water softening (ir)

15
IR.AHMAD JUSOH/UMT/2009 w0men_iser WATER SOFTENING HARDNESS Defined as the sum of all polyvalent cations (i.e., major: calcium and magnesium, and minor: iron, manganese, strontium and aluminium), however they are not present in significant quantities in natural water. Water hardness is largely the result of geological formation of the water source. The common units of expression are mg/L as CaCO 3 or meq/L. Many people object to water containing hardness more than 150 mg/L as CaCO 3 . A common water treatment goal is to provide water with hardness in the range of 75 to 120 mg/L as CaCO 3 . Hardness of 200500 mg/L as CaCO 3 is considered excessive for a water supply and results in high soap consumption as well as objection scale in heating vessels and pipes. The classification of water hardness is as follow: 0 –75 = soft, 75150 = moderately hard, 150300 = hard, > 300 = very hard, all unit as mg/L as Ca CO 3 .

Upload: iser

Post on 13-Nov-2014

4.640 views

Category:

Documents


0 download

DESCRIPTION

This note was composed by IR. Ahmad Jusoh from UMT, Malaysia.All right reserved.

TRANSCRIPT

Page 1: Water Softening (IR)

IR.AHMAD JUSOH/UMT/2009 w0men_iser

WATER SOFTENING  HARDNESS    Defined as the sum of all polyvalent cations (i.e., major: calcium and 

magnesium,  and  minor:  iron,  manganese,  strontium  and aluminium), however they are not present  in significant quantities in natural water. 

  Water hardness  is  largely  the  result of  geological  formation of  the 

water source. The common units of expression are mg/L as CaCO3 or meq/L.  

  Many  people  object  to water  containing  hardness more  than  150 

mg/L as CaCO3. A common water treatment goal is to provide water with hardness in the range of 75 to 120 mg/L as CaCO3.  

  Hardness  of  200‐500 mg/L  as  CaCO3  is  considered  excessive  for  a 

water  supply  and  results  in  high  soap  consumption  as  well  as objection scale in heating vessels and pipes. 

   The classification of water hardness is as follow:  

 0 –75    =  soft,   75‐ 150   =  moderately hard,   150‐300  =  hard,   > 300   =  very hard, all unit as mg/L as Ca CO3.  

     

Page 2: Water Softening (IR)

IR.AHMAD JUSOH/UMT/2009 w0men_iser

  The  natural  process  by  which  water  becomes  hard  is  shown 

schematically  in  Figure  1.  As  rainwater  enter  the  topsoil,  the respiration  of  microorganisms  increases  the  CO2  content  of  the water.  

  The CO2  reacts with  the water  to  form H2CO3. Limestone, which  is 

made up of solid CaCO3 and MgCO3, reacts with the carbonic acid to form  bicarbonates  of  Calcium  and  Magnesium  [Ca(HCO3)2  and Mg(HCO3)2] respectively. 

  While  CaCO3  and  MgCO3  are  both  insoluble  in  water,  the 

bicarbonates are quite soluble.    Gypsum CaSO4 and MgSO4 may also go into solution to contribute to 

the hardness.    Since Calcium and magnesium predominate, it is often convenient in 

performing  softening  calculations  to define  the  total hardness  (TH) of a water as the sum of elements 

     TH = Ca 2+  +  Mg 2+  

Where the concentration of each elements in units of mg/L as CaCO3 or meq/L. 

  Total hardness is often broken down into two components: 

 1. That associated with the HCO3‐ anion (called carbonate hardness 

(CH), and   

2. That  associated  with  other  anions  (called  non‐carbonate hardness (NCH). Total hardness may also be defined as 

 

             TH = CH + NCH   

Page 3: Water Softening (IR)

IR.AHMAD JUSOH/UMT/2009 w0men_iser

  Carbonate hardness  is defined as  the amount of hardness equal  to 

the total hardness or the total alkalinity, which ever is less.    Carbonate  hardness  is  often  called  temporary  hardness  because 

heating the water removes it.    When pH  is  less  than 8.3, HCO3

–  is  the dominant  form of alkalinity, and the alkalinity is taken to be equal to the concentration of  HCO3

–   Non‐carbonate hardness  is defined as  the  total hardness  in excess 

of the alkalinity.    If  the alkalinity  is equal  to or greater  than  the  total hardness,  then 

there is no non‐carbonate hardness.    Non‐carbonate hardness  is called permanent hardness because  it  is 

not removed when water is heated.                    

