Nội dung

Bµi gi¶ng m«n: Ho¸ n−íc 2006 - 2007 Ch−¬ng 5. Lµm mÒm n−íc 1 Lµm mÒm m−íc
N−íc cã ®é cøng cao th−êng g©y nªn nhiÒu t¸c h¹i cho ng−êi sö dông, lµm l!ng phÝ xµ phßng vµ c¸c chÊt tÈy, t¹o ra cÆn kÕt b¸m v÷ng ch¾c bªn trong ®−êng èng, thiÕt bÞ c«ng nghiÖp, lµm gi¶m kh¶ n¨ng ho¹t ®éng vµ tuæi thä cña chóng. Lµm mÒm n−íc thùc chÊt lµ qu¸ tr×nh xö lý gi¶m hµm l−îng canxi vµ magie, nh»m h¹ ®é cøng cña n−íc xuèng ®Õn møc cho phÐp. C¸c ph−¬ng ph¸p lµm mÒm n−íc c¬ b¶n lµ: + Ph−¬ng ph¸p ho¸ häc, + Ph−¬ng ph¸p nhiÖt, + Ph−¬ng ph¸p trao ®æi ion + Ph−¬ng ph¸p kÕt hîp.

2 TrÇn C«ng Kh¸nh- PGS. TS. NguyÔn ViÖt Anh, Bé m«n CTN, §HXD Bµi gi¶ng m«n: Ho¸ n−íc 2006 - 2007 5.1. Lµm mÒm n−íc b»ng ph−¬ng ph¸p ho¸ häc
C¬ së cña ph−¬ng ph¸p nµy lµ ®−a vµo n−íc c¸c ho¸ chÊt cã kh¶ n¨ng kÕt hîp víi c¸c ion Ca2+ vµ Mg2+ t¹o ra c¸c hîp chÊt kh«ng tan vµ lo¹i trõ khái n−íc b»ng biÖn ph¸p l¾ng, läc. C¸c ph−¬ng ph¸p lµm mÒm n−íc ho¸ häc: + Lµm mÒm n−íc b»ng v«i. + Lµm mÒm n−íc b»ng v«i vµ so®a. + Lµm mÒm n−íc b»ng photphat + Ngoµi ra: lµm mÒm b»ng xót, muèi bari, ...
3 5.1.1. Lµm mÒm n−íc b»ng v«i
Lµ ph−¬ng ph¸p khö ®é cøng ®−îc ¸p dông khi cÇn ph¶i gi¶m c¶ ®é cøng vµ ®é kiÒm cña n−íc. Khi v«i vµo n−íc, c¸c ph¶n øng x¶y ra theo tr×nh tù sau: 2CO2 + Ca(OH)2 → Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 → Ca(HCO3)2 (1) 2CaCO3↓ + 2H2O (2) Mg(HCO3)2 + 2Ca(OH)2 → Mg(OH)2↓ + 2CaCO3↓ + 2H2O (3) NÕu trong n−íc cã NaHCO3 sÏ cã ph¶n øng: 2NaHCO3 + Ca(OH)2 → CaCO3↓ + Na2CO3 + H2O (4) 4 TrÇn C«ng Kh¸nh- PGS. TS. NguyÔn ViÖt Anh, Bé m«n CTN, §HXD Bµi gi¶ng m«n: Ho¸ n−íc 2006 - 2007 5.1.1. Lµm mÒm n−íc b»ng v«i
NÕu tæng hîp hµm l−îng c¸c ion HCO vµ CO32- cã trong n−íc nhá h¬n tæng hµm l−îng c¸c ion Ca2+ vµ Mg2+, th× mét phÇn magie sÏ tån t¹i ë d¹ng muèi cña axit m¹nh nh− MgSO4, MgCl2. Ph¶n øng víi v«i sÏ lµ: 3
