ Ca(OH)2 → Mg(OH)2↓+ CaCl2 (6)

Các phản ứng trên làm giảm độ cứng magie nhưng không làm giảm độ cứng toàn phần vì lượng Mg2+ tách ra khỏi nước lại được thay thế bằng một lượng tương đương Ca2+ Để giảm được độ cứng toàn phần phải pha thêm vào nước một lượng CO32-, sao cho tích số của [CO32-].[Ca2+]đ! tham gia phản ứng thế chỗ Mg2+ lớn hơn tích

số hoà tan của CaCO3

6

• Giới hạn lý thuyết của quá trình làm mềm nước bằng vôi phụ thuộc vào độ hoà tan của CaCO3 vào Mg(OH)2 (bảng 1) Trong nước thiên nhiên, độ hoà tan của các hợp chất trên phụ thuộc vào thành phần ion của nước và lượng CO32-, OH-tự do

Bảng 1 Giới hạn làm mềm nước theo lý thuyết.

mđlg/l 0,55 0,23

mđlg/l 0,40 0,23

mđlg/l 0,15 0,03

o C 0 80

Mg(OH)2 CaCO3

Giới hạn làm mềm

đ ộ hoà tan Nhiệt độ nước

Trang 4

* Các hợp chất CaCO3và Mg(OH)2có khả năng tạo ra dung dịch quá

b!o hoà, khi đó nước đ! làm mềm sẽ còn lại một lượng Ca(OH)2 dư Nếu lượng dư này quá lớn sẽ lại làm tăng độ cứng và độ kiềm của nước đ! làm mềm Như vậy hiệu quả của quá trình làm mềm nước bằng vôi sẽ phụ thuộc vào điều kiện cân bằng b-o hoà của nước bởi các hợp chất CaCO 3 và Mg(OH) 2 được tạo ra

- Liều lượng vôi cần thiết phụ thuộc vào tỷ lệ thành phần của các ion

có trong nước

a Nếu hàm lượng Ca 2+ lớn hơn HCO 3 - (xem hình trang sau) thì

lượng vôi (mg/l) được xác định theo Bảng 1 và tính theo công thức sau:

(7)

v P

P v

C e

a HCO CO

02 , 61 22

.













+

± +

a v– lượng vôi sử dụng (vôi thô), mg/l;

HCO3-- hàm lượng hydrocacbonat trong nước, mg/l;

a p– lương phèn (FeCl3hoặc FeSO4) tính, mg/l

e- đương lượng của phèn hoạt tính

(e=54 với FeCl3; e=76 với FeSO4);

Cv– tỷ lệ vôi tinh khiết theo CaO trong vôi thô, %;

0,5 – lượng dự phòng để đảm bảo lắng cặn CaCO3 khi pH xấp xỉ 9,5

•Số hạng trong (7) lấy dấu dương khi cho phèn vào nước cùng hoặc sau khi cho vôi, dấu âm khi cho phèn trước vôi (vì khi phèn thuỷ phân đ! làm giảm độ kiềm tự nhiên của nước)

p

p e a

Trang 5

Cl

-SO4

2-HCO3

-Na+, K+

Mg2+

Ca2+

HCO3-- Ca2+

Cl

-SO4

2-HCO3

-Na+, K+

Mg2+

Ca2+

Biểu đồ thành phần giả định của ion trong các nguồn nước khác nhau.

a)

b)

10

b) Trong trường hợp hàm lượng Ca 2+ nhỏ hơn hàm lượng HCO 3 - (xem hình trang trước) thì lượng vôi cần thiết được tính theo công thức sau:

mg/l (8) Trong đó: Ca 2+ - lượng Ca 2+ trong nước, mg/l; Các ký hiệu khác như trong (7)

- Lượng dự phòng bằng 1 mgđl/l vì phải chuyển Mg(HCO3)2thành Mg(OH)2

- Để tăng cường cho quá trình lắng cặn CaCO3và Mg(OH)2khi làm mềm bằng vôi, pha thêm phèn vào nước Do phản ứng làm mềm diễn ra ở pH lớn hơn 9 nên không dùng được phèn nhôm, vì phèn nhôm sẽ tạo ra aluminat hoà tan.

