Cách làm mềm nước cứng vĩnh cửu bằng vôi – soda

Hiện nay có khá nhiều cách để xử lý nguồn nước có độ cứng cao. Trong đó xử lý nước cứng bằng vôi – soda là cách khá phổ biến. Hãy cùng Geyser Việt Nam tìm hiểu phương pháp làm mềm nước cứng vô cùng hiệu quả này trong bài viết dưới đây nhé!

1. Nguyên nhân gây ra độ cứng của nước

Nước sinh hoạt có độ cứng cao rất dễ để nhận biết trong sinh hoạt hàng ngày. Khi sử dụng xà phòng để gội đầu, tắm giặt thì đặc tính tạo bọt của nó rất kém, khiến cho tóc sau khi gội bị cứng, khác hẳn với khi sử dụng nước mưa để gội, tóc sau gội sẽ trở nên mềm mại. Nguyên nhân của hiện tượng trên là khi gặp các ion hóa trị +2 trong nước, ion natri hay kali trong xà phòng sẽ bị các ion trên trao đổi và chiếm chỗ.

Muối của ion hóa trị +2 với gốc axit béo là dạng không tan nên không có tác dụng tẩy rửa. ngòai ra nươc có độ cứng cao sẽ tạo cặn đá vôi kết tủa khi đun nóng, cặn này kết bám trong phích nước, trong ấm đun nước và bình đun nước trong phòng tắm.

Nguyên nhân gây ra độ cứng của nước chính là do sự có mặt của các ion hoá trị cao như sắt, mangan, nhôm, canxi, magie, kẽm, bari. Tuy nhiên, chỉ có hai nguyên tố là canxi và magie trong nước là có nồng độ đáng kể, các nguyên tố khác có hàm lượng thấp không gây ảnh hưởng đến độ cứng của nước. Khi nói đến độ cứng của nước thì sẽ nói về sự có mặt của canxi và magie trong nước.

Theo tiêu chuẩn nước sạch dùng cho ăn uống QCQG 01:2009/BYT thì hàm lượng Canxi phải nhỏ hơn 300 mg/l tính theo CaCO3. Rất nhiều trạm cấp nước sạch hiện nay chưa đáp ứng được tiêu chuẩn này do nguồn nước khai thác đưa vào xử lý có độ cứng khá cao mà hệ thống xử lý nước hiện có dùng công nghệ lắng + lọc truyền thống không thể xử lý được.

Nguồn nước suối có độ cứng cao thường gặp nhiều tại các tỉnh như: Sơn La, Quảng Bình, Điện Biên. Nguồn nước ngầm có độ cứng cao thường gặp tại các tỉnh: Trà Vinh, Sóc Trăng…

2. Phương pháp làm mềm nước cứng vĩnh cửu

Để nâng cao chất lượng nước sạch để phục vụ người dân cần phải xây lắp công trình làm mềm nước cho các trạm cấp nước để sao cho nước cấp có độ cứng thấp hơn tiêu chuẩn quy định của nhà nước, nếu được cần hạ hàm lượng canxi xuống dưới 200 mg/l tín theo CaCO3. Làm mềm nước là quá trình loại bỏ các ion Ca, Mg ra khỏi nước nhằm mục đích:

• Khắc phục hiện tượng kết tủa muối khoáng canxi khi đun nước.
• Nâng cao chất lượng sản phẩm trong nền công nghiệp chế biến thực phẩm, đồ uống.

Trong quá trình làm mềm nước còn có thêm một số lợi ích khác như kiểm soát sự phát triển của các vi sinh vật, loại bỏ được một phần chất hữu cơ, vô cơ dạng vết.

3. Cách xử lý nước có độ cứng cao bằng vôi và soda

Làm mềm nước được thực hiện chủ yếu theo hai phương pháp sau: kết tủa với vôi – soda và trao đổi ion. Phương pháp lọc nước sạch bằng trao đổi ion qua kiểm chứng có hiệu suất loại bỏ cao hơn phương pháp kết tủa, nhưng do chi phí sản xuất cao nên ít được sử dụng để xử lý nước sinh hoạt.

Phương pháp làm mềm hay xử lý nước cứng bằng vôi – soda theo phương pháp kết tủa lại có chi phí sản xuất thấp nên hầu hết các công trình khử cứng đều áp dụng phương pháp này cho trạm cấp nước. Đây là cách loại trừ Ca2+, Mg2+ ra khỏi nước dựa trên cơ sở tính tan thấp của CaCO3 và Mg(OH)2 và từ đó có thể tách chúng ra khỏi nước bằng các biện pháp lắng, lọc.

Khả năng tan của CaCO3 ở vùng nhiệt độ và pH thông thường nhỏ hơn 10mg/l. Kết quả của quá trình là làm giảm nồng độ Ca2+ trong dạng liên kết với bicarbonat (độ cứng cacbonat).

