Độ cứng (Tổng, Ca & Mg)

Nước là nguồn sống, là yếu tố quan trọng trong mọi hoạt động sản xuất và đời sống. Nhưng bạn có biết rằng, nước cũng có thể ẩn chứa những “bí mật” ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả sử dụng và tuổi thọ của thiết bị? Đó chính là độ cứng của nước.

Bài viết này sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về độ cứng của nước, những tác hại tiềm ẩn và cách thức kiểm soát hiệu quả. Hãy cùng Hach Việt Nam khám phá những thông tin hữu ích để bảo vệ hệ thống của bạn và nâng cao chất lượng cuộc sống!

I. Độ cứng của nước là gì?

Độ cứng của nước là thước đo khả năng tiêu thụ xà phòng của nước. Thuật ngữ này bắt nguồn từ cách diễn đạt về việc nước “cứng” hay “dễ” để giặt giũ. Khi xà phòng được trộn với nước cứng, các khoáng chất sẽ kết hợp với xà phòng tạo thành kết tủa rắn. Điều này làm giảm hiệu quả tẩy rửa của xà phòng và tạo thành cặn xà phòng. Khi thêm nhiều xà phòng hơn, chất rắn tiếp tục hình thành cho đến khi khoáng chất cạn kiệt. Khi khoáng chất không còn, xà phòng tạo bọt và hoạt động như một chất tẩy rửa.

1. Độ cứng của nước thường là nồng độ ion canxi và magiê trong nước

Các khoáng chất kết tủa với xà phòng được biểu thị bằng cation của các kim loại đa hóa trị như canxi, magiê, sắt, mangan và kẽm. Nồng độ canxi và magiê trong nước tự nhiên thường vượt xa bất kỳ cation đa hóa trị nào khác. Do đó, độ cứng thường được coi là nồng độ ion canxi và magiê trong nước.

2. Độ cứng cacbonat và độ cứng phi cacbonat

Độ cứng có thể được phân loại thành độ cứng cacbonat và độ cứng phi cacbonat. Độ cứng cacbonat đề cập đến bicacbonat canxi và magiê. Đôi khi nó được gọi là độ cứng tạm thời vì nó có thể được loại bỏ hoặc giảm bằng cách đun sôi. Khi các bicacbonat này được đun nóng, chúng sẽ kết tủa dưới dạng cacbonat rắn. Đây là nguyên nhân chính gây ra sự hình thành cặn trong bình nước nóng và lò hơi.

Độ cứng phi cacbonat chủ yếu do nitrat, clorua và sunfat canxi và magiê. Độ cứng phi cacbonat đôi khi được gọi là độ cứng vĩnh viễn.

3. Mối quan hệ giữa độ kiềm và độ cứng của nước

Lượng độ cứng cacbonat so với độ cứng phi cacbonat có thể được tìm thấy bằng cách đo độ kiềm. Nếu độ kiềm bằng hoặc lớn hơn độ cứng, tất cả độ cứng đều là cacbonat. Bất kỳ độ cứng nào còn lại là độ cứng phi cacbonat.

Ở Mỹ, độ cứng của nước thường được báo cáo ở mg/L dưới dạng CaCO3 hoặc gpg (grain per gallon) dưới dạng CaCO3. Bởi vì độ kiềm cũng được báo cáo dưới dạng CaCO3, kết quả của hai phép thử có thể được so sánh trực tiếp. Độ cứng tổng là tổng của tất cả các muối cacbonat và phi cacbonat của canxi và magiê hiện diện trong nước.

II. Tại sao cần đo độ cứng của nước ?

Nói chung, nước cứng tạo thành các cặn rắn chủ yếu bao gồm muối canxi và magiê và có thể làm hỏng thiết bị, trong khi nước mềm có thể bị ăn mòn, do đó, việc đo và biết mức độ cứng của nước xử lý của bạn rất quan trọng để duy trì sự cân bằng tinh tế giữa cặn và ăn mòn.

Mặc dù một số độ cứng có thể được chấp nhận trong một số ứng dụng chất lượng nước, nhưng những ứng dụng khác lại yêu cầu độ cứng của nước bằng không để ngăn ngừa cặn và hư hại thiết bị. Do đó, việc làm mềm nước bằng cách kết tủa hoặc trao đổi ion thường cần thiết để loại bỏ độ cứng. Để tối ưu hóa các quy trình này, đôi khi cần phải theo dõi riêng biệt nồng độ canxi và magiê, cùng với độ cứng tổng.

Ngoài ra, magiê có thể gây nhiễu cho các xét nghiệm chất lượng nước khác như nitơ, phương pháp amoniac-salicylate. Truy cập các trang tham số liên quan này để tìm hiểu thêm về amoniac và nitơ.

Tại Hach ®, bạn sẽ tìm thấy thiết bị thử nghiệm, tài nguyên, đào tạo và phần mềm bạn cần để theo dõi và quản lý chính xác độ cứng của nước trong ứng dụng cụ thể của bạn.

III. Những quy trình nào yêu cầu theo dõi độ cứng của nước?

1. Ngành công nghiệp nước uống

Độ cứng quá mức của nước đã xử lý được thải ra hệ thống phân phối có thể gây ra cặn và nếu nước quá mềm, nó có thể gây ăn mòn đường ống. Do đó, việc rò rỉ chì và đồng có thể dẫn đến vi phạm quy định về chì và đồng (LCR).

2. Nước thải

Trong quá trình tiêu hóa bùn, theo dõi độ cứng của nước để tối ưu hóa hiệu quả. Sự phân hủy sinh học của xà phòng và hấp thụ oxy bởi bùn hoạt tính bị ảnh hưởng bởi nồng độ độ cứng của nước cao.

3. Thử nghiệm nước hồ bơi và spa

Nước quá “cứng” có thể gây ra cặn, cặn canxi cacbonat. “Nước mềm” sẽ làm ăn mòn ống dẫn và bề mặt bên trong hồ bơi, nơi có canxi (như vữa hồ bơi) và các khoáng chất khác.

4. Ngành điện lực

Độ cứng của nước có thể gây ra cặn trong bình nước nóng và ống lò hơi. Do đó, việc theo dõi và loại bỏ tất cả các muối, đặc biệt là những muối gây ra độ cứng của nước là điều cực kỳ quan trọng.

5. Ngành công nghiệp hóa chất

Theo dõi nước đầu vào để tìm hàm lượng khoáng chất nhằm điều chỉnh chất lượng nước sản phẩm và các yếu tố cảm quan một cách chính xác. Theo dõi hiệu suất của hệ thống làm mềm nước để tránh cặn và đánh giá tải trọng lên hệ thống thẩm thấu ngược. Việc theo dõi liên tục nước lò hơi/nước làm mát (rời khỏi bộ ngưng tụ) giúp phát hiện các mức độ cứng của nước nhỏ và dao động có thể gây ra cặn trong đường ống, bộ ngưng tụ và máy sấy theo thời gian. Điều này cho phép các nhà điều hành quản lý mức độ độ cứng của nước, ngăn ngừa hư hỏng và mất doanh thu do thời gian chết.

6. Ngành công nghiệp sản xuất thực phẩm

Theo dõi và quản lý độ cứng tổng để tối ưu hóa nước cấp cho lò hơi và tháp giải nhiệt. Điều này giảm thiểu việc sử dụng hóa chất, ngăn ngừa ăn mòn/cặn và bảo vệ thiết bị nhà máy.

