Tiểu luận xử lý nước cấp xử lý nước cấp cứng

Các ion này có thểnhận biết được khi hình thành cặn bám cục bộ trong các thiết bị đun sôi, gâythiệt hại cho đường ống, nồi hơi và thất thoát năng lượng khi sử dụng.Làm"mềm" nước “cứng” b

Khái niệm về nước cứng và phân loại nước cứng

Nước cứng là loại nước chứa hàm lượng cao các khoáng chất hòa tan, chủ yếu là cation của canxi (Ca2+) và magie (Mg2+), với tổng hàm lượng vượt quá 300 mg/lít Ngoài ra, ở một số vùng nước, còn phát hiện nhiều loại cation khác như sắt, nhôm và mangan.

Hình 1.1: Phân biệt nước mềm và nước cứng.

Có thể chia nước cứng thành 3 loại là nước cứng toàn phần, nước cứng vĩnh cửu, nước cứng tạm thời:

Nước cứng tạm thời được hình thành do sự hiện diện của các muối CaCO3 và Mg(HCO3)2, chứa các ion Ca2+, Mg2+ và HCO3- Khi đun sôi, loại nước này sẽ mất tính cứng vì các muối hiđrocacbonat sẽ phân hủy thành các muối không tan.

SVTH: Nguyễn Thị Ái Xuân 1 Đoàn Thị Mỹ Hương

GVHD: PSG TS Tôn Thất Lãng; ThS Trần Ngọc Bảo Luân

Nước cứng tạm thời gây nhiều bất tiện trong sinh hoạt và sản xuất, làm cho việc giặt là và tắm rửa trở nên khó khăn Các khoáng chất trong nước kết hợp với xà phòng tạo ra cặn, khiến người dùng phải sử dụng nhiều nước và chất tẩy rửa mạnh hơn để giữ cho quần áo và đồ dùng sạch sẽ, dẫn đến tăng chi phí Ngoài ra, nước cứng còn gây hại cho thiết bị gia dụng, khi các khoáng chất tích tụ tạo cặn trên bề mặt bồn tắm, máy giặt, và bồn chứa nước, giảm hiệu suất và tuổi thọ của chúng, gây ra chi phí sửa chữa đắt đỏ Hệ thống ống nước cũng bị ảnh hưởng, khi khoáng chất tích tụ bên trong ống gây cản trở lưu lượng nước, dẫn đến áp lực nước yếu hoặc bít tắc, có thể buộc phải thay thế toàn bộ hệ thống ống nước trong nhà.

Nước cứng vĩnh cửu chứa các muối như MgCl2, CaCl2, MgSO4 và CaSO4, và để làm mềm loại nước này, có thể sử dụng các hóa chất như baking soda (Na2CO3), xút NaOH, hydroxit bari Ba(OH)2 và photphat natri Na3PO4 để tạo kết tủa Khi đun sôi nước trong bình inox hoặc nhôm, ta có thể nhận biết nước cứng tạm thời qua cặn bẩn trắng bám ở thành bình Tuy nhiên, nước cứng vĩnh cửu khó nhận biết hơn, vì khi nhiệt độ tăng, độ hòa tan của chúng cũng tăng Phương pháp hiệu quả để xử lý nước cứng vĩnh cửu là sử dụng phương pháp trao đổi ion, cụ thể là cationit.

Nước cứng vĩnh cửu chứa các ion Cl-, SO42-, Ca2+ và Mg2+, khi đi vào cơ thể, các ion này có thể thay thế Ca và Mg bằng Na và Kali.

Nước cứng chứa các muối như MgCl2, MgSO4, CaSO4 và CaCl2 có thể gây tắc nghẽn động mạch và hình thành sỏi thận Việc sử dụng nước cứng để gội đầu hoặc rửa mặt có thể dẫn đến tóc xơ rối, da khô và nổi mụn, đặc biệt là với những người có bệnh ngoài da Nước cứng cũng làm hỏng các thiết bị gia đình như ấm đun nước và vòi nước, gây ố vàng và hoen rỉ Khi dùng nước cứng để pha trà hoặc nấu ăn, hương vị của thực phẩm sẽ bị giảm sút Hơn nữa, nước cứng chưa được xử lý có thể làm biến đổi thành phần thuốc khi uống hoặc sắc thuốc Trong công nghiệp, muối tủa bám vào thiết bị như nồi hơi có thể dẫn đến nguy cơ nổ, gây ra nhiều tác hại nghiêm trọng.

