CHƯƠNG 6 LÀM THOÁNG - ĐUỔI KHÍ ppt

CHƯƠNG 6 LÀM THOÁNG - ĐUỔI KHÍ Làm thoáng để đuổi các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (volatile organic compounds = VOCs) trong trường hợp nước bị ô nhiễm, bổ sung/bão hoà ôxi vào nước. Trong quá trình làm thoáng nước ngầm, nước được bão hoà ôxi, các khí khác (CO 2 ) sẽ thoát ra, khi đó ôxi sẽ thực hiện các quá trình ôxi hoá, ví dụ ôxi hoá Fe(II) hoặc Mn(II). Làm thoáng cũng để đưa ôxi vào nước trong các quá trình ôxi hoá vi sinh, đuổi khí amôniac hoà tan Độ tan của mỗi chất khí trong nước tuân theo định luật Henry, ở nhiệt độ là hằng số ta có: p = Hx (6.14) trong đó x = độ tan của khí trong pha lỏng – dung dịch, phần mol H = hằng số Henry, atm p = áp suất riêng phần của khí ở pha khí trên bề mặt dung dịch, atm Như vậy, áp suất riêng phần của khí i càng lớn thì độ tan x của nó trong nước (chất lỏng) càng lớn. Ngoài ra, áp suất riêng phần tuân theo định luật Dalton theo đó áp suất tổng (P t ) của hỗn hợp khí bằng tổng các áp suất riêng phần của mỗi khí trong hỗn hợp khí đó (P i ): P t = P 1 +P 2 + P 3 + + P i (6-15) Vì PV = nRT P =n(RT/V) P t = (RT/V)(n 1 + n 2 + + n i ) P 1 = n 1 / (n 1 + n 2 + + n i ) (6.16) Kết hợp định luật Henry và Dalton, ta có: Y i = H i x i / P t (6.17) Trong đó Y i = phần mol của khí i trong hỗn hợp khí (không khí) x i = phần mol của khí i ở pha dung dịch (nước) H i = hằng số Henry của khí i P t = áp suất tổng, atm Như vậy, hằng số Henry càng lớn, P t càng nhỏ nghĩa là khí hoà tan càng dễ được kéo ra khỏi dung dịch. Khi tăng nhiệt độ, nói chung áp suất riêng phần /storage2/vhost/convert.store123doc.com/data_temp/document/zbf1394180422-doc 13941804226875/zbf1394180422.doc 1 của một chất khí sẽ tăng. Mối quan hệ hằng số Henry và nhiệt độ được thể hiện qua phương trình (J.M. Montgomery Consulting Engineering, 1985; Am. Soc. of Civil Engineers & AWWA, 1990): J RT H H + ∆ −= log (6.18) Trong đó H = hằng số Henry ∆ H = nhiệt cần để bốc hơi 1 mol khí từ dung dịch ở nhiệt độ và áp suất là hằng số, cal/mol R = hằng số khí, 1,897 cal/mol T = nhiệt độ, Kelvin J = hằng số kinh nghiệm Các giá trị H, ∆ H, và J của một số loại khí và VOC thường gặp được cho ở Bảng 6.1. Bảng 6.1 Hằng số Henry, ∆ H và hệ số hiệu chỉnh nhiệt độ J Khí Hằng số Henry ở 20 o C, atm ∆ H, 10 3 cal/mol J Amoniac Benzen Bromofooc Carbon dioxit Carbon tetraclorua Clo Clo dioxit Clorofooc Hydro sulfua Metan Nitơ Oxy Ozon Sulfur dioxit Tricloetylen Vinyl clorua 0,76 240 35 1,51 x 10 2 1,29 x 10 3 585 54 170 515 3,8 x 10 4 8,6 x 10 4 4,3 x 10 4 5,0 x 10 3 38 550 1,21x10 3 3,75 3,68 - 2,07 4,05 1,74 2,93 4,00 1,85 1,54 1,12 1,45 2,52 2,40 3,41 - 6,31 8,68 - 6,73 10,06 5,75 6,76 9,10 5,88 7,22 6,85 7,11 8,05 5,68 8,59 - VÍ DỤ 1: Ở 20 o C áp suất riêng phần của cloroform CHCl 