NGUYỄN VĂN SỨC Tài liệu chuyên khảo CÔNG NGHỆ HẤP PHỤ TRONG XỬ LÝ NƯỚC VÀ NƯỚC THẢI NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH 2017 3 LỜI MỞ ĐẦU Công nghệ hấp phụ đang được áp dụng rộng rãi t[.]
NGUYỄN VĂN SỨC Tài liệu chuyên khảo CÔNG NGHỆ HẤP PHỤ TRONG XỬ LÝ NƯỚC VÀ NƯỚC THẢI NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2017 LỜI MỞ ĐẦU Công nghệ hấp phụ áp dụng rộng rãi xử lý nước thải nguồn nước bị nhiễm Tính ưu việt cơng nghệ hấp phụ loại bỏ hồn tồn chất nhiễm chí nồng độ thấp, không để lại lượng lớn chất thải rắn, dễ thiết kế, dễ vận hành giá thành đầu tư thấp Với kết nghiên cứu tác giả tham khảo tài liệu nhiều tác giả khác lĩnh vực công nghệ hấp phụ, sách chuyên khảo Công nghệ hấp phụ xử lý nước nước thải biên soạn để giúp bạn đọc có kiến thức chuyên sâu lĩnh vực hấp phụ Tác giả mong quý đồng nghiệp, sinh viên người quan tâm đến lĩnh vực công nghệ hấp phụ xử lý nước đóng góp ý kiến nội dung để sách hoàn thiện Trân trọng cảm ơn! Tác giả MỤC LỤC Nội dung CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Trang Chương GIỚI THIỆU 11 1.1 ĐỊNH NGHĨA VỀ HẤP PHỤ 11 1.2 QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ 14 1.3 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HẤP PHỤ 1.3.1.Tính chất hóa lý vật liệu hấp phụ 1.3.2 Đặc tính chất bị hấp phụ 17 17 17 1.4 CÔNG NGHỆ HẤP PHỤ 18 1.4.1 Quá trình gián đoạn 18 1.4.2 Quá trình lớp nhồi cố định 19 1.4.3 Quá trình lớp nhồi chuyển dịch 21 1.5 LỰA CHỌN CHẤT HẤP PHỤ 1.5.1 Giới thiệu số vật liệu hấp phụ 22 24 1.5.1.1 Than hoạt tính 24 1.5.1.2 Các chất hấp phụ poymer 30 1.5.1.3 Các chất hấp phụ oxit kim loại 31 1.5.1.4 Hydrotalcite 35 1.5.1.5 Zeolite tổng hợp 37 1.5.1.6 Các chất hấp phụ tự nhiên giá thành thấp 38 1.6 MỘT SỐ KẾT QUẢ ÁP DỤNG HẤP PHỤ TRONG XỬ LÝ NƯỚC VÀ NƯỚC THẢI BẰNG VẬT LIỆU HẤP PHỤ TỰ NHIÊN 40 Chương ĐẶC TRƯNG CỦA CHẤT HẤP PHỤ, HÓA HỌC BỀ MẶT VÀ NĂNG LƯỢNG BỀ MẶT 47 2.1 ĐẶC TRƯNG CỦA CHẤT HẤP PHỤ 47 2.1.1 Mật độ vật liệu 47 2.1.2 Mật độ khả kiến 47 2.1.3 Mật độ khối lượng 47 2.1.4 Độ xốp 48 2.1.4.1 Độ xốp hạt 48 2.1.4.2 Độ xốp khối lượng 48 2.1.5 Diện tích bên ngồi bề mặt chất hấp phụ 49 2.1.6 Diện tích bên bề mặt 51 2.1.7 Phân bố kích thước lỗ 55 2.2 HÓA HỌC BỀ MẶT VÀ NĂNG LƯỢNG BỀ MẶT 55 2.2.1 Hóa học bề mặt 55 2.2.2 Năng lượng bề mặt 60 Chương