Đồ án tốt nghiệp thiết kế hệ thống tự động điều chỉnh nhiệt độ trong thiết bị sấy hoa quả

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế hệ thống tự động điều chỉnh nhiệt độ thiết bị sấy hoa NGUYỄN VĂN A nguyenvanabc@sis.hust.edu.vn Ngành Kỹ thuật điện Chuyên ngành Hệ thống điện Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Phạm Văn ABC Bộ môn: Viện: Abc abc abc abc abc abc abc abc abc Abcb dbdbd Chữ ký GVHD HÀ NỘI, 6/2018 ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Biểu mẫu Đề tài/khóa luận tốt nghiệp theo qui định viện, nhiên cần đảm bảo giáo viên giao đề tài ký ghi rõ họ tên Trường hợp có giáo viên hướng dẫn ký tên Lời cảm ơn Đây mục tùy chọn, nên viết phần cảm ơn ngắn gọn, tránh dùng từ sáo rỗng, giới hạn khoảng 100-150 từ Tóm tắt nội dung đồ án Tóm tắt nội dung đồ án tốt nghiệp khoảng tối đa 300 chữ Phần tóm tắt cần nêu ý: vấn đề cần thực hiện; phương pháp thực hiện; công cụ sử dụng (phần mềm, phần cứng…); kết đồ án có phù hợp với vấn đề đặt hay khơng; tính thực tế đồ án, định hướng phát triển mở rộng đồ án (nếu có); kiến thức kỹ mà sinh viên đạt Sinh viên thực Ký ghi rõ họ tên MỤC LỤC 1.1 Cơ chế 1.2 Các yếu tố ảnh hưởng 1.2.1 pH 1.2.2 Ảnh hưởng nồng độ [ Fe 2+¿] .8 1.2.3 Ảnh hưởng nồng độ [H2O2] 1.2.4 Ảnh hưởng nồng độ chất ô nhiễm 10 1.2.5 Ảnh hưởng nhiệt độ 10 1.3 Động học phản ứng 11 1.4 Ứng dụng Fenton xử lý nước thải .12 1.5 Nguyên lý phương pháp Fenton 13 1.6 Quy trình nhà máy .14 Tài liệu tham khảo .15 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình Các hợp chất Fe(III) phụ thuộc vào pH 20oC Hình Ảnhh hưởng nồng đồ H2O2 khử màu qua trình Fenton Hình Ảnh hưởng nồng độ Fe(II) khử màu trình Fenton Hình Ảnh hưởng nồng độ H2O2 phản ứng Fenton .9 Hình Ảnh hưởng nồng độ ban đầu 2-CP đến khả chuyển hóa 10 Hình Ảnh hưởng nhiệt độ đến độ ổn định H2O2 11 Hình Ảnh hưởng nhiệt độ đến trình khử màu 11 Hình Mơ động học Fenton .12 Hình Cơ chế phản ứng trình Fenton .14 Hình 10 Quá trình phản ứng Fenton nhà máy TransAsia TanTec 14 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng Các thông số động học Fenton 12 1.1 Cơ chế Trong số AOP, q trình oxy hóa thuốc thử Fenton phương pháp xử lý hấp dẫn để khử màu phân hủy thuốc nhuộm hiệu chi phí thấp, thuốc thử khơng có độc tính (tức Fe2+ H2O2), khơng có giới hạn chuyển khối tính đồng chất xúc tác đơn giản công nghệ Phản ứng Fenton sử dụng ion sắt để tác dụng với hydro peroxide, tạo gốc hydroxyl có khả oxy hóa mạnh để phân hủy chất ô nhiễm hữu phương trình.Haber Weiss xác định gốc hydroxyl tác nhân oxy hố hình thành từ phản ứng Fenton:1 2+ 3+ ❑ H2 O2 + Fe → Fe + OH + O H ❑ ❑ O H + RH → R + H O ❑ 3+ ¿→ R + ¿+ Fe 2+¿ ¿ ¿ ¿ R +F e 2+ ❑ 3+¿+O H ¿ Fe +O H → F e Ion Fe 3+ hình thành tiếp tục phản ứng với hdro peoxit để hình thành ion 2+ Fe theo phản ứng: 3+ 2+ ● + ¿¿ Fe +H2 O2 → Fe + HO + H Hệ phản ứng Fenton trì cá phản ưng trung gian giúp trình phản ứng dây chuyền : Phản ứng k(mol−1 l s−1) Khơi