3 là 18mmHg trong bồn chứa nước kín. Hãy tính nồng độ cân bằng của cloroform trong nước ở áp suất khí quyển, coi dung dịch và hỗn hợp khí là lí tưởng. Các giá trị H, ∆ H, và J lấy ở bảng 6.1. Lời giải: (1) Xác định phần mol (x) của CHCl 3 Từ bảng 6.1, ở 20 o C và P t = 1 atm, hằng số Henry của cloroform H = 170atm /storage2/vhost/convert.store123doc.com/data_temp/document/zbf1394180422-doc 13941804226875/zbf1394180422.doc 2 Áp suất riêng phần của CHCl 3 , p, bằng p = 18mm/760mm = 0,024 atm Từ định luật Henry: p = Hx → x = p/H = 0,024 atm/170 atm = 1,41 x 10 − 4 (phần mol) (2) Chuyển đổi nồng độ thành mol/L và mg/L: Số mol trong 1 L nước = 1000/18 mol/L = 55,6 mol/L. Vậy: x = n / (n + n w ) trong đó n = số mol của CHCl 3 n w = số mol của nước → nx + n w x = n 4 4 10*41,11 10.41,16,55 1 − − − × = − = x xn n w = 7,84 x 10 − 3 mol/L MW của CHCl 3 = 12 + 1 + 3 x 35,45 = 119,4 Nồng độ mol/L và mg/L (C) của CHCl 3 bằng C = 119,4g/mol x 7,84 x 10 − 3 mol/L = 0.94 g/L = 940 mg/L Chú ý: Đây là con số rất lớn. Trong thực tế, nước sau xử lý thường tiếp xúc với không khí. Khi đó nồng độ hay áp suất riêng phần của cloroform trong không khí là không đáng kể. Vậy, nồng độ cloroform trong nước gần zero hoặc rất thấp. VÍ DỤ 2: Nước sau xử lý có nồng độ ôxi hòa tan bằng 6,0mg/L. Giả thiết đây là nồng độ cân bằng. Hãy tính nồng độ ôxi ở bề mặt tiếp xúc ở 17 o C. Lời giải: Bước 1. Tính hằng số Henry ở 17 o C (290 K) /storage2/vhost/convert.store123doc.com/data_temp/document/zbf1394180422-doc 13941804226875/zbf1394180422.doc 3 Từ bảng 6.1 và Pt. (6.18) J RT H H + ∆ −= log = ( )( ) 11.7 290./987.1 /1045.1 3 + × − KKkmolekcal kmolekcal = 4,59 H = 38,905 (atm) x 103,3 (kPa/atm) = 4,02 x 10 6 kPa Bước 2. Tính nồng độ phần mol của oxy ở pha khí, ôxi có M.W. =32 là khí i trong nước. C i = 6mg/L x 10 − 3 g/mg x 10 3 L/m 3 : 32g/mol = 0,1875mol/m 3 Ở 1atm nồng độ mol của nước bằng C w = 55,6 kmole/m 3 → x i = C i /C w = 0,1875mol/m 3 / 55,6 x 10 3 mol/m 3 = 3,37 x 10 − 6 Ở P t = 1 atm, từ Pt. (6.17), tính Y i phần khí i trong pha khí: Y i = H i x i / P t = 38,905 atm x 3,37 x 10 − 6 / 1atm = 0,131 Bước 3. Tính áp suất riêng phần p i p i = Y i P t = 0,131 x 1 = 0,131 atm Bước 4. Tính nồng độ ôxi trong pha khí C g Sử dụng biểu thức khí lí tưởng p i V = n i RT C g = n i / V = p i /RT = 0,131 atm / (0,08285 atm L/mol K x (290K)) = 5,44 x 10 − 3 mol/L = 5,44 x 10 − 3 mol/L x 32g/mol /storage2/vhost/convert.store123doc.com/data_temp/document/zbf1394180422-doc 13941804226875/zbf1394180422.doc 4 = 0,174 g/L = 174 mg/L 6.1 Phương trình chuyển pha khí/lỏng Có ba mô hình chuyển pha khí/lỏng. Đó là: mô hình hai lớp màng, mô hình xuyên thấm, và mô hình tái tạo bề mặt. Dưới đây là mô hình hai lớp màng, các mô hình còn lại xem ở (Schroeder, 1977). H 