7. Ngành khai thác mỏ

Nước rất cần thiết cho hoạt động khai thác kim loại và khai thác mỏ, nhưng ngành này hiếm khi là người tiêu thụ duy nhất nước gần nơi khai thác hoặc chế biến. Bằng cách theo dõi và xử lý nước nguồn, các công ty khai thác mỏ không chỉ đảm bảo các tiêu chuẩn chất lượng của riêng họ được đáp ứng, mà họ cũng có thể góp phần vào sức khỏe của cộng đồng, tài nguyên nông nghiệp và hệ sinh thái động vật hoang dã trong quá trình này. Cho dù được lấy từ nước ngầm hay lượng mưa, đại dương hay hồ, sông hay suối, thông qua nguồn cung cấp thương mại hay đô thị – nước được sử dụng trong khai thác mỏ có liên quan mật thiết với chu trình nước của toàn bộ khu vực.

8. Ngành công nghiệp bột giấy và giấy

Theo dõi độ cứng tổng trong nguồn cung cấp nước để bảo vệ chống lại sự ăn mòn và/hoặc cặn trong nhà máy, cũng như tác động của độ cứng cao đến chất lượng sản phẩm.

9. Ngành công nghiệp đồ uống

Độ cứng của nước được sử dụng để làm đồ uống có thể ảnh hưởng đến đặc tính cảm quan của chúng.

IV. Độ cứng của nước được đo như thế nào?

1. Chuẩn độ

Độ cứng thường được đo bằng phương pháp chuẩn độ màu với dung dịch EDTA. Chuẩn độ bao gồm việc thêm chất chỉ thị và sau đó là dung dịch chuẩn độ theo từng phần nhỏ vào mẫu nước cho đến khi mẫu đổi màu. Bạn có thể chuẩn độ mẫu để xác định độ cứng tổng bằng cách sử dụng buret hoặc sử dụng bộ dụng cụ thử độ cứng nước. Bạn cũng có thể đo riêng độ cứng canxi với độ cứng magiê bằng cách điều chỉnh pH và sử dụng các chất chỉ thị khác nhau.

1.1. Bộ dụng cụ thử giọt

Phương pháp thử độ cứng này sử dụng ống nhỏ giọt để thêm dung dịch EDTA vào mẫu và số giọt tương ứng với độ cứng của nước. Bộ dụng cụ thử độ cứng tổng mẫu HA-71A, sử dụng chất chỉ thị ManVer ® và hoạt động tốt nhất cho các mẫu nước tự nhiên, đặc biệt là khi có mặt sắt hoặc mangan, hoặc khi độ kiềm cao. Bộ dụng cụ thử mẫu 5-B, 5-EP và 5-EP/MG-L, sử dụng thuốc thử UniVer ®, hoạt động tốt nhất cho các mẫu công nghiệp có thể có nồng độ kim loại cao, như đồng. Các bộ dụng cụ thử khác cũng có sẵn để đo riêng độ cứng canxi và magiê.

1.2. Chuẩn độ kỹ thuật số

Các bộ dụng cụ sử dụng chuẩn độ kỹ thuật số có thể đo độ cứng chính xác hơn so với bộ dụng cụ chuẩn độ giọt. Điều này là do chuẩn độ kỹ thuật số phân phối dung dịch EDTA theo từng phần nhỏ rất nhỏ với độ chính xác cao hơn. Bộ dụng cụ thử độ cứng với chuẩn độ kỹ thuật số sử dụng chất chỉ thị ManVer ®.

2. Dải thử

Khi thuốc thử độ cứng nước được nhúng vào mẫu nước, một màu sẽ phát triển trên dải thử và dải thử được so sánh với một bảng màu. Bảng màu hiển thị các màu cho nồng độ 0, 25, 50, 120, 250 và 425 ppm, hoặc 1, 1.5, 3.7, 15 và 25 gpg. Sử dụng dải thử khi phạm vi chung cho độ cứng là đủ. Không nên sử dụng dải thử khi cần giá trị độ cứng chính xác.

