Nước cứng được định nghĩa là nước có nồng dộ của ion hóa trị cao, đặc trưng là 2 loại: canxi và magie. Nước được coi là cứng khi có độ cứng trên 100 mg/l CaCO3.
Độ cứng được chia làm 2 loại:
- Độ cứng tạm thời: tổng hàm lượng muối canxi và magie ở dạng bicarbonate.
- Độ cứng vĩnh cữu: tổng hàm lượng muối canxi và magie ở dạng sunfate,choride.
Nước cứng tuy không ảnh hưởng tới sức khỏe, tuy nhiên lại làm giảm hiệu quả cả xà phòng, tạo cặn kết bám bên trong đường ống thiết bị công nghệ, gây giảm khả năng hoạt động và tuổi thọ, làm mất thẩm mỹ đối với nguồn nước và làm tốn nhiệt đun nước. quá trình làm mềm nước là quá trình loại bỏ độ cứng ra khỏi nước. Có nhiều phương pháp xử lý độ cứng. Tuy nhiên, phương pháp hóa học và trao đổi ion là hai quá trình được ứng dụng phổ biến nhất.
Phương pháp trao đổi ion được sử dụng rộng rãi trong quá trình xử lý nước thải cũng như nước cấp. Trong xử lý nước cấp, phương pháp trao đổi ion thường được sử dụng để khử các muối, khử cứng, khử khoáng, khử nitrate, khử màu, khử kim loại và các ion kim loại nặng. Trao đổi ion là quá trình gồm các phản ứng hóa học đổi chỗ (phản ứng thế) giữa các ion pha lỏng và các ion trong pha rắn (nhựa trao đổi).
Nhựa trao đổi ion còn gọi là ionit, các ionit có khả năng hấp thu các ion dương gọi là cationit và ngược lại có khả năng hấp thu các ion âm gọi là anionit.
Qua trình trao đổi với cationit:
R-SO3H + Na+ + Cl- ↔ RSO3Na + H+ + Cl- 2 R-SO3H + Ca+ + 2 Cl- ↔ (RSO3)2Ca + H+ + Cl- Quá trình trao đổi với anionit:
R-OH + HCl ↔ R-Cl + H2O
Phân loại: có 4 loại nhựa - Resin cation acid mạnh - Resin cation acid yếu - Resin anion bazo mạnh - Resin anion bazo yếu
Ứng dụng trong làm mền nước:
Đo lại nồng độ canxi theo thời gian, pH
Mục đích của việc dùng nhựa trao đổi ion trong xử lý nước uống là nhằm làm mềm nước hoặc loại bỏ các khoáng chất không cần thiết trong nước. Nước được làm mềm bằng cách sử dụng một loại nhựa chứa ion Na+ liên kết với một cation khác, cation đó có khả năng liên kết với Ca2+ và Mg2+ mạnh hơn Na+. Khi cho nhựa vào cột trao đổi ion và cho nước cần ử lý chảy qua cột, cation có trong nhựa sẽ liên kêt với các ion Ca2+và Mg2+ và giữ chúng lại trong cột, đồng thời giải phóng Na+ vào nước.
Quá trình vận hành:
- Trao đổi - Rửa ngược - Hoàn nguyên - Rửa chậm và nhanh 5.2. Thực hành
Thí nghiệm 1
- Cho 100 ml mẫu với nồng độ Ca2+ là 0, 20, 40, 60, 80 và 100 ppm vào 6 erlen.
Phải đo lại nồng độ đầu vào
- Cho 5g nhựa vào mỗi mẫu và để trên máy lắc, tốc độ 150 vòng/phút trong một giờ để đạt cân bằng. Sấy khô và cân lại khối lượng nhựa khô.
- Đo lượng canxi còn lại trong mẫu sau khi đạt cân bằng, đo pH.
Thí nghiệm 2
Cho 15 g nhựa vào cốc chứa mẫu
Lắc trên máy theo thời gian 0,5, 10, 20, 30 và 45
Thí nghiệm 3
- Chuẩn bị 8L mẫu có nồng độ canxi là 40 ppm.
- Cột được làm đầy nhữa với chiều cao H = 30cm. Cho nhựa vào cùng với nươc cất để tránh tạo bọt khí.
- Cho nước chảy với lưu lượng 1 L/h.
- Xác định pH và lượng canxi còn lại của mẫu sau 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5 và 4h.
500 ml mẫu có nồng độ Ca2+ là 40 ppm
Hình 5.1: làm mềm nước theo cột
Cách xác định canxi:
2 ml NaOH 0.1± 0.2 mg Murexide
Mẫu cần xác định
Chuẩn độ bằng EDTA cho đến khi dung dịch có màu đỏ tía. Ghi lại thể tích EDTA sử dụng
Hình 5.2: Dung dịch trước (bên trái) và sau (bên phải) khi chuẩn độ bằng EDTA 5.3. Kết quả
Bảng 5.1. Kết quả sử dung cation làm mềm nước Nồng độ Ca2+,
ppm 0 20 40 60 80 100
Nồng độ Ca2+
sau xử lý 0 2.0040 6.0120 8.0160 20.0400 24.0480
nông độ Ca2+
trong nhựa 0. 15.5960 25.9880 44.7840 50.3600 63.9520 Ca2+ trong
nhựa trao đổi 0 12.4768 20.7904 35.8272 40.288 51.1616 Nồng độ Ca2+
ban đầu sau khi đo lại
0 17.6 32 52.8 70.4 88
Khối lượng nhựa sau sấy: m = 1,25 g
60
50
40
30
20
10
0
0 20 40 60 80 100
Nồng độ canxi trong dung dịch (ppm)
Đồ thị 5.1: đồ thị lượng canxi trao đổi và nồng độ canxi trong dung dịch
Lượng canxi trong nhựa trao đổi (g camxi bị hấp phụ/ g nhựa trao đổi)
20.0048 20.0400 18.0360
10.0320
0.0000 0.0000
21.02
Bảng 5.2. Nồng độ xử lý Ca2+ theo thời gian theo mẻ
Thời gian, phút 0 5 10 20 30 45
Nồng độ Ca2+ sau xử lý
20.004
8 20.04 18.036 10.032 0 0
25 20 15 10 5 0
0 10 20 30 40 50
Thời gian (phút)
Đồ thị 5.2: Mối quan hệ giữa nồng độ canxi theo thời gian Bảng 5.3. Kết quả xử lý canxi theo cột
Thời gian (giờ) 0 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
Nồng độ Ca2+ sau xử lý 21.02 0 0 0 0 0 0 0
25 20 15 10 5 0
0 1 2 3 4 5
thời gian (giờ)
Đồ thị 5.3 Mối quan hệ của nồng độ canxi theo thời gian (làm mềm nước theo cột)
Nồng độ canxi sau xử lý (ppm) nồng độ canxi sau xử lý (ppm)