Nước cứng là gì? Tổng hợp tác hại và cách làm mềm nước cứng

Thực trạng thiếu nước sạch sử dụng trong sinh hoạt và sản xuất là một vấn đề vô cùng nhức nhối tại nhiều địa phương, trong đó đáng nói đến là tình trạng nước bị nhiễm mặn và trở thành nước cứng ở các tỉnh Miền Tây như: Kiên Giang, Bến Tre, Tiền Giang, Cà Mau..

Vậy, nước cứng là gì? Nguyên nhân, hậu quả và biện pháp làm mềm nước cứng như thế nào hiệu quả? Hãy cùng tìm hiểu những vấn đề này qua nội dung bài viết dưới đây.

Tìm hiểu thêm: Ô nhiễm môi trường nước là gì? Ô nhiễm môi trường là gì?

Tìm hiểu nước cứng là gì?

Nước cứng có tên tiếng Anh "Hard Water" là loại nước có hàm lượng các cation Ca2+ (Canxi) và Mg2+ (Magie) trong 1 lít nước rất cao, vượt quá mức cho phép. Tổng hàm lượng ion Ca2+ và Mg2+ biểu thị mức độ cứng của nước, nếu hàm lượng Mg2+ trong nước nhiều sẽ khiến nước có vị đắng.

Theo tiêu chuẩn nước sạch của Bộ y tế đưa ra thì chỉ số nước cứng cho phép có thể cho phép phải ở mức nhỏ hơn 300 mg/lít. Nếu độ cứng trong nước vượt trên 100mg/lít thì sẽ xuất hiện cáu cặn khi đun sôi nước. Đây cũng là một phương pháp giúp bạn có thể nhận biết được nước cứng một cách dễ dàng.

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

Phân loại nước cứng

Dựa theo hàm lượng các cation mà nước cứng được chia ra làm 3 loại cơ bản là:

1. Nước cứng tạm thời

Nước cứng tạm thời là nước bao gồm chứa nhiều các ion Canxi (Ca2+) và Bicarbonate (HCO3-). Khi có tác động của nhiệt (nước nóng lên) khiến cho ion Bicarbonatr trong nước cứng tạm thời bị phân hủy thành ion carbonate (CO₃-), carbon dioxide (CO2) và nước (H2O).

Sau đó, ion cacbonat (CO₃-) có thể phản ứng với các ion khác trong dung dịch để tạo thành các hợp chất không hòa tan, như CaCO3 và MgCO3. Sự tương tác của ion carbonate trong dung dịch cũng gây ra sự tích tụ khoáng chất nổi tiếng được nhìn thấy ở các mặt của nồi dùng để đun sôi nước. Đây là nước cứng tạm thời vì khi đun sôi có thể loại bỏ độ cứng bằng cách thay thế các ion khỏi dung dịch.

2. Nước cứng vĩnh cửu

Nước cứng vĩnh cửu là nước có chứa hàm lượng cao các anion, như anion sunfat (SO42-). Loại nước cứng này được gọi là "vĩnh viễn" bởi vì không giống như nước cứng tạm thời, độ cứng có thể được loại bỏ chỉ bằng cách đun sôi nước và từ đó kết tủa các ion khoáng.

Để loại bỏ nước cứng vĩnh cửu, chúng ta phải sử dụng các phương pháp khác như xử lý nước bằng natri cacbonat hoặc bằng cách cho nước cứng qua các bộ trao đổi ion. Chưng cất nước là một trong những phương pháp làm mềm nước cứng tạm thời và nước cứng vĩnh cửu, tuy nhiên việc thực hiện làm mềm một lượng nước lớn là khó khả thi.

3. Nước cứng toàn phần

Nước cứng toàn phần là loại nước bao gồm cả 2 đặc tính của nước cứng vĩnh cửu và nước cứng tạm thời. Thành phần trong loại nước này sẽ bao gồm cả các muối: Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2 và MgCl2,.. Để làm mềm nước cứng toàn phần, chúng ta có thể kết hợp những cách làm mềm nước cứng tạm thời và nước cứng vĩnh cửu.

Nguyên nhân gây ra nước cứng

Trong tự nhiên, nước có độ cứng cao chủ yếu là các nguồn nước ngầm đi qua các lớp đất đá, đá vôi, trầm tích khiến nước hòa tan các ion như: Ca2+. Mg2+,.. và làm tăng độ cứng của nước. Tương tự, nước ở ao hồ, sông suối cũng có thể bị tăng độ cứng do nguyên nhân này.