6.1 Sơ đồ mô hình hai lớp cho trường hợp (a) hấp thụ khí vào lỏng; (b) đuổi khí Mô hình hai lớp màng là mô hình cổ điển nhất và đơn giản. Các khái niệm chính trong mô hình được trình bày trên H. 6.1. Dòng được định nghĩa là khối lượng chất được chuyển qua một bề mặt nào đó (vuông góc với dòng) trong 1 đơn vị thời gian. Dòng sẽ phụ thuộc vào động lực gây ra nó. Động lực gây ra quá trình chuyển khối này chính là sự chênh lệch nồng độ khí trên bề mặt phân cách hai pha khí/lỏng và trong thể tích chất lỏng hoặc khí. Dòng khí vận chuyển qua màng khí tương tự như qua màng lỏng. Với mỗi màng ta có phương trình tính dòng F: /storage2/vhost/convert.store123doc.com/data_temp/document/zbf1394180422-doc 13941804226875/zbf1394180422.doc 5 ( ) ( ) liligg CCkPPk Adt dW F −=−== (6.19) Trong đó F = dòng W = khối lượng khí được vận chuyển qua A = thiết diện mà dòng khí qua, vuông góc với dòng khí t = thời gian k g = hệ số chuyển khối của khí trong màng khí P g = áp suất khí (nồng độ) trong pha khí P i = áp suất (nồng độ) khí trên bề mặt phân pha k l = hệ số chuyển khối của khí trong màng lỏng C i = nồng độ khí trên bề mặt phân pha ở cân bằng C l = nồng độ khí trong pha lỏng Do P i và C i không đo được ta cần sử dụng khái niệm các hệ số chuyển khối thể tích trong đó các hệ số chuyển khối nói trên được quy về bề mặt phân cách pha tính cho 1 đơn vị thể tích của hệ khảo sát. Gọi P* và C* là áp suất và nồng độ khí ở cân bằng khi áp suất và nồng độ trong pha khí và pha lỏng là P g và C l tương ứng, ta có: F = K G (P g − P*) = K L (C* − C l ) (6.20) Đối chiếu: ( ) ( ) liligg CCkPPk Adt dW F −=−== (6.19) Quan hệ nồng độ của khí trong pha khí và lỏng được mô tả trên H. 6.2. H 6.2 Quan hệ nồng độ khí trong pha khí và pha lỏng (s 1 và s 2 là độ dốc) Trên cơ sở H.6.2 và Pt. (6.19), ta dẫn được: /storage2/vhost/convert.store123doc.com/data_temp/document/zbf1394180422-doc 13941804226875/zbf1394180422.doc 6 ( ) ( ) ∗∗ −+−=− PPPPPP iigg = ( ) liig CCsPP −+− 1 Pt. (6.19)→ = lg k Fs k F 1 + Từ Pt. (6.20): ∗ −= PP K F g g → lgg k Fs k F K F 1 += → lgg k s kK 1 11 += Tương tự, ta có: lgL kksK 111 2 += Trong điều kiện dung dịch loãng có thể áp dụng định luật Henry (p i ~ C i ), khi đó đồ thị (H. 6.2) có dạng đường thẳng với độ dốc là hằng số Henry: s 1 = s 2 = H Khi đó hệ số chuyển khối qua màng khí được xác định từ: llG k H kK += 11 (6-21) Còn hệ số chuyển khối qua màng lỏng glL HkkK 111 += (6-22) Trong đó 1/k l và 1/k g được coi là trở lực màng lỏng và màng khí tương ứng. Đối với quá trình chuyển khối của oxi thường gặp trong xử lý nước, trở lực qua màng lỏng 1/k l lớn hơn nhiều so với 1/k g , vì vậy quá trình chuyển khối qua màng lỏng quyết định toàn bộ quá trình chuyển khối. Khi đó dòng F sẽ được tính bằng (C = mg/L): ( ) tsL CCK A V dt dC F −== (6.23a) tốc độ chuyển khối: /storage2/vhost/convert.store123doc.com/data_temp/document/zbf1394180422-doc 13941804226875/zbf1394180422.doc 7 ( ) tsL CCK V A dt dC −= (6.23b) hoặc ( ) tL CCaK dt dC −= ∗ (6.23c) trong đó K L = hệ số chuyển khối chung, cm/h A = bề mặt chuyển khối (phân pha), cm 2 V = thể tích chứa bề mặt A, cm 3 C t = nồng độ khí trong thể tích ở thời điểm t, mg/L C* = nồng độ khí cân bằng ở thời điểm t khi P t = HC s , mg/L a = bề mặt riêng, tính cho một đơn vị thể tích = A/V, cm − 1 K L a = hệ số chuyển khối pha lỏng chung, g mol/(h.cm 3 .atm) Tốc độ chuyển khối thể tích M bằng: M = (1 / V) N = K L a (C* − C) (6.24) = K G a (P − P*) (6.25) Trong đó N = tốc độ vận chuyển khí giữa hai pha, g mol/h VÍ DỤ 1: Bồn sục khí có V= 200m 3 có độ sâu (nước) = 4m. Thí nghiệm được thực hiện với nước sạch ở 20 o C. Tốc độ chuyển khối của ôxi = 18,7kg/h. Xác định hệ số chuyển khối thể tích trong nước. Lời giải: Bước 1. Xác định độ tan của ôxi ở 20 o C và 1atm: Vì nồng độ O 2 trong không khí = 21%, theo định luật Dalton áp suất riêng phần, p của ôxi bằng: p = 0,21 x 1atm = 0,21 atm Từ Bảng 6.1, ta có: H = 4,3 x 10 4 atm Phần mol x tính từ Pt. (6.14) bằng: x= p /H = 0,21 / 4,3 x 10 4 = 4,88 x l0 − 6 Trong 1L dung dịch số mol nước n w bằng 1000 / 18 = n w = 55,6 mol/L Đặt n = số mol ôxi trong nước (ở 1atm) ta có: /storage2/vhost/convert.store123doc.com/data_temp/document/zbf1394180422-doc 13941804226875/zbf1394180422.doc 8 x = n / (n + n w ) vì n rất nhỏ so với n w nên: n ≈ n w x = 55,6mol/L x 4,88.10 − 6 = 2,71 x 10 − 4 mol O/L Bước 2. Tính áp suất thủy tĩnh trung bình lên bọt khí. Đặt áp suất ở đáy bể = p b Biết 1 atm = 10,345m cột nước, vậy: p b = 1 atm + 4m*(1atm / 10,345m) = (1 + 0,386)atm = 1,386 atm Áp suất trên bề mặt nước = áp suất khí quyển = p s = 1atm Áp suất trung bình p bằng: p = (p s + p b ) / 2 = (latm + 1,386atm) / 2 = 1,193atm Bước 3. Tính C* − C C* = 2,71 x 10 − 4 mol/(L.atm) * 1,193atm = 3,233 x 10 − 4 mol/L Khi bọt khí nổi lên nồng độ ôxi giảm dần, lên đến bề mặt, khi bọt khí thoát khỏi nước, giả thiết là nồng độ ôxi trong bọt khí còn là 19%. Vậy: C* − C = 3,233 x 10 − 4 mol/L * 19/21 = 2,925 x 10 − 4 mol/L Bước 4. Tính K L a N = 18.700 g/h : 32/ mol = 584 g mol/h Từ pt. (6.24) M = (1 / V) N = K L a (C* − C) → ( ) CCV N aK L − = ∗ /storage2/vhost/convert.store123doc.com/data_temp/document/zbf1394180422-doc 13941804226875/zbf1394180422.doc 9 LmolmLm hmol /10925,2/1000200 /584 433 − ××× = = 1.0 h -1 ( ) tL CCaK dt dC −= ∗ (6.23c) Phương trình (6.23c) tương tự như định luật Fick I: dC/dt = K L a (C s − C) (6.23d) ở đây dC/dt = tốc độ thay đổi nồng độ khí trong dung dịch, mg/(L.s) K L a = hệ số chuyển khối tổng, s − 1 C s = nồng độ khí bão hòa trong dung dịch, mg/L C = nồng độ khí trong dung dịch, mg/L Giá trị C s được tính từ định luật Henry. Biểu thức C s − C chính là gradient nồng độ. Tách biến số ở Pt. (6.23d) và lấy tích phân từ 0 đến t, khi đó nồng độ sẽ biến đổi từ C o đến C t , ta có: ∫∫ = − t L C C s dtaK CC dC t o 0 (24a) hay: atK CC CC L os ts = − − ln (24b) Khi đuổi khí từ dung dịch, Pt. (6.24b) trở thành: atK st s L e CC CC − = − − 0 (6.24c) Tương tự, có thể lấy tích phân pt.(6.25) và thu được: aRTtK pp pp G t = − − ∗ ∗ 0 ln (6.25a) Giá trị K L a thường được xác định trên các hệ đang làm việc hoặc pilot. Nhiệt độ và chất tan sẽ ảnh hưởng đến đại lượng này. Với nhiệt độ có thể áp dụng dạng phương trình như đối với BOD, ta có: K L a (T) = K L a (20) θ T-20 (6.26) trong đó K L a T = hệ số chuyển khối tổng ở T o C, s − 1 /storage2/vhost/convert.store123doc.com/data_temp/document/zbf1394180422-doc 13941804226875/zbf1394180422.doc 10 [...]... = KLa(20)θ T-20 KLa(20) = KLa(T)θ T-20 hoặc = 1,00h-1*(1,024) 2 0- 16 = 1,10h−1 Cho nước thải: KLa(20) = KLa(T)θ T-20 = 0 ,64 h-1*(1.024) 2 0- 16 = 0,70h−1 Bước 6 Tính α theo Pt (6. 27) α = KLa (nước thải) / KLa (nước sạch) = 0,70/1,10 = 0 ,64 6. 2 Phân tán khí vào nước để đuổi khí khỏi nước Đây là trường hợp phân tán khí dưới dạng bọt nhỏ đều khắp thể tích chất lỏng Ta thường sử dụng phân tán khí trong các... một tốc độ khí nào đó để giảm nồng độ khí từ C1 đến C2 Nếu trong hệ không có phản ứng hoá học tiêu thụ khí thì lượng khí tạp mà nước bị mất = lượng lượng khí đó chuyển vào pha không khí Hình 6. 4 Sơ đồ tháp thổi đuổi khí 64 a Ảnh tháp thổi đuổi khí Nếu nồng độ khí rất loãng, ta có cân bằng: L∆C = G∆p trong đó (6. 32) L = cường độ chất lỏng, m/s, m3/(m2 s), hoặc mol/(m2s) G = cường độ không khí, đơn vị... trên ∆C = thay đổi nồng độ khí trong chất lỏng (nước) ∆p = thay đổi nồng độ khí (phần mol) trong pha khí Áp dụng Pt (6. 23d) cho quá trình đuổi khí (với C và Cs cho trước): /storage2/vhost/convert.store123doc.com/data_temp/document/zbf1394180422-doc-139418042 268 75/zbf1394180422.doc 16 dC/dt = KLa (Cs − C) dC/dt = KLa(C – Cs) → (6. 23d) (6. 23e) khi đó dt = dC / KLa(C – Cs) ( 6- 33) Nhân cả hai vế với L,... Pt (6. 32) L∆C = G∆p 80m3/(m2 h)(l – 0,1) x 10−3 mol/m3 = 2400m3/(m2 h)(pe − 0) → pe = 3,0 x 10−5 mol /m3 không khí (2) Chuyển đơn vị pe thành mol khí/ mol không khí Đặt V = thể tích không khí ứng với 1 mol không khí V = nRT = (1 mol)(0,082 06 L atm/mol K) x (293 K) / 1atm = 24,0 L = 0,024m3 kkhí /1 mol kkhí Từ (1): pe = 3,0.10−5 mol /m3 không khí =3,0.10−5(mol khí/ m3 kkhí) x 0,024 (m3 kkhí/ 1 mol kkhí)... /storage2/vhost/convert.store123doc.com/data_temp/document/zbf1394180422-doc-139418042 268 75/zbf1394180422.doc 11 − ln DO, mg/L Thời gian tiếp xúc, min Nước sạch 0,0 3,0 4,7 6, 4 7,2 7,9 8,5 0 20 40 60 80 100 120 Nước thải 0,0 2,1 3,5 4,7 5 ,6 6,4 7,1 C s − Ct Cs − C0 Nước sạch 0 0, 36 0 ,65 1,05 1,32 1 ,69 2,01 Nước thải 0 0,24 0,44 0 ,65 0,84 1,05 1,28 Lời giải: Bước 1 Tìm DO bão hòa ở 16oC từ Bảng 2.1 Cs = 9,82mg/L Bước 2 Tính –ln(Cs... 20oC = 293 K Hu = H / 4, 56* 293 = 7,49.10−4 H ( 6- 42a) G = tải bề mặt của dòng không khí tính theo mol (kmol/s m2) L = tải bề mặt của dòng nước tính theo mol (kmol/s m2) /storage2/vhost/convert.store123doc.com/data_temp/document/zbf1394180422-doc-139418042 268 75/zbf1394180422.doc 20 Hình 6. 5 Số đơn vị chuyển khối (NTU) của cột hấp thụ hoặc thổi đuổi khí với hệ số hấp thụ hoặc đuổi khí và hiệu suất xử lý... đồ thị như Hình 6. 3 Hình 6. 3 Diễn biến giá trị tính theo thời gian Bước 4 Tính KLa ở 16oC cho nước sạch: KLa = (2,01 / 120min) * (60 min/1h) = 1,00h−1 Tính cho nước thải: KLa = (1,28 / 120min) * (60 min/1h) = 0 ,64 h−1 Bước 5 Chuyển KLa xác định được về KLa ở 20°C với θ = 1,024 (Pt. (6. 26) ) Cho nước sạch: /storage2/vhost/convert.store123doc.com/data_temp/document/zbf1394180422-doc-139418042 268 75/zbf1394180422.doc... 7,2.10−7mol khí/ mol kkhí (3) Tính động lực, DF, đối với khí vào và ra: Với khí vào (đáy tháp): pi = 0 Ce = 13,1 µg/L = 0,0131 mg/L Cs = 0 /storage2/vhost/convert.store123doc.com/data_temp/document/zbf1394180422-doc-139418042 268 75/zbf1394180422.doc 18 DFi = Ce − Cs = 0,0131 mg/L Với khí ra (đỉnh tháp): pe = 7.2 x 10−7 mol khí/ mol kkhí Ci = 131 µg/L = 0,131 mg/L Cs = cần xác định Từ Bảng 6. 1, tìm hằng... 3, 56 ) ] = 10,0 µg/L % xử lý = (131 – 10) / 131 = 92,4 Như vậy hệ thống vượt hiệu suất thiết kế 90% 6. 3 Tháp đuổi khí Gần đây ngành nước có xu thế sử dụng các tháp đuổi khí để đuổi các khí hoà tan dễ bay hơi như hyđro sulfua và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) Tháp đuổi khí thường có dạng hình trụ, trong tháp nhồi vật liệu tiếp xúc Vật liệu tiếp xúc có nhiệm vụ tăng diện tích phân pha thường làm. .. với DFlm = trong đó ( 6- 36) z = chiều cao cột L = tốc độ (tải lượng) dòng lỏng Ci, Ce = nồng độ khí trong chất lỏng đầu vào đầu ra KLa = hệ số chuyển khối chung của chất lỏng DFi, DFe = động lực đầu vào và đầu ra DFlm = log trung bình của DFi và DFe ( 6- 37) VÍ DỤ 1: Tiến hành đuổi TCE trong nước bằng tháp đuổi khí ở các điều kiện sau: T = 20 oC = 293 K L = 80 m3 nước/(m2h) G = 2400 m3 khí/ (m2h) /storage2/vhost/convert.store123doc.com/data_temp/document/zbf1394180422-doc-139418042 268 75/zbf1394180422.doc . 10 3 38 550 1,21x10 3 3,75 3 ,68 - 2,07 4,05 1,74 2,93 4,00 1,85 1,54 1,12 1,45 2,52 2,40 3,41 - 6, 31 8 ,68 - 6, 73 10, 06 5,75 6, 76 9,10 5,88 7,22 6, 85 7,11 8,05 5 ,68 8,59 - VÍ DỤ 1: Ở 20 o C áp suất riêng phần. CHƯƠNG 6 LÀM THOÁNG - ĐUỔI KHÍ Làm thoáng để đuổi các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (volatile organic