Nước cứng thành phần chứa các muối như Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2, MgCl2, CaCl2, MgSO4 và CaSO4 Để làm mềm nước cứng thành phần, có thể áp dụng các phương pháp tương tự như với nước cứng vĩnh cửu và nước cứng tạm thời Việc này chỉ cần tiến hành lắp đặt hệ thống làm mềm phù hợp.

Thiết bị trao đổi ion là giải pháp hiệu quả để xử lý nước cứng tại gia đình, giúp lọc và xử lý nước mà không tốn nhiều công sức hay thời gian Phương pháp này thân thiện với môi trường và xử lý tốt hiện tượng nước cứng, tuy nhiên chi phí lắp đặt có thể cao Do đó, bạn cần cân nhắc tình hình tài chính trước khi quyết định Để đạt được chất lượng nước đầu ra cao hơn, việc lắp đặt các thiết bị máy lọc nước chuyên biệt là cần thiết.

Xử lý nước cấp cho nồi hơi

Mutosi mang đến giải pháp bảo vệ và nâng cao sức khỏe với máy lọc nước RO, sử dụng lỗ lọc siêu nhỏ 0.001 micromet Công nghệ này chuyên biệt xử lý nước cứng, loại bỏ hoàn toàn ion khoáng chất có hại, đảm bảo nguồn nước đầu ra an toàn và đạt tiêu chuẩn uống trực tiếp Phương pháp này không chỉ hiệu quả trong việc xử lý nước cứng mà còn có chi phí đầu tư thấp và dễ dàng sử dụng, góp phần khắc phục những hạn chế của các phương pháp lọc nước khác.

Hình 1.2 Ba loại nước cứng.

Nguyên nhân hình thành nước cứng

Nước cứng hình thành khi nước từ nguồn hoặc nước ngầm chảy qua các lớp đá vôi, thạch cao hoặc đá phấn, những loại đá chứa nhiều ion canxi và magie Trong quá trình này, nước hòa tan một lượng nhỏ khoáng chất và giữ lại, làm tăng độ cứng của nước.

Hình 1.3 Quy trình hình thành nước cứng.

Nước trong các sông, suối, ao hồ có thể tăng độ cứng khi chảy qua các lớp đất đá Hiện nay, nhiều nhà máy và đơn vị cung cấp nước sạch khai thác nguồn nước ngầm để phục vụ hộ dân, nhưng quá trình xử lý không triệt để khiến nước cứng vẫn tồn tại Điều này dẫn đến việc người dân phải sử dụng nước cứng trong sinh hoạt hàng ngày Nước có độ cứng cao thường xuất phát từ nước ngầm, khi nó đi qua lớp đất đá và hòa tan các ion Mg2+ và Ca2+ trong trầm tích đá vôi, làm gia tăng độ cứng.

Nước từ đầu nguồn chảy qua các địa hình khác nhau, hòa tan các nguyên tố vi lượng trong đất đá Khi nước chảy qua khu vực có mỏ khoáng sản hoặc đá vôi, nó sẽ hòa tan một lượng lớn canxi và magie, dẫn đến sự gia tăng nồng độ ion Ca2+ và Mg2+ trong nước Điều này làm cho nguồn nước trở thành nước cứng.

Nước cứng chủ yếu xuất phát từ yếu tố thổ nhưỡng, thường gặp ở các nguồn nước như nước mưa, sông, suối và ao, đặc biệt là ở khu vực gần núi đá vôi.

Nguồn nước tự nhiên chảy qua nhiều địa hình khác nhau, trong quá trình này, các nguyên tố vi lượng như canxi và magie hòa tan vào nước Đặc biệt, khi nước chảy qua khu vực có mỏ khoáng sản hoặc núi đá vôi, hàm lượng ion Ca2+ và Mg2+ có thể vượt ngưỡng cho phép, dẫn đến tình trạng nước cứng hay nước đá vôi.