Page 4: Water Softening (IR)

IR.AHMAD JUSOH/UMT/2009 w0men_iser

Bar  charts  of water  composition  are  often  useful  in  understanding  the process of  softening. The bar  is  constructed with  cation  (i.e., Ca, Mg, Na and K) in the upper bar and anions (i.e., HCO3, SO4 and Cl ) in the lower bar.                   Rain      v  v  v  v  v  v  v      Topsoil    Bacterial Action ‐‐‐> CO2     ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐     Subsoil         v  v  v  v  v          CO2 + H2O ‐‐‐>   H2CO3                                       v____v_____v_____v_____v____v____v      Limestone          CaCO3 (s) + H2CO3  Ca (HCO3)2  

Example: Given the following analysis of a ground water, constructed a bar chart of the constituents, expressed as mg/L of Ca CO3 or meq/L. ________________________________________________________________________ Ion mg/L as ion EW Ca CO3 /EW ion mg/L as Ca CO3 meq/L Ca2+      103     2.50        258      5.15 Mg2+       5.5     4.12            23      0.45 Na+       16      2.18            35      0.70 HCO3

‐      255    0.82         209      4.18 SO4

‐2        49      1.04             51      1.02 Cl‐       37      1.41             52      1.03  

    

Page 5: Water Softening (IR)

IR.AHMAD JUSOH/UMT/2009 w0men_iser

Solution:  0.0 5.15 5.60 6.30 Ca2+ Mg2+ Na+ HCO3

– SO42 – Cl –

0.0 4.18 5.20 6.23 The concentration of the ions has been converted to CaCO3 equivalent and the results are plotted in above figure.  The  total  cat  ions    316 mg/L  as  CaCO3,  of which  281 mg/L  as  CaCO3  is hardness, the  total anions 312 mg/L  (i.e.  less  than 316 mg/L due  to other ions which were  not  analyzed.)  of which  the  carbonate  hardness  is  209 mg/L as CaCO3. Therefore the non carbonate hardness should be 72 mg/L as CaCO3 (NCH=TH – CH or 281 – 209 = 72).   The relationship between the total hardness, carbonate hardness and non‐carbonate hardness are illustrated in Figure 3.14. In Figure 3.14a, the total hardness  is  250  mg/L  as  CaCO3,  the  carbonate  hardness  equal  to  the alkalinity  (HCO3‐  =  200mg/L  as  CaCO3),  and  the  non‐carbonate  hardness equal  to  the  difference  between  the  total  harness  and  the  carbonate hardness (NCH = TH – CH = 250 – 200 = 50 mg/L as CaCO3).   In  Figure  3.14b,  the  total  harness  is  again  250 mg/L  as CaCO3. However, since the alkalinity (HCO3‐) is greater than the total hardness, and since the carbonate  hardness  cannot  be  greater  than  the  total  hardness,  the carbonate  hardness  is  equal  to  the  total  hardness  that  is  250  mg/L  as CaCO3.  Therefore  there  is  no  non‐carbonate  hardness. Note  that  in  both cases  it may be assumed that the pH  is  less than 8.3 because HCO3‐  is the only form of alkalinity present.      

Page 6: Water Softening (IR)

IR.AHMAD JUSOH/UMT/2009 w0men_iser

Table Equilibrium of solid and dissolved species of common ions  

Mineral  Formula Solubility mg/L CaCO3 

Calcium bicarbonate  Ca (HCO3)2      1,620 Calcium Carbonate  CaCO3           15 Calcium Chloride CaCl2  336,000 Calcium sulfate  CaSO4      1,290 Calcium hydroxide  Ca (OH)2      2,390 Magnesium bicarbonate 

Mg (HCO3)2    37,100 

Magnesium Carbonate  MgCO3         101 Magnesium Chloride  MgCl2  362,000 Magnesium hydroxide  Mg (OH)2          17Magnesium sulfate  MgSO4  170,000 Sodium bicarbonate  NaHCO3    38,700 Sodium Carbonate  Na2CO3    61,400 Sodium Chloride Na Cl  225,000 Sodium hydroxide  Na OH  370,000 Sodium sulfate  Na2SO4    33,600 

                 

Page 7: Water Softening (IR)

