Cấp thoát nước - Chương 5 pdf

Bài giảng môn: Hoá nớc 2006 - 2007 Trần Công Khánh- PGS. TS. Nguyễn Việt Anh, Bộ môn CTN, ĐHXD 1 Chơng 5. Làm mềm nớc 2 Làm mềm mớc Nớc có độ cứng cao thờng gây nên nhiều tác hại cho ngời sử dụng, làm lng phí xà phòng và các chất tẩy, tạo ra cặn kết bám vững chắc bên trong đờng ống, thiết bị công nghiệp, làm giảm khả năng hoạt động và tuổi thọ của chúng. Làm mềm nớc thực chất là quá trình xử lý giảm hàm lợng canxi và magie, nhằm hạ độ cứng của nớc xuống đến mức cho phép. Các phơng pháp làm mềm nớc cơ bản là: + Phơng pháp hoá học, + Phơng pháp nhiệt, + Phơng pháp trao đổi ion + Phơng pháp kết hợp. Bài giảng môn: Hoá nớc 2006 - 2007 Trần Công Khánh- PGS. TS. Nguyễn Việt Anh, Bộ môn CTN, ĐHXD 3 5.1. Làm mềm nớc bằng phơng pháp hoá học Cơ sở của phơng pháp này là đa vào nớc các hoá chất có khả năng kết hợp với các ion Ca 2+ và Mg 2+ tạo ra các hợp chất không tan và loại trừ khỏi nớc bằng biện pháp lắng, lọc. Các phơng pháp làm mềm nớc hoá học: + Làm mềm nớc bằng vôi. + Làm mềm nớc bằng vôi và sođa. + Làm mềm nớc bằng photphat + Ngoài ra: làm mềm bằng xút, muối bari, 4 5.1.1. Làm mềm nớc bằng vôi Là phơng pháp khử độ cứng đợc áp dụng khi cần phải giảm cả độ cứng và độ kiềm của nớc. Khi vôi vào nớc, các phản ứng xảy ra theo trình tự sau: 2CO 2 + Ca(OH) 2 Ca(HCO 3 ) 2 (1) Ca(HCO 3 ) 2 + Ca(OH) 2 2CaCO 3 + 2H 2 O (2) Mg(HCO 3 ) 2 + 2Ca(OH) 2 Mg(OH) 2 + 2CaCO 3 + 2H 2 O (3) Nếu trong nớc có NaHCO 3 sẽ có phản ứng: 2NaHCO 3 + Ca(OH) 2 CaCO 3 + Na 2 CO 3 + H 2 O (4) Bài giảng môn: Hoá nớc 2006 - 2007 Trần Công Khánh- PGS. TS. Nguyễn Việt Anh, Bộ môn CTN, ĐHXD 5 5.1.1. Làm mềm nớc bằng vôi Nếu tổng hợp hàm lợng các ion HCO 3 - và CO 3 2- có trong nớc nhỏ hơn tổng hàm lợng các ion Ca 2+ và Mg 2+ , thì một phần magie sẽ tồn tại ở dạng muối của axit mạnh nh MgSO 4 , MgCl 2 . Phản ứng với vôi sẽ là: MgSO 4 + Ca(OH) 2 Mg(OH) 2 + CaSO 4 (5) MgCl 2 + Ca(OH) 2 Mg(OH) 2 + CaCl 2 (6) Các phản ứng trên làm giảm độ cứng magie nhng không làm giảm độ cứng toàn phần vì lợng Mg 2+ tách ra khỏi nớc lại đợc thay thế bằng một lợng tơng đơng Ca 2+ . Để giảm đợc độ cứng toàn phần phải pha thêm vào nớc một lợng CO 3 2- , sao cho tích số của [CO 3 2- ].[Ca 2+ ]đ tham gia phản ứng thế chỗ Mg 2+ lớn hơn tích số hoà tan của CaCO 3 . 