- Liều lượng phèn cần thiết xác định theo công thức thực nghiệm:

Trong đó: M – tổng hàm lượng cặn trong nước làm mềm, mg/l.

v P

P v

C e

a Ca HCO CO

04 , 20 02 , 61 2 22 28

2 3 2













+

±

ư +

3 M

ap =

Trang 6

- Giá trị của M để tính trong trường hợp dùng công thức (7)

và công thức (8) là:

(11)

Trong đó: Mo– hàm lượng cặn không tan trong nước nguồn, mg/l; các ký hiệu khác như trong (7) và (8)

(10)

100

100 02 61 50 2 22

0

v v

C a

HCO CO

M

100

100 16 12 29 02 61 50 2 22 50

2 3

2 0

v v

C a

Mg HCO

CO M

và sođa

- 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 magie, nhưng độ cứng toàn phần không giảm Để khắc phục điều này, cho thêm sođa vào nước, các phản ứng sẽ là:

MgSO4+ Ca(OH)2 → Mg(OH)2↓+ CaSO4 MgCl2+ Ca(OH)2 → Mg(OH)2↓+ CaCl2 CaSO4+ Na2CO3 → CaCO3↓+ Na2SO4 CaCl2+ Na2CO3 → CaCO3↓+ 2NaCl

Trang 7

và sođa

Như vậy ion CO 3 2- của sođa đ- thay thế ion của các axit mạnh tạo ra CaCO 3 kết tủa.Theo các phản ứng trên có thể xác định được lượng vôi và sođa cần thiết:

Trong đó: a s– lượng sođa tính theo sản phẩm thô, mgl/l;

Cs– hàm lượng Na2CO3tinh khiết trong sản phẩm thô (%) Các ký hiệu còn lại giống như (7) và (8).

v P

P v

C e

a Mg HCO CO

16 , 12 02 , 61 22 28

2 3 2













+

± +

+

s P

P s

C e

a HCO Mg

Ca

02 , 61 16 , 12 04 , 20

2 2













+

±

ư +

14

5.1.3 Làm mềm nước bằng photphat

* Khi cần làm mềm triệt để, sử dụng vôi và sođa vẫn chưa hạ độ cứng của nước xuống được đến mức tối thiểu Để đạt được điều này, cho vào nước Na2PO4sẽ khử

được hết các ion Ca 2+ và Mg 2+ ra khỏi nước ở dạng các muối không tan theo phản ứng:

3Ca(HCO3)2+ 2Na3PO4 → Ca3(PO4)2↓ + 6NaHCO3 3Mg(HCO3)2+ 2Na3PO4 → Mg3(PO4)2↓ + 6NaHCO3

* Quá trình làm mềm nước bằng photphat chỉ diễn ra thuận lợi ở nhiệt độ cao

Sau xử lý, độ cứng của nước giảm xuống còn 0,04 đến 0,05 mđlg/l Do giá thành của Na3PO4cao nên thường chỉ dùng nó với liều lượng nhỏ sau khi đ! làm mềm bằng vôi và sođa.

Trang 8

5.1.4 Làm mềm nước bằng bari

* Các phương trình phản ứng:

MgCO3+ Ca(OH) 2 → Mg(OH)2↓ + CaCO3 ↓

* Các hợp chất Bari có giá thành cao nên phương pháp này ít được sử dụng Mặt khác Bari là hoá chất độc nên không dùng để XL nước ăn uống.

5.1.5 Các biện pháp đẩy mạnh quá trình

làm mềm bằng hoá chất

* Quá trình xử lý làm mềm nước bằng hoá chất diễn ra qua hai pha

Pha thứ nhất là các phản ứng hoá học khi cho hoá chất vào nước

Trong thực tế pha này xảy ra gần như tức thời Pha thứ hai là quá

trình kết tinh tạo bông cặn Tốc độ của quá trình làm mềm nước

được xác định bằng cường độ diễn biến của pha thứ hai

* Các giải pháp trong kỹ thuật để đẩy nhanh tốc độ của quá trình làm mềm là: Đun nóng nước, cho dư lượng hoá chất và tạo môi trường kết tinh cặn nhanh nhất

* Khi đun nóng nước, các phản ứng tạo bông cặn sẽ diễn ra nhanh

hơn, độ hoà tan của CaCO3 và Mg(OH)2 giảm Hình sau cho thấy

ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu quả của quá trình làm mềm nước bằng vôi và sođa, hiệu quả tăng rõ rệt khi đun nước đến 40oC và đến hoàn toàn ở nhiệt độ trên 100oC

Trang 9

18

5.1.5 Các biện pháp đẩy mạnh quá trình

làm mềm bằng hoá chất

* Biện pháp cho dư hoá chất chỉ sử dụng hạn chế với vôi Khi cho quá thừa lượng vôi, độ cứng của nước sau khi làm mềm sẽ lại tăng lên (hình vẽ) Nếu chỉ làm mềm bằng vôi, lượng vôi dư lấy không quá 0,5 mđlg/l Khi làm mềm bằng vôi và sođa, nếu quá nhiều vôi sẽ gây l!ng phí sođa và làm tăng độ kiềm của nước

