Nước cứng, nước nhiễm đá vôi là gì và cách xử lý

NƯỚC CỨNG (NHIỄM ION Ca²⁺,Mg²⁺)

1. Khái niệm

  Nước cứng là loại nước tự nhiên chứa nhiều ion canxi (Ca²⁺) và magie (Mg²⁺), mức độ cứng của nước được xác định và đặc trưng bằng tổng hàm lượng hai ion này.

Hình 1. Bảng mức độ nước cứng theo nồng độ ion

  Các ion này đi vào nguồn cung cấp nước bằng cách rửa trôi từ các khoáng chất trong tầng nước ngầm. Độ cứng của nước trong thiên nhiên dao động rất nhiều và thường gặp độ cứng lớn ở nguồn nước ngầm. Ở Việt Nam hiện tại đang có ba loại nước cứng:

 + Nước cứng tạm thời : trong nước tồn tại khoáng chất bicabonat hòa tan của canxi và magie Ca(HCO₃)_2, Mg(HCO₃)₂. Nước cứng tạm thời có thể xử lý loại độ cứng bằng phương pháp đun sôi do phản ứng :

Ca(HCO₃)₂  ® CaCO₃ ¯ + CO₂ ­+ H₂O

Mg(HCO₃)₂  ® MgCO₃ ¯ + CO₂­ + H₂O

 + Nước cứng vĩnh cửu: trong nước hiện diện muối hòa tan canxi sulfat CaSO­₄/canxi clorua CaCl₂ và hoặc magie sulfat MgSO₄/ magie clorua MgCl₂ và không thể loại bỏ dễ dàng độ cứng bằng phương pháp kết tủa khi đun sôi như nước cứng tạm thời.

 + Nước cứng toàn phần: là hỗn hợp của hai loại nước cứng tạm thời và vĩnh cửu, trong nước ngoài có mặt đồng thời các muối sunfat, clorua và bicacbonat của canxi và magie.

2. Tác hại và nguồn gốc

   Nước cứng thường có ở những vùng núi đá vôi hay vùng có vỉa đá vôi nằm trong lòng đất, được hình thành khi nước tràn qua các lớp trầm tích của đá vôi và đá phấn. Bình thường, nước mưa khó có thể hòa tan một lượng lớn các chất rắn có trong tự nhiên tuy nhiên nước ngầm có chứa nhiều CO₂ (sinh ra từ hệ vi sinh vật trong lòng đất đá) hòa tan cân bằng với axit cacbonic ở trạng thái tự nhiên có thể hòa tan được hệ đá vôi. Vì đá vôi không phải là nguyên chất mà nó chứa nhiều tạp chất khác nhau nên nước hòa tan cả những tạp chất đó, trong nước cứng có khá nhiều loại ion : sunfat, clorua,…

  Theo WHO nước cứng không có tác dụng xấu đến sức khoẻ mà còn có thể đóng góp quan trọng trong việc bổ sung cho cơ thể một lượng canxi và magiê-khoáng chất có lợi. Các hợp chất canxi hòa tan có thể làm cải thiện hương vị của nước, tốt cho sự phát triển của xương và răng, có thể giúp giảm bệnh tim; uống nước có cả magiê và sulfat ở nồng độ cao (~ 250 mg/l) có thể có tác dụng nhuận tràng. Tuy nhiên khi hấp thụ nước cứng vào cơ thể ở mức độ cao và lâu dài qua đường ăn uống có thể kết tủa cacbonat không tan tích tụ ở một số bộ phận gây cặn, sỏi ảnh hưởng đến sức khỏe con người.

Hình 2. Tác hại của nước cứng

  Trong đời sống sinh hoạt cũng như các hoạt động công nông nghiệp, nước cứng gây ra những tác hại xấu đến dụng cụ, thiết bị chứa đựng và sử dụng nước. Trong sinh hoạt, lượng chất khoáng trong nước cứng ảnh hưởng đến lượng xà phòng và chất tẩy rửa cần thiết để làm sạch, kết tủa gốc axit trong xà phòng và xà phòng không lên bọt, làm thô ráp gây hỏng quần áo. Nước cứng có thể gây ra lớp mảng cặn bám trên cửa kính, tường, bồn tắm, bồn rửa, vòi nước,…trong phòng tắm.

Da tiếp xúc với nước cứng có thể trở nên ngứa và khô ráp. Khi dùng nước pha chế thuốc vì có thể gây kết tủa làm thay đổi thành phần của thuốc, khi nấu ăn sẽ làm mất mùi vị, đồ ăn khó chín. Trong công nghiệp, sử dụng nước cứng khiến các thiết bị sử dụng không hiệu quả và tốn kém nhiên liệu. Các thiết bị công nghiệp như dàn thiết bị làm lạnh, nồi hơi, bình chứa,… sẽ bị đóng cặn kết tủa cacbonat làm giảm hệ số cấp nhiệt, theo thời gian dài có thể gây nguy hiểm, phá hủy thiết bị. Các đường ống dẫn nước cứng lâu dài có thể bị tắc, giảm lưu lượng nước và cần phải thay thế do kết tủa muối cacbonat trong ống.

3. Cách xử lý

   Các phương pháp làm mềm nước cứng chính là để loại bỏ các ion canxi và các ion magie hòa tan ra khỏi nước. Có nhiều phương pháp khác nhau tùy thuộc vào mức độ làm mềm cần thiết (độ cứng cho phép còn lại của nước), chất lượng nước nguồn (loại nước cứng) và các chỉ tiêu kinh tế khác để chọn ra phương pháp làm mềm thích hợp nhất.

3.1 Phương pháp kết tủa hóa học

  Kết tủa hóa học là phương pháp xử lý các ion Ca²⁺, Mg²⁺ hòa tan trong nước thành các hợp chất không tan dễ loại bỏ bằng cách lắng, lọc. Các hóa chất thường được sử dụng để làm nước gồm : soda Na₂CO₃, sữa vôi Ca(OH)₂, natri photphat Na₃PO₄,… Phương pháp này có xử lý các loại nước cứng tùy thuộc tác nhân kết tủa được đưa vào nước.

Ca(HCO₃)₂  + Ca(OH)₂ ® CaCO₃ ¯ + CO₂ ­+ H₂O

Mg(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ ® MgCO₃ ¯ + CaCO₃¯ + 2H₂O

CaSO₄  + Na₂CO₃  ® CaCO₃ ¯ + Na₂SO₄

MgCl₂ + Na₂CO₃ ® MgCO₃ ¯ + 2NaCl

 * Ưu điểm:

- Đơn giản, dễ sử dụng với nguồn nguyên liệu dễ kiếm

- Xử lý được cả nước cứng tạm thời và vĩnh cửu với hiệu quả cao.

* Nhược điểm:

-Tạo ra lượng chất kết tủa thải sau khi lắng cặn.

- Khó điều chỉnh pH trong nước khi dùng tác nhân kết tủa là dung dịch tính kiềm.

3.2 Phương pháp tạo phức chelat

  Tạo phức là phương pháp sử dụng hóa chất có khả năng kết hợp với ion canxi và magie tạo phức chất bền vững, cô lập sự hoạt động của chúng trong nước, ngăn chặn sự kết tủa của ion kim loại. Phối tử hình thành giữa ion canxi, magie và hóa chất tạo phức không thể bị sử dụng bởi cơ thể và sẽ được đào thải ra ngoài. Chất tạo phức được sử dụng phổ biến thường là các hợp chất của axit amin ví dụ như: EDTA (axit ethylenediaminetetraacetic). EDTA tạo phức với Ca²⁺ và Mg²⁺ tạo thành CaMg-EDTA, làm giảm độ cứng của nước với yêu cầu pH nước đạt trong khoảng 10.

 *Ưu điểm:

 - Không tạo ra chất thải.

 - Cô lập ion canxi và magie ngăn không tạo kết tủa gây lắng cặn.

*Nhược điểm:

- Chi phí sử dụng hóa chất tạo phức cao

- Phải kiểm soát lượng hóa chất sử dụng.

- Canxi và magie vẫn tồn tại trong nước nhưng ở dạng phức bền chứ không bị loại bỏ hoàn toàn khỏi nước.

3.3 Phương pháp chưng cất

  Chưng cất là phương pháp dùng nhiệt để phân tách chất rắn hòa tan trong dung dịch bằng cách kết tinh, hơi nước được tạo ra sẽ được ngưng tụ để thu hồi. Nước cứng chứa nhiều muối tan của canxi và magie do đó có thể sử dụng phương pháp chưng cất để làm bay hơi nước – nước thu được sẽ không còn chứa ion Ca²⁺, Mg²⁺ là nước mềm.

 *Ưu điểm

 - Hiệu quả trong việc loại bỏ ion kim loại và khử trùng nước.