6 5.1.1. Làm mềm nớc bằng vôi Giới hạn lý thuyết của quá trình làm mềm nớc bằng vôi phụ thuộc vào độ hoà tan của CaCO 3 vào Mg(OH) 2 (bảng 1). Trong nớc thiên nhiên, độ hoà tan của các hợp chất trên phụ thuộc vào thành phần ion của nớc và lợng CO 3 2- , OH - tự do. Bảng 1. Giới hạn làm mềm nớc 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 CaCO 3 Giới hạn làm mềm độ hoà tan Nhiệt độ nớc Bài giảng môn: Hoá nớc 2006 - 2007 Trần Công Khánh- PGS. TS. Nguyễn Việt Anh, Bộ môn CTN, ĐHXD 7 5.1.1. Làm mềm nớc bằng vôi * Các hợp chất CaCO 3 và Mg(OH) 2 có khả năng tạo ra dung dịch quá bo hoà, khi đó nớc đ làm mềm sẽ còn lại một lợng Ca(OH) 2 d. Nếu lợng d này quá lớn sẽ lại làm tăng độ cứng và độ kiềm của nớc đ làm mềm. Nh vậy hiệu quả của quá trình làm mềm nớc bằng vôi sẽ phụ thuộc vào điều kiện cân bằng bo hoà của nớc bởi các hợp chất CaCO 3 và Mg(OH) 2 đợc tạo ra. - Liều lợng vôi cần thiết phụ thuộc vào tỷ lệ thành phần của các ion có trong nớc. a. Nếu hàm lợng Ca 2+ lớn hơn HCO 3 - (xem hình trang sau) thì lợng vôi (mg/l) đợc xác định theo Bảng 1 và tính theo công thức sau: (7) vP P v Ce aHCOCO a 100 .5,0 02,6122 .28 32 ++= 8 5.1.1. Làm mềm nớc bằng vôi a v lợng vôi sử dụng (vôi thô), mg/l; HCO 3 - - hàm lợng hydrocacbonat trong nớc, mg/l; a p lơng phèn (FeCl 3 hoặc FeSO 4 ) tính, mg/l e - đơng lợng của phèn hoạt tính (e=54 với FeCl 3 ; e=76 với FeSO 4 ); C v tỷ lệ vôi tinh khiết theo CaO trong vôi thô, %; 0,5 lợng dự phòng để đảm bảo lắng cặn CaCO 3 khi pH xấp xỉ 9,5. Số hạng trong (7) lấy dấu dơng khi cho phèn vào nớc cùng hoặc sau khi cho vôi, dấu âm khi cho phèn trớc vôi (vì khi phèn thuỷ phân đ làm giảm độ kiềm tự nhiên của nớc). p p e a Bài giảng môn: Hoá nớc 2006 - 2007 Trần Công Khánh- PGS. TS. Nguyễn Việt Anh, Bộ môn CTN, ĐHXD 9 5.1.1. Làm mềm nớc bằng vôi Cl - SO 4 2- HCO 3 - Na + , K + Mg 2+ Ca 2+ HCO 3 - - Ca 2+ Cl - SO 4 2- HCO 3 - Na + , K + Mg 2+ Ca 2+ Biểu đồ thành phần giả định của ion trong các nguồn nớc khác nhau. a) b) 10 5.1.1. Làm mềm nớc bằng vôi b) Trong trờng hợp hàm lợng Ca 2+ nhỏ hơn hàm lợng HCO 3 - (xem hình trang trớc) thì lợng vôi cần thiết đợc tính theo công thức sau: mg/l (8) Trong đó: Ca 2+ - lợng Ca 2+ trong nớc, mg/l; Các ký hiệu khác nh trong (7) - Lợng dự phòng bằng 1 mgđl/l vì phải chuyển Mg(HCO 3 ) 2 thành Mg(OH) 2 - Để tăng cờng cho quá trình lắng cặn CaCO 3 và Mg(OH) 2 khi làm mềm bằng vôi, pha