BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CA
2+
CỦA
MỘT SỐ LOẠI VẬT LIỆU LỌC TỰ NHIÊN QUA
MÔ HÌNH PHÒNG THÍ NGHIỆM
SV thực hiện: Hà Dương Đức, Trần Thị Mùi, Đoàn Văn Toàn,
Tống Thị Nhàn
Lớp: ĐCTV - ĐCCT - K54
Khoa: Địa chất
Trường: Đại học Mỏ - Địa chất
Cán bộ hướng dẫn: Ths. Kiều Thị Vân Anh.
Tóm tắt:
Việt Nam là quốc gia có nguồn nước ngầm khá phong phú về trữ lượng và
khá tốt về chất lượng. Đối với các hệ thống cung cấp nước nguồn nước ngầm
luôn là nguồn nước được ưu tiên sử dụng. Bởi vì, các nguồn nước mặt thường bị
ô nhiễm và lưu lượng khai thác phải phụ thuộc vào sự biến động theo mùa.
Nguồn nước ngầm ít chịu ảnh hưởng bởi các tác động của con người. Chất
lượng nước ngầm thường tốt hơn chất lượng nước mặt nhiều. Trong nước ngầm
hầu như không có các hạt keo hay các hạt lơ lửng, vi sinh và vi trùng gây bệnh
thấp. Tuy nhiên, trong nước ngầm ở một số nơi như Hòa Bình, Tuyên Quang,
Thái Bình… tồn tại một lượng lớn hàm lượng Ca
2+
vượt quá tiêu chuẩn cho
phép. Trong thực tế thì có nhiều phương pháp xử lý.
Ở đây, chúng tôi muốn nghiên cứu đến các loại vật liệu lọc tự nhiên hấp
phụ tối ưu Ca
2+
trong quá trình xử lí nước trong phòng thí nghiệm. Loại vật liệu
lọc tối ưu trong điều kiên phòng thí nghiệm mà chúng tôi rút ra được là: Sỏi,
sạn, cát với tỷ lệ : 1 : 1 : 2.5 cho cột lọc kích thước l = 90cm, d = 21cm.

Nghiên cứu khả năng hấp phụ Ca
2+
của một số loại vật liệu lọc tự nhiên
qua mô hình phòng thí nghiệm.
Đối tượng:
Nước ngầm có hàm lượng Ca
2
+
cao, vượt quá tiêu chuẩn cho phép
(khoảng 50mg/l).
Nhiệm vụ:
Thông qua mô hình cột lọc trong phòng thí nghiệm với các vật liệu tự
nhiên, tìm ra tỷ lệ sử dụng vật liệu lọc tối ưu nhất.
NHÓM SINH VIÊN, LỚP ĐCTV-ĐCCT K54
2
BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
CHƯƠNG I: ĐẶC ĐIỂM CHẤT LƯỢNG NƯỚC NGẦM VÀ
DẠNG TỒN TẠI CỦA ION Ca
2+
TRONG NƯỚC NGẦM
• Tổng quan về nước ngầm:
Việt Nam là quốc gia có nguồn nước ngầm khá phong phú về trữ lượng và
khá tốt về chất lượng. Nước ngầm tồn tại trong các lỗ hổng và các khe nứt của
đất đá, được tạo thành trong giai đoạn trầm tích đất đá hoặc do quá trình thấm
của nước mưa cũng như nước mặt… nước ngầm có thế tồn tại cách mặt đất vài
mét, vài chục mét, hay có khi là hàng trăm mét. Đối với các hệ thống cấp nước
cộng đồng thì nước ngầm luôn là nguồn nước được ưa thích. Bởi vì, các nguồn
nước mặt thì thường bị ô nhiễm do phải chịu các tác động của con người, lưu
lượng của nó thì thay đổi theo mùa. Nguồn nước ngầm thì nằm ở dưới mặt đất
nên ít phải chịu ảnh hưởng bởi tác động của con người, trong nước hầu như