Độ cứng phi carbonat của thành phần canxi không thể giảm được do làm tăng pH của môi trường, muốn loại bỏ canxi dạng này cần phải bổ sung thêm Na2CO3 (soda, sử dụng thành phần CO32- trong đó) để tạo ra CaCO3 kết tủa.
Ion magie dạng carbonat, phi carbonat chỉ có thể kết tủa khi mà nồng độ OH- đủ lớn để hình thành Mg(OH)2 đạt nồng độ vượt mức bão hòa (tích số tan là 1,2.10-11).

Nguồn kiềm cung cấp cho phản ứng (OH-) có thể sử dụng nhiều loại: NaOH, KOH, Ca(OH)2. Sử dụng NaOH, KOH, đưa thêm vào nước kali, natri là điều không mong muốn và giá thành của chúng cao. Sử dụng vôi tôi (Ca(OH)2) sẽ có giá thành thấp hơn, mặt khác thành phần canxi trong vôi tôi sẽ cùng kết tủa với canxi có sẵn trong nước mà không làm tăng thêm thành phần khoáng của nước. Do sử dụng vôi và soda để khử độ cứng cho nước nên phương pháp trên được gọi là phương pháp vôi – soda. Khử cứng theo phương pháp vôi – soda nhằm tăng pH của môi trường (vôi) và ion CO32- từ soda.

3.1 Các phản ứng hóa học có thể xảy ra

Các phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình khử cứng bao gồm:

• H2CO3 + Ca(OH)2 → CaCO3 + H2O (1)
• Ca2 + 2HCO3- + Ca(OH)2 → 2CaCO3 + H2O (2)
• Ca2 + SO4 + Cl+ Na2CO3 → CaCO3 + 2Na+SO42 + Cl (3)
• Mg2+ 2HCO3+ 2Ca(OH)2 → 2CaCO3 + Mg(OH)2 + 2H2O (4)
• Mg2+ SO4+ Cl+ Ca(OH)2 → Mg(OH)2 + Ca2+ SO4+ Cl (5)

Từ các phản ứng trên ta có thể thấy, sử dụng vôi có thể loại bỏ được độ cứng carbonat theo cơ chế dịch chuyển cân bằng từ HCO3- thành CO32- nhờ tăng pH của dung dịch lên và tạo thành hợp chất CaCO3 ít tan. Lượng vôi cần sử dụng so với H2CO3 và Ca2+ tính theo tỉ lệ khối lượng là 1:1 tính theo CaCO3. Đối với Mg(HCO3)2 thì phải cần lượng vôi lớn gấp đôi (pH > 10,5) và dạng kết tủa là Mg(OH)2. Trong quá trình sử dụng vôi để kết tủa còn loại bỏ được cả thành phần kiềm (HCO3-) của nước.

Để loại bỏ độ cứng phi carbonat cần phải dùng soda với tỉ lệ 1:1 tính theo CaCO3. Việc tính toán lượng vôi, soda cần thiết để có thể thực hiện theo các phản ứng hóa học tương ứng phụ thuộc vào đặc trưng hóa học của nước và các mục tiêu xử lý.

3.2 Quy trình công nghệ xử lý nước cứng bằng vôi và soda

Bốn quá trình điển hình diễn ra sau đây:

• Kết tủa một giai đoạn bằng vôi: nước không chứa độ cứng phi carbonat, độ cứng carbonat là do canxi, độ cứng carbonat do magie thấp.
• Quá trình dư vôi: nước không chứa độ cứng phi carbonat, hàm lượng canxi, magie đều cao. Tiến hành theo một hay hai giai đoạn.
• Kết tủa một giai đoạn bằng vôi, soda: nước chứa nhiều canxi, ít magie và có thể chứa một phần độ cứng canxi phi carbonat.
• Quá trình kết tủa dư vôi, soda: nước chứa canxi, magie với hàm lượng cao, chứa một phần độ cứng phi carbonat, tiến hành theo một hoặc hai giai đoạn.

Sản phẩm CaCO3 tạo thành có độ tan thấp nhất tại pH = 9,8 tương ứng với nồng độ canxi thấp nhất ở trong nước. Nếu tiếp tục tăng pH lên đến trên 11 thì CaCO3 kết tủa sẽ lại tan trở lại. Phương pháp vôi – soda không thể loại bỏ toàn bộ canxi và magie ra khỏi nước, lượng dư càng lớn khi nhiệt độ càng tăng cao, thường nằm trong khoảng 10 – 15mg/l.

Vì thế quá trình xử lý nước cứng bằng vôi – soda phụ thuộc vào nhu cầu lượng nước cần cấp, đặc trưng của nước nguồn sử dụng và chất lượng yêu cầu đối với sản phẩm cũng như xử lý chất rắn tạo thành.Nước có độ cứng cao thường là nguồn nước ngầm chứa nhiều khí carbonic và dễ nhiễm sắt, mangan. Trong trường hợp đó có thể phối hợp xử lý cùng lúc sắt, mangan và khử độ cứng. Quá trình kết hợp cần này sử dụng nguồn oxy cưỡng bức để oxy hóa sắt, đồng thời tách loại khí carbonic trong nước. Khi cần điều chỉnh pH thì nên dùng vôi để tăng tốc độ oxy hóa sắt và kết tủa canxi.