Nước cứng xuất hiện do ô nhiễm nguồn nước, khi các hoạt động công nghiệp và sinh hoạt của con người thải ra nhiều chất thải, đặc biệt là các ion kim loại Nếu không được xử lý kịp thời, những ion này sẽ tích tụ trong nguồn nước, dẫn đến hiện tượng nước cứng.

Hình 1.4: Ô nhiễm nguồn nước là nguyên nhân hàng đầu gây tình trạng nước cứng.

Nước cứng có thể xuất phát từ hệ thống dẫn nước, mặc dù nguyên nhân này không phổ biến Người dùng cần chú ý đến việc bảo trì đường ống, đặc biệt là những ống ít được sục rửa, để ngăn ngừa hiện tượng đóng cặn.

Xử lý nước cấp cho nồi hơi là rất quan trọng để giảm thiểu tạp chất như muối canxi cacbonat Khi nước mềm di chuyển qua đường ống, nó có thể bị nhiễm một số khoáng chất, dẫn đến tình trạng nước cứng.

Hình 1.5: Hệ thống dẫn nước chứa nhiều cặn kim loại làm nước tăng độ cứng.

Dấu hiệu nhận biết của loại nước có chứa tính cứng

Nước có tính cứng do sự hiện diện của các ion Canxi và Magie, mặc dù không thể nhìn thấy các ion này bằng mắt thường Tuy nhiên, có một số dấu hiệu cho thấy nước có tính cứng mà chúng ta có thể nhận biết.

- Xuất hiện các mảng bám màu trắng giống như đá vôi trên các thiết bị trong nhà:

+ Ấm siêu tốc: dưới đáy ấm, xung quanh thành hoặc trên miệng ấm + Bên trong phích nước có cặn trắng từng tảng nho nhỏ

+ Bán xung quanh vòi nước trong nhà tắm

+ Vị trí thành bồn rửa và bốn nhà tắm

+ Bề mặt gương và kính trong phòng tắm có lốm đốm trắng dù lau chùi hay tẩy rửa

- Quần áo sau khi giặt phơi khô thấy không được mềm mại, dễ chịu.

- Khi pha trà, cà phê mà thấy xuất hiện một lớp váng mỏng, dễ làm giảm đi chất lượng và hương vị của đồ uống.

- Nước đá làm bằng nước cứng có màu đục, khi cho ra ngoài dễ tan nhanh hơn so với nước sạch.

- Bát đĩa và cốc uống nước khi rửa xong hay có chấm loang lổ bên trên

- Gây giảm lượng bọt bên trong bột giặt, xà phòng và các chất tẩy rửa khác.

Tại sao cần xử lý nước cứng

Nước cứng gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người:

Nước cứng có thể gây ra tình trạng khô da và khô tóc, dẫn đến da bị khô hoặc nổi mẩn ngứa Ngoài ra, tóc cũng dễ bị xơ rối và không còn suôn mượt như mong muốn.

Nước cứng có thể gây ra sỏi thận và sỏi tiết niệu do muối cacbonat kết tủa, không thấm qua thành ruột và động mạch, dẫn đến tích tụ lâu ngày Tình trạng này có thể nặng hơn, gây tắc nghẽn trong động mạch và tĩnh mạch do sự đóng cặn của đá vôi.

Hình 1.6: Gan bị sỏi thận ở cơ thể con người.

Sử dụng nước cứng để pha chế đồ uống như trà, cà phê hay sữa có thể làm giảm hương vị và độ thơm ngon, khiến cho đồ uống mất đi độ ngọt tự nhiên và hương vị đặc trưng Hơn nữa, nước cứng còn có thể ảnh hưởng đến màu sắc của đồ uống, làm cho sản phẩm cuối cùng không đạt yêu cầu về chất lượng.

Không nên sử dụng nước cứng để sắc thuốc, bao gồm thuốc nam và thuốc bắc, vì nước cứng có thể gây biến đổi thành phần thuốc bên trong Hơn nữa, việc sử dụng nước cứng còn có thể dẫn đến một số tác dụng phụ nguy hiểm nếu vô tình uống phải.

Nước cứng ảnh hưởng đến vật dụng trong gia đình:

Nếu gia đình bạn sử dụng nước cứng, các thiết bị nhà bếp sẽ dễ bị bám cặn và hỏng hóc nhanh chóng Nước cứng cũng làm giảm khả năng tạo bọt của chất tẩy rửa, khiến muối Canxi không tan, dẫn đến quần áo khô nhanh và dễ hư hỏng.