- MgSO4 + Ca(OH)2 → Mg(OH)2↓ + CaSO4 (5) MgCl2 + Ca(OH)2 → Mg(OH)2↓ + CaCl2 (6) C¸c ph¶n øng trªn lµm gi¶m ®é cøng magie nh−ng kh«ng lµm gi¶m ®é cøng toµn phÇn v× l−îng Mg2+ t¸ch ra khái n−íc l¹i ®−îc thay thÕ b»ng mét l−îng t−¬ng ®−¬ng Ca2+. §Ó gi¶m ®−îc ®é cøng toµn phÇn ph¶i pha thªm vµo n−íc mét l−îng CO32-, sao cho tÝch sè cña [CO32-].[Ca2+]®! tham gia ph¶n øng thÕ chç Mg2+ lín h¬n tÝch sè hoµ tan cña CaCO3. 5 5.1.1. Lµm mÒm n−íc b»ng v«i • Giíi h¹n lý thuyÕt cña qu¸ tr×nh lµm mÒm n−íc b»ng v«i phô thuéc vµo ®é hoµ tan cña CaCO3 vµo Mg(OH)2 (b¶ng 1). Trong n−íc thiªn nhiªn, ®é hoµ tan cña c¸c hîp chÊt trªn phô thuéc vµo thµnh phÇn ion cña n−íc vµ l−îng CO32-, OH- tù do. B¶ng 1. Giíi h¹n lµm mÒm n−íc theo lý thuyÕt. NhiÖt ®é n−íc oC 0 80 ®é hoµ tan CaCO3 Mg(OH)2 m®lg/l m®lg/l 0,15 0,40 0,03 0,23 Giíi h¹n lµm mÒm m®lg/l 0,55 0,23 6 TrÇn C«ng Kh¸nh- PGS. TS. NguyÔn ViÖt Anh, Bé m«n CTN, §HXD Bµi gi¶ng m«n: Ho¸ n−íc 2006 - 2007 5.1.1. Lµm mÒm n−íc b»ng v«i * C¸c hîp chÊt CaCO3 vµ Mg(OH)2 cã kh¶ n¨ng t¹o ra dung dÞch qu¸ b!o hoµ, khi ®ã n−íc ®! lµm mÒm sÏ cßn l¹i mét l−îng Ca(OH)2 d−. NÕu l−îng d− nµy qu¸ lín sÏ l¹i lµm t¨ng ®é cøng vµ ®é kiÒm cña n−íc ®! lµm mÒm. Nh− vËy hiÖu qu¶ cña qu¸ tr×nh lµm mÒm n−íc b»ng v«i sÏ phô thuéc vµo ®iÒu kiÖn c©n b»ng b-o hoµ cña n−íc bëi c¸c hîp chÊt CaCO3 vµ Mg(OH)2 ®−îc t¹o ra. - LiÒu l−îng v«i cÇn thiÕt phô thuéc vµo tû lÖ thµnh phÇn cña c¸c ion cã trong n−íc. a. NÕu hµm l−îng Ca2+ lín h¬n HCO3- (xem h×nh trang sau) th× l−îng v«i (mg/l) ®−îc x¸c ®Þnh theo B¶ng 1 vµ tÝnh theo c«ng thøc sau:  CO2 HCO3− aP  100 av = 28. + ± + 0,5 . (7) 22 61,02 e C  P  v 7 5.1.1. Lµm mÒm n−íc b»ng v«i av – l−îng v«i sö dông (v«i th«), mg/l; HCO3- - hµm l−îng hydrocacbonat trong n−íc, mg/l; ap – l−¬ng phÌn (FeCl3 hoÆc FeSO4) tÝnh, mg/l e - ®−¬ng l−îng cña phÌn ho¹t tÝnh (e=54 víi FeCl3; e=76 víi FeSO4); Cv – tû lÖ v«i tinh khiÕt theo CaO trong v«i th«, %; 0,5 – l−îng dù phßng ®Ó ®¶m b¶o l¾ng cÆn CaCO3 khi pH xÊp xØ 9,5. ap •Sè h¹ng e p trong (7) lÊy dÊu d−¬ng khi cho phÌn vµo n−íc cïng hoÆc sau khi cho v«i, dÊu ©m khi cho phÌn tr−íc v«i (v× khi phÌn thuû ph©n ®! lµm gi¶m ®é kiÒm tù nhiªn cña n−íc). 