Mn
2+
Thường xuyên có mặt trong
nước
Rất thấp, chỉ có ở sát đáy
Hàm lượng Ca
2+
Thường xuyên có mặt, hàm
lượng lớn tại các vùng núi đá
vôi
Thay đổi tùy thuộc vào môi
trường, khí hậu
Khí CO
2
hòa tan Có nồng độ cao Rất thấp hoặc bằng 0
Khí O
2
Thường không tồn tại Gần như bão hòa
Khí NH
3
Thường có Khi nguồn nước bị ô nhiễm
Khí H
2
S Thường có Không có
SiO
2
Thường có ở nồng độ cao Có ở nồng độ trung bình
NO
3
-

2
CO
3
+ 2CaCO
3
→
Ca(HCO
3)2
+ Ca
2+
+ 2HCO
3
-
• Một số quá trình cơ bản xử lý nước ngầm
Có rất nhiều phương pháp để xử lý nước, tùy thuộc vào nhiều yếu tố như:
nhu cầu cấp nước, tiêu chuẩn dùng nước, đặc điểm của nguồn nước ngầm, các
điều kiện tự nhiên, điều kiện kinh tế xã hội mà chúng ta có thể lựa chọn công
NHÓM SINH VIÊN, LỚP ĐCTV-ĐCCT K54
4
BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
nghệ xử lý sao cho phù hợp. Tuy nhiên một số quá trình cơ bản có thể áp dụng
để xử lý nước ngầm như sau:
Quá trình Mục đích
Chắn rác Loại các mẩu vụn thô ( lá cây, cành cây, )
Xử lý hóa học sơ bộ Loại trừ tảo, rong rêu, khử trùng sơ bộ, oxi hóa Fe,
Mn
Lắng sơ bộ Loại bỏ sỏi, cát, bùn, và các vật liệu hạt khác
Keo tụ/ tạo bông Chuyển các hạt keo thành các hạt có thể lắng
Lắng Loại các hạt lắng được
Hấp thụ và hấp phụ

như Mai Châu (Hòa Bình), Mộc Châu, Yên Châu, Sơn La (Sơn La), Tủa Chùa,
Tam Đường (Lai Châu), Đồng Văn, Mèo Vạc (Hà Giang) . Ở các vùng đá vôi,
nước thường tiêu thoát qua mạng lưới thủy văn ngầm, nhưng hệ thống dòng
chảy mặt cũng có ảnh hưởng lớn đến các dòng chảy ngầm. Tốc độ và mức độ
xói mòn phụ thuộc phần lớn vào tốc độ, lưu lượng dòng chảy cũng như kiểu loại
đất chịu tác động của dòng chảy. Như vậy, nguy cơ xói mòn đất ở các vùng đá
vôi cũng có thể giảm bớt nếu có được mạng lưới thủy văn hợp lý, và điều này
đòi hỏi phải hiểu biết rõ về khu vực, về khả năng tiêu thoát nước của nó, cả trên
mặt lẫn dưới đất.
Do vậy, chất lượng nước ở những vùng này thường có hàm lượng canxi cao
hơn các vùng khác. Nó gây ảnh hưởng tới chất lượng nước mà con người sử
dụng. Canxi là nguyên tố thiết yếu cho sinh vật sống, đặc biệt trong sinh lý học
tế bào, ở đây có sự di chuyển ion Ca
2+
vào và ra khỏi tế bào chất có vai trò mang
tính hiệu cho nhiều quá trình tế bào. Là một khoáng chất chính trong việc tạo
xương, răng và vỏ sò, canxi là kim loại phổ biến nhất về khối lượng có trong
nhiều loài động vật.
Tuy nhiên khi cơ thể hấp thụ quá nhiều canxi lại có thể gây ra sỏi thận, tắc
động mạch do đóng cặn vôi ở thành trong của động mạch.Bên cạnh đó độ cứng
này chủ yếu ảnh hưởng đến mùi vị của thực phẩm và đồ uống được chế biến
bằng nước nóng hoặc qua đun nấu. nó cũng là nguyên nhân gây ra cặn lắng
trong các thiết bị gia nhiệt nước ( xoong , nồi đun nước, ống đẫn nước…).
Vì vậy cần phải có những biện pháp xử lý nước cứng thích hợp để việc sử
dụng chúng trở nên hữu ích hơn.
2. Các phương pháp xử lý nước cứng
NHÓM SINH VIÊN, LỚP ĐCTV-ĐCCT K54
6
BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Có nhiều phương pháp làm mềm nước, vì thế phải căn cứ vào mức độ làm

tạo thành các hợp chất không tan
trong nước.
• Phương pháp nhiệt: đun nóng hoặc chưng cất nước.
• Phương pháp trao đổi ion: lọc nước cần làm mềm qua lớp lọc cationit có
khả năng trao đổi Na
+
hoặc H
+
có trong thành phần của hạt cationit với
ion Ca
2+
và Mg
2+
hòa tan trong nước và giữ chúng lại trên bề mặt của các
hạt lớp vật liệu lọc
• Phương pháp tổng hợp: là phương pháp phối hợp 2 trong 3 phương pháp
trên.
NHÓM SINH VIÊN, LỚP ĐCTV-ĐCCT K54
7
BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
• Lọc qua màng bán thấm, thẩm thấu ngược (RO)
2.1. Phương pháp nhiệt
Cơ sở lý thuyết của phương pháp này là dùng nhiệt để bốc hơi khí
cacbonic hòa tan trong nước. Trạng thái cân bằng của các hợp chất cacbonic sẽ
chuyển dịch theo phương trình phản ứng sau:
2HCO
3
-
→ CO
3

hòa tan vẫn còn tồn tại trong nước.
Riêng đối với Mg, quá trình khử xảy ra qua hai bước. Ở nhiệt độ thấp (đến
18
0
C) ta có phản ứng:
Mg(HCO
3
)
2
→ MgCO
3
+ CO
2
+ H
2
O
Khi tiếp tục tăng nhiệt độ, MgCO
3
bị thủy phân theo phản ứng:

MgCO
3
+ H
2
O → Mg(OH)
2
↓ + CO
2
Như vậy khi đung nóng nước độ cứng cacbonat sẽ giảm đi đáng kể. Nếu
kết hợp hóa chất với đun nóng, bông cặn tạo ra sẽ có kích thước lớn và lắng

làm mềm nước với khử sắt, khử silic, khử photphat… Ngoài ra trong mỗi
trường hợp cụ thể phải dựa trên cơ sở so sánh kinh tế kỹ thuật giữa các phương
pháp để chọn ra phương pháp hợp lý, kinh tế nhất.
• Làm mềm nước cứng bằng vôi :
Là phương pháp khử cácbonát bằng vôi, được áp dụng khi cần giảm độ
cứng và độ kiềm của nước.
Khi cho vôi vào nước các phản ứng xảy ra theo phương trình sau:
2CO
2
+ Ca(OH)
2
→ Ca(HCO
3
)
2
Ca(HCO
3
)
2
+ Ca(OH)
2
→ CaCO
3
↓ + 2H
2
O
Mg(HCO
3
) + 2Ca(OH)
2

2+
, thì một phần magiê sẽ tồn tại ở dạng muối của
axit mạnh MgSO
4
, MgCl
2
. Phản ứng với vôi sẽ là:
MgSO
4
+ Ca(OH)
2
→ Mg(OH)↓ + CaSO
4
MgCl
2
+Ca(OH)
2
→ Mg(OH)
2
+ CaCl
2
Các phản ứng trên làm giảm độ cứng magiê nhưng không giảm độ cứng
magiê toàn phần vì lượng magiê tách ra khỏi nước lại được thay thế bằng một
lượng tương đương Ca
2+
, CO
3
2-
sao cho tích số của nồng độ Ca
2+

2:
có khả năng tạo ra dung dịch quá bão
hòa, khi đó nước đã làm mềm sẽ còn lại một lượng Ca(OH)
2
dư.
Nếu
lượng dư này quá lớn lại làm tăng độ cứng và độ kiềm của nứơc đã làm
mềm. Như vậy hiệu quả của quá trình làm mềm nước bằng vôi phụ thuộc
vào điều kiện cân bằng bão hoà của nước bởi các hợp chất CaCO
3
và
Mg(OH)
2
được tạo ra.
•
Để tăng cường cho quá trình lắng cặn CaCO
3
và Mg(OH)
2
khi làm mềm
bằng vôi, ta pha thêm phèn vào nước. Do phản ứng làm mềm diễn ra ở
pH lớn hơn 9 nên không dùng được phèn nhôm, trong môi trường kiềm
phèn nhôm tạo ra aluminat hoà tan.
•
Làm mềm nước bằng vôi + soda (Na
2
CO
3
)
Như đã nêu ở trên, khi tổng hàm lượng các ion Mg

4
+ Na
2
CO
3
→ CaCO
3
↓ + Na
2
SO
4
CaCl
2
+ Na2CO
3
→ CaCO
3
↓ + 2NaCl
Như vậy ion CO
3
2-
của sôđa đã thay thế ion của các axit mạnh tạo ra
CaCO
3

¯
. Theo các phản ứng trên có thể xác định được lượng vôi và sô đa
cần thiết.
NHÓM SINH VIÊN, LỚP ĐCTV-ĐCCT K54
10

phản ứng:
3CaCl
2
+ 2Na
3
PO
4
Ca
3
(PO
4
)
2
+ 6NaCl;
3MgSO
4
+ 2Na
3
PO
4
Mg
3
(PO4)
2
+ 3Na
2
SO
4
3Ca(HCO
3

Quá trình làm mềm nước bằng phốt phát chỉ diễn ra thuận lợi ở nhiệt độ
lớn hơn 100
0
C. Sau xử lý, độ cứng của nước giảm xuống còn 0.04 đến 0.05
mgđ/l. Do giá thành của Na
3
PO
4
cao nên thường chỉ dùng nó với liều lượng
nhỏ sau khi đã làm mềm bằng vôi và so đa.
2.3 Làm mềm nước bằng phương pháp trao đổi ion
Làm mềm nước bằng cationit dựa trên tính chất của một số chất không tan
hoặc hầu như không tan trong nước – cationit, nhưng có khả năng trao đổi, khi
ngâm trong nước, các chất này hấp thụ cation của muối hòa tan lên bề mặt hạt
và nhả vào nước một số lượng tương đương cation đã được cấy lên bề mặt hạt
từ trước.
Ngành công nghiệp hoá học đã chế tạo ra loại hạt nhựa hữu cơ tổng hợp
không tan trong nước nhưng có bề mặt hoạt tính hoá học, có thể cấy lên bề mặt
NHÓM SINH VIÊN, LỚP ĐCTV-ĐCCT K54
11
BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
các hạt này (ionit) một loại cation hay anion chọn trước như Na
+
, H
+
, NH
4
+
,
OH

SO
4
.
2R-Na + MgSO
4
R
2
-Mg + Na
2
SO
4
.
• Theo mức độ lọc nước qua lớp hạt Na-cationit ngày càng nhiều nhóm
hạt tính Na của nó được thay thế bằng ion canci và magiê của nước.
Cuối cùng khả năng trao đổi của Na-cationit hoàn toàn bị cạn kiệt.Để
khôi phục lại khả năng trao đổi của Na-cationit nguời ta rửa lớp vật liệu
lọc bằng dung dịch có nồng độ cao của ion Na+ ví dụ dung dịch muối
ăn. Quá trình này gọi là quá trình hoàn nguyên:
R2-Ca + NaCl 2R-Na + CaCl
2
.
• Quá trình làm mềm nước bằng Na - cationit có thể giảm được hàm
lượng Ca
2+
và Mg
2+
trong nước đến trị số rất bé, pH và độ kiềm tổng
của nước không thay đổi, cặn sấy khô do tăng lên một chút do đã thay
thế một ion Ca
2+

NHÓM SINH VIÊN, LỚP ĐCTV-ĐCCT K54
13
BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
NHÓM SINH VIÊN, LỚP ĐCTV-ĐCCT K54
14
BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
CHƯƠNG III: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• Lựa chọn phương pháp lọc:
Dùng vật liệu lọc tự nhiên là sỏi, sạn và cát đen, mịn làm cột lọc với sự
thay đổi tỷ lệ thành phần hạt khác nhau. Dùng soda cũng với hàm lượng khác
nhau làm keo tụ canxi trong nước cần lọc, sau đó đổ từ từ vào cột lọc.
Cách tiến hành:
• Chuẩn bị nước đầu vào bằng cách:
Hòa tan CaCO
3
tinh khiết vào trong nước sao cho hàm lượng Ca
2+
bằng 50
mg/l (xác định

bằng phương pháp thể tích).
• Chuẩn bị vật liệu lọc:
Vật liệu lọc bao gồm: Sỏi, sạn, cát có kích thước hạt khác nhau.
Tiến hành rửa vật lọc nhằm loại bỏ phù sa, vật chất hữu cơ, để tránh ảnh
hưởng đến kết quả thí nghiệm.
• Tạo cột lọc:
Cột lọc chia làm 3 lớp: Dưới cùng là lớp sỏi, bên trên là lớp sạn và trên
cùng là lớp cát.
Để xác định khả năng lọc của các vật liệu lọc của các vật liệu lọc chúng tôi
tiến hành với 3 cột lọc bằng cách thay đổi thành phẩn cột lọc như sau:

3
↓

bị giữ lại bên trên vật
liệu lọc khi nước đi qua vật liệu lọc.
Mỗi lần lọc ta sử dụng khoảng 10 lít nước đầu vào và thay đổi tỷ lệ hàm
lượng sôđa trong phản ứng là: 10g, 15g, 20g để tìm hàm lượng tối ưu.
Khi lọc cần chú ý giữ nguyên cột áp lực, giữ nguyên lưu lượng đầu ra và
sao cho tốc độ lọc của các lần lọc là gần bằng nhau. Sau những khoảng thời
NHÓM SINH VIÊN, LỚP ĐCTV-ĐCCT K54
18
BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
gian nhất định ta lấy mẫu ghi rõ số hiệu (để sau khi kết thúc quá trình lọc tiến
hành phân tích hàm lượng Ca
2+
trong nước sau lọc để so sánh với nước đầu vào.
• Kết quả thí nghiệm:
Hàm lượng Ca
2+
ban đầu trong nước là 50mg/l
CỘT
LỌC
THÀNH
PHẦN
CỘT LỌC
( cm)
HÀM
LƯỢNG
SÔĐA
(gam)

bình
1.8 36.07
20g 11 2 1.3 26.05
12 5 1.55 31.06
13 7 1.6 32.07
14 10 1.7 34.07
15 Trung 1.5 30.06
NHÓM SINH VIÊN, LỚP ĐCTV-ĐCCT K54
19
BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
bình
2 25cm sỏi :
25cm sạn :
40cm cát
10g 16 2 1.6 32.06
17 5 1.8 36.07
18 7 1.9 38.08
19 10 2 40.08
20 Trung
bình
1.8 36.07
15g 21 2 1.3 26.05
22 5 1.6 32.06
23 7 1.65 33.07
24 10 1.75 35.07
25 Trung
bình
1.6 32.064
20g 26 2 1.2 24.05
27 5 1.51.55 30.06

bình
1.3 26.05
Biểu đồ thể hiện sự thay đổi hàm lượng canxi :
NHÓM SINH VIÊN, LỚP ĐCTV-ĐCCT K54
21
BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

Nhận xét: Dựa vào 3 biểu đồ trên ta dễ dàng nhận thấy:
_Cột lọc tối ưu nên được sử dụng là cột 3(20% sỏi, 20% sạn, 50% cát).
NHÓM SINH VIÊN, LỚP ĐCTV-ĐCCT K54
22
BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
_ Hàm lượng soda nên cho vào trong nước để tạo keo nhiều nhất là 20g cho
10l nước lọc.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Sau một thời gian nghiên cứu và thực hiện công tác thí nghiệm, chúng tôi
đã hoàn thành đề tài: Nghiên cứu khả năng hấp phụ Ca
2+
của một số loại vật
liệu lọc tự nhiên qua mô hình phòng thí nghệm.
Qua quá trình thí nghiệm và xử lí số liệu, chúng tôi đã xác định được:
_Cột lọc tối ưu nên được sử dụng là cột 3(20% sỏi, 20% sạn, 50% cát).
_ Hàm lượng soda nên cho vào trong nước để tạo keo nhiều nhất là 20g
cho 10l nước lọc.
Vì đây là kết quả của quá trình nghiên cứu khoa học bước đầu nên sẽ
không tránh khỏi những thiếu sót, chúng tôi rất mong nhận được những ý kiến
đóng góp của các thầy, cô và các bạn để có thể rút kinh nghiệm và hoàn thiện
công trình nghiên cứu.
NHÓM SINH VIÊN, LỚP ĐCTV-ĐCCT K54
23