3. Quang phổ kế màu hoặc quang phổ kế

Sử dụng quang phổ kế màu hoặc quang phổ kế khi bạn cần đo độ cứng của nước cực mềm, nơi nồng độ dự kiến sẽ nhỏ hơn 4 mg/L dưới dạng CaCO3 (phương pháp calmagite).
Sử dụng quang phổ kế khi bạn cần đo độ cứng cực thấp trong nước, nơi nồng độ dự kiến sẽ nhỏ hơn 1 mg/L dưới dạng CaCO3 (phương pháp chlorophosphonazo).
Sử dụng quang phổ kế để đo phạm vi cao hơn của độ cứng tổng, Ca và Mg.

4. Điện cực

Canxi cũng có thể được đo bằng cách sử dụng điện cực chọn lọc ion, chẳng hạn như Radiometer ISE25Ca hoặc Điện cực chọn lọc ion canxi (ISE) 9660C. Điện cực là phương pháp tốt nhất để sử dụng khi màu hoặc độ đục trong mẫu cản trở phương pháp chuẩn độ màu hoặc phương pháp quang phổ kế.

5. Phân tích trực tuyến (quan trắc online)

Máy phân tích trực tuyến cho phép theo dõi độ cứng liên tục. Những dụng cụ này có thể kích hoạt báo động hoặc điều khiển bơm cấp hóa chất khi nồng độ độ cứng đạt đến mức đã chọn.

V. Làm mềm nước

Để giảm độ cứng không mong muốn, nước phải được làm mềm. Các phương pháp làm mềm thường thuộc hai loại chính:

1. Quy trình làm mềm trao đổi ion

Quy trình này trao đổi các cation gây ra độ cứng với các cation không gây cứng, thường là natri, sử dụng ma trận trao đổi ion tự nhiên hoặc tổng hợp, ví dụ như nhựa trao đổi ion. Ví dụ, các ma trận tự nhiên bao gồm greensands và zeolite. Các loại nhựa trao đổi ion (hoặc ma trận) khác nhau có các đặc tính khác nhau. Các vật liệu tổng hợp có xu hướng có khả năng trao đổi cao hơn, vì vậy chúng phù hợp hơn để loại bỏ mức độ độ cứng cao hơn. Các loại nhựa sử dụng hydro làm cation thường được gọi là chất khử khoáng và thường bao gồm cả nhựa trao đổi cation và anion để duy trì pH trung tính. Vì lý do sức khỏe, điều quan trọng cần lưu ý rằng nhựa dựa trên natri sẽ làm tăng mức natri trong nước đã xử lý. Điều này cũng có thể gây nhiễu cho một số phương pháp độ cứng ULR.
Khi khả năng trao đổi của nhựa đã cạn kiệt, hầu hết có thể được tái sinh, vì vậy việc theo dõi độ cứng của dòng chảy là rất quan trọng để xác định khi nào cột cần được tái sinh. Trong quá trình hai bước này, trước tiên, thiết bị được rửa sạch để loại bỏ cặn, sau đó dung dịch muối được lưu thông qua nhựa ở một số điều kiện nhất định để thay thế các ion canxi và magiê tích tụ bằng cation được sử dụng để làm mềm ban đầu.

Ưu điểm

• Phương pháp này không ảnh hưởng đáng kể đến các đặc tính khác của nước, chẳng hạn như pH.
• Các cation gây ra độ cứng khác ngoài magiê và canxi cũng được loại bỏ bởi quy trình này.
• Quy trình này có thể giảm độ cứng xuống gần bằng không.

Nhược điểm

• Nồng độ sắt hoặc mangan cao trong nước có thể làm tắc nhựa trao đổi ion.
• Nhựa natri có thể làm tăng mức natri trong nước đã xử lý và gây nhiễu cho một số phương pháp độ cứng ULR.
• Chất rắn cao có thể làm tắc giường nhựa, gây thêm chi phí.

2. Quy trình làm mềm bằng cách kết tủa

Kết tủa thường được thực hiện bằng quy trình vôi-soda. Khi vôi được thêm vào nước cứng, nó sẽ gây ra phản ứng với độ cứng cacbonat hiện diện tạo ra chất rắn sau đó phải được loại bỏ khỏi nước. Vôi và soda ash có thể được sử dụng cùng nhau để loại bỏ cả độ cứng cacbonat và phi cacbonat. So với kết tủa canxi, kết tủa magiê cần gấp đôi lượng hóa chất bổ sung và tạo ra gấp đôi lượng bùn phải được loại bỏ. Lượng carbon dioxide dư thừa phải được loại bỏ trước khi làm mềm vì nó có thể cản trở sự kết tủa của vôi.