IR.AHMAD JUSOH/UMT/2009 w0men_iser

Example:  Water has an alkalinity of 200mg/L as CaCO3. The Ca 

2+ concentration is 160 mg/L as the ion, and the Mg 2+concentration is 40 mg/L as the ion. The pH is 8.1. Find the total, carbonate, and non carbonate hardness.  Solution:  The MW of Ca and Mg are 40 and 24 respectively, with both have a valency of 2 and thus the EW of Ca and Mg are 20 and 12 mg/meq respectively. EW for CaCO3 is 50 mg/meq.  TH=160 mg/L (50mg/meq)   +  40 mg/L (50mg/meq)  =  567 mg/L as CaCO3                 (20mg/meq)                       (12mg/meq)   In  this  case,  the  alkalinity  is  less  than  the  total  hardness;  the  carbonate hardness (CH) is equal to 200 mg/L as CaCO3. The non‐carbonate hardness (NCH) is equal to the difference    NCH = TH – CH                     = 567 – 200 = 367 mg/L as CaCO3  Note that we can add or subtract concentration of Ca 2+or Mg 2+ if there are in equivalent unit, for example, moles/L, mg/L or mill equivalents/L.                

Page 8: Water Softening (IR)

IR.AHMAD JUSOH/UMT/2009 w0men_iser

LIME – SODA SOFTENING  

The lime‐soda water softening process uses lime, Ca (OH)2 and soda ash, Na2CO3, to precipitate hardness from solution.  

  

Carbon  dioxide  and  carbonate  hardness  (calcium  and Magnesium bicarbonate) are complexed by lime.  

  

Non‐carbonate hardness (Calcium and magnesium sulfates, chlorides and nitrates) requires addition of soda ash for precipitation. 

  

In order to precipitate CaCO3, the pH of the water must be raised to about  10.3.  To  precipitate magnesium,  the  pH must  be  raised  to about 11.0  

  

Mg  is more expensive to remove, so we  leave as much Mg 2+  in the water as possible.  

  

Similarly, there is more expensive to remove non‐carbonate hardness because we must  add  another  chemical  (soda  ash).  Therefore, we leave as much non‐carbonate hardness in the water as possible. 

  

The common source of hydroxyl ion is calcium hydroxide [Ca(OH)2]. It is  cheaper  to  use  quicklime  (CaO),  commonly  called  lime,  than hydrated lime [Ca (OH)2].   

The quicklime  is converted to hydrated  lime  in the water treatment plant by mixing CaO and water to produce a slurry of [Ca (OH)2]. The conversion process is called slaking. 

  

Page 9: Water Softening (IR)

IR.AHMAD JUSOH/UMT/2009 w0men_iser

 i. CHEMICAL REACTIONS IN THE LIME‐SODA PROCESS ARE: 

 1. In order to raise the pH, we must first neutralize any free acids that 

may be presented  in  the water. CO2  is  the principal acid present  in unpolluted, naturally occurring water. 

     

Noted that no hardness is removed in this step.       CO2 + Ca (OH)2  = CaCO3 v  +   H2O   

2. Precipitation of carbonate hardness due to calcium      

In order to precipitate CaCO3 we have to raise the pH to about 10.3.  To achieve this we must convert all of the bicarbonate to carbonate. 

    

  Ca (HCO3)2  +  Ca(OH)2  = 2CaCO3 v + 2H2O   

3. Precipitation of carbonate hardness due to magnesium      

In order to remove carbonate hardness due to magnesium, we must  add more lime to increase the pH to about 11.  

    The reaction may be considered to occur in two stages 

     Mg(HCO3)2  + Ca(OH)2 = CaCO3 v  +  MgCO3  +  H2O 

       

Note  that  the hardness of  the water did not  change because MgCO3 is soluble.  

 

Page 10: Water Softening (IR)

IR.AHMAD JUSOH/UMT/2009 w0men_iser

With  the  addition  of  more  lime  the  hardness  due  to magnesium is removed. 

     MgCO3  +  Ca(OH)2  = Mg(OH)2 v  +  CaCO3 v    

4. Removal of non‐carbonate hardness due to calcium       

If we need to remove non‐carbonate hardness due to calcium, no further increase in pH is required.  

  We must provide additional carbonate in the form of soda ash 

(Na2CO3).    Ca2+(SO4,Cl and NO3) + Na2CO3 = CaCO3v + 2Na

+(SO4,Cl and NO3)     

5. Removal of non‐carbonate hardness due to Magnesium      

If  we  need  to  remove  non‐carbonate  hardness  due  to Magnesium, we will have to add both lime and soda ash. 

        MgSO4 [Cl, (NO3)] + Ca (OH)2 = Mg(OH)2 v + CaSO4 [Cl, (NO3)]         

Note  that  although  the magnesium  is  removed,  there  is  no change in hardness because calcium is still in the solution.  

