Làm mềm nước cứng, cách làm mềm nước cứng, làm mềm nước lò hơi

Nước có vai trò quan trọng trong cuộc sống. Trong lò hơi công nghiệp nước cũng là tác nhân quan trọng ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng hơi. Vì vậy việc xử lý nước đáp ứng yêu cầu cung cấp cho lò hơi hoạt động là nhiệm vụ hàng đầu khi vận hành lò hơi.

Giới thiệu về nước cứng

Nước cứng là gì?

 Nước cứng là loại nước chứa hàm lượng chất khoáng cao, chủ yếu là hai ion calci (Ca²⁺) và magnesi (Mg²⁺).Nước cứng được hình thành khi nước ngầm thấm qua những lớp đá vôi, đá phấn, hoặc thạch cao mà những loại đá này vốn chứa lượng lớn ion calci và magie  ở dạng hợp chất cacbonat, hydro cacbonat, sulfat. 

Tác hại của nước cứng

 Nước cứng là nguyên nhân gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng trong các ngành công nghiệp; do vậy, độ cứng của nước công nghiệp cần được kiểm soát chặt chẽ nhằm tránh những tổn hại cho các thiết bị sử dụng nước như lò hơi, tháp giải nhiệt . Trong hoạt động thường ngày, nước cứng thường được nhận biết thông qua hiện tượng xà bông khi pha trong nước sẽ không tạo bọt hoặc sự hình thành cặn vôi trong bình nấu nước sôi. Khi nước cứng trở thành vấn đề nghiêm trọng, người ta cần sử dụng hệ thống làm mềm nước (khử cứng) để giảm tác hại gây ra bởi nước cứng.

Các thành phần calci cacbonat và magnesi cacbonat trong nước cứng dẫn đến tình trạng bám cặn trên bề mặt thiết bị nhiệt, gây tắc nghẽn, làm giảm hệ số lưu lượng trên đường ống, gây hư hỏng dẫn đến chi phí sửa chữa hoặc thay thế cao.

Nước cứng không được phép dùng trong nồi hơi vì khi đun sôi nước cứng thì calci cacbonat  (CaCO₃) và magie cacbonat(MgCO₃) sẽ kết tủa bám vào phía trong thành nồi hơi tạo thành một lớp cáu cặn cách nhiệt, làm giảm hệ số cấp nhiệt, đồng thời gây hiện tượng quá nhiệt cho kim loại, dẫn đến hư hỏng thiết bị, đường ống kim loại. Chỉ cần một lớp mỏng calci cacbonat với độ dày 0,8 mm (khoảng 1/32 in) bên trong bề mặt nồi hơi sẽ làm tăng lượng nhiên liệu tiêu thụ cao hơn 5%–8% so với nồi hơi có bề mặt không bị bám cáu cặn.

Nước cứng ảnh hưởng rất lớn đến lò hơi công nghiệp

Cách làm mềm nước cứng lò hơi

Có nhiều phương pháp làm mềm nước cứng (khử cứng); một số phương pháp phổ biến trong công nghiệp và dân dụng là:

• Trao đổi ion (Ion exchange)
• Khử muối khoáng (Demineralization)
• Kết tủa (Precipitation)
• Thẩm thấu ngược (Reverse osmosis)
• Chưng cất (Distillation)

Bốn phương pháp khử khoáng, thẩm thấu ngược, chưng cất, kết tủa làm giảm độ cứng của nước bằng cách loại bỏ chất khoáng rắn khỏi nước. Lượng tổng chất rắn hoà tan (TDS) trong nước được giảm đáng kể hoặc thậm chí bị loại bỏ hoàn toàn. Ngược lại, phương pháp trao đổi ion giảm độ cứng bằng cách loại bỏ các ion gây độ cứng là calci–magnesi và thay thế bằng các ion đơn hóa trị như natri, kali. Trong phương pháp trao đổi ion, lượng tổng chất rắn hòa tan của dung dịch không thay đổi.

Làm mềm nước bằng máy lọc

Hệ thống xử lý nước cấp lò hơi là gì?

Một hệ thống xử lý nước cấp cho lò hơi là một hệ thống được tạo thành từ một số công nghệ riêng biệt đáp ứng nhu cầu xử lý nước cấp lò hơi cụ thể.

Xử lý nước cấp lò hơi là cần thiết cho cả lò hơi cao áp và áp suất thấp. Đảm bảo xử lý chính xác được thực hiện trước khi các vấn đề như tắc nghẽn, giãn nở và ăn mòn xảy ra, tránh việc thay thế/nâng cấp lò hơi gây ra tốn kém chi phí cho người sử dụng.