Nước cứng có thể gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng như ăn mòn tháp làm mát, hình thành cặn bã trong nồi hơi và ống nước, dẫn đến tình trạng tắc nghẽn Điều này không chỉ làm máy rửa bát bị đọng nước mà còn làm tăng áp suất trong các thiết bị điện gia dụng, từ đó tiềm ẩn nguy cơ cháy nổ.

Lớp Canxi Cacbonat CaCO3 hình thành dưới đáy nồi hơi tạo ra lớp cách nhiệt, làm giảm khả năng truyền nhiệt Điều này dẫn đến việc các thiết bị tiêu thụ nhiều năng lượng điện hơn trong quá trình sử dụng.

Hình 1.7: Các vật dụng gia đình bị ăn mòn bởi nước cứng.

Nước cứng ảnh hưởng đến quá trình sản xuất công nghiệp:

Ngành dệt may và ngành công nghiệp đồ uống hiện nay đang chịu ảnh hưởng nghiêm trọng do việc sử dụng nước cứng trong quá trình sản xuất.

Nước cứng trong ngành dệt may gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng, bao gồm vải trở nên cứng, dễ bị trầy xước và chất lượng sản phẩm giảm sút Đặc biệt, nước có chứa sắt có thể bám vào vải, tạo ra các vết màu vàng đỏ không mong muốn, ảnh hưởng đến vẻ đẹp và độ bền của sản phẩm.

Nước cứng trong ngành công nghiệp đồ uống có thể ảnh hưởng đến mùi vị và an toàn sản phẩm Sự hiện diện của vi sinh vật và chất ô nhiễm trong nước cứng có thể gây hại, làm giảm chất lượng và tính chất của đồ uống.

Phương pháp xử lý nước cứng bằng nhiệt

Phương pháp này dựa trên lý thuyết sử dụng nhiệt để bốc hơi khí cacbonic hòa tan trong nước, dẫn đến sự chuyển dịch trạng thái cân bằng của các hợp chất cacbonic theo PTPU.

Khi đun nóng nước, chỉ có thể loại bỏ khí CO2 và giảm độ cứng cacbonat, nhưng lượng CaCO3 hòa tan vẫn tồn tại Đối với Mg, quá trình khử diễn ra qua hai bước, bắt đầu ở nhiệt độ thấp (đến 180°C).

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

Hình2.1: Phương pháp xử lý nước cứng bằng nhiệt.

Khi đun nóng nước, độ cứng cacbonat giảm đáng kể, và nếu kết hợp với xử lý hóa chất, bông cặn tạo ra sẽ có kích thước lớn và lắng nhanh do độ nhớt giảm, giúp giảm lượng hóa chất sử dụng Phương pháp làm mềm nước bằng cách đun nóng thường được áp dụng cho các hệ thống cấp nước nóng trong công nghiệp, như nước nồi hơi, tận dụng nhiệt lượng dư từ nồi hơi Các công trình làm mềm nước bao gồm pha chế và định lượng hóa chất, bể lắng, và bể lọc.

Phương pháp hóa học

Làm mềm nước bằng vôi là phương pháp hiệu quả để khử độ cứng cacbonat, giúp giảm cả độ cứng và độ kiềm của nước Khi vôi được thêm vào nước, các phản ứng hóa học diễn ra, mang lại nước mềm hơn và cải thiện chất lượng nước sử dụng.