thêm phèn vào nớc. Do phản ứng làm mềm diễn ra ở pH lớn hơn 9 nên không dùng đợc phèn nhôm, vì phèn nhôm sẽ tạo ra aluminat hoà tan. - Liều lợng phèn cần thiết xác định theo công thức thực nghiệm: ; mg/l (9) Trong đó: M tổng hàm lợng cặn trong nớc làm mềm, mg/l. vP P v Ce aCaHCOCO a 100 .1 04,2002,61 .2 22 .28 2 32 ++= + 3 Ma p = Bài giảng môn: Hoá nớc 2006 - 2007 Trần Công Khánh- PGS. TS. Nguyễn Việt Anh, Bộ môn CTN, ĐHXD 11 5.1.1. Làm mềm nớc bằng vôi - Giá trị của M để tính trong trờng hợp dùng công thức (7) và công thức (8) là: (11) Trong đó: M o hàm lợng cặn không tan trong nớc nguồn, mg/l; các ký hiệu khác nh trong (7) và (8) (10) 100 100 . 02 . 61 .50.2 22 .50 3 2 0 v v C a HCOCO MM +++= 100 100 . 16 . 12 .29 02 . 61 .50.2 22 .50 2 3 2 0 v v C a Mg HCO CO MM ++++= + 12 5.1.2. Làm mềm nớc bằng vôi và sođa - Khi tổng hàm lợng các ion Mg 2+ và Ca 2+ lớn hơn tổng hàm lợng các ion HCO 3 - và CO 3 2- , nếu sử dụng vôi để khử đợc độ cứng magie, nhng độ cứng toàn phần không giảm. Để khắc phục điều này, cho thêm sođa vào nớc, các phản ứng sẽ là: MgSO 4 + Ca(OH) 2 Mg(OH) 2 + CaSO 4 MgCl 2 + Ca(OH) 2 Mg(OH) 2 + CaCl 2 CaSO 4 + Na 2 CO 3 CaCO 3 + Na 2 SO 4 CaCl 2 + Na 2 CO 3 CaCO 3 + 2NaCl Bài giảng môn: Hoá nớc 2006 - 2007 Trần Công Khánh- PGS. TS. Nguyễn Việt Anh, Bộ môn CTN, ĐHXD 13 5.1.2. Làm mềm nớc bằng vôi và sođa Nh 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 đợc lợng vôi và sođa cần thiết: Trong đó: a s lợng sođa tính theo sản phẩm thô, mgl/l; C s hàm lợng Na 2 CO 3 tinh khiết trong sản phẩm thô (%) Các ký hiệu còn lại giống nh (7) và (8). vP P v Ce aMgHCOCO a 100 .5,0 16,1202,6122 .28 2 32 +++= + sP P s Ce aHCOMgCa a 100 .1 02,6116,1204,20 .53 3 22 ++= ++ 14 5.1.3. Làm mềm nớc bằng photphat * Khi cần làm mềm triệt để, sử dụng vôi và sođa vẫn cha hạ độ cứng của nớc xuống đợc đến mức tối thiểu. Để đạt đợc điều này, cho vào nớc Na 2 PO 4 sẽ khử đợc hết các ion Ca 2+ và Mg 2+ ra khỏi nớc ở dạng các muối không tan theo phản ứng: 3CaCl 2 + 2Na 3 PO 4 Ca 3 (PO 4 ) 2 + 6NaCl 3MgSO 4 + 2Na 3 PO 4 Mg 3 (PO 4 ) 2 + 3NaPO 4 3Ca(HCO 3 ) 2 + 2Na 3 PO 4 Ca 3 (PO 4 ) 2 + 6NaHCO3 3Mg(HCO 3 ) 2 + 2Na 3 PO 4 Mg 3 (PO 4 ) 2 + 6NaHCO3 * Quá trình làm mềm nớc bằng photphat chỉ diễn ra thuận lợi ở nhiệt độ cao. Sau xử lý, độ cứng của nớc giảm xuống còn 0,04 đến 0,05 mđlg/l. Do giá thành của Na 3 PO 4 cao nên thờng chỉ dùng nó với liều lợng nhỏ sau khi đ làm mềm bằng vôi và sođa. Bài giảng môn: Hoá nớc 2006 - 2007 Trần Công Khánh- PGS. TS. Nguyễn Việt Anh, Bộ môn CTN, ĐHXD 15 5.1.4. Làm mềm nớc bằng bari * Các phơng trình phản ứng: CaSO 4 + BaCO 3 BaSO 4 + CaCO 3 MgSO 4 + BaCO 3 BaSO 4 + MgCO 3 MgCO 3 + Ca(OH) 2 Mg(OH) 2 + CaCO3 CaSO 4 + Ba(OH) 2 BaSO 4 + Ca(OH) 2 Ca(OH) 2 + Ca(HCO 3 ) 2 CaCO 3 + H 2 O MgSO 4 + Ba(OH) 2 BaSO 4 + Mg(OH) 2 * Các hợp chất Bari có giá thành cao nên phơng pháp này ít đợc sử dụng. Mặt khác Bari là hoá chất độc nên không dùng để XL nớc ăn uống. 16 5.1.5. Các biện pháp đẩy mạnh quá trình làm mềm bằng hoá chất * Quá trình xử lý làm mềm nớc bằng hoá chất diễn ra qua hai pha. Pha thứ nhất là các phản ứng hoá học khi cho hoá chất vào nớc. Trong thực tế pha này xảy ra gần nh tức thời. Pha thứ hai là quá trình kết tinh tạo bông cặn. Tốc độ của quá trình làm mềm nớc đợc xác định bằng cờng 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 nớc, cho d lợng hoá chất và tạo môi trờng kết tinh cặn nhanh nhất. * Khi đun nóng nớc, các phản ứng tạo bông cặn sẽ diễn ra nhanh hơn, độ hoà tan của CaCO 3 và Mg(OH) 2 giảm. Hình sau cho thấy ảnh hởng của nhiệt độ đến hiệu quả của quá trình làm mềm nớc bằng vôi và sođa, hiệu quả tăng rõ rệt khi đun nớc đến 40 o C và đến hoàn toàn ở nhiệt độ trên 100 o C. Bài giảng môn: Hoá nớc 2006 - 2007 Trần Công Khánh- PGS. TS. Nguyễn Việt Anh, Bộ môn CTN, ĐHXD 17 18 5.1.5. Các biện pháp đẩy mạnh quá trình làm mềm bằng hoá chất * Biện pháp cho d hoá chất chỉ sử dụng hạn chế với vôi. Khi cho quá thừa lợng vôi, độ cứng của nớc sau khi làm mềm sẽ lại tăng lên (hình vẽ). Nếu chỉ làm mềm bằng vôi, lợng vôi d lấy không quá 0,5 mđlg/l. Khi làm mềm bằng vôi và sođa, nếu quá nhiều vôi sẽ gây lng phí sođa và làm tăng độ kiềm của nớc. * Để tạo môi trờng kết tinh, thờng sử dụng các giải pháp nh bể lắng có lớp cặn lơ lửng. Các hạt cặn lơ lửng đợc tạo ra trớc sẽ là nhân kết tinh các bông cặn CaCO 3 và Mg(OH) 2 . Bài giảng môn: Hoá nớc 2006 - 2007 Trần Công Khánh- PGS. TS. Nguyễn Việt Anh, Bộ môn CTN, ĐHXD 19 20 5.2. Làm mềm nớc bằng phơng pháp nhiệt * Nguyên lý cơ bản: khi đun nóng nớc, 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 phơng trình. Ca(HCO 3 ) 2 CaCO 3 + CO 2 + H 2 O * Tuy nhiên đun sôi nớc chỉ khử hết khí CO 2 và giảm độ cứng cacbonat của nớc, trong nớc vẫn còn một lợng CaCO 3 hoà tan. Đối với magie quá trình lắng cặn xảy ra qua hai bớc, khi nhiệt độ nớc đạt 18 o C: Mg(HCO 3 ) 2 MgCO 3 + CO 2 + H 2 O Khi tiếp tục tăng nhiệt độ thì MgCO 3 bị phân huỷ: MgCO 3 Mg(OH) 2 + CO 2 [...]