Hệ thống xử lý nước cấp lò hơi cơ bản bao gồm:

Như đã đề cập ở trên, các thành phần chính xác của hệ thống xử lý nước cấp lò hơi phụ thuộc vào chất lượng nước cấp vào của từng loại lò hơi cụ thể (theo khuyến nghị của nhà sản xuất), nhưng nói chung, cơ bản hệ thống xử lý nước cấp lò hơi thường bao gồm:

• Lọc và siêu lọc
• Trao đổi / làm mềm ion
• Các quá trình màng như thẩm thấu ngược và lọc nano
• Khử khí / khử
• Đông đặc / kết tủa hóa học

Tùy thuộc vào các tạp chất có trong nước, sẽ đưa ra phương án kết hợp các phương pháp tối ưu nhất cho hệ thống xử lý nước cấp lò hơi cho nhà máy. Ngoài ra còn tùy thuộc vào nhu cầu và quy trình của nhà máy, nhưng các thành phần tiêu chuẩn này thường là đủ cho một hệ thống xử lý nước cấp cho lò hơi.

Hệ thống xử lý nước cấp lò hơi hoạt động như thế nào?

Các quy trình xử lý cụ thể khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu của lò hơi và chất lượng, thành phần hóa học của nước cấp nhưng một hệ thống xử lý nước cấp lò hơi thông thường sẽ bao gồm các bước sau:

Lượng nước cấp bổ sung

Nước thay thế cho lượng nước thất thoát do xả đáy, xả tràn, rò rỉ của lò hơi, trước tiên được lấy từ nguồn nước, cho dù là nước thô, nước thành phố, nước thải được xử lý của thành phố, tái chế nước thải trong nhà máy (tái chế xả đáy tháp giải nhiệt), nước giếng khoan, hoặc bất kỳ nguồn nước mặt khác.

Đông đặc và kết tủa hóa học

Sau khi tất cả cáu cặn có kích thước lớn được lấy ra khỏi nguồn nước ban đầu, các hóa chất khác nhau được thêm vào bể phản ứng để loại bỏ các chất rắn lơ lửng khối lượng lớn và các chất gây ô nhiễm khác. Quá trình này bắt đầu với một loại lò phản ứng trộn, điển hình là một hoặc hai lò phản ứng có thêm hóa chất cụ thể để loại bỏ tất cả các hạt mịn hơn trong nước bằng cách kết hợp chúng thành các hạt nặng hơn lắng xuống. Các chất keo tụ được sử dụng rộng rãi nhất là dựa trên nhôm như phèn và polyalumin clorua.

Đôi khi, một sự điều chỉnh pH nhẹ cũng sẽ giúp làm đông lại các hạt.

Lọc và siêu lọc

Bước tiếp theo thường là chạy qua một số loại lọc để loại bỏ các hạt lơ lửng như trầm tích, độ đục và một số loại chất hữu cơ. Việc xử lý nước bằng các bộ lọc rất hữu ích, vì việc loại bỏ chất rắn lơ lửng trước khi vào lò hơi có thể giúp bảo vệ màng và nhựa trao đổi ion khỏi bị tắc nghẽn sau này trong quá trình xử lý ion tiếp theo. Tùy thuộc vào loại lọc được sử dụng, kích thước các hạt lơ lửng có thể được loại bỏ có thể dưới 1 micro mét.

Làm mềm trao đổi ion

Khi xử lý nước cấp lò hơi, nếu có độ cứng cao phức tạp với bicacbonat, sunfat, clorua hoặc nitrat, có thể sử dụng nhựa làm mềm. Quy trình này sử dụng quy trình trao đổi cation axit mạnh, nhờ đó nhựa được tích điện với ion natri và khi độ cứng đi qua, nó có lực hút cao hơn với canxi, magiê và sắt nên nó sẽ lấy phân tử đó và giải phóng phân tử natri vào nước.

Quá trình khử hoá

Sau quá trình làm mềm, một số hệ thống xử lý nước cấp cho lò hơi sẽ sử dụng quá trình khử hóa để giảm độ kiềm / pH, tạp chất trong nước cấp lò hơi có thể gây ra bọt, ăn mòn và ôm ấp. Natri clorua sử dụng nhựa trao đổi anion mạnh để thay thế bicarbonate, sulfate và nitrat cho anion clorua. Mặc dù nó không loại bỏ độ kiềm 100%, nhưng nó loại bỏ phần lớn của nó với những gì có thể là một quá trình dễ thực hiện. Khử axit yếu chỉ loại bỏ các cation liên kết với bicarbonate, chuyển nó thành carbon dioxide (và do đó cần khử hóa). Đây là một quá trình làm mềm một phần rất hiệu quả để điều chỉnh pH nước cấp cho lò hơi.

Khử khí

Tại thời điểm này trong quy trình xử lý nước cấp lò hơi, bất kỳ nước ngưng nào được đưa trở lại hệ thống sẽ trộn với nước bổ sung đã xử lý và đưa vào quá trình khử khí. Bất kỳ lượng khí nào như oxy và carbon dioxide đều có thể gây ra hiện tượng ăn mòn đối với thiết bị lò hơi và đường ống khi chúng gắn vào chúng, tạo thành các oxit và gây rỉ sét. Do đó, việc loại bỏ các khí này đến mức chấp nhận được (gần 100%) có thể là bắt buộc đối với tuổi thọ và sự an toàn của hệ thống lò hơi. Có một số loại thiết bị khử khí có nhiều cấu hình tùy thuộc vào nhà sản xuất, nhưng nhìn chung, bạn có thể sử dụng bộ khử khí dạng khay hoặc dạng phun để khử khí hoặc khử oxy.

Hệ thống máy lọc làm mềm nước

Hệ thống làm mềm nước

Làm mềm nước chỉ dành cho nguồn nước có độ cứng. Nước cứng là nước có nhiều tạp chất muốn khoáng như canxi, magie, sunphua, sắt, chì, đá vôi…

Hướng dẫn đo độ cứng trong nước:

Có nhiều đơn vị biểu thị độ cứng, nhưng đơn vị thường dùng là “phần triệu” ( ppm) hay mg CaCO3/lit. Ở Ấn độ thường dùng đơn vị ppm, còn ở Mỹ người ta thường dùng đơn vị “gpg” ( Grains per Gallon ). Quy đổi 1 gpg = 17.1 ppm. Mỗi nơi trên thế giới có thể có một đơn vị đo độ cứng khác nhau, sau đây là một vài đơn vị đo độ cứng:

Trong công nghiệp nước cứng ảnh hưởng lớn đến tất cả các thiết bị đun nấu, tháp giải nhiệt, bình nóng lạnh, lò hơi…Việc sử dụng nước cứng cho các thiết bị nói trên dẫn đến tình trạng bám cặn trên bề mặt thiết bị đun nấu, bám cặn làm giảm hệ số lưu thông lưu lượng trên đường ống, dần dần có thể gây áp lực lớn có thể gây nổ lò hơi trong một thời gian dài.

Khi xử lý nước cấp lò hơi, nếu có độ cứng cao phức tạp với bicacbonat, sunfat, clorua hoặc nitrat, có thể sử dụng nhựa làm mềm. Quy trình này sử dụng quy trình trao đổi cation axit mạnh, nhờ đó nhựa được tích điện với ion natri và khi độ cứng đi qua, nó có lực hút cao hơn với canxi, magiê và sắt nên nó sẽ lấy phân tử đó và giải phóng phân tử natri vào nước.

Thiết bị làm mềm nước lò hơi

Cột lọc làm mềm (Pt-…) làm giảm độ cứng của nước nhờ vào hạt nhựa Cationit chứa bên trong cột lọc. Nước đi qua lớp vật liệu theo chiều từ trên xuống dưới và các ion Ca2+, Mg2+ sẽ bị giữ lại trên bề mặt hạt nhựa dựa trên nguyên lý trao đổi ion.

Nguyên lý trao đổi ion ở đây dựa trên tính chất của một số chất không tan hoặc hầu như không tan trong nước nhưng có khả năng trao đổi ion.

Lúc đầu ngâm hạt nhựa Cationit vào dung dịch NaCl đậm đặc thì các ion H+  trên bề mặt hạt nhựa Cationit sẽ tham gia vào phản ứng trao đổi với ion Na+ hòa tan trong dung dịch, kết quả ion Na+ được  cấy lên toàn bộ bề mặt hạt nhựa Cationit thay cho ion H+  và Cationit biến thành Na-Cationit.

Khi lọc nước qua lớp vật liệu hạt Na-cationit sẽ xảy ra các phản ứng sau:

2RNa + Ca(HCO3)2 ↔ R2Ca + 2NaHCO3

2RNa + Mg(HCO3)2  ↔ R2Mg + 2NaHCO3

2RNa + CaCl2 ↔ R2Ca + 2NaCl

2RNa + CaSO4 ↔ R2Ca + Na2SO4

2RNa + MgSO4 ↔ R2Mg + Na2SO4

Ký hiệu R chỉ lõi không hòa tan của hạt nhựa Cationit tổng hợp.

Thiết bị làm mềm nước

Theo quá trình nước đi qua lớp hạt nhựa Cation, ngày càng nhiều ion Na+ trên bề mặt của nó được thay thế bằng ion Ca2+, Mg2+ của nước. Cuối cùng, khi tất cả các ion Na+ trên bề mặt của hạt nhựa Cationit bị thay thế bằng Ca2+ và Mg2+, hạt nhựa Cationit không còn khả năng trao đổi ion để tách ion Ca2+ và Mg2+ khỏi nước nữa. Khi đó, để khôi phục lại khả năng trao đổi cation của hạt nhựa, chúng ta cần tiến hành hoàn nguyên vật liệu lọc bằng dung dịch muối NaCl.