2CO 2 + Ca(OH) ->Ca(HCO 2 3 ) 2

Ca(HCO ) 3 2 + Ca(OH) ->2CaCO ↓ + 2H O 2 3 2

Ma(HCO ) 3 2 + 2Ca(OH) -> Ma(HCO 2 3 2 ) + 2CaCO ↓ + 2H O 3 2

Để tăng cường quá trình lắng cặn CaCO3 và Mg(OH) khi làm mềm nước bằng vôi, cần pha thêm phèn vào nước Do phản ứng làm mềm nước xảy ra ở pH lớn hơn 9, phèn nhôm không được sử dụng vì tạo ra aluminat hòa tan Để kiểm tra hiệu quả của quá trình làm mềm nước bằng vôi, chỉ cần xác định giá trị pH sau khi pha vôi vào nước Phản ứng sẽ hoàn tất khi đạt đến sự cân bằng bão hòa CaCO3 và Mg(OH) trong nước, thể hiện qua giá trị pHo Ở trạng thái bão hòa tự nhiên, tốc độ phản ứng lắng cặn diễn ra chậm, do đó cần một lượng ion OH để tăng tốc độ phản ứng, được biểu thị qua ∆pH Công thức tính pHo là: pHo = pHs + ∆pH, trong đó pHs có thể xác định bằng phương pháp Langelier để đánh giá độ ổn định của nước.

Để làm mềm nước hiệu quả, việc sử dụng vôi và soda có thể chưa đủ để giảm độ cứng nước đến mức tối thiểu Thay vào đó, việc thêm Na3PO4 vào nước sẽ giúp loại bỏ hoàn toàn ion Ca²⁺ và Mg²⁺, chuyển chúng thành muối không tan qua phản ứng hóa học.

3CaCl 2 + 2Na 3 PO 4 -> Ca 3 (PO ) 4 2 ↓ + 6NaCl

3MgSO 4 + 2Na 3 PO 4 -> Mg 3 (PO 4 ) 2 ↓ + 3Na 2 SO 4

3Ca(HCO 3 ) 2 + 2Na 3 PO ->Ca (PO ) 4 3 4 2 ↓ + 6NaHCO 3

3Mg(HCO 3 ) 2 + 2Na 3 PO 4 ->Mg 3 (PO 4 ) 2 ↓ + 6NaHCO 3

Quá trình làm mềm nước bằng photphat chỉ hiệu quả khi nhiệt độ vượt quá 100 độ C, giúp giảm độ cứng của nước xuống còn 0.04 đến 0.05 mdlg/l Tuy nhiên, do chi phí cao của Na3PO4, nó thường được sử dụng với liều lượng nhỏ sau khi nước đã được làm mềm bằng vôi và soda.

Quá trình lọc thẩm thấu RO

Vào những năm 50 của thế kỷ trước, công nghệ lọc nước RO đã được phát minh, sử dụng quá trình thẩm thấu để tạo ra nước tinh khiết Công nghệ này có khả năng loại bỏ hoàn toàn các muối chứa canxi và magie có trong nước.

Hình 2.2: Sơ đồ cấu tạo máy lọc nước tinh khiết RO.

Hình 2.3 Quy trình cấu tạo.

KẾT QUẢ CÁC NGHIÊN CỨU VÀ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC CỨNG 17

Tái sinh nhựa trao đổi ion

Hạt nhựa trao đổi ion là một giải pháp hiệu quả để làm mềm nước, giúp giảm nồng độ ion Canxi và Magie có trong nước sinh hoạt Nước chứa hàm lượng Ca và Mg cao có thể gây ảnh hưởng đến sức khỏe, dẫn đến các bệnh như sỏi thận và sỏi mật Qua thời gian, các ion ô nhiễm sẽ liên kết với các vị trí trao đổi trong nhựa, làm cạn kiệt khả năng của nó Do đó, việc phục hồi hạt nhựa thông qua chu trình tái chế là cần thiết để duy trì hiệu quả sử dụng.

Xử lý nước cấp cho nồi hơi sinh là quá trình quan trọng trong chu kỳ tái sinh, trong đó phản ứng trao đổi ion được đảo ngược nhờ dung dịch chất tái sinh đậm đặc Chất tái sinh có thể là dung dịch muối, axit hoặc xút, tùy thuộc vào loại nhựa và ứng dụng Trong quá trình này, nhựa trao đổi ion sẽ giải phóng các ion gây ô nhiễm và hoán đổi chúng với các ion trong dung dịch tái sinh Các ion ô nhiễm sau đó sẽ thoát ra khỏi hệ thống như một phần của dòng nước thải và cần được xử lý đúng cách Cuối cùng, nhựa thường được rửa để loại bỏ bất kỳ chất tái sinh nào còn lại trước khi bắt đầu chu kỳ trao đổi ion tiếp theo.

Hình 3.1 Phương pháp tái sinh hạt nhựa.