  To remove the calcium we must add soda 

     CaSO4 [Cl, (NO3)] + Na2 CO3 = CaCO3v  +  Na2SO4 [Cl, (NO3)]    

Note  that  is  the  same  as  the  one  to  remove  non‐carbonate hardness due to calcium. 

  

Page 11: Water Softening (IR)

IR.AHMAD JUSOH/UMT/2009 w0men_iser

ii. PROCESS LIMITATION (EXCESS LIME APPROACH)  

Lime  soda  softening  cannot produce  a water  at  completely  free of hardness because of the solubility (little) of CaCO3 and Mg(OH)2. Thus the minimum calcium hardness can be achieved is about 30 mg/L as CaCO3, and the magnesium hardness  is about 10 mg/L as CaCO3. we normally  tolerate  a  final  total  hardness  on  the  order  of  75  to  120 mg/L  as  CaCO3,  but  the magnesium  content  should  not  exceed  40 mg/L  as  CaCO3  (  because  a  greater  hardness  of magnesium  forms scales on heat exchange elements). 

  Notes:   a) For Mg removal less than 20 mg/L as CaCO3, the basic excess lime 

(20 mg/L as CaCO3) is sufficient.  

b) For Mg removal of 20 to 40 mg/L as CaCO3, we must add excess lime equal to the Mg to be removed (e.g. 25.8 mg/L of Mg 2+, thus the excess lime should be 25.8 mg/L). 

  

c) For Mg removal of more than 40 mg/L as CaCO3, we need to add excess lime of 40 mg/L as CaCO3). 

 In order to achieve reasonable removal of hardness  in a reasonable time  period,  an  excess  of  Ca(OH)2  beyond  the  stoichiometric  limit usually  implemented.  Based  on  empirical  experience,  a  minimum excess of 20 mg/L of Ca (OH)2 expressed as CaCO3 must be provided. 

  There are  several advantages of  lime  softening  in water  treatment: the total dissolved solids are dramatically reduced, hardness is taken out  of  solution,  and  the  lime  added  also  removed.  Lime  also precipitates soluble  iron  (i.e., Fe  2+)   and manganese often  found  in ground water.  In  processing  surface waters,  excess  lime  treatment provides disinfection and aids in coagulation for removal of turbidity.  

  

Page 12: Water Softening (IR)

IR.AHMAD JUSOH/UMT/2009 w0men_iser

Example: Excess Lime  

Water defined by  the  following analysis  is  to be softened by excess lime treatment. Assume that the practical  limit of hardness removal for CaCO3 is 30 mg/L, and that of Mg(OH)2 is 10 mg/L as CaCO3  .  

 

Parameter (cations)  Parameter (anions)

CO2                          = 8.8 mg/L

Ca 2+                         = 40.0 mg/L Alk(HCO3–)= 135 mg/L as CaCO3 

Mg 2+                        = 14.7 mg/L SO42 –        = 29.0 mg/L 

Na+                          = 13.7 mg/L Cl –            = 17.8 mg/L 

 a) Sketch a meq/L bar graph, and list the hypothetical combinations 

of chemicals compound in solution. b) Determine the calcium, magnesium and total hardness as CaCO3. 

Carbonate and non‐carbonate hardness.               

c) Calculate  the  chemicals  softening  required,  expressing  lime dosage as CaO and soda ash as Na2CO3. 

d) Draw  a  bar  graph  for  the  softened  water  before  and  after carbonation. Assume that half the alkalinity in the softened water is the bicarbonate form. 

 Solution: 

 

Component  Concentrationmg/L 

EquivalentWeight 

Meq/L 

CO2                               8.8 mg/L 22.0 0.40 

Ca 2+                               40.0 mg/L 20.0 2.00 

Mg 2+                              14.7 mg/L 12.2 1.21 

Na+                               13.7 mg/L 23.0 0.60 

Total cations  3.81 

Alk(HCO3–)  135.0 mg/L 50.0 2.70 

SO42 –          29.0 mg/L 48.0 0.60 

Cl –              17.8 mg/L 35.0 0.51 

Total anions  3.81 

 

Page 13: Water Softening (IR)

IR.AHMAD JUSOH/UMT/2009 w0men_iser

  0.4 0.0 2.0 3.21 3.81

CO2 Ca2+ Mg2+ Na+ HCO3

– SO42 – Cl –

0.4 0.0 2.7 3.3 3.81  

a) From the meq/L bar graph the hypotheticals combination are Ca (HCO3)2 2.0 meq/L, Mg  (HCO3)2 0.70, Mg  SO4 0.51, Na2SO4 0.09, and NaCl, 0.51  meq/L.       

   b) Calcium hardness 2.0 x 50 = 100 mg/L as  CaCO3   and magnesium 

hardness = 1.21 x 50 = 60.5 mg/L as CaCO3 or Total hardness = 160.5 mg/L as  CaCO3.  Carbonate hardness 2.7 x 50 = 135.0 mg/L. Non‐carbonate hardness = 0.51 x 50 = 25.5 mg/L. 