8 TrÇn C«ng Kh¸nh- PGS. TS. NguyÔn ViÖt Anh, Bé m«n CTN, §HXD Bµi gi¶ng m«n: Ho¸ n−íc 2006 - 2007 5.1.1. Lµm mÒm n−íc b»ng v«i BiÓu ®å thµnh phÇn gi¶ ®Þnh cña ion trong c¸c nguån n−íc kh¸c nhau. a) b) Ca2+ HCO3- Mg2+ SO42- Ca2+ HCO3- Mg2+ SO42HCO3- - Ca2+ Na+, K+ ClNa+, K+ Cl- 9 5.1.1. Lµm mÒm n−íc b»ng v«i b) Trong tr−êng hîp hµm l−îng Ca2+ nhá h¬n hµm l−îng HCO3- (xem h×nh trang tr−íc) th× l−îng v«i cÇn thiÕt ®−îc tÝnh theo c«ng thøc sau:  CO2  100 HCO3− Ca 2 + aP + 2. − ± + 1. av = 28. 61,02 20,04 eP  22  Cv mg/l (8) Trong ®ã: Ca2+ - l−îng Ca2+ trong n−íc, mg/l; C¸c ký hiÖu kh¸c nh− trong (7) - L−îng dù phßng b»ng 1 mg®l/l v× ph¶i chuyÓn Mg(HCO3)2 thµnh Mg(OH)2  - §Ó t¨ng c−êng cho qu¸ tr×nh l¾ng cÆn CaCO3 vµ Mg(OH)2 khi lµm mÒm b»ng v«i, pha thªm phÌn vµo n−íc. Do ph¶n øng lµm mÒm diÔn ra ë pH lín h¬n 9 nªn kh«ng dïng ®−îc phÌn nh«m, v× phÌn nh«m sÏ t¹o ra aluminat hoµ tan. - LiÒu l−îng phÌn cÇn thiÕt x¸c ®Þnh theo c«ng thøc thùc nghiÖm: (9) a = 3 M ; mg/l p Trong ®ã: M – tæng hµm l−îng cÆn trong n−íc lµm mÒm, mg/l. 10 TrÇn C«ng Kh¸nh- PGS. TS. NguyÔn ViÖt Anh, Bé m«n CTN, §HXD Bµi gi¶ng m«n: Ho¸ n−íc 2006 - 2007 5.1.1. Lµm mÒm n−íc b»ng v«i - Gi¸ trÞ cña M ®Ó tÝnh trong tr−êng hîp dïng c«ng thøc (7) M = M 0 + 50. CO2 HCO3− 100 − Cv + 2.50. + av . 22 61.02 100 (10) vµ c«ng thøc (8) lµ: M = M 0 + 50. HCO3− 100 − C v CO2 Mg 2+ + 2.50. + 29. + av . 22 61.02 12.16 100 (11) Trong ®ã: Mo – hµm l−îng cÆn kh«ng tan trong n−íc nguån, mg/l; c¸c ký hiÖu kh¸c nh− trong (7) vµ (8) 11 5.1.2. Lµm mÒm n−íc b»ng v«i vµ so®a - Khi tæng hµm l−îng c¸c ion Mg2+ vµ Ca2+ lín h¬n tæng hµm l−îng c¸c ion HCO3- vµ CO32-, nÕu sö dông v«i ®Ó khö ®−îc ®é cøng magie, nh−ng ®é cøng toµn phÇn kh«ng gi¶m. §Ó kh¾c phôc ®iÒu nµy, cho thªm so®a vµo n−íc, c¸c ph¶n øng sÏ lµ: MgSO4 + Ca(OH)2 → Mg(OH)2↓ + CaSO4 MgCl2 + Ca(OH)2 → Mg(OH)2↓ + CaCl2 CaSO4 + Na2CO3 → CaCO3↓ + Na2SO4 CaCl2 + Na2CO3 → CaCO3↓ + 2NaCl 12 TrÇn C«ng Kh¸nh- PGS. TS. NguyÔn ViÖt Anh, Bé m«n CTN, §HXD Bµi gi¶ng m«n: Ho¸ n−íc 2006 - 2007 5.1.2. Lµm mÒm n−íc b»ng v«i vµ so®a Nh− vËy ion CO32- cña so®a ®- thay thÕ ion cña c¸c axit m¹nh t¹o ra CaCO3 kÕt tña. Theo c¸c ph¶n øng trªn cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc l−îng v«i vµ so®a cÇn thiÕt:  CO2 HCO3− Mg 2 + aP  100 + + ± + 0,5 . av = 28. 61,02 12,16 eP  22  Cv  Ca 2 + Mg 2 + HCO3− aP  100 + − ± + 1. as = 53.  20,04 12,16 61,02 eP  Cs Trong ®ã: as – l−îng so®a tÝnh theo s¶n phÈm th«, mgl/l; Cs – hµm l−îng Na2CO3 tinh khiÕt trong s¶n phÈm th« (%) C¸c ký hiÖu cßn l¹i gièng nh− (7) vµ (8). 13 5.1.3. Lµm mÒm n−íc b»ng photphat * Khi cÇn lµm mÒm triÖt ®Ó, sö dông v«i vµ so®a vÉn ch−a h¹ ®é cøng cña n−íc xuèng ®−îc ®Õn møc tèi thiÓu. §Ó ®¹t ®−îc ®iÒu nµy, cho vµo n−íc Na2PO4 sÏ khö ®−îc hÕt c¸c ion Ca2+ vµ Mg2+ ra khái n−íc ë d¹ng c¸c muèi kh«ng tan theo ph¶n øng: 3CaCl2 + 2Na3PO4 → Ca3(PO4)2↓ + 6NaCl 3MgSO4 + 2Na3PO4 → Mg3(PO4)2↓ + 3NaPO4 3Ca(HCO3)2 + 2Na3PO4 → Ca3(PO4)2↓ + 6NaHCO3 3Mg(HCO3)2 + 2Na3PO4 → Mg3(PO4)2↓ + 6NaHCO3 * Qu¸ tr×nh lµm mÒm n−íc b»ng photphat chØ diÔn ra thuËn lîi ë nhiÖt ®é cao. Sau xö lý, ®é cøng cña n−íc gi¶m xuèng cßn 0,04 ®Õn 0,05 m®lg/l. Do gi¸ thµnh cña Na3PO4 cao nªn th−êng chØ dïng nã víi liÒu l−îng nhá sau khi ®! lµm mÒm b»ng v«i vµ so®a. 14 TrÇn C«ng Kh¸nh- PGS. TS. NguyÔn ViÖt Anh, Bé m«n CTN, §HXD Bµi gi¶ng m«n: Ho¸ n−íc 2006 - 2007 5.1.4. Lµm mÒm n−íc b»ng bari * C¸c ph−¬ng tr×nh ph¶n øng: CaSO4 + BaCO3 → MgSO4 + BaCO3 → MgCO3 + Ca(OH) 2 → CaSO4 + Ba(OH)2 Ca(OH)2 + Ca(HCO3)2 MgSO4 + Ba(OH)2 BaSO4↓ + CaCO3 BaSO4↓ + MgCO3 Mg(OH)2↓ + CaCO3 ↓ → → → BaSO4↓ + Ca(OH)2 CaCO3↓ + H2O BaSO4↓ + Mg(OH)2 ↓ * C¸c hîp chÊt Bari cã gi¸ thµnh cao nªn ph−¬ng ph¸p nµy Ýt ®−îc sö dông. MÆt kh¸c Bari lµ ho¸ chÊt ®éc nªn kh«ng dïng ®Ó XL n−íc ¨n uèng. 15 5.1.5. C¸c biÖn ph¸p ®Èy m¹nh qu¸ tr×nh lµm mÒm b»ng ho¸ chÊt * Qu¸ tr×nh xö lý lµm mÒm n−íc b»ng ho¸ chÊt diÔn ra qua hai pha. Pha thø nhÊt lµ c¸c ph¶n øng ho¸ häc khi cho ho¸ chÊt vµo n−íc. Trong thùc tÕ pha nµy x¶y ra gÇn nh− tøc thêi. Pha thø hai lµ qu¸ tr×nh kÕt tinh t¹o b«ng cÆn. Tèc ®é cña qu¸ tr×nh lµm mÒm n−íc ®−îc x¸c ®Þnh b»ng c−êng ®é diÔn biÕn cña pha thø hai. * C¸c gi¶i ph¸p trong kü thuËt ®Ó ®Èy nhanh tèc ®é cña qu¸ tr×nh lµm mÒm lµ: §un nãng n−íc, cho d− l−îng ho¸ chÊt vµ t¹o m«i tr−êng kÕt tinh cÆn nhanh nhÊt. * Khi ®un nãng n−íc, c¸c ph¶n øng t¹o b«ng cÆn sÏ diÔn ra nhanh h¬n, ®é hoµ tan cña CaCO3 vµ Mg(OH)2 gi¶m. H×nh sau cho thÊy ¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é ®Õn hiÖu qu¶ cña qu¸ tr×nh lµm mÒm n−íc b»ng v«i vµ so®a, hiÖu qu¶ t¨ng râ rÖt khi ®un n−íc ®Õn 40oC vµ ®Õn hoµn toµn ë nhiÖt ®é trªn 100oC. 16 TrÇn C«ng Kh¸nh- PGS. TS. NguyÔn ViÖt Anh, Bé m«n CTN, §HXD Bµi gi¶ng m«n: Ho¸ n−íc 2006 - 2007 17 5.1.5. C¸c biÖn ph¸p ®Èy m¹nh qu¸ tr×nh lµm mÒm b»ng ho¸ chÊt * BiÖn ph¸p cho d− ho¸ chÊt chØ sö dông h¹n chÕ víi v«i. Khi cho qu¸ thõa l−îng v«i, ®é cøng cña n−íc sau khi lµm mÒm sÏ l¹i t¨ng lªn (h×nh vÏ). NÕu chØ lµm mÒm b»ng v«i, l−îng v«i d− lÊy kh«ng qu¸ 0,5 m®lg/l. Khi lµm mÒm b»ng v«i vµ so®a, nÕu qu¸ nhiÒu v«i sÏ g©y l!ng phÝ so®a vµ lµm t¨ng ®é kiÒm cña n−íc. * §Ó t¹o m«i tr−êng kÕt tinh, th−êng sö dông c¸c gi¶i ph¸p nh− bÓ l¾ng cã líp cÆn l¬ löng. C¸c h¹t cÆn l¬ löng ®−îc t¹o ra tr−íc sÏ lµ nh©n kÕt tinh c¸c b«ng cÆn CaCO3 vµ Mg(OH)2. 18 TrÇn C«ng Kh¸nh- PGS. TS. NguyÔn ViÖt Anh, Bé m«n CTN, §HXD Bµi gi¶ng m«n: Ho¸ n−íc 2006 - 2007 19 5.2. Lµm mÒm n−íc b»ng ph−¬ng ph¸p nhiÖt * Nguyªn lý c¬ b¶n: khi ®un nãng n−íc, khÝ cacbonic hoµ tan sÏ bÞ khö hÕt th«ng qua sù bèc h¬i, tr¹ng th¸i c©n b»ng cña c¸c hîp chÊt cacbonic sÏ chuyÓn dÞch theo ph−¬ng tr×nh. Ca(HCO3)2 → CaCO3↓ + CO2↑ + H2O * Tuy nhiªn ®un s«i n−íc chØ khö hÕt khÝ CO2 vµ gi¶m ®é cøng cacbonat cña n−íc, trong n−íc vÉn cßn mét l−îng CaCO3 hoµ tan. §èi víi magie qu¸ tr×nh l¾ng cÆn x¶y ra qua hai b−íc, khi nhiÖt ®é n−íc ®¹t 18oC: Mg(HCO3)2 → MgCO3↓ + CO2↑ + H2O Khi tiÕp tôc t¨ng nhiÖt ®é th× MgCO3 bÞ ph©n huû: MgCO3 → Mg(OH)2↓ + CO2↑ 20 TrÇn C«ng Kh¸nh- PGS. TS. NguyÔn ViÖt Anh, Bé m«n CTN, §HXD