Cấu tạo hạt nhựa trao đổi ion: Hiện nay khá đa dạng bao gồm nhiều loại như

Hạt nhựa trao đổi cation là loại hạt có khả năng hấp thụ ion dương từ dung dịch điện ly, đặc biệt trong môi trường acid Chúng thường được sử dụng rộng rãi trong quá trình làm mềm nước, giúp cải thiện chất lượng nước sinh hoạt và công nghiệp.

Hạt nhựa trao đổi cation axit mạnh có cấu trúc polystyrene với nhóm chức năng sulphonate (SO3–), được tích điện bằng ion natri (Na2+) hoặc ion hydro (H+), giúp khử khoáng hiệu quả.

Hạt nhựa trao đổi cation axit yếu: Thành phần hạt nhựa là polyme acrylic đã được thủy phân bằng axit sunfuric để tạo ra các nhóm chức axit cacboxylic.

Nhóm mang điện tích âm thường kết hợp với các cation trong dung dịch, do đó chúng thường được sử dụng để loại bỏ các cation liên quan đến độ kiềm.

Hạt nhựa trao đổi anion có khả năng hấp thụ ion âm từ dung dịch điện ly mang tính kiềm, do đó chúng thường được ứng dụng để loại bỏ nitrat và các tạp chất hữu cơ hiệu quả.

Hạt nhựa trao đổi anion bazo mạnh là sản phẩm được chế tạo từ polystyrene, đã trải qua quy trình clo hóa và khử amin nhằm cố định các anion vào vị trí trao đổi một cách hiệu quả.

Từ đây chúng sẽ hấp thu các điện tích dương kết hợp với anion có trong dung dịch có môi trường pH khác nhau.

Hạt nhựa trao đổi anion bazo yếu được sản xuất từ cấu trúc polystyrene clo hóa và khử amin bằng dimethylamine Vì không chứa ion trao đổi, chúng thường được sử dụng làm chất hấp thụ axit để loại bỏ các anion liên quan đến axit khoáng mạnh.

Hạt trao đổi ion hoạt động như thế nào?

Nhiệm vụ chính của hạt nhựa trao đổi ion chính là làm mềm nước, được sử dụng trong quá trình xử lý nước cứng.

Quy trình sử lý nước cứng bằng hạt nhựa trao đổi ion như sau:

Chọn hạt có chứa ion Na+ liên kết với một cation (ion âm) khác có khả năng liên kết với Ca2+ và Mg2+ mạnh hơn Na+

Cho nhựa vào cột trao đổi ion giúp nước chảy qua cột, trong đó cation có trong nhựa liên kết với các ion Ca2+ và Mg2+ trong nước uống, từ đó làm mềm nước hiệu quả.

Ưu điểm và nhược điểm của hạt trao đổi ion trong xử lý nước cứng

- Do có thể tái sinh được nhiều lần nên thời gian sử dụng thường rất dài

- Chi phí thấp hơn so với các vật liệu cùng công dụng khác

- Thân thiện với môi trường vì chỉ hấp thu các chất có sẵn trong nước

- Năng lượng tiêu tốn nhỏ

Các hợp chất hữu cơ và ion Fe3+ không thể được xử lý, dẫn đến việc chúng bám dính vào các hạt nhựa ion Điều này làm giảm hiệu quả của quá trình trao đổi ion của nhựa.

Các hóa chất có độ sạch phân tích bao gồm Ca(NO3)2, Mg(NO3)2, EDTA, NH4OH, NH4Cl, Mn(NO3)2, Fe(NO3)3, KCl, NaCl, ETOO và muối biển Ngoài ra, nhựa trao đổi cation Lewatit mono S108 nguyên sinh của Hãng Lanxess cũng là một vật liệu quan trọng trong nghiên cứu và ứng dụng hóa học.

Máy khuấy từ IKA (Đức), cân phân tích Cốc, bình tam giác, pipet, buret thủy tinh các loại Nước khử ion được sử dụng cho các thí nghiệm

Xác định tổng cứng của mẫu nước có thể thực hiện bằng phương pháp chuẩn độ tạo phức EDTA, sử dụng chất chỉ thị ETOO trong môi trường pH = 10 Trước khi tiến hành, cần loại bỏ ảnh hưởng của các cation như sắt và mangan có mặt trong mẫu nước.

3.5.2 Quy trình xác định dung lượng trao đổi cực đại trên vật liệu S108

Thí nghiệm trao đổi cation được thực hiện bằng cách khuấy trộn 100 ml dung dịch chứa Mg2+ và Ca2+ với nồng độ ban đầu từ 880 đến 35.000 mg/l cùng 1 g vật liệu S108 cho đến khi đạt trạng thái cân bằng Sau đó, dung dịch được lọc để xác định nồng độ cation còn lại Cf (mg/l) và dung lượng trao đổi bão hòa cation qbh (mg/g) Dung lượng trao đổi cực đại đối với Mg2+ và Ca2+ được xác định theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir Để tính dung lượng trao đổi cực đại, sử dụng phương trình hồi quy tuyến tính (y = ax+b) nhằm tương quan giữa Cf và Cf trên đồ thị, trong đó dung lượng trao đổi cực đại được tính theo công thức a = 1/qmax.

3.5.3 Quy trình trao đổi và tái sinh vật liệu S108 trên cột

Cột trao đổi ion là một ống thủy tinh đường kính 1 cm chứa 10g vật liệu S108, được kết nối với bình chứa dung dịch nước cứng cần xử lý và van điều chỉnh tốc độ dòng chảy Mục tiêu là xác định dung lượng trao đổi cực đại của cation Mg2+ và Ca2+ trên vật liệu S108 Quy trình xác định dung lượng trao đổi toàn phần của Ca2+ và Mg2+ từ dung dịch, cũng như dung lượng trao đổi tổng cứng từ nước máy, được thực hiện bằng cách cho dòng dung dịch chứa cation Mg2+ và Ca2+ đi qua cột.

Quá trình trao đổi ion diễn ra với nước có tổng cứng 440 mg/l và tổng cứng 66 mg/l chảy qua cột chứa vật liệu S108 với tốc độ dòng 25 ml/phút cho đến khi cột đạt trạng thái bão hòa Mỗi lần phân tích tổng cứng được thực hiện trên 50 ml dung dịch chảy qua cột Khi cột bão hòa, quá trình tái sinh được tiến hành bằng dung dịch muối biển NaCl 23,08 % với tổng cứng 22.500 mg/l, thực hiện đồng thời với quá trình trao đổi ion, tốc độ dòng tái sinh là 5 ml/phút, và tổng cứng trong 10 ml dung dịch tái sinh cũng được phân tích sau mỗi lần chảy qua cột.

Dung lượng trao đổi vận hành là tổng lượng trao đổi cứng của cột sau mỗi lần tái sinh Nước cấp được sử dụng để làm mềm trên cột có độ cứng là 66 mg/l.

3.6 Kết quả thảo luận Để xác độ cứng của nước, nồng độ cation kim loại trong nước thường được quy đổi ra tổng cứng (mgCaCO3/lít) Việc quy đổi này phụ thuộc vào khối lượng nguyên tử và hóa trị của cation, như với nồng độ 10mg/lít của các cation Mg2+ và Ca2+ được quy đổi tương ứng 24,97 mgCaCO3/lít và 41,15 mgCaCO3/lít Độ cứng của nước có thể được phân loại theo tổng cứng Tùy theo các yêu cầu về độ cứng của nước trong sinh hoạt và trong công nghiệp tương ứng mà quá trình làm mềm nước được áp dụng vận hành

Phân loại nước cứng theo độ cứng

- Nước sinh hoạt (mg/l CaCO3)

- Nước công nghiệp (mg/l CaCO3)

Hình 3.2 Ảnh hưởng của thời gian và sự có mặt của một số cation đến hiệu suất trao đổi trên vật liệu S108.

3.7 Ảnh hưởng thời gian và sự có mặt một số cation đến hiệu suất trao đổi trên vật liệu S108

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng thời gian và nồng độ cation trong dung dịch ảnh hưởng đến hiệu suất trao đổi cation Ca2+ và Mg2+ trong quá trình làm mềm nước với vật liệu S108 Kết quả cho thấy, quá trình trao đổi ion Ca2+ diễn ra nhanh chóng và đạt trạng thái cân bằng sau 20 phút Do đó, thời gian 20 phút là đủ để xác định dung lượng trao đổi bão hòa của vật liệu S108 đối với cation Ca2+.