  

c) Chemical  required: The  required  lime dosage equals  the amount needed  for the softening reactions 1.25 meq/L  (35 mg/L) CaO of excess lime to participate the magnesium. 

 Dosage of lime    = 4.31 x 28 + 35 = 156 mg/L CaO. Dosage of soda ash   = 0.51 x 53 = 27 mg/L Na2CO3. 

 

Component  Meq/L Lime Ca O meq/L Soda ash meq/L 

CO2  0.4  0.4 0

Ca (HCO3)2  2.0  2.0 0

Mg (HCO3)2  0.7  2 x 0.7 = 1.4 0

Mg SO4  0.51  0.51 0.51 

 Total required 4.31 0.51 

 d) The hypothetical bar graph after excess  lime treatment  is shown 

below: The dashed box to the left of zero is the excess lime (1.25 meq/L CaO) added to  increase the pH high enough to precipitate the Mg (OH)2. The practical  limit of 0.6 meq/L Ca 2+   (30 mg/L as CaCO3 and 0.2 meq/L Mg 2+ (10 mg/L as CaCO3). 

  

Page 14: Water Softening (IR)

IR.AHMAD JUSOH/UMT/2009 w0men_iser

Recarbonation  converts  the  excess  lime  to  calcium  carbonate precipitate.  Further  carbon‐dioxide  addition  converts  CO3

2–  to HCO3

–,  and  finish water with  a  total  hardness  of  40 mg/L.  The amount CO2 required  is  (1.25 + 0.2 + 0.4) meq/L x 22 mg/meq = 40.7 mg/L of CO2. 

   1.25 0.0 0.6 0.8 1.91

Ca2+ Ca2+ Mg2+ Na+ OH – OH

– CO3

2– SO42 – Cl –

0.0 0.2 0.8 1.4 1.91 0.0 0.6 0.8 1.91

Ca2+ Mg2+ Na+

HCO3– CO3

2– SO42 – Cl –

0.0 0.4 0.8 1.4 1.91                   

Page 15: Water Softening (IR)

IR.AHMAD JUSOH/UMT/2009 w0men_iser

SELECTIVE CALCIUM REMOVAL  Waters with a magnesium hardness of  less than 40 mg/L as CaCO3 can be soften by removing only a portion of the calcium hardness. The processing can be a single‐stage system of mixing, sedimentation,  recarbonation and filtration.  Enough  lime  is  added  to  the  raw water  to  precipitate  calcium hardness without providing any excess  for magnesium  removal. Soda ash may be required depending on the non‐carbonate hardness. Recarbonation is usually practised to reduce scaling of the filter sand and produce a stable effluent. (see example problem 10.5 and 10.4 pp 433‐437).  Example: Selective Calcium Removal  Consider selective calcium carbonate removal softening of a raw water with a bar graph as shown below: Calculate the lime dosage as CaO, and sketch the soften water bar graph after recarbonation and filtration.   Solution   The  only  hypothetical  combination  involving  calcium  is  2.0 meq/L  of  Ca (HCO3)2  ;  therefore,  no  soda  ash  is  needed  and  the  lime  required  is  2.0 meq/L which equal to 28 mg/meq x 2 meq/L = 56 mg/L of CaO.  The soften water bar graph has 0.6 meq/L of calcium hardness (the practical limit of 30 mg/L)  and  the  total  alkalinity  is  0.8 meq/L, which  is  0.6 meq/L  from  the practical  limit and 0.2 meq/L associated with magnesium  in the raw water bar graph. The degree of recarbonation determines the relative amount of carbonate and bicarbonate anions. The other  ions  in the soften water are the same as in the raw water.    0.0 2.0 2.6 2.9

Ca2+ Mg2+ Na+ HCO3

– SO42 – Cl –

0.0 2.2 2.7 2.9 0.0 0.6 1.2 1.5

Ca2+ Mg2+ Na+ CO3

2– HCO3– SO4

2 – Cl – 0.0 0.8 1.3 1.5