Nguyên lý trao đổi Ion trong hệ thống làm mềm
Trong hệ thống lò hơi, do quá trình bốc hơi nước không mang theo độ cứng nên khi các ion gây độ cứng rò rỉ vào nước cấp lò sẽ bị cô lại trong nước lò hơi, kết hợp với điều kiện nhiệt độ cao và áp suất trong lò hơi chúng sẽ dễ dàng phản ứng hình thành cáu cặn và bám trên bề mặt thiết bị lò hơi trên palong và các ống lửa, làm giảm khả năng truyền nhiệt và tiêu hao nhiên liệu sử dụng.
Vì thế, cần thiết phải lắp đặt hệ thống làm mềm nước nhằm loại bỏ các ion gây độ cứng trong nước trước khi cấp cho lò hơi.
Phương pháp làm mềm nước được sử dụng phổ biến hiện nay là phương pháp trao đổi ion dựa trên cơ chế hấp phụ xảy ra trên bề mặt hạt nhựa.
Bản chất của hạt nhựa làm mềm nước là hạt trao đổi ion dạng RNa, trong đó ion Na+ rất linh động. Khi nước cứng được dẫn qua lớp hạt nhựa trao đổi ion, các ion gây độ cứng trong nước sẽ trao đổi với ion Na+ linh động, theo phản ứng sau:
2RNa (0) + Ca2+ → 2Na+ + R2Ca (1)
Theo phản ứng (1), nước ra khỏi cột làm mềm sẽ không mang theo ion gây độ cứng nên đủ điều kiện để cấp cho lò hơi.
Tuy nhiên, theo thời gian lượng nước cứng qua lớp vật liệu làm mềm ngày càng nhiều, nhóm hoạt tính Na+ của hạt nhựa bị thay thế bởi các ion Canxi và Magie trong nước, vì thế khả năng trao đổi ion của ion Na+ sẽ bị cạn kiệt. Đến một thời điểm nhất định hạt nhựa sẽ không còn khả năng trao đổi với các ion gây độ cứng được nữa.
Để khôi phục lại năng lực hoạt động của hạt nhựa trao đổi ion cần thiết phải sử dụng dung dịch có nồng độ cao của ion Na+ (thường sử dụng dung dịch muối ăn) để hoàn nguyên gọi là tái sinh hạt nhựa, phản ứng xả ra như sau:
Na+ + R2Ca → 2RNa(1) + Ca2+ (2)
Quy trình này được thực hiện liên tục theo một trình tự nhất định (Chu kỳ tái sinh hạt nhựa) nhằm đảm bảo chất lượng nước cấp cho hệ thống lò hơi. Vui lòng xem hướng dẫn vận hành hệ thống làm mềm nước.
Bản chất của phản ứng (1) và (2) là phản ứng trao đổi. Tuy nhiên, hạt nhựa sau khi hoàn nguyên (RNa (1)) sẽ không hoàn toàn trở về dạng ban đầu (RNa (0)), mà khả năng làm việc sẽ kém đi. Do quá trình tái sinh luôn được thực hiện nên sau một thời gian dài hạt nhựa làm mềm nước sẽ không còn khả năng trao đổi ion nữa.
Tuy không một nhà sản xuất nào có thể đưa ra thời gian để thay thế hạt nhựa nhưng chắc chắn rằng tuổi thọ của hạt nhựa phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng nguồn nước cấp và công suất vận hành. Chu kỳ tái sinh hạt nhựa và lượng muối dùng trong mỗi lần tái sinh sẽ quyết định đến khả năng rò rỉ độ cứng vào trong nước mềm.