CÂN BẰNG HẤP PHỤ 65 3.1 HẤP PHỤ TRONG HỆ MỘT CẤU TỬ 65 3.1.1 Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ cấu tử 66 3.2 CÁC MƠ HÌNH ĐẲNG NHIỆT BA THAM SỐ 72 3.3 ẢNH HƯỞNG CỦA pH 79 3.4 ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ 82 3.5 THIẾT KẾ HỆ THỐNG HẤP PHỤ 84 3.5.1 Giới thiệu 84 3.5.2 Thiết kế hấp phụ gián đoạn giai đoạn 86 3.5.3 Thiết kế hấp phụ hai giai đoạn 91 3.6 HẤP PHỤ HỖN HỢP CĨ NHIỀU CẤU TỬ 3.6.1 Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ hệ nhiều cấu tử 93 94 Chương ĐỘNG HỌC HẤP PHỤ 97 4.1 GIỚI THIỆU 97 4.2 CƠ CHẾ TRUYỀN KHỐI 97 4.3 MÔ HÌNH TRUYỀN KHỐI 98 4.3.1 Giới thiệu 98 4.3.2 Khuếch tán màng 99 4.3.3 Khuếch tán bề mặt 102 4.3.4 Khuếch tán lỗ 112 4.3.5 Kết hợp khuếch tán lỗ khuếch tán bề mặt 118 4.3.6 Mơ hình khuếch tán nội hạt đơn giản (Mơ hình LDF) 122 4.3.7 Các mơ hình động học phản ứng 132 4.3.8 Các mơ hình khuếch tán nội hạt 138 4.3.8.1 Mơ hình khuếch tán chất rắn đồng thể (HSDM) 138 4.3.8.2 Mơ hình Weber-Morris 141 4.3.8.3 Mơ hình Dumwald-Wagner 143 4.3.8.4 Mơ hình Double-exponential (DEM) 145 4.3.9 Động học hấp phụ hệ nhiều cấu tử 4.4 THIẾT KẾ HẤP PHỤ GIÁN ĐOẠN HAI GIAI ĐOẠN 146 149 4.4.1 Cơ sở lý thuyết 149 4.4.2 Thiết kế bể hấp phụ gián đoạn hai giai đoạn sở thời gian thiết kết tối ưu 151 Chương ĐỘNG HỌC HẤP PHỤ CỘT NHỒI CỐ ĐỊNH 156 5.1 GIỚI THIỆU 156 5.2 XÁC ĐỊNH ĐƯỜNG CONG THOÁT BẰNG THỰC NGHIỆM 162 5.3 CÁC THAM SỐ CỦA QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ CỘT NHỒI CỐ ĐỊNH 164 5.4 CÂN BẰNG VẬT CHẤT TRONG CỘT NHỒI CỐ ĐỊNH 166 5.4.1 Các dạng cân vật chất 166 5.4.2 Cân vật chất tích phân 167 5.4.3 Cân vật chất vi phân 174 5.5 ĐỘNG HỌC CỦA QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ CỘT NHỒI 178 5.5.1 Mơ hình PDM 178 5.5.2 Mơ hình HSDM 178 5.5.3 Mơ hình PSDM 178 5.5.4 Mơ hình lực dẫn tuyến tính (LDF) 182 5.6 THUYẾT LAN TRUYỀN SĨNG 184 5.6.1 Cơ sở lý thuyết 184 5.6.2 Mơ hình Clark 187 5.6.3.Mơ hình Thomas 189 5.6.4 Mơ hình Bohart-Adams mơ hình thời gian phục vụ (BDST) 190 5.6 Mơ hình Yoon-Nelson 195 5.6.6 Mơ hình Wang 196 5.7 CÁC MƠ HÌNH ĐỘNG HỌC KHÁC CHO HẤP PHỤ LIÊN TỤC 197 5.7.1 Mơ hình Wolborska 197 5.7.2 Mơ hình đáp ứng liều lượng có điều chỉnh 197 Chương XỬ LÝ NƯỚC BẰNG THAN HOẠT TÍNH, Q TRÌNH THIẾT KẾ VÀ MƠ HÌNH HĨA 198 6.1 GIỚI THIỆU 198 6.2 XỬ LÝ NƯỚC VỚI THAN HOẠT TÍNH BỘT (PAC) 199 6.3 XỬ LÝ NƯỚC VỚI THAN HOẠT TÍNH HẠT (GAC) 199 6.3.1 Các yếu tố quan trọng hệ thống hấp phụ cột nhồi GAC 202 6.3.2 Phân tích hoạt động cột nhồi GAC 202 6.3.3 Ảnh hưởng kích thước hạ GAC đến giảm áp suất chuyền khối nội hạt 203 6.3.4 Vùng hấp phụ sóng hấp phụ 204 6.3.5 Điểm đường cong thoát 205 6.3.6 Điểm cạn kiệt bão hịa lớp hấp phụ 205 6.3.7 Phân tích cột hấp phụ nhồi chất hấp phụ cố định 207 6.3.7.1 Dung tích hấp phụ cực đại cột 207 6.3.7.2 Những tiếp cận để thiết kế cột hấp phụ 207 6.3.8 Thời gian cần thiết để làm cạn kiệt lớp hấp phụ 209 6.3.9 Thiết kế cột hấp phụ dựa phương pháp thời gian phục vụ lớp hấp phụ (BDTS) 216 TÀI LIÊU THAM KHẢO 221 CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu chữ viết tắt Nội dung A Diện tích bề mặt ABET Diện tích bề mặt xác định phương pháp BET AM Diện tích bề mặt bị chiếm phân tử AR Diện tích bề mặt lớp nhồi cố định b Tham số đẳng nhiệt Bi Số Bio đặc trưng cho tỷ lệ trở kháng truyền khối bên bên ngồi BV Thể tích lớp nhồi C Nồng độ chất tan (chất ô nhiễm) C0 Nồng độ chất ô nhiễm ban đầu Ct Nồng độ chất ô nhiễm thời gian t EBCT Thời gian tiếp xúc lớp trống G Năng lượng Gibb tự GAC Than hoạt tính hạt PAC Than hoạt tính bột KL Hằng số Langmuir KF Hằng số Freundlich H Enthalpy HSDM Mơ hình khuếch tán bề mặt đồng thể Ký hiệu chữ viết tắt S Entropy Kc Hằng số tạo phức Kd Hằng số phân bố k Hệ số truyền khối k Hằng số tốc độ 𝑚̇ Dòng khối lượng 𝑛̇ Tốc độ truyền khối q Dung lượng hấp phụ Qs Điện tích bề mặt 𝑞̅ 10 Nội dung Tải trọng hấp phụ trung bình tB Thời gian điểm V Thể tích V0 Thể tích vi lỗ Vmono Thể tích hấp phụ đơn lớp 𝑉̇ Tốc độ thể tích dịng (lưu lượng) Y Hệ số hiệu suất ... chuyên khảo CÔNG NGHỆ HẤP PHỤ TRONG XỬ LÝ NƯỚC VÀ NƯỚC THẢI NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2017 LỜI MỞ ĐẦU Công nghệ hấp phụ áp dụng rộng rãi xử lý nước thải nguồn nước bị... chất hấp phụ tự nhiên giá thành thấp 38 1.6 MỘT SỐ KẾT QUẢ ÁP DỤNG HẤP PHỤ TRONG XỬ LÝ NƯỚC VÀ NƯỚC THẢI BẰNG VẬT LIỆU HẤP PHỤ TỰ NHIÊN 40 Chương ĐẶC TRƯNG CỦA CHẤT HẤP PHỤ, HÓA HỌC BỀ MẶT VÀ NĂNG... Pha hấp phụ Chất hấp phụ Pha lỏng Hấp phụ Chất bị hấp phụ Chất hấp phụ Giải hấp phụ Hình 1.2: Quá trình hấp phụ thuận nghịch 12 Hình 1.3: Bề mặt chất rắn có lượng dị thể Phương pháp hấp phụ xem