Nghiên cứu tìm hiểu khả năng hấp phụ ca2+ của một số loại vật liệu lọc tự nhiên

Việt Nam là quốc gia có nguồn nước ngầm khá phong phú về trữ lượng và khá tốt về chất lượng. Đối với các hệ thống cung cấp nước nguồn nước ngầm luôn là nguồn nước được ưu tiên sử dụng. Bởi vì, các nguồn nước mặt thường bị ô nhiễm và lưu lượng khai thác phải phụ thuộc vào sự biến động theo mùa. Nguồn nước ngầm ít chịu ảnh hưởng bởi các tác động của con người. Chất lượng nước ngầm thường tốt hơn chất lượng nước mặt nhiều. Trong nước ngầm hầu như không có các hạt keo hay các hạt lơ lửng, vi sinh và vi trùng gây bệnh thấp. Tuy nhiên, trong nước ngầm ở một số nơi như Hòa Bình, Tuyên Quang, Thái Bình… tồn tại một lượng lớn hàm lượng Ca2+ vượt quá tiêu chuẩn cho phép. Trong thực tế thì có nhiều phương pháp xử lý.Ở đây, chúng tôi muốn nghiên cứu đến các loại vật liệu lọc tự nhiên hấp phụ tối ưu Ca2+ trong quá trình xử lí nước trong phòng thí nghiệm. Loại vật liệu lọc tối ưu trong điều kiên phòng thí nghiệm mà chúng tôi rút ra được là: Sỏi, sạn, cát với tỷ lệ : 1 : 1 : 2.5 cho cột lọc kích thước l = 90cm, d = 21cm.

Tóm tắt:

Việt Nam là quốc gia có nguồn nước ngầm khá phong phú về trữlượng và khá tốt về chất lượng Đối với các hệ thống cung cấp nướcnguồn nước ngầm luôn là nguồn nước được ưu tiên sử dụng Bởi vì, cácnguồn nước mặt thường bị ô nhiễm và lưu lượng khai thác phải phụ thuộcvào sự biến động theo mùa Nguồn nước ngầm ít chịu ảnh hưởng bởi cáctác động của con người Chất lượng nước ngầm thường tốt hơn chấtlượng nước mặt nhiều Trong nước ngầm hầu như không có các hạt keohay các hạt lơ lửng, vi sinh và vi trùng gây bệnh thấp Tuy nhiên, trongnước ngầm ở một số nơi như Hòa Bình, Tuyên Quang, Thái Bình… tồntại một lượng lớn hàm lượng Ca2+ vượt quá tiêu chuẩn cho phép Trongthực tế thì có nhiều phương pháp xử lý

Ở đây, chúng tôi muốn nghiên cứu đến các loại vật liệu lọc tựnhiên hấp phụ tối ưu Ca2+ trong quá trình xử lí nước trong phòng thínghiệm Loại vật liệu lọc tối ưu trong điều kiên phòng thí nghiệm màchúng tôi rút ra được là: Sỏi, sạn, cát với tỷ lệ : 1 : 1 : 2.5 cho cột lọc kíchthước l = 90cm, d = 21cm

Mở đầu

Tính cấp thiết của đề tài

Nước là nhu cầu tất yếu của mọi sinh vật Không có nước cuộcsống trên trái đất không thể tồn tại được Hàng ngày trung bình mọingười cần từ 3-10 lít đáp ứng cho nhu cầu ăn uống và sinh hoạt hằngngày Trong sinh hoạt nước cấp dùng đáp ứng nhu cầu sinh hoạt ăn uống,

vệ sinh, các họat động giải trí, và các hoạt động công cộng như cứu hỏa,phun nước, tưới đường…còn trong công nghiệp, nước cấp được dùng choquá trình làm lạnh, sản xuất thực phẩm như đồ hộp, nước giải khát,rượu… Hầu như mọi ngành công nghiệp đều sử dụng nước cấp như làmột nguồn nguyên liệu không gì thay thế được trong sản xuất

Trong nước ngầm luôn tồn tại một lượng Ca2+ nhất định, nguồnnước ngầm tại các vùng có nhiều núi đá vôi thường cao hơn mức độ chophép, nó tác động đến độ cứng của nước gây ảnh hưởng không nhỏ đếnchất lượng nước dùng cho ăn uống, sinh hoạt và sản xuất Vì vậy, chúng

Mục đích, đối tượng,nhiệm vụ nghiên cứu

Thông qua mô hình cột lọc trong phòng thí nghiệm với các vật liệu

tự nhiên, tìm ra tỷ lệ sử dụng vật liệu lọc tối ưu nhất

CHƯƠNG I: ĐẶC ĐIỂM CHẤT LƯỢNG NƯỚC NGẦM

VÀ DẠNG TỒN TẠI CỦA ION Ca2+ TRONG NƯỚC

NGẦM

 Tổng quan về nước ngầm:

Việt Nam là quốc gia có nguồn nước ngầm khá phong phú về trữlượng và khá tốt về chất lượng Nước ngầm tồn tại trong các lỗ hổng vàcác khe nứt của đất đá, được tạo thành trong giai đoạn trầm tích đất đáhoặc do quá trình thấm của nước mưa cũng như nước mặt… nước ngầm

có thế tồn tại cách mặt đất vài mét, vài chục mét, hay có khi là hàng trămmét Đối với các hệ thống cấp nước cộng đồng thì nước ngầm luôn lànguồn nước được ưa thích Bởi vì, các nguồn nước mặt thì thường bị ô

nhiễm do phải chịu các tác động của con người, lưu lượng của nó thì thayđổi theo mùa Nguồn nước ngầm thì nằm ở dưới mặt đất nên ít phải chịuảnh hưởng bởi tác động của con người, trong nước hầu như không có cáchạt keo hay các hạt lơ lửng, vi trùng gây bệnh thấp Các nguồn nướcngầm hầu như không chứa rong tảo, một trong các nguyên nhân gây ônhiễm nguồn nước Thành phần đáng quan tâm trong nước ngầm là cáctạp chất hòa tan do ảnh hưởng của điều kiện địa tầng, khí hậu, các quátrình phong hóa và sinh hóa trong khu vực Ơ những vùng có điều kiệnphong hóa tốt, có nhiều chất bẩn và lượng mưa lớn thì chất lượng nướcngầm dễ bị ô nhiễm bởi các chất khoáng hòa tan, các chất hữu cơ, chấtmùn lâu ngày theo nước mưa ngấm vào đất.

Ngoài ra, nước ngầm cũng có thể bị nhiễm bẩn do tác động của conngười Các chất thải của con người và động vật, các chất thải sinh hoạt,chất thải hóa học và việc sử dụng phân bón hóa học… tất cả các chất thải

đó theo thời gian cũng sẽ ngấm vào nước ngầm, tích tụ dần và làm ônhiễm nguồn nước Đã có không ít nguồn nước ngầm do tác động củacon người đã bị ô nhiễm bởi các hợp chất hữu cơ khó phân hủy, các vikhuẩn gây bệnh, các hóa chất độc hại, kim loại nặng, thuốc trừ sâu và cảcác chất phóng xạ

Bảng so sánh một vài thông số của nước ngầm và nước mặt

Nhiệt độ Tương đối ổn định Thay đổi theo mùa

Chất lơ lửng Rất thấp, hầu như không có Thường cao và thay đổi

theo mùaChất rắn hòa tan Ít thay đổi, thường cao hơn so

với nước mặt

Thay đổi tùy thuộc vào chất

lượng đất, lượng mưaHàm lượng Fe2+,

Mn2+

Thường xuyên có mặt trong nước

Rất thấp, chỉ có ở sát đáy

Hàm lượng Ca2+ Thường xuyên có mặt, hàm

lượng lớn tại các vùng núi đá vôi

Thay đổi tùy thuộc vào môi trường, khí hậu

Khí CO2 hòa tan Có nồng độ cao Rất thấp hoặc bằng 0

Khí O2 Thường không tồn tại Gần như bão hòa

Khí NH3 Thường có Khi nguồn nước bị ô nhiễm

 Sự tồn tại của Ca 2+ trong nước ngầm

Nước ngầm thường chứa 1 hàm lượng canxi với nồng độ cao Trong

đất thường chứa nhiều CO2 do quá trình trao đổi chất của rễ cây và quá

trình phân hủy các tạp chất hữu cơ dưới tác dụng của vi sinh vật Khí CO2

hòa tan trong nước mưa theo phản ứng sau: CO2 + H2O  H2CO3

Axit yếu sẽ thấm sâu xuống đất và hòa tan canxi cacbonat tạo ra Ca2+:

2H2CO3 + 2CaCO3  Ca(HCO3)2 + Ca2+ +

2HCO3- Một số quá trình cơ bản xử lý nước ngầm

Có rất nhiều phương pháp để xử lý nước, tùy thuộc vào nhiều yếu tốnhư: nhu cầu cấp nước, tiêu chuẩn dùng nước, đặc điểm của nguồn nước

ngầm, các điều kiện tự nhiên, điều kiện kinh tế xã hội mà chúng ta cóthể lựa chọn công nghệ xử lý sao cho phù hợp Tuy nhiên một số quá

trình cơ bản có thể áp dụng để xử lý nước ngầm như sau:

Chắn rác Loại các mẩu vụn thô ( lá cây, cành cây, )

Xử lý hóa học sơ bộ Loại trừ tảo, rong rêu, khử trùng sơ bộ, oxi hóa Fe,

MnLắng sơ bộ Loại bỏ sỏi, cát, bùn, và các vật liệu hạt khác

Keo tụ/ tạo bông Chuyển các hạt keo thành các hạt có thể lắng

Lắng Loại các hạt lắng được

Hấp thụ và hấp phụ

bằng than hoạt tính

Khử màu, mùi của nước sau khi sử dụng phương

pháp truyền thống không đạt yêu cầuFlo hóa nước Nâng cao chất lượng Flo trong nước đén 0.6 – 0.9

mg/l đẻ bảo vệ xương và men răng co người sử dụng

nướcKhử trùng nước Tiêu diệt vi trùng và vi khuẩn còn lại trong nước sau

bể lọc

ổn định nước Khử tính âm thực và tạo màng bảo vệ cách ly không

cho nước tiếp xúc trực tiếp với vật liệu mặt trong

thành ống và phụ tùng trên ốngLàm mềm nước Khử ion Ca2+ và Mg2+ trong nước

Khử muối Khử các cation, anion của các muối hòa tan trong

nước đến nồng độ yêu cầu

CHƯƠNG II CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ Ca 2+ TRONG NƯỚC

1 Khái quát chung

Đá vôi chiếm khoảng 10% diện tích bề mặt Trái Đất nhưng ở ViệtNam còn nhiều hơn, tới gần 20% diện tích lãnh thổ phần đất liền, tức làkhoảng 60.000 km2 Đặc biệt, đá vôi tập trung hầu hết ở miền Bắc, có nơichiếm tới 50% diện tích toàn tỉnh như Hoà Bình (53,4%), Cao Bằng(49,47%), Tuyên Quang (49,92%), Hà Giang (38,01%) Nhiều thị xã, thịtrấn nằm trọn vẹn trên đá vôi như Mai Châu (Hòa Bình), Mộc Châu, YênChâu, Sơn La (Sơn La), Tủa Chùa, Tam Đường (Lai Châu), Đồng Văn,Mèo Vạc (Hà Giang) Ở các vùng đá vôi, nước thường tiêu thoát qua

hưởng lớn đến các dòng chảy ngầm Tốc độ và mức độ xói mòn phụthuộc phần lớn vào tốc độ, lưu lượng dòng chảy cũng như kiểu loại đấtchịu tác động của dòng chảy Như vậy, nguy cơ xói mòn đất ở các vùng

đá vôi cũng có thể giảm bớt nếu có được mạng lưới thủy văn hợp lý, vàđiều này đòi hỏi phải hiểu biết rõ về khu vực, về khả năng tiêu thoát nướccủa nó, cả trên mặt lẫn dưới đất

Do vậy, chất lượng nước ở những vùng này thường có hàm lượngcanxi cao hơn các vùng khác Nó gây ảnh hưởng tới chất lượng nước màcon người sử dụng Canxi là nguyên tố thiết yếu cho sinh vật sống, đặcbiệt trong sinh lý học tế bào, ở đây có sự di chuyển ion Ca2+ vào và rakhỏi tế bào chất có vai trò mang tính hiệu cho nhiều quá trình tế bào Làmột khoáng chất chính trong việc tạo xương, răng và vỏ sò, canxi là kimloại phổ biến nhất về khối lượng có trong nhiều loài động vật

Tuy nhiên khi cơ thể hấp thụ quá nhiều canxi lại có thể gây ra sỏithận, tắc động mạch do đóng cặn vôi ở thành trong của động mạch.Bêncạnh đó độ cứng này chủ yếu ảnh hưởng đến mùi vị của thực phẩm và đồuống được chế biến bằng nước nóng hoặc qua đun nấu nó cũng lànguyên nhân gây ra cặn lắng trong các thiết bị gia nhiệt nước ( xoong ,nồi đun nước, ống đẫn nước…)

Vì vậy cần phải có những biện pháp xử lý nước cứng thích hợp đểviệc sử dụng chúng trở nên hữu ích hơn.

2 Các phương pháp xử lý nước cứng

Có nhiều phương pháp làm mềm nước, vì thế phải căn cứ vào mức

độ làm mềm cần thiết (độ cứng cho phép còn lại của nước), chất lượngnước nguồn và các chỉ tiêu kinh tế khác để chọn ra phương pháp làmmềm nước thích hợp nhất

Giới thiệu chung:

Độ cứng của nước là số đo hàm lượng các ion kim loại Ca2+ và

Mg2+ có trong nước Độ cứng của nước được gọi là tạm thời khi có mặtcủa muối cacbonat và bicacbonat Ca, Mg Loại nước này khi đun sôi sẽtạo ra muối kết tủa CaCO3 và MgCO3 Độ cứng vĩnh cữu của nước docác loại muối sunfat hoặc clorua Ca, Mg tạo ra Loại muối này thườngkhó xử lý Trong sinh hoạt, độ cứng cao gây lãng phí xà phòng và cácchất tẩy rửa, tạo cặn lắng bám trên bề mặt các trang thiết bị sinh hoạt.Trong công nghiệp độ cứng của nước gây cản trở cho quá trình vậnchuyển và làm giảm năng lực truyền nhiệt, giảm tuổi thọ của thiết bị Chính vì thế cần có những giải pháp để xử lý sao cho phù hợp vàkinh tế nhất căn cứ vào mức độ làm mềm cần thiết (độ cứng cho phépcòn lại của nước), chất lượng nước nguồn và các chỉ tiêu kinh tế khác

Các phương pháp xử lý.

Các phương pháp thường được sử dụng :

 Làm mềm nước bằng hóa chất: pha các hóa chất khác nhau vàonước để kết hợp với ion Ca2+ và Mg2+ tạo thành các hợp chấtkhông tan trong nước

 Phương pháp nhiệt: đun nóng hoặc chưng cất nước

 Phương pháp trao đổi ion: lọc nước cần làm mềm qua lớp lọccationit có khả năng trao đổi Na+ hoặc H+ có trong thành phần củahạt cationit với ion Ca2+ và Mg2+ hòa tan trong nước và giữ chúnglại trên bề mặt của các hạt lớp vật liệu lọc

 Phương pháp tổng hợp: là phương pháp phối hợp 2 trong 3phương pháp trên

 Lọc qua màng bán thấm, thẩm thấu ngược (RO)

2.1 Phương pháp nhiệt

Cơ sở lý thuyết của phương pháp này là dùng nhiệt để bốc hơi khícacbonic hòa tan trong nước Trạng thái cân bằng của các hợp chấtcacbonic sẽ chuyển dịch theo phương trình phản ứng sau:

2HCO3- → CO32- + H2O + CO2

Ca2+ + CO32- → CaCO3 ↓

Nên Ca(HCO3)2 → CaCO3 ↓ + CO2 + H2O

Tuy nhiên, khi đun nóng nước chỉ khử được hết khí CO2 và giảm độcứng cacbonat của nước, còn lượng CaCO3 hòa tan vẫn còn tồn tại trongnước.

Riêng đối với Mg, quá trình khử xảy ra qua hai bước Ở nhiệt độthấp (đến 180C) ta có phản ứng:

Mg(HCO3)2 → MgCO3 + CO2 + H2O

Khi tiếp tục tăng nhiệt độ, MgCO3 bị thủy phân theo phản ứng:

có thể tận dụng nước của nồi hơi

Các công trình làm mềm bao gồm: pha chế và định lượng hóa chất,thiết bị đun nóng nước, bể lắng lọc

2.2 Phương pháp hóa chất

Trong thực tế áp dụng hàng loạt phương pháp xử lý nước bằng hóachất với mục đích kết hợp các ion Ca2+ và Mg2+ hòa tan trong nước thànhcác hợp chất không tan, dễ lắng lọc Các hóa chất thường dùng để làmmềm nước là vôi, sođa Na2CO3, xút NaOH, hyđrôxit bari Ba(OH)2,photphat natri Na3PO4 Chọn phương án làm mềm nước bằng hóa chấtcần phải dựa vào chất lượng nước nguồn và mức độ làm mềm cần thiết Trong một vài trường hợp có thể kết hợp làm mềm nước với khử sắt, khửsilic, khử photphat… Ngoài ra trong mỗi trường hợp cụ thể phải dựa trên

cơ sở so sánh kinh tế kỹ thuật giữa các phương pháp để chọn ra phươngpháp hợp lý, kinh tế nhất

 Làm mềm nước cứng bằng vôi :

Là phương pháp khử cácbonát bằng vôi, được áp dụng khi cần giảm

độ cứng và độ kiềm của nước

Khi cho vôi vào nước các phản ứng xảy ra theo phương trình sau:2CO2 + Ca(OH)2 → Ca(HCO3)2

Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 → CaCO3↓ + 2H2O

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

2NaHCO3 + Ca(OH)2 → CaCO3 + Na2CO3 + 2H2O

Nếu tổng hàm lượng các ion HCO3 và CO3 có trong nước nhỏ hơntổng hàm lượng các ion Ca2+ và Mg2+, thì một phần magiê sẽ tồn tại ởdạng muối của axit mạnh MgSO4, MgCl2 Phản ứng với vôi sẽ là:

MgSO4 + Ca(OH)2 → Mg(OH)↓ + CaSO4MgCl2 +Ca(OH)2 → Mg(OH)2 + CaCl2Các phản ứng trên làm giảm độ cứng magiê nhưng không giảm độcứng magiê toàn phần vì lượng magiê tách ra khỏi nước lại được thay thếbằng một lượng tương đương Ca2+, CO32- sao cho tích số của nồng độ

Ca2+, CO32- đã tham gia thế chỗ Mg2+ lớn hơn tích số hòa tan của CaCO3 Giới hạn lý thuyết của quá trình làm mềm nước bằng vôi phụ thuộcvào độ hoà tan của CaCO3 và Mg(OH)2 Trong nước thiên nhiên độ hòatan của các hợp chất trên phụ thuộc vào thành phần ion của nước và hàmlượng CO32- và OH-

tự do

 Các hợp chất CaCO3 và Mg(OH)2: có khả năng tạo ra dung dịchquá bão hòa, khi đó nước đã làm mềm sẽ còn lại một lượngCa(OH)2 dư Nếu lượng dư này quá lớn lại làm tăng độ cứng và độkiềm của nứơc đã làm mềm Như vậy hiệu quả của quá trình làmmềm nước bằng vôi phụ thuộc vào điều kiện cân bằng bão hoà củanước bởi các hợp chất CaCO3 và Mg(OH)2 được tạo ra

 Để tăng cường cho quá trình lắng cặn CaCO3 và Mg(OH)2 khi làmmềm bằng vôi, ta pha thêm phèn vào nước Do phản ứng làmmềm diễn ra ở pH lớn hơn 9 nên không dùng được phèn nhôm,trong môi trường kiềm phèn nhôm tạo ra aluminat hoà tan.

 Làm mềm nước bằng vôi + soda (Na2CO3)

Như đã nêu ở trên, khi tổng hàm lượng các ion Mg2+ và Ca2+ lớnhơn tổng hàm lượng các ion HCO3- và CO32- nếu sử dụng vôi để khửđược độ cứng magie, nhưng độ cứng toàn phần không giảm Để khắcphục điều này, cho thêm sôđa vào nước các phản ứng sẽ là:

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

Và CaSO4 + Na2CO3 → CaCO3↓ + Na2SO4

CaCl2 + Na2CO3 → CaCO3↓ + 2NaClNhư vậy ion CO32- của sôđa đã thay thế ion của các axit mạnh tạo raCaCO3 ¯ Theo các phản ứng trên có thể xác định được lượng vôi và sô

đa cần thiết

Lưu ý:

 Nếu chỉ dùng vôi thì khi có độ cứng phi carbonat, chỉ giảm được

Mg2+ mà không giảm được độ cứng toàn phần, do tạo thành một

lượng tương đương Ca2+. Theo phản ứng trên Việc kết hợp soda

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

3MgSO4 + 2Na3PO4 Mg3(PO4)2 + 3Na2SO4

3Ca(HCO3)2 + 2Na3PO4 Ca3(PO4)2 + 6NaHCO3

3Mg (HCO3)2 + 2Na3PO4 Mg3(PO4)2 + 6NaHCO3

Quá trình làm mềm nước bằng phốt phát chỉ diễn ra thuận lợi ởnhiệt độ lớn hơn 1000C Sau xử lý, độ cứng của nước giảm xuống còn0.04 đến 0.05 mgđ/l Do giá thành của Na3PO4 cao nên thường chỉ dùng

nó với liều lượng nhỏ sau khi đã làm mềm bằng vôi và so đa

2.3 Làm mềm nước bằng phương pháp trao đổi ion

Làm mềm nước bằng cationit dựa trên tính chất của một số chấtkhông tan hoặc hầu như không tan trong nước – cationit, nhưng có khả

năng trao đổi, khi ngâm trong nước, các chất này hấp thụ cation củamuối hòa tan lên bề mặt hạt và nhả vào nước một số lượng tương đươngcation đã được cấy lên bề mặt hạt từ trước.

Ngành công nghiệp hoá học đã chế tạo ra loại hạt nhựa hữu cơ tổnghợp không tan trong nước nhưng có bề mặt hoạt tính hoá học, có thể cấylên bề mặt các hạt này (ionit) một loại cation hay anion chọn trước 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 ứng trao đổi với các ion củamuối hoà tan trong nước Ví dụ nếu cấy lên bề mặt hạt cation Na+ (bằngcách ngâm các hạt nhựa ionit vào dung dịch muối NaCl) hạt ionit sẽ biếnthành Nacationit

 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 + CaCl2 R2-Ca + 2NaCl

2R-Na + CaSO4 R2-Ca + Na2SO4

2R-Na + MgSO4 R2-Mg + Na2SO4

 Theo mức độ lọc nước qua lớp hạt Na-cationit ngày càng nhiềunhóm hạt tính Na của nó được thay thế bằng ion canci và magiêcủa 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-cationitnguời ta rửa lớp vật liệu lọc bằng dung dịch có nồng độ cao của