... Na-R, hoặc: Sử dụng H-R v Na-R, sơ đồ song song hay nối tiếp - Song song (thờng dùng): tạo H+ sau H-R v NaHCO3 sau Na-R Tỷ lệ nớc từng dòng đợc khống chế (qH v Q qH), sau đó trung ho 2 dòng: H+ trong qH sau H-R đợc trung ho bởi độ kiềm sau Na-R, thu đợc nớc sau l m mềm có Ki tp ~ 0, Ctp 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,... nớc - Ví dụ, nếu cấy lên bề mặt hạt cation Na+ (bằng cách ngâm các hạt nhân ionit v o dung dịch muối NaCl) hạt ionit sẽ biến th nh Na cationit Ký hiệu l R Na - R chỉ l lõi không tan, quy ớc gọi nó l axit 1 gốc không tan trong nớc 22 Trần Công Khánh- PGS TS Nguyễn Việt Anh, Bộ môn CTN, ĐHXD Bài giảng môn: Hoá nớc 2006 - 2007 5. 3 Làm mềm nớc bằng trao đổi ion 5. 3.2 L m mềm nớc bằng Na-cationit - Nếu... nớc 2006 - 2007 5. 3 Làm mềm nớc bằng trao đổi ion Khử đợc HCO 3- - thờng gây độ kiềm cao trong nớc cấp nồi hơi NaHCO3 + H2O H2CO3 + Na+ + OHH2CO3 H2O + CO2 Phơng pháp n y thờng đợc dùng để l m mềm nớc cấp cho nồi hơi u điểm: không cần hoá chất bổ sung, không cần bảo vệ thiết bị khỏi sự ăn mòn Ho n nguyên bằng 1 loại hoá chất: NaCl Nhợc điểm: L m tăng nồng độ Cl- v CO2 trong nớc đ l m mềm 29 5. 3 Làm mềm... môn CTN, ĐHXD Bài giảng môn: Hoá nớc 2006 - 2007 5. 3 Làm mềm nớc bằng trao đổi ion - Tuy nhiên, khi trong nớc có độ kiềm v độ cứng cácbonát cao (có HCO 3-) , nớc sau l m mềm sẽ có độ kiềm tăng (do có NaHCO3), khi đó không sử dụng đợc Na-R, m phải sử dụng kết hợp H-R v Na-R, hoặc l m mềm nớc bằng vôi trớc khi lọc qua Na-R - Khi nguồn nớc có độ kiềm cao, độ cứng magie cao hay h m lợng sắt cao thì dùng phơng... (t/m3) Kích thớc Loại vật liệu đổi to n phần Trong không hạt (mm) Nở trong nớc [E = đlg/m3] khí khô Ky 2 0,73 0, 65 0,3 1,2 1.700 Kb 2 0 ,50 0,40 0,3 1 2.800 Emberlait IR 100 0,60 0 ,50 0,3 1 800 Emberlait IR 120 0, 75 0,68 0,3 1 2.000 Emberlait IR 50 0 ,50 0,42 0,3 1 2.800 30 Trần Công Khánh- PGS TS Nguyễn Việt Anh, Bộ môn CTN, ĐHXD ... mg/l, Ctp> 6 mgđl/l, Ck < 0 ,5 Ctp 27 5. 3 Làm mềm nớc bằng trao đổi ion 5. 