Ngoài ra, hiện nay có một nguyên nhân khác khiến nguồn nước ngầm bị tăng độ cứng là do nước thải sinh hoạt từ các hộ gia đình, công ty, bệnh viện,. hay nước thải từ các khu công nghiệp chứa nhiều kim loại nặng, hóa chất chưa được xử lý nhưng đã thải xả ra môi trường một cách ồ ạt.

Theo thời gian, các chất gây ô nhiễm này sẽ ngấm dần xuống đất và đi vào các mạch nước ngầm khiến cho nguồn nước bị tăng độ cứng. Đây cũng là lý do khiến cho nước giếng khoan tại một số địa phương xuất hiện mùi tanh, màu vàng và khi để lắng có rất nhiều cặn bẩn.

Dấu hiệu nhận biết nước cứng

Ô nhiễm nguồn nước đang là một vấn đề đáng báo động ở nước ta. Vì vậy, ở nhiều địa phương tình trạng nước cứng xuất hiện khá phổ biến. Tuy nhiên, để đảm bảo sức khỏe cho bản thân và gia đình bạn cần tham khảo những dấu hiệu của nước cứng sau để tìm ra biện pháp khắc phục kịp thời:

• Khi lau các đồ thủy tinh, kính bằng nước mà thấy xuất hiện các đốm trắng sau khi khô
• Xuất hiện nhiều mảng bám trắng, cáu cặn sót lại trong các ấm đun nước 
• Các đầu vòi ra nước, vòi hoa sen thường bị tắc hoặc có các mảng bám trắng như đá vôi
• Khi đun sôi nước thường thấy có các lớp váng mỏng xuất hiện trên bề mặt 
• Chất lượng bọt của xà phòng giặt, xà bông tắm bị giảm
• Đá uống được làm từ nước cứng thường có vẩn đục và tan nhanh hơn so với đá được làm từ nước sạch
• Trong công nghiệp, bạn có thể nhận biết nước cứng bằng cách quan sát ở các hệ thống lò hơi, nồi hơi, đường ống tháp giải nhiệt nếu có cáu cặn bám vào thành ống thì đó chính là nước cứng.
• ....

Để kiểm tra chính xác nguồn nước nhà mình có phải nước cứng hay không các bạn có thể lấy mẫu nước nhà mình đến các trung tâm xét nghiệm để kiểm tra. Nếu tỉ lệ hạt khoáng chất trong nước có ít hơn 1 hạt/1 gallon nước thì nước nhà bạn là nước mềm. Nếu có trên 10 hạt khoáng chất/1 gallon nước thì nước nhà bạn là nước rất cứng.

Những tác hại của nước cứng với đời sống

1. Sức khỏe con người

Khi sử dụng nước cứng trong sinh hoạt hằng ngày sẽ gây ra những ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe cũng chất lượng cuộc sống của con người. Cụ thể như:

• Gây ra bệnh sỏi thận, tắc động mạch do đóng cặn làm xà phòng ít tạo bọt khi giặt giũ
• Làm mất mùi vị của thức ăn, thời gian chín thức ăn lâu hơn
• Tiêu hao nhiều năng lượng khi đun nấu
• Sử dụng nước cứng trong sinh hoạt, tắm gội hàng ngày sẽ gây nên tình trạng khô da, khô tóc

Đặc biệt nước cứng tạm thời khi đi vào cơ thể thì muối bicarbonat sẽ bị phân hủy tại thành muối cacbonat kết tủa (Ca(HCO3)2 => CaCO3) không thấm qua được thành ruột và động mạch nên tích tụ trong các cơ quan của cơ thể, lâu ngày sẽ thành sỏi làm tắc động mạch, tính mạch gây nguy hiểm đến tính mạng.

Tác hại của ô nhiễm nguồn nước

Ngoài ra, nồng độ khoáng chất trong nước cứng tạm thời có nhiều ảnh hưởng đến sức khỏe khi bạn uống nó. Hàm lượng Canxi (Ca2+) và Magie (Mg2+) cao có thể ảnh hưởng đến một số cơ quan trong cơ thể, đặc biệt là khả năng tăng nguy cơ mắc bệnh tim mạch.

2. Trong nông nghiệp

Nước cứng có xu hướng liên kết với các chất dinh dưỡng của đất gây cản trở việc hấp thụ, vận chuyển nước và chất dinh dưỡng vào cây trồng, khiến cây gặp khó khăn trong việc quang hợp. Vì vậy, cây sẽ kém phát triển, còi cọc dẫn tới năng suất bị giảm sút.