*Nhược điểm

- Chi phí đầu tư thiết bị gia nhiệt và chi phí hoạt động cao.

- Dễ bị tổn thất nhiệt hệ thống và ảnh hưởng đến môi trường xung quanh.

- Cần bảo dưỡng, làm sạch thiết bị chưng cất định kỳ.

3.4 Phương pháp trao đổi ion

  Trao đổi ion là phương pháp được sử dụng khá phổ biến để làm mềm nước hiện nay. Khi sử dụng thiết bị trao đổi ion – cột nhựa chứa các hạt nhựa bão hòa ion Na⁺, K⁺, các ion Ca²⁺, Mg²⁺ sẽ được gắn lên hạt nhựa thay thế cho ion natri, kali đồng thời giải phóng các ion này vào nước. Nhựa trao đổi ion là các polyme hữu cơ chứa các nhóm chức anion mà các ion cation hóa trị hai (Ca²⁺, Mg²⁺) liên kết mạnh hơn các cation đơn đẳng (Na⁺, K⁺). Đây là phương pháp cho phép thay đổi thành phần ion trong nước xử lý mà không làm thay đổi tổng số ion có nước trước khi trao đổi.

  Sau khi các ion sẵn có trong môi trường nhựa bị thay thế gần hết phải tiến hành tái sinh nhựa bằng cách rửa ngược với dung dịch nước muối tùy thuộc vào loại nhựa được sử dụng. Nước thải thải ra từ cột trao đổi ion chứa muối canxi và magie không mong muốn thường được thải vào hệ thống nước thải.

Hình 3. Mô phỏng quá trình trao đổi ion của nước cứng

* Ưu điểm

- Chi phí đầu tư thấp, nguyên vật liệu rẻ và dễ kiếm.

- Thích hợp cho cả xử lý nước mặt và nước ngầm.

- Xử lý triệt để, hiệu quả làm mềm nước cao.

* Nhược điểm

- Phải xử lý chất lơ lửng trong nước trước khi trao đổi ion để tránh tổn thất áp lực lên hạt nhựa và ăn mòn hạt.

- Phải tái sinh định kỳ bằng dung dịch muối.

3.5 Phương pháp lọc thẩm thấu ngược

Reverse osmosis (RO) là phương pháp thẩm thấu ngược – nguyên lý ngược lại với khái niệm thẩm thấu tự nhiên. Phương pháp này chỉ cho phép phân tử nước đi qua khe màng lọc, giữ lại các ion kim loại, chất rắn hòa tan trong nước.

Hình 4. Mô tả cấu tạo màng lọc RO

  Khi có một áp lực lên dòng nước đi vào màng, các phân tử nước vượt qua khe hở màng lọc đi vào ống lõi thu gom nước tinh khiết, các ion muối khoáng hòa tan  bị giữ lại ở trên bề mặt màng sau đó qua cơ chế sục rửa mang chúng sẽ đi ra ngoài theo đường nước thải.

* Ưu điểm

- Hiệu quả xử lý độ cứng cao.

- Công nghệ tiên tiến, hiện đại.

- Giảm diện tích xử lý, không sử dụng hóa chất, chi phí hợp lý.

* Nhược điểm

- Nước có độ tinh khiết cao, mất hoàn toàn khoáng chất nên cần bù khoáng.

- Lượng nước thải lớn.

4. Kết luận

  Nước cứng không gây đe dọa nghiêm trọng đến cơ thể con người như nhiều loại nguồn nước ô nhiễm khác như kim loại nặng, phèn,… tuy nhiên sử dụng nước cứng gây ảnh hưởng lớn, bất tiện đến quá trình sinh hoạt cũng như các hoạt động công nghiệp và đồng thời khi sử dụng lâu dài cũng gây nên các tác động tiêu cực lên một số cơ quan trong cơ thể người. Việc xử lý độ cứng trong nước hiện nay khá dễ dàng với nhiều phương pháp, công nghệ khác nhau.

Tùy vào nguồn nước đầu vào cũng như mục đích sử dụng và điều kiện lắp đặt, chi phí đầu tư, mỗi phương pháp xử lý nước cứng được áp dụng riêng lẻ hoặc kết hợp để đem lại hiệu quả cao nhất. Hiện nay phương pháp sử dụng màng lọc thẩm thấu ngược RO đang có nhiều ưu điểm trong việc loại bỏ 95-99% các tạp chất trong nước bao gồm cả các ion kim loại, muối hòa tan phù hợp cho việc xử lý nước cứng.