3.4 L m mềm nớc bằng Na +- v Cl-_ionit L m mềm nớc, đồng thời hạ đợc 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 28 Trần Công Khánh- PGS TS Nguyễn Việt Anh, Bộ... Ca + H2SO4 2R H + MgSO4 R2 Mg + H2SO4 - Sau xử lý, pH giảm, nớc có CO2 v các axit mạnh, sẽ l m cho nớc có tính axit, cần khử khí v trung ho (kiềm hoá) nớc sau xử lý Vì vậy ngời ta thờng không áp dụng phơng pháp n y riêng rẽ m áp dụng kết hợp giữa H-R v Na-R 26 Trần Công Khánh- PGS TS Nguyễn Việt Anh, Bộ môn CTN, ĐHXD Bài giảng môn: Hoá nớc 2006 - 2007 5. 3 Làm mềm nớc bằng trao đổi ion Khi trong... + CaCl2 - Quá trình l m mềm nớc bằng Na-R có thể giảm đợc h m lợng Ca2+ v Mg2+ trong nớc đến trị số bé nhất, pH v độ kiềm tổng của nớc không thay đổi, cặn sấy khô tăng lên một chút do thay thế một ion Ca2+ ho tan trong nớc có trọng lợng nguyên tử 40,08 bằng 2 ion Na+ có trọng lợng nguyên tử 45, 98 24 Trần Công Khánh- PGS TS Nguyễn Việt Anh, Bộ môn CTN, ĐHXD Bài giảng môn: Hoá nớc 2006 - 2007 5. 3 Làm... hiệu quả khi l m mềm nớc các nguồn nớc mặt có độ kiềm cao hơn 3 mđlg/l - Chọn phơng pháp l m mềm nớc phải dựa v o chất lợng nớc yêu cầu sau xử lý, th nh phần muối ho tan trong nớc nguồn Trong tất cả các phơng pháp thì phơng pháp l m mềm bằng Na cationit l rẻ nhất 25 5.3 Làm mềm nớc bằng trao đổi ion CO2 5. 3.3 L m mềm nớc bằng H-cationit: 2R H + Ca(HCO3)2 R2 Ca + 2H2CO3 H 2O 2R H + Mg(HCO3)2 R2... chất, + Thiết bị đun nóng nớc, + Bể lắng v bể lọc 21 5. 3 Làm mềm nớc bằng trao đổi ion 5. 3.1 Hạt trao đổi ion (ionit) v phơng pháp sử dụng - Ng nh công nghiệp hoá học đ chế tạo ra loại hạt nhựa hữu cơ tổng hợp không tan trong nớc nhng có bề mặt hoạt tính hoá học, có thể cấy lên bề mặt các hạt n y (ionit) một loại anion chọn trớc nh Na+, H+ NH4+, OH- , C- Khi ngâm các hạt ionit v o nớc, các ion đ đợc cấy . nớc 2006 - 2007 Trần Công Khánh- PGS. TS. Nguyễn Việt Anh, Bộ môn CTN, ĐHXD 9 5. 1.1. Làm mềm nớc bằng vôi Cl - SO 4 2- HCO 3 - Na + , K + Mg 2+ Ca 2+ HCO 3 - - Ca 2+ Cl - SO 4 2- HCO 3 - Na + ,. giảng môn: Hoá nớc 2006 - 2007 Trần Công Khánh- PGS. TS. Nguyễn Việt Anh, Bộ môn CTN, ĐHXD 5 5.1.1. Làm mềm nớc bằng vôi Nếu tổng hợp hàm lợng các ion HCO 3 - và CO 3 2- có trong nớc nhỏ hơn. (8) (10) 100 100 . 02 . 61 .50 .2 22 .50 3 2 0 v v C a HCOCO MM +++= 100 100 . 16 . 12 .29 02 . 61 .50 .2 22 .50 2 3 2 0 v v C a Mg HCO CO MM ++++= + 12 5. 1.2. Làm mềm nớc bằng vôi và sođa - Khi tổng hàm