Khi đất canh tác sau một thời gian được tưới nước cứng sẽ tồn đọng các muối thừa như: CaCO3, MgCO3,,, nếu những nơi không có lượng mưa nhiều để rửa trôi các muối dư thừa này sẽ khiến chúng tích tụ và gây nhiễm mặn cho đất. Theo thời gian, đất bị nhiễm mặn sẽ khiến cấu trúc đất liên kết lại với nhau và làm cho bề mặt đất trở nên trơ cứng. Khi đó, nước và các chất dinh dưỡng sẽ bị cản trở tiếp cận với rễ cây khiến cây trồng không phát triển được và dễ bị sâu bệnh tấn công.

Ngoài ra, khi nước cứng lưu thông trong các đường ống tưới tiêu sẽ để lại cặn làm giảm hiệu quả của hệ thống tưới. Theo thời gian hệ thống có thể bị tắc nghẽn, điều này rất hay gặp phải với hệ thống tưới nhỏ giọt.

3. Trong công nghiệp

Khi sử dụng nước cứng thường xuyên cho các thiết bị sản xuất công nghiệp như: thiết bị lạnh, nồi hơi.. sẽ dẫn đến tính trạng bám cặn trên bề mặt thiết bị, làm giản hệ số lưu thông lưu lượng trên đường ống, nếu cáu cặn tích tụ quá lâu có thể gây áp lực lớn và làm nổ nồi hơi.

Tại các nồi áp suất của tua bin hơi nước ở nhiều nhà máy, việc sử dụng nước cứng ở nhiệt độ cao sẽ dẫn khiến khả năng dẫn nhiệt kém. Do Ca(HCO3)2 dễ bị nhiệt phân tạo thành CaCO3 – là chất kết tủa tạo lên lớp cách nhiệt ngay dưới đáy và cản trở quá trình dẫn nhiệt.

Bên cạnh đó, các mảng bám này còn tăng nguy cơ bịt kín nhiều lỗ van an toàn khiến hơi nước không thoát ra được. Điều này làm tăng áp suất trong nồi lên mức nguy hiểm và có khả năng gây cháy nổ.

Phương pháp xử lý nước cứng - làm mềm nước cứng hiệu quả

Để làm mềm nước thì việc thiết yếu là làm giảm nồng độ các ion Ca2+ và Mg2+. Một số phương pháp làm mềm nước cứng thông dụng hiện nay như:

1. Phương pháp nhiệt (đun nước)

Một trong những cách đơn giản để loại bỏ bụi bẩn và các ion có trong nước cứng được sử dụng nhiều ở các hộ gia đình đó là đun sôi và để lắng nước trước khi uống. Lưu ý. cách làm mềm nước cứng này chỉ có hiệu quả với nước cứng tạm thời.

Cơ sở của phương pháp này là dùng nhiệt để làm bốc hơi CO₂ hòa tan trong nước giúp giảm độ cứng của cacbonat trong nước. Tuy nhiên, lượng CaCO₃ hòa tan vẫn còn tồn tại trong nước vì vậy phương pháp này có hiệu quả không cao.

- Ưu điểm: đơn giản, dễ thực hiện.

- Nhược điểm: hiệu quả không cao, chỉ áp dụng cho mô hình nhỏ

2. Phương pháp trao đổi ion

Trao đổi ion là phương pháp được đánh giá mang lại hiệu quả tốt và áp dụng rộng rãi nhất trong thực tế. Cơ sở của phương pháp này dựa trên đặc tính của những cation có khả năng trao đổi ion tốt như: Na+ và K+ để thay thế và loại bỏ Mg₂+, Ca₂+ ra khỏi nước. Các vật liệu vô cơ như những hạt zeolite cũng có khả năng trao đổi ion.

Cấu tạo 

- Cột lọc Composite: kích thước được thiết kế phù hợp theo nhu cầu và công suất hoạt động, ngoài ra với vật liệu là sợi thủy tinh tổng hợp compsite nên có độ bền cao và khả năng chịu đựng sự ăn mòn rất tốt.

- Bộ phận điều khiển: cấu tạo đơn giản, gọn nhẹ, hoạt động tự động.