Mg2+, Ca2+, thời gian phản ứng được chọn là 20 phút (thời gian cân bằng phản ứng của cation Mg2+ cũng tương tự cation Ca2+)

Kết quả nghiên cứu cho thấy sự ảnh hưởng của các cation như K+, NH4+, Mn2+, và Fe3+ đến hiệu suất trao đổi cation Ca2+ trên vật liệu S108 Sự hiện diện của các cation này có thể làm thay đổi độ cứng quy đổi Ci, ảnh hưởng đến khả năng trao đổi cation của vật liệu.

Nghiên cứu cho thấy nồng độ cation cao (880 mg/l) làm giảm hiệu suất trao đổi cation Ca2+, với thứ tự giảm dần hiệu suất là K+ < NH4 + < Mn2+ < Fe3+ Kunin và Miyers đã chỉ ra rằng hiện tượng này xảy ra do phản ứng trao đổi cation Ca2+ trên vật liệu S108 bị cạnh tranh và thay thế bởi các cation khác có ái lực mạnh hơn.

3.8 Dung lượng trao đổi cực đại cation Ca2+, Mg2+ trên vật liệu S108

Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ ban đầu của cation Ca2+, Mg2+ đến dung lượng trao đổi bão hòa trên vật liệu S108 được thể hiện trên

Hình 3.3: Dung lượng trao đổi bão hòa cation Mg2+, Ca2+ trên vật liệu

S108 theo nồng độ ban đầu.

Dung lượng trao đổi cực đại của vật liệu S108 đối với cation Ca2+ cao hơn cation Mg2+ là do ái lực của cation Ca2+ mạnh hơn cation Mg2+

3.9 Quá trình trao đổi cation Ca2+, Mg2+ của vật liệu S108

Xác định dung lượng trao đổi toàn phần cation Ca2+ và Mg2+

Trong quá trình làm mềm nước, cột nhồi S108 đóng vai trò quan trọng khi tiếp xúc liên tục với các ion cứng như Mg2+ và Ca2+ Khi cột hoạt động, nồng độ tổng cứng trong nước sẽ giảm dần nhờ sự tương tác với lớp vật liệu nhựa mới, giúp thiết lập cân bằng và giảm độ cứng hiệu quả.

Hình 3.4: Kết quả trao đổi cation Ca2+, Mg2+ trên cột.

Dung lượng trao đổi toàn phần cation Ca2+ trên toàn cột được tính toán là 1.759 mg, được xác định qua công thức: {4,8 x 440 - 2,85 x 108 - 0,05 x (1 + 5 + 10 + 20 + 55 + 384 + 440)} Dung lượng trao đổi toàn phần cation Ca2+ của vật liệu S108 trên cột là 1.759/10 Tác giả của nghiên cứu này là Nguyễn Thị Ái Xuân và Đoàn Thị Mỹ Hương.

176 (mg/g) Tương tự, dung lượng trao đổi toàn phần của vật liệu S108 đối với cation Mg2+ trên cột đạt 172 mg/g

Vật liệu S108 cho thấy khả năng trao đổi cation Ca2+ và Mg2+ rất tốt, với khả năng trao đổi cation Ca2+ cao hơn cation Mg2+ Điều này cho thấy S108 có tiềm năng ứng dụng lớn trong quá trình làm mềm nước.

3.10 Xác định dung lượng trao đổi toàn phần làm mềm nước, hiệu suất tái sinh

Cột trao đổi không chỉ có khả năng làm mềm nước mà còn có thể loại bỏ các cation kim loại nặng như Fe3+, Fe2+ và Mn2+ ở nồng độ thấp.

Tiêu đề	Xử lý nước cấp
Tác giả	Nguyễn Thị Ái Xuân, Đoàn Thị Mỹ Hương
Người hướng dẫn	PGS. TS. Tôn Thất Lãng
Trường học	Đại học Tài nguyên và Môi trường TP. HCM
Chuyên ngành	Quản lý và Công nghệ Môi trường Đô thị
Thể loại	tiểu luận
Năm xuất bản	2023
Thành phố	TP. HCM

Định dạng
Số trang	43
Dung lượng	2,74 MB