Bản chất của phương pháp này là khi cho vào nước các hoá chất có khả năng kết tủa với các ion Ca^^, có trong nước, tạo ra các chất kết tủa CaC0 3, MgC0 3, M g(O H )i,... và loại trừ chúng ra khỏi nước bằng biện pháp lắng lọc. Các hoá chất được sử dụng có thể là Ca(0 H)2, NaOH...
6.2.1. Làm mềm nước bằng vôi CalOH),
Đây là phương pháp thông dụng nhất nhằm khử độ cứng cacbonat, được áp dụng khi cần giảm cả độ cứng và độ kiềm của nước. Trình tự các phản ứng xảy ra như sau:
2 C Ơ 2 + C a ( 0 H ) 2 C a ( H C O 0 2
CaíHCOg), + Ca(0H)2 ^ 2CaCƠ3 ị + 2H2O
M g(HC03)2 + Ca(0H)2 M g(OH)2 ị + 2CaC0 3 ^ + 2H2O IN aH C O , + Ca(OH)i C a r03 ị + N a.C0 3 + H .o
Theo phương trình phản ứng, cứ 1 niol Ca(OH)7 tạo ra được 2 mol ion cacbonat C0 3~ , 1 mol trong số đó sẽ tạo thành kết tủa với ion có trong nước vôi đưa vào, như vậy 1 mol vôi đừa vào sẽ làm giảm được 1 mol độ cứng.
Tổng hàm lượng canxi có thể được khử phụ thuộc vào nồng độ ion HCO3 có trong nước. Nếu tổng hàm lượng ion HCO3 và €0 3“ có trong nước nhỏ hơn tổng hàm lượng các ion và thì một phần ion sẽ tồn tại dưới dạng các muối axit mạnh như MgS0 4, M gCl2 và phản ứng với vôi sẽ xảy ra như sau:
MgS0 4 + Ca(0H)2 Mg(0H)2 ^ + CaS04 M gCl2 + Ca(0H)2 Mg(OH)2Ì + CaCl,
Các phản ứng trên có tác dụng làm giảm độ cứng theo ion nhưng không làm giảm độ cứng toàn phần vì giảm được lượng nhưng lại làm tăng một lượng tương đương Ca^^.
Khả năng của quá trình làm mềm nước bằng vôi phụ thuộc vào độ hoà tan của CaC0 3 và Mg(OH)-,. Trong nước thiên nhiên, độ hoà tan của các hợp chất này phụ thuộc vào thành phần ion của nước và lượng C O3' , OH“ tự do.
Các hợp chất CaC03 và Mg(OH)T có khả năng tạo ra dung dịch quá bão hoà, khi đó trong nước đã làm mềm sẽ còn lại một lượng Ca(OH)T dư. Nếu lượng Ca(OH)T dư quá lớn sẽ lại làm tăng độ cứng và độ kiềm của nước đã làm mềm. Như vậy, hiệu quả của quá trình làm mềm nước bằng vôi phụ thuộc vào điểu kiện cân bằng bão hoà của nước bởi các hợp chất CaCO^ và Mg(OH)T được tạo ra.
Liều lượng vôi cần thiết phụ thuộc vào tỉ lệ thành phần của các ion có trong nước.
Nếu hàm lượng lớn hơn H C O3 thì lượng vôi được xác định theo công thức sau:
m„ = 2 8 C O2 HCO3 m
22 + + ph
61 + 0,5 100
c„ (6.2)
Trong đó; rriy - Lượng vôi sử dụng, mg/1;
COt - Hàm lượng CO2 tự do trong nước, mg/l;
HCO3 - Hàm lượiig ion bicacbonat trong nước, mg/1;
iTipi, - Lượng phèn (FeQ3 hoặc FeS0 4) tính theo sản phẩm ngậm nước, mg/1;
e - Đưong lượng của phèn, e = 54 với FeCl3 và e = 76 với FeS0 4;
Giá trị 0,5 trong công thức là lượng vòi dư để đảm bảo lắng cặn CaC0 3 khi pH xấp xỉ 9,5;
Q - Tỉ lệ vôi tinh khiết theo CaO trong vôi khỏ, %.
mph
lấy giá trị (+) khi cho phèn vào nước cùng với vôi hoặc sau khi cho vôi; lấy giá trị (-)
e '
khi cho phèn trước vôi (vì khi phèn thiiỷ phân đã làm giảm độ kiềm tự nhiên của nước).
Trong trường hợp hàm lượng nhỏ hơn hàm lượng HCO3 thì lượng vôi cần thiết được xác định theo công thức thực nghiệm sau:
tĩi, = 2 8 C O , ^ ^ HCO3 22
Ca2+ m + ph
61 20 - + 1 100
(6.3) Trong đó: - Hàm lượng trong nước, mg/1;
Các kí hiệu khác có ý nghĩa như trong công thức (6.2).
ở đây lấy lượng dự phòng là 1 mgđl/1 vì phải chuyển Mg(HC03)2 thành M g(O H)2 không hoà tan.
Để tăng cường quá trình lắng cặn CaC03 và Mg(0H)2 khi làm mềm nước bằng vôi, người ta pha thêm phèn vào nước. Do phản ứng làm mềm xảy ra ở pH lớn hơn 9 nên không dùng phèn nhôm, vì trong môi trường kiềm, phèn nhôm tạo ra aluminat hoà tan.
Lượng phèn cần thiết cho quá trình dược xác định theo công thức thực nghiệm sau:
m pi, = 3 Ựm , mg/1 (6.4)
Trong đó: M - Tổng hàm lượng cặn trong nước làm mềm, mg/1.
Giá trị M được tính theo hai trường hợp sau:
- Khi hàm lượng > H C O ,, ta có:
M = M,, + 5 0 —^ + 2 X 5 0 ---^ —
22 61 100
(6.5) - Khi hàm lượng < HCO, , ta có:
M = M „ . 5 0 Í 5 l , 2 . 5 0 Ỉ ^ . 2 9 ^ . 5 0 C . . n , . l ô ^ ,6.6,
22 61 12 100
Trong đó Mf, là hàm lượng cặn không hoà tan trong nước nguồn. Các kí hiệu khác có ý nghĩa như các công thức (6.2), (6.3).
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. Vì như ta đã biết, phản ímg làm mềm nước sẽ diễn ra triệt đê khi đã đạt đến cân bằng bão hoà CaCO^ và Mg(OH)T trong nước. Tưong ứng với trạng thái bão hoà đó, độ ổn định của nước phải được thể hiện ở một giá trị pHj, nào đó.
ở trạng thái bão hoà tự nhiên với pHj cúa nước, tốc độ phản ứng lắng cặn diễn ra rất chậm. Đê tảng tốc độ lên, cần phái có một lượng dư ion OH”, biểu thị bằng giá trị ApH, như vậy giá trị pH(, sẽ được biếu thị bãiig công thức sau:
pH^. = pH^ + ApH
Trong đó: pH^. - Độ pH bão hoà của nước ở cuối quá trình làm mềm;
pHj - Độ pH của nước ơ trạng thái bão hoà tự nhiên;
ApH - Lượng dư các ion OH cần bổ sung đế tăng tốc độ phản ứng lắng cặn. Trong trường hơp khử độ cứng cacbonat, ApH = 0,5.
Trong thực tế, khi làm mềm nước bảng vôi, đế khử CaC0 3, pH^ thường có giá trị từ 9,5 ^ 9,8; để khử M g(0H)2, pH^ có giá trị từ 10,6 H- 11,5.
6.2.2. L àm m ềm nước bằng vôi kết hợp với sỏđa
Khi tổng hàm lượng các ion và lớn hơn tống hàm lưọng các ion HCO3 và CƠ3~ nếu sử dụng vôi thì chỉ khử đirơc đô cứng magiê, đỏ cứng toàn phần không hề giảm.
Đê’ làm mềm loại nước này phải sứ dụng đến sôđa và quy trình xảy ra theo phản ứng:
C a - + C a ( O H)2 : Na2C03 ^ ^ M gíOH).
Thực chất của quá trình trên bao gồm các phản ứng thành phần sau:
MgSƠ4 + Ca(0H)2 Mg(OH)2 ị + CaSƠ4 MgCU + Ca(OH)2 > Mg(OH)2 i + CaCl2 CaS04 + Na,C03 > CaCƠ3 ị + Na2S04 CaCl. + Na2C03 ^ CaC03 ị + 2NaCl
Quan sát quá trình trên ta nhận thấy rằng, cứ 1 mol ion cần 1 mol sôđa và không phụ thuộc vào hàm lượng ion H CO3 trong nước.
lon C O3 trong sôđa đã thay thế ion của các axit mạnh để tạo ra CaCƠỊ kết tủa.
Theo các phương trình phản ứng trên, có thể tính được lượng vôi theo công thức (6.2) và sôđa theo các công thức sau:
^ C a H C O 3 ^ m h ì 100
— — + - - + --- ^ ± — — + 1 m, = 53 100
20 12 61 (6.7)
Trong đó: - Lượng sôđa tính theo sản phẩm thô, %;
- Hàm lượng Na^C03 tinh khiết trong sản phẩm thô, %;
Các kí hiệu khác xem ở các công thức trên.
Ngoài phương pháp sử dụng kết hợp vôi với sôđa, còn có thể sử dụng phương pháp kết hợp xút NaOH và sôđa. Quá trình xảy ra theo phản ứng sau:
+ M g ^ " ' N a O H ; N a2C03 ^ ị ^ M g ( O H ) . ị
Phưoíng pháp này sử dụng natri hydrôxyt có ưu điểm là dễ pha ch ế hơn, tốc độ phản ứng ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và phản ứng xảy ra nhanh hcfn.
6.2.3. Làm mềm nước bằng trinatriphotphat (Na3P04)
Phương pháp được áp dụng khi làm mềm nước triệt để mà sử dụng vôi và sôđa vẫn chưa đem lại kết quả mong muốn. Người ta cho trinatriphotphat vào nước để khử hết các ion Ca^^, thành dạng muối không tan theo các phản ứng sau:
3CaCl2 + 2Na3PƠ4 ^ Ca3(P04)2 4 + 6NaCl
3 M g S Ơ 4 + 2 N a 3 P 0 4 - > M g 3 ( P Ơ 4 ) 2 i + 3 N a 2 S Ơ 4
3Ca(HC03)2 + 2Na3PƠ4-> Ca3(P04)2 i + 6NaHCƠ3 3Mg(HC03)2 + 2Na3PƠ4 ^ Mg3(PƠ4)2 i + óNaHCOg
Quá trình làm mềm nước bằng trinatriphotphat chỉ diễn ra thuận lợi ở nhiệt độ lớn hơn 100“c . Hiệu quả của quá trình có thể đạt đến 0,04 H- 0,05 mgđl/1. Do giá thành của Na3PƠ4 cao nên người ta chỉ dùng với liều lượng nhỏ và thực hiện quá trình sau khi đã xử lí sơ bộ với vôi và sôđa.
6.2.4. Thiết bị làm mềm nước bằng hoá chất
Một hệ thống làm mềm nước hoàn chỉnh bao gồm; thiết bị pha chế hoá chất, thiết bị phản ứng, thiết bị lắng và thiết bị lọc.
Trong thực tế làm mềm nước, thiết bị quan trọng là thiết bị phản ứng, thưòíng được sử dụng là bể phản ứng xoáy.
Bể phản ứng xoáy (hình 6.1) có tác dụng tạo bông cặn ổn định, có cấu tạo giống như các bể phản ứng xoáy thông thưèmg khác. Trong vận hành để tạo điều kiện kết dính, người ta đưa thêm vào bể các hạt đá hoa nghiền có đường kính từ 0,2 H- 0,3mm. Các hạt tiếp xúc được đưa vào phần trên của bể, nhờ trọng lực chúng chuyển động dần xuống, tiếp xúc với dòng nước đi từ dưới lên, cặn CaC0 3 và Mg(OH)T kết bám dần quanh hạt, lóìi dẩn lên đến cỡ
1,5 -r 2.0mm thì được xả ra ngoài.
Bể phản ứng xoáy chỉ có tác dung kết tinh được cặn CaC0 3, nên khi hàm lượng magiê trong nước vượt quá 10 -H 15mg/l phải đặt thêm bể lắng sau phản ứng để tách M g(O H),. Bể lắng và
Hình 6.1: B ể phản ứng xoáy
1. Ông đưa nước vào; 2. ô n g đưa hoá chất vào;
3. ỏ n g dẫn nước ra; 4. Hạt tiếp xúc; 5. ố n g dẫn hạt tiếp xúc vào; 6. Ông dẫn hạt tiếp xúc ra; 7. ô n g lấy
mẫu thử; 8. ô n g xả cặn; 9. Van xả khí
bể lọc trong hệ thống có cấu tạo và cách thức vận hành như trong trường hợp xử lí thông thưòng. Điều cần chú ý ở đây là khi rửa lọc phải tính đến khả năng phá lớp cặn CaC03 bám trèn bề mặt bể lọc.