- Vật liệu lọc: Bao gồm bình chứa muối tái sinh được chế tạo từ nhựa cao cấp, có khả năng chịu được sự ăn mòn của muối mặn. Hệ thống van tự đóng mở nguồn nước hoạt động theo nguyên lý: các cation kim loại nặng Ca₂+, Mg₂+ có trong nước đi qua cột lọc sẽ được các vật liệu lọc hấp thụ và nhả ra các caiton có khả năng tạo các hợp chất cacbonat tan, nhờ đó giúp loại bỏ canxi, magie ra khỏi nước.

Quy trình hoạt động

Nước nguồn được bơm bào vột lọc có chứa các vật liệu lọc là những hạt trao đổi ion với áp suất từ 1,5 - 2,5 bar. Trong cột lọc, xảy ra quá trình trao đổi ion giúp loại bỏ những cation Ca₂+, Mg₂+ có trong nước. Sau quá trình trao đổi ion cá hạt nhựa bị bão hòa với cá ion khoáng chất sẽ được rửa và tái tạo nhờ muối bão hòa.

Dung dịch muối bão hòa sẽ giúp bổ sung cation Na+ cho vật liệu lọc và loại bỏ các cation Ca₂+, Mg₂+ ra khỏi nước qua đường nước xả.

Các quá trình hoạt động trong hệ thống làm mềm nước

- Quá trình lọc: tiến hành trao đổi ion trong cột lọc để loại bỏ độ cứng nhờ vật liệu lọc chứa các hạt trao đổi ion. Nước sau quá trình này đã được làm mềm và có thể đưa vào sử dụng.

- Quá trình tái sinh (rửa ngược): Rửa ngược vật liệu lọc để làm sạch và loại bỏ những cặn bẩn, mảng bám trên các hạt trao đổi ion và thành cột lọc. Sau quá trình rửa ngược nước sẽ theo đường xả đi ra ngoài.

- Quá trình hút muối: còn được gọi là quá trình rửa xuôi. Muối trong các bồn chứa sẽ được bơm vào cột lọc để tái sinh vật liệu lọc. Sau khi quá trình kết thúc, nước sẽ được xả bỏ.

- Quá trình rửa muối: sau khi nước được hút vào bề lọc và tính hành quá trình rửa muối, sau quá trình nước sẽ được thải ra ngoài.

- Quá trình tái sinh: nước được bơm vào cột lọc sau đó trở về thùng chứa muối tái sinh

Ưu điểm

• Cấu tạo đơn giản, hoạt động dễ dàng, hiệu quả cao
• Chi phí vận hành tương đối thấp, độ an toàn cao
• Có thể chịu được môi trường axit muối mặn
• Xử lý và làm mềm nước có hiệu quả

Nhược điểm

• Hệ thống không thể hoạt động nếu mất điện

3. Xây dựng bể lọc

Một trong những cách làm mềm nước cứng đơn giản, hiệu quả mà nhiều hộ gia đình lựa chọn đó là xây dựng bể lọc nước và sử dụng những vật liệu lọc cơ bản như: cát đen, cát vàng, cát mangan, cát thạch anh, than hoạt tính, sỏi, đá,.. Không chỉ có tác dụng làm mềm nước mà phương pháp này còn có hiệu quả với tất cả các loại nước, kể cả nước giếng khoan.

Bạn có thể tìm hiểu cách xây dựng và sắp xếp các vật liệu tại bài viết: Cách làm bể lọc nước bằng than hoạt tính

4. Sử dụng hóa chất

Cơ sở của phương pháp làm mềm nước cứng này là sử dụng hóa chất để kết hợp các ion Ca²+, Mg²+ có trong nước để tạo thành những chất kết tủa không tan trong nước. Sau đó, lọc các chất kết tủa này ra khỏi nước sẽ khiến nước trở nên mềm hơn.

Các hóa chất có thể sử dụng để làm mềm nước như: vôi, Na₂CO₃, NaOH, Ba(OH)₂, Na₃PO₄... Dựa vào chất lượng nguồn nước đầu vào cũng như mức độ cứng của nước để lựa chọn hóa chất phù hợp nhất.

Ví dụ: Có thể sử dụng vôi khi muốn giảm độ cứng đồng thời khử kiềm trong nước. Hoặc sử dụng Ba(OH)₂, Na₃PO₄ khi muốn làm mềm nước triệt để hơn.

Hy vọng bài viết đã giúp các bạn hiểu được nước cứng là gì? Tác hại mà nước cứng gây ra cho sức khỏe, hoạt động sản xuất của con người và tìm ra những giải pháp xử lý nước cừng phù hợp nhất cho gia đình của bạn. Chúc bạn thành công.