Các phương pháp làm mềm nước cứng hiệu quả nhất hiện nay

Nước không chỉ là nước, nước có nhiều loại khác nhau đấy các bạn ơi. Trong đó, nước mềm và nước cứng thường được các bạn thắc mắc. Nước cứng gây nhiều phiền hà đối với đời sống chúng ta và gây thiệt hại vô cùng to lớn trong sản xuất công nghiệp. Cho nên cần nhiều phương pháp làm mềm nước cứng hiệu quả đã được nghiên cứu và ứng dụng thực tế để biến nước cứng thành nước mềm để phục vụ đời sống. Mời các bạn tìm hiểu phương pháp làm mềm nước cứng phổ biến nhất hiện nay.

1. Nước cứng

- Nước cứng là nước có chứa một lượng lớn khoáng chất dưới dạng các ion. Các ion phổ biến nhất được tìm thấy trong nước cứng là các cation kim loại canxi (Ca2+) và (Mg2+).

Các thành phần có trong nước cứng

- Thành phần chủ yếu có trong nước cứng là các khoáng chất hòa tan dưới dạng các ion, mà ở đây chủ yếu là cation của kim loại canxi  và magie (Mg2+). 

- Thêm vào đó, trong nước cứng cũng có thể chứa một hàm lượng nhỏ các ion sắt và những ion kim loại khác như sắt stronti, nhôm, bari, mangan, kẽm,... Những kim loại này có thể hòa tan trong nước, có nghĩa là chúng có thể làm tăng độ cứng của nước. 

Phương pháp làm mềm nước cứng

Các mức độ của nước cứng là gì?

Theo USGS (Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ), độ cứng của nước được xác định dựa trên nồng độ của các cation kim loại canxi ((Ca2+) và magie (Mg2+):

+ 0 đến 60 mg/L (miligam mỗi lít): nước mềm

+ 61 đến 120 mg/L: nước cứng vừa phải

+ 121 đến 180 mg/L: nước cứng

+ Hơn 180 mg/L: nước rất cứng

- Độ cứng của nước là do sự hiện diện của bicacbonat hòa tan, clorua và sunfat của canxi và magiê. Có 2 loại độ cứng của nước thường gặp là độ cứng tạm thời và vĩnh viễn trong nước.

- Đơn vị đo của nước cứng là Deutsche Härte (°dH của nước Đức), 0f (của nước Pháp), 0e (của nước Anh). Còn ở Việt Nam dùng đơn vị mg đương lượng/lít và ppm.

- Bên cạnh khái niệm nước cứng thì nước mềm là gì thường được nhiều bạn thắc mắc. Các bạn có thể tham khảo thêm bài viết này nhé!

2. Phương pháp làm mềm nước cứng

2.1. Nguyên tắc làm mềm nước cứng

– Làm giảm nồng độ ion (Ca2+) và (Mg2+) trong nước cứng

2.2. Phương pháp kết tủa

+ Xử lý nước cứng tạm thời:

Dùng một lượng Ca(OH)2 để kết tủa ion Ca2+ Ca(HCO3)2 và ion Mg2+ (Mg(HCO3)2), muối cacbonat của Ca, Mg kết tủa lắng xuống. Sau đó tiến hành lọc kết tủa.

Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2  →   2CaCO3  + 2H2O

Mg(HCO3)2  + Ca(OH)2   →   CaCO3 + MgCO3 + 2H2O

2.3. Phương pháp nhiệt

- Cơ sở lý thuyết của phương pháp này là dùng nhiệt (đun sôi) để bốc hơi khí cacbonic hòa tan trong nước. Trạng thái cân bằng của các hợp chất cacbonic sẽ chuyển dịch theo phương trình phản ứng sau:

2HCO3- → CO32- + H2O + CO2

Ca2+  + CO32- → CaCO3 ↓

Nên Ca(HCO3)2 → CaCO3 ↓ + CO2  + H2O

Cách làm mềm nước cứng bằng phương pháp nhiệt

- Tuy nhiên, khi đun nóng nước chỉ khử được hết khí CO2 và giảm độ cứng cacbonat của nước, còn lượng CaCO3 hòa tan vẫn còn tồn tại trong nước.

+ Xử lý nước cứng vĩnh cửu: dùng Na2CO3 hoặc Na3PO4  để kết tủa Các muối chứa ion SO42-, Cl-.. của kim loại kiềm. Sau đó tiến hành lọc kết tủa.

CaSO4 + Na2CO3  → CaCO3   + Na2SO4

3MgCl2 +  2Na3PO4  →  Mg3(PO4)2 + 6NaCl

2.4. Phương pháp trao đổi ion

- Những hợp chất có khả năng trao đổi cation được gọi là cationit. Những hợp chất có khả năng trao đổi anion được gọi là anionit. Phương pháp trao đổi ion được ứng dụng dựa trên khả năng có thể trao đổi ion của của một số hợp chất cao phân tử gọi là ionit.

- Nguyên lý trao đổi ion là quá trình trao đổi thay thế giữa các ion dương hay âm cố định trên các gốc axit hay bazo của vật liệu hạt trao đổi ion cùng dấu có trong dung dịch lỏng khi có sự tiếp xúc. Sự khác biệt của công nghệ làm mềm nước này thể hiện ở cấu tạo và quy trình công nghệ sản xuất vật liệu trao đổi ion.

- Thông thường các ion dùng để trao đổi thường là các ion lành tính như Na+ hoặc H+. Khi cho nguồn nước dẫn qua các vật liệu lọc thì các ion (Ca2+) và magie (Mg2+) sẽ bị giữ lại trên bề mặt vật liệu. Sử dụng dài ngắn khác nhau.

Làm mềm nước cứng bằng phương pháp trao đổi ion

- Người ta thường dùng Zeolit là một loại cationit (natrisilicat) thiên nhiên hay nhân tạo để trao đổi ion Na+ với các ion (Ca2+) và (Mg2+) của nước cứng:

Nước cứng (Ca2 & Mg2+) + Zeolit (Na+) →

Nước mềm (Na+) + Zeolit (Ca2+ Mg2+) →

Minh họa bằng phương trình:

Na2Al2Si2O8.xH2O + Ca(HCO3)2 → CaAl2Si2O8.xH2O + 2NaHCO3

- Sau đó tái sinh Zeolit bằng NaCl:

CaAl2Si2O8.xH2O + 2NaCl → Na2Al2Si2O8.xH2O + CaCl2

Ngày nay, phương pháp trao đổi ion được sử dụng phổ biến và rất hiệu quả trong xử lí nước cứng. Bằng cách sử dụng các vật liệu Polyme chứa các ion trao đổi. Các ion này (Chủ yếu là cation Na+) có khả năng trao đổi và thay thế các ion (Ca2+) và (Mg2+) trong nước cứng. Từ đó làm giảm nồng độ của các ion này.

3. Quy trình xử lí nước cứng bằng phương pháp trao đổi ion

- Bước 1: Nước cứng chảy qua, các vật liệu lọc trong hệ thống lọc nước: Các vật liệu lọc này hoạt động như một nam châm, thu hút toàn bộ các ion (Ca2+) và (Mg2+) (tác nhân gây cứng nước) trao đổi với các ion Na+ hoặc H+ có sẵn trong vật liệu

- Bước 2: Vật liệu lọc bị bão hòa: Khi vật liệu lọc bị bão hòa với các ion khoáng chất thì nó cần được xả và nạp lại. Quá trình này được gọi là quá trình tái tạo và được kiểm soát bởi 1 van điều khiển trên nắp của bình. Van điều khiển này là bộ não của toàn hệ thống.

- Bước 3: Tái tạo: Trong quá trình này, một thùng chứa nước muối sẽ bơm nước muối sang cột xử lý, rửa sạch vật liệu lọc đang trong trạng thái bão hòa các chất canxi và magiê.

- Bước 4: Đào thải: Các ion (Ca2+) và (Mg2+) được tẩy sạch trên vật liệu và thoát ra ngoài cống rãnh. Vật liệu lọc được tái sinh lại tiếp tục cho quá trình xử lý mới.

Hệ thống làm mềm nước cứng bằng phương pháp trao đổi ion

- Phương pháp làm mềm nước cứng toàn phần cho nước cứng đi qua 2 cột trao đổi ion. Một cột đựng nhựa cationit và một cột đựng nhựa anionit. Nhựa cationit là hợp chất cao phân tử hữu cơ chứa nhóm axit, có công thức chung là RCOOH (R là gốc hữu cơ phức tạp). Qua cột này, các cation trong nước bị giữ lại và trong nước sinh ra axit.

2RCOOH + CaSO4 →  Ca(RCOO)2 + H2SO4

RCOOH + NaCl  → RCOONa + HCl

Nhựa anionit là những hợp chất cao phân tử hữu cơ chứa nhóm bazo có công thức chung RNH3OH. Qua cột này axit được giữ lại.

2RNH3OH + H2SO4 →  (RNH3)2SO4 + 2H2O

RNH3OH + HCl  →  RNH3Cl + H2O

Tái sinh nhựa tro đổi ion: đưa dung dịch axit qua cột đựng nhựa cationit và đưa dung dịch kiềm qua cột anionit

2NaRCOO + H2SO4  →  2RCOOH + Na2SO4

(RNH3)Cl + NaOH  →  RNH3OH + NaCl

Lời kết

Nước cứng gây ảnh hưởng tiêu cực tới sức khỏe và cuộc sống sinh hoạt của các hộ gia đình. Tuy nhiên, sự phát triển của hóa học thì kiến thức về nước cứng cũng được khám phá như phân loại, đơn vị đo nước cứng, nguồn gốc, tác hại của nước cứng và cách làm mềm nước cứng đầy đủ nhất. Bên cạnh đó, bài viết nước cứng là gì chia sẽ phương pháp làm mềm nước cứng hiện đại nhất và được áp dụng thực tế trong đời sống và công nghiệp hiện nay. Chúc các bạn học tốt nhé!