* Để tạo môi trường kết tinh, thường sử dụng các giải pháp như bể lắng có lớp cặn lơ lửng Các hạt cặn lơ lửng được tạo ra trước sẽ là nhân kết tinh các bông cặn CaCO3và Mg(OH)2

Trang 10

5.2 Làm mềm nước bằng phương pháp nhiệt

* Nguyên lý cơ bản:khi đun nóng nước, khí cacbonic hoà tan sẽ bị khử hết thông qua sự bốc hơi, trạng thái cân bằng của các hợp chất cacbonic sẽ chuyển dịch theo phương trình

Ca(HCO3)2→CaCO3↓+ CO2↑+ H2O

* Tuy nhiên đun sôi nước chỉ khử hết khí CO2 và giảm độ cứng cacbonat của nước, trong nước vẫn còn một lượng CaCO3 hoà tan

Đối với magie quá trình lắng cặn xảy ra qua hai bước, khi nhiệt độ nước đạt 18oC:

Mg(HCO3)2→MgCO3↓+ CO2↑+ H2O Khi tiếp tục tăng nhiệt độ thì MgCO3bị phân huỷ:

MgCO3→Mg(OH)2↓+ CO2↑

Trang 11

bằng phương pháp nhiệt

Vậy khi đun nước độ cứng cacbonat sẽ giảm đi đáng kể Nếu kết hợp xử lý hoá chất với đun nóng, bông cặn tạo ra sẽ có kích thước lớn và lắng nhanh do độ nhớt của nước giảm Đồng thời giảm được lương hoá chất cần sử dụng

Làm mềm bằng đun nóng thường chỉ áp dụng cho các hệ cấp nước công nghiệp như 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 nước,

+ Bể lắng và bể lọc

22

5.3 Làm mềm nước bằng

trao đổi ion

5.3.1 Hạt trao đổi ion (ionit) và phương pháp sử dụng.

- Ngành công nghiệp hoá học đ! chế tạo ra loại hạt nhựa hữu cơ tổng hợp không tan trong nước nhưng có bề mặt hoạt tính hoá học, có thể cấy lên bề mặt các hạt này (ionit) một loại anion chọn trước như Na+,

H+NH4+, OH-, C- Khi ngâm các hạt ionit vào nước, các ion đ! được cấy trên bề mặt sẽ tham gia vào phản ứng trao 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 nhân ionit vào dung dịch muối NaCl) hạt ionit sẽ biến thành Na – cationit Ký hiệu là R – Na

nước.

Trang 12

trao đổi ion

5.3.2 Làm mềm nước bằng Na-cationit

- Nếu lọc nước qua lớp hạt Na – cationit sẽ xảy ra các phản ứng sau:

2R – Na + Ca(HCO3)2↔ R2– Ca + 2NaHCO3 2R – Na + Mg(HCO3)2↔ R2– Mg + 2NaHCO3 2R – Na + CaCl2 ↔ R2– Ca + 2NaCl 2R – Na + MgCl2 ↔ R2– Mg + 2NaCl3 2R – Na + CaSO4 ↔ R2– Ca + 2Na2SO4 2R – Na + MgSO4 ↔ R2– Mg + 2Na2SO4

trao đổi ion

- Theo mức độ lọc, nước qua lớp hạt Na – cationit có ngày càng nhiều nhóm hoạt tính Na+của nó được thay thế bằng ion Ca2+và Mg2+

của nước Cuối cùng khả năng trao đổi của Na-R sẽ bị cạn kiệt Để khôi phục lại khả năng trao đổi của Na-R, người ta rửa lớp vật liệu lọc bằng dung dịch có nồng độ cao của ion Na+ , ví dụ dung dịch muối

R2– Ca + NaCl ↔ 2R – Na + CaCl2

- Quá trình làm mềm nước bằng Na-R có thể giảm được hàm lượng

Ca2+ và Mg2+ trong nước đến trị số bé nhất, pH và độ kiềm tổng của nước không thay đổi, cặn sấy khô tăng lên một chút do thay thế một ion Ca2+ hoà tan trong nước có trọng lượng nguyên tử 40,08 bằng 2 ion Na+có trọng lượng nguyên tử 45,98

Trang 13

trao đổi ion

- Tuy nhiên, khi trong nước có độ kiềm và độ cứng cácbonát cao(có HCO3-), nước sau làm mềm sẽ có độ kiềm tăng (do có NaHCO3), khi

đó không sử dụng được Na-R, mà phải sử dụng kết hợp H-R và Na-R, hoặc làm mềm nước bằng vôi trước khi lọc qua Na-R

-Khi nguồn nước có độ kiềm cao, độ cứng magie cao hay hàm lượng sắt cao thì dùng phương pháp phối hợp: Đầu tiên làm mềm nước bằng vôi sau đó lọc qua bể Na – cationit Phương pháp này có hiệu quả khi làm mềm nước các nguồn nước mặt có độ kiềm cao hơn

3 mđlg/l

- Chọn phương pháp làm mềm nước phải dựa vào chất lượng nước yêu cầu sau xử lý, thành phần muối hoà tan trong nước nguồn Trong tất cả các phương pháp thì phương pháp làm mềm bằng Na – cationit là

rẻ nhất

26

trao đổi ion

5.3.3 Làm mềm nước bằng H-cationit:

2R – H + Ca(HCO3)2 ↔ R2– Ca + 2H2CO3 2R – H + Mg(HCO3)2↔ R2– Mg + 2H2CO3 2R – H + CaCl2 ↔ R2– Ca + 2HCl 2R – H + MgCl2 ↔ R2– Mg + 2HCl 2R – H + CaSO4 ↔ R2– Ca + H2SO4 2R – H + MgSO4 ↔ R2– Mg + H2SO4

- Sau xử lý, pH giảm, nước có CO2và các axit mạnh, sẽ làm cho nước

có tính axit, cầnkhử khí và trung hoà (kiềm hoá) nước sau xử lý Vì

vậy người ta thường không áp dụng phương pháp này riêng rẽ mà áp dụng kết hợp giữa H-R và Na-R

CO2

H2O

Trang 14

Khi trong nước sau làm mềm yêu cầu không được chứa NaHCO3,

có thể sử dụng phương pháp trên (làm mềm bằng vôi + Na-R, hoặc:

Sử dụng H-R và Na-R, sơ đồ song song hay nối tiếp

- Song song (thường dùng): tạo H+sau H-R và NaHCO3sau Na-R

Tỷ lệ nước từng dòng được khống chế (q H và Q – q H ), sau đó trung hoà 2 dòng: H + trong qH sau H-R được trung hoà bởi độ kiềm sau Na-R, thu được nước sau làm mềm có K i tp ~ 0, C tp giảm.

- Nối tiếp (H-R (1 bậc) + Na-R (1 hoặc 2 bậc)): tạo H2O, CO2(),

H2SO4, HCl sau H-R, tạo muối Na sau Na-R, giảm được Ctpvà Ki

Sơ đồ được áp dụng với nước có P > 700 mg/l, C tp > 6 mgđl/l,

C k < 0,5 C tp

trao đổi ion

5.3.4 Làm mềm nước bằng Na + - và Cl -_ ionit

Làm mềm nước, đồng thời hạ được độ kiềm

Thực hiện trong bể lọc với VLL Kationit + Anionit hoặc 2 bể nối tiếp

2R – Na + Ca(HCO3)2↔ R2– Ca + 2NaHCO3 2R – Na + CaSO4 ↔ R2– Ca + 2Na2SO4 2R – Cl + Na2SO4 ↔ R2– SO4+ 2NaCl 2R – Cl + 2NaHCO3 ↔ 2R – HCO3+ 2NaCl

trao đổi ion

Trang 15

Khử được HCO3-- thường gây độ kiềm cao trong nước cấp nồi hơi

NaHCO3+ H2O H2CO3+ Na++ OH

-H2CO3H2O + CO2

Phương pháp này thường được dùng để làm mềm nước cấp cho nồi hơi

ưu điểm:

không cần hoá chất bổ sung,

không cần bảo vệ thiết bị khỏi sự ăn mòn

Hoàn nguyên bằng 1 loại hoá chất: NaCl

Nhược điểm: Làm tăng nồng độ Cl-và CO2trong nước đ! làm mềm

trao đổi ion

30

trao đổi ion

* Hiện nay công nghiệp hoá học đ! sản xuất ra hàng loạt vật liệu trao đổi ion

Đặc tính của cationit được dùng phổ biến ở Nga và Mỹ giới thiệu ở bảng.

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

Kb – 2 Emberlait IR – 100 Emberlait IR – 120 Emberlait IR – 50

Nở trong nước

Trong không khí khô

Khả năng trao

đổi toàn phần [E = đlg/m 3 ]

Kích thước hạt (mm)

Trọng lượng đổ thành đống

(t/m 3 ) Loại vật liệu

Định dạng
Số trang	15
Dung lượng	270,76 KB