Ưu điểm

• Quy trình này có thể loại bỏ sắt và florua dư thừa.
• Do pH cao, vi khuẩn và virus có thể được loại bỏ bằng quy trình này.
• Với việc kiểm soát thích hợp, khả năng ăn mòn và hình thành cặn có thể được kiểm soát bằng phương pháp này.

Nhược điểm

• Nó tạo ra một lượng bùn đáng kể cần được xử lý.
• Chi phí vận hành và hóa chất cao.
• Việc thêm soda ash có thể ảnh hưởng đến mức natri trong nước.
• Khí hóa lại, hoặc đưa carbon dioxide trở lại, phải được thực hiện sau khi làm mềm để hạ thấp pH, để loại bỏ vôi dư thừa và để thúc đẩy sự kết tủa của bất kỳ canxi cacbonat nào còn lại.
• Quy trình này không thể giảm độ cứng xuống bằng không.
• Quy trình này đòi hỏi kỹ năng vận hành cao để kiểm soát.

VI. Các câu hỏi thường gặp

1. Sự khác biệt giữa độ cứng và độ kiềm là gì?

Độ cứng là tổng của các ion kim loại đa hóa trị, cụ thể và phổ biến là canxi và magiê trong dung dịch, trong khi độ kiềm là thước đo khả năng trung hòa axit của dung dịch (tổng của hydroxide, cacbonat và bicacbonat). Trong các hệ thống nước tự nhiên, canxi cacbonat thường có mặt và chịu trách nhiệm cho các đặc tính khác nhau của nước. Cả độ cứng và độ kiềm đều được biểu thị dưới dạng nồng độ CaCO3 để thuận tiện cho việc báo cáo một con số duy nhất để biểu thị nhiều hóa chất và để dễ dàng tính toán độ cứng cacbonat và phi cacbonat của dung dịch.

2. Nồng độ độ cứng nào được coi là cứng hay mềm?

Không có sự đồng thuận chung về nồng độ nào được coi là cứng hay mềm. Thông tin sau được lấy từ Bộ Nội vụ Hoa Kỳ và Hiệp hội Chất lượng Nước (các tổ chức khác có thể sử dụng phân loại hơi khác nhau):

3. Độ cứng tạm thời so với độ cứng vĩnh viễn là gì?

Độ cứng tạm thời và độ cứng vĩnh viễn là các thuật ngữ được sử dụng để phân biệt giữa độ cứng có thể được loại bỏ bằng cách đun sôi nước (tạm thời) với độ cứng và độ cứng không thể được loại bỏ bằng cách đun sôi (vĩnh viễn). Độ cứng tạm thời đồng nghĩa với độ cứng cacbonat. Độ cứng vĩnh viễn đồng nghĩa với độ cứng phi cacbonat.

4. Làm sao để tính độ cứng cacbonat và phi cacbonat?

Độ cứng cacbonat và phi cacbonat có thể được tính toán nếu biết giá trị độ cứng tổng và độ kiềm tổng:

VII. Kết luận

Độ cứng của nước là vấn đề cần được quan tâm và xử lý kịp thời để đảm bảo hoạt động hiệu quả và an toàn cho hệ thống của bạn. Hãy liên hệ với Hach Việt Nam để được tư vấn giải pháp phù hợp nhất cho nhu cầu của bạn.

Hach Việt Nam cam kết cung cấp các thiết bị, dịch vụ và giải pháp tối ưu cho việc kiểm tra và quản lý độ cứng nước, giúp bạn kiểm soát hiệu quả, nâng cao hiệu quả và bảo vệ hệ thống.