mào 2+ 3+ ● 55 H2 O2 + Fe → Fe + OH + ❑OH 2+ Xúc tác: Hình thành Fe 3+ 2+ ● + ¿¿ 3,1.10-3 Fe + H O2 → Fe + HO + H −¿¿ 3+ ● 2+ Fe + HO2 → Fe +O2 + H 3+ ● +¿¿ 5.107 2+ Fe +O2 → Fe + O2 Phát triển mạch ● ● ❑OH + H O → H O+ HO2 HO ●2 → H + ¿+ O ●−¿¿ ● ❑ 1,6.105 ● 107-109 ● ❑ OH + ArH → ArHOH Ức chế ¿ Fe2 +¿+ OH → Fe −¿ ¿ 3+ ¿+ OH Fe Fe +¿+ O●2 −¿ −¿ O●2 ● ● ¿ ¿ −¿ 1,2.106 1,0.107 + ¿→ H O2 + O2 ¿ ¿ 9,7.107 ● ● 4,3.108 ¿ OH +OH → H O 2+O2 O●2 108-1010 ¿ +2 H +OH + H 3+¿ + H O ¿ 2 +¿ → Fe ¿ ● ¿ 3+¿ +H O ¿ 2 +¿+ OH●2 + H +¿→ Fe 3,3.107 ¿ OH + RH → R + H O ● ❑ 2.104 +OH → OH −¿+ O2 ¿ ¿ 8,3.105 7,1.109 −¿ O●2 ● +OH + H2 O → OH −¿+ H O2 + O2 ¿ 1,0.1010 ¿ OH +OH → H O2 ● ❑OH → H O2 ● 1.2 9,7.107 5,3.109 ● Các yếu tố ảnh hưởng Phản ứng Fenton, q trình oxi hóa mạnh mẽ xử lý nước Hiệu ứng phản ứng Fenton chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố bao gồm: • Nồng độ ion sắt, • Hàm lượng hydrogen peroxide, • pH môi trường, • Nhiệt độ phản ứng, • Nồng độ chất ô nhiễm 1.2.1 pH Sự phân hủy chất nhiễm hữu quy trình Fenton thông thường nhạy cảm với độ pH nước thải Ở giá trị pH thấp, khả tiêu thụ •OH H+ trở nên mạnh hơn, dẫn đến giảm khả oxy hóa q trình Fenton Khơng tăng trình hình thành cách hợp chất sắt làm giảm khả tái tạo lại xúc tác Fe2 +¿¿ ¿ H +¿+ OH +e Ở giá trị pH cao, trình thủy phân kết tủa Fe3+ dung dịch trở nên mạnh dẫn đến khả xúc tác Fe 3+ giảm mà pH vượt phản ứng bị sụt giảm Fe2+ chuyển thành Fe3+ (do mơi trường pH> tính axit giảm Fe2+ bị thủy phân tạo Fe 3+) Fe3+ xúc tác phân hủy chất H 2O2 thành oxy nước mà không tạo nên gốc hydroxyl ¿ Fe2 +¿+ OH → Fe 3+ ¿+ H O → F e ¿ Fe Trong dung dịch pH từ 2-7 phần tử Fe 2+ nằm dạng Fe2+(aq), với Fe3+ 2+ Fe (aq) (ở pH< 3) Khi pH~ Fe 2+ FeOH2+(aq), pH ϵ (3,7) Fe2+ Fe(OH)2+(aq) Do hệ Fenton hệ liên quan (photo-Fenton, Electro-Fenton) đạt hiệu suất tối ưu khoảng pH ∼ −¿→ H O ¿ ● ❑ −¿ → Fe ( OH ) ¿ 3+ ¿+ OH ● ❑ ❑ + ¿¿ 2+ ¿+ H O + H ¿ ¿ Hình Các hợp chất Fe(III) phụ thuộc vào pH 20oC Hình Ảnhh hưởng nồng đồ H2O2 khử màu qua trình Fenton Đối với phản ứng Fenton, trình màu đạt 95% sau 20 phút pH < 4,5 giảm pH xuống, tốc độ phân hủy khơng thay đổi nhiều Do đó, pH khởi đầu tối ưu cho phản ứng Fenton 3 Tại pH thấp (2-4), hình thành nhiều Fe(OH)⁺ hơn, hoạt tính Fe(OH)⁺ cao so với Fe 2+ q trình oxi hóa Fenton Ngược lại, Fe2+ không ổn định pH > 4,0 dễ dàng chuyển thành Fe3+, có xu hướng tạo thành phức chất hydroxo Fe 3+ Các phức chất tiếp tục tạo thành [Fe(OH)₄]⁻ giá trị pH > 9,0 Ngồi ra, H 2O2 khơng ổn định dung dịch phân hủy thành ơxy nước, khả oxi hóa Do đó, peroxide nước Fe 3+ gặp khó khăn việc thiết lập hệ thống redox hiệu trình màu chúng hiệu 1.2.2 Ảnh hưởng nồng độ [ Fe2 +¿¿] Các trình tối ưu hóa Fenton khác cho tuân theo chế oxy hóa tương tự: Fe2+xúc tác q trình phân hủy H2O2 thành tạo chất •OH có tính oxy hóa cao phân hủy hầu hết chất ô nhiễm hữu cứng đầu Vì vậy, xúc tác Fe2+ thơng số quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất phân hủy chất ô nhiễm hữu Thông thường hiệu suất phân hủy chất ô nhiễm hữu tăng theo gia tăng nồng độ Fe2+ Tuy nhiên, Fe2+không thể thêm q nhiều lượng Fe2+ dư thừa khơng làm tăng chi phí vận hành tăng cặn sắt mà cịn tăng khả tiêu thụ •OH Fe2+ có tác động tiêu cực đến trình phân hủy chất nhiễm hữu Hình Ảnh hưởng nồng độ Fe(II) khử màu trình Fenton Hình cho thấy ảnh hưởng nồng độ ion Fe đến phân hủy thuốc nhuộm phản ứng Fenton Mức độ phân hủy thuốc nhuộm tăng lên tăng ion Fe Mức độ phân hủy nhỏ nồng độ ion Fe < 1.10 M Khi nồng độ ion Fe >1,0.104 M, mức độ phân hủy thuốc nhuộm 90% sau 10 phút 1.2.3 Ảnh hưởng nồng độ [H2O2] Theo phản ứng Fe2+ H2O2 để tạo •OH, ảnh hưởng nồng độ H2O2 đến khả phân hủy chất ô nhiễm hữu trình Fenton tương tự nồng độ Fe2+ Vì vậy, H2O2 thơng số quan trọng ảnh hưởng đến hiệu phân hủy chất ô nhiễm hữu Thông thường hiệu suất phân hủy chất ô nhiễm hữu tăng lên nồng độ H2O2 tăng Tuy nhiên, H2O2 thêm vào mà khơng có hạn chế H2O2 q mức khơng làm tăng chi phí hoạt động mà tăng cường khả thu hồi tác dụng •OH H2O2 có ảnh hưởng tiêu cực đến q trình phân hủy chất nhiễm hữu ● ● OH + H O2 → H O+ ❑¿ ¿ OH Hình Ảnh hưởng nồng độ H2O2 phản ứng Fenton Ảnh mơ tả mối quan hệ q trình phân hủy chất màu theo thời gian nồng độ ban đầu khác H2O2 Có thể thấy kết tủa màu sắc Fe3⁺ không đáng kể Màu sắc giảm khoảng 15% sau thiếu H 2O2 Kết cho thấy trình phân hủy chất màu tăng lên nồng độ H2O2 tăng Khi nồng độ H2O2 tăng lên × 10⁻³ M, đạt 90% màu sau phản ứng Fenton; nồng độ H2O2 > × 10⁻³ M khơng gây thay đổi đáng kể trình màu H2O2 dư hoạt động chất ức chế trình oxi hóa radical perhydroxyl tạo ít, điều khiến q q hiệu suất q trình xử lý chất ô nhiễm phản ứng Fenton giảm 1.2.4 Ảnh hưởng nồng độ chất ô nhiễm Các chất nhiễm hữu cứng đầu bị phân hủy q trình oxy hóa mạnh •OH hình thành từ phản ứng H2O2 với Fe2+ Các nghiên cứu cho thấy người ta quan sát thấy khác biệt đáng kể phân hủy nước thải với tải lượng hữu khác Vì vậy, nồng độ chất ô nhiễm hữu thông số quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất phân hủy chất ô nhiễm hữu Hầu hết trình tối ưu hóa Fenton đạt hiệu phân hủy cao với chất ô nhiễm hữu nồng độ thấp Bên cạnh đó, gia tăng nồng độ chất ô nhiễm hữu ban đầu dẫn đến hiệu phân hủy thấp kéo dài thời gian phân hủy thời gian Hình Ảnh hưởng nồng độ ban đầu 2-CP đến khả chuyển hóa Q trình phân huỷ 2-CP nồng độ 500 1500 mg L⁻¹ tương tự trình phản ứng khả chuyển hoá đạt 95 % Đối với nồng độ ban đầu 150 mg L⁻¹, 2-CP hồn tồn phân hủy 15 phút phản ứng loại bỏ TOC đạt 70% vào cuối phản ứng Ngược lại, nồng độ ban đầu 2-CP 3000 mg L⁻¹, ta quan sát tỷ lệ phân hủy ban đầu thấp cho 2-CP, tỷ lệ chuyển hoá cuối thấp (90%) 1.2.5 Ảnh hưởng nhiệt độ 10 Hình Ảnh hưởng nhiệt độ đến độ ổn định H2O2 Như thấy Hình 6, ổn định hydrogen peroxide bị ảnh hưởng lớn nhiệt độ Ở 70 °C, trình phân hủy nhiệt độ H 2O2 chiếm khoảng 25% 60 phút Ngược lại, lượng H 2O2 phân hủy 30 50 °C gần không đáng kể thời gian Do đó, với liều lượng H 2O2 ban đầu, lượng tác nhân oxy hóa OH sinh từ phản ứng Fenton giảm nhiệt độ tăng Hình Ảnh hưởng nhiệt độ đến trình khử màu Tốc độ phân hủy chất màu giảm nhiệt độ thấp mức độ phân hủy tăng cao nhiệt độ 20-30 °C trước 100 phút Tốc độ phân hủy chất màu giảm nhiệt độ >30 °C phân hủy H2O2 nhiệt độ cao 1.3 Động học phản ứng Động học phản ứng Fenton nghiên cứu tốc độ quy luật biến đổi chất tham gia trình theo thời gian Nghiên cứu động học giúp xác định tốc độ phân hủy chất ô nhiễm điều kiện phản ứng Fenton, hiểu rõ yếu tố ảnh hưởng, chẳng hạn nồng độ hydrogen peroxide, nồng độ ion sắt, pH, nhiệt độ Thơng qua việc phân tích động học, người nghiên cứu đo lường số tốc độ phản ứng, xây dựng mơ hình tốn học để mơ tả q trình, tìm 11 điều kiện tối ưu để đạt hiệu suất cao phản ứng Fenton Điều giúp cải thiện trình xử lý nước loại bỏ chất ô nhiễm cách hiệu bền vững Q trình oxy hố chất màu mơ tả động học theo phương trình sau: dC n =−k C dt Trong đó, C nồng độ chất màu, n bậc phản ứng t thời gian phản ứng Đối với phản ứng bậc nhất, phương trình trở thành: C=C exp ⁡(−kt) C Trong nồng độ chất màu ban đầu Đối phản ứng bậc hai, phương trình xủa phản ứng trở thành: C0 C= 1+ k C0 t Ngoài ra, phương trình phản ứng song song bậc mơ tả sau: C=C 10 exp (−k t ) +C 20 exp ⁡(−k t) Ở đây, C 10và C 20 nồng độ chất màu ban đầu hai phản ứng bậc độc lập k 1và k 2là số tốc độ phản ứng tương ứng Hình Mơ động học Fenton Hình so sánh ba mơ hình động học cho kết thực nghiệm tham số thu từ việc làm vừa đường cong trình bày Bảng Động học cấp cấp hai không phù hợp với liệu cho toàn phản ứng Fenton hệ số hồi quy thấp (0.99) Điều ngụ ý hai phản ứng song song đảm nhận trách nhiệm việc phân hủy chất màu Bảng Các thông số động học Fenton Phản ứng Fe 1.4 2+¿ / H O2 /dye ¿ First-oder k 0.0556 Second-order R 0.888 k 2.76 ×10 Combined first-order R 0.954 k1 1.2466 k2 R 0.998 0.0292 Ứng dụng Fenton xử lý nước thải 12 Ứng dụng Fenton có sử dụng chất xúc tác FeSO4 áp dụng phổ biến ngành như:  Xử lý nước thải công nghiệp: chứa nhiều chất độc hại chứa nhiều benzen, phenol như: dệt nhuộm, lọc dầu, sản xuất sơn,…  Khử mùi : Oxy hóa H2S, mercaptan, amine aldehyde  Kiểm sốt ăn mòn : Phân hủy dư lượng chlorine hợp chất lưu huỳnh (thiosulfates, sulfites sulfides) tạo axit ăn mòn ngưng tụ thiết bị bị oxy hóa khơng khí  Khử BOD, COD: Oxy hóa chất nhiễm gây BOD, COD, chất khó phân hủy cần xúc tác  Oxy hóa chất vơ cơ: Oxy hóa cyanide, NOx, SOx, nitrites, hydrazine, carbonyl sulfide, hợp chất lưu huỳnh (phần khử mùi)  Oxy hóa chất hữu cơ: Thủy phân formaldehyde, cacbon disulfide (CS 2), carbohydrat, photpho hữu cơ, hợp chất nitơ, phenol, thuốc bảo vệ thực vật…  Oxy hóa kim loại : oxy hóa sắt II, mangan, arsenic, selenium…để cải thiện khả hấp phụ , lọc hay kết tủa từ trình xử lý nước nước thải  Khử độc, cải thiện khả phân hủy sinh học : với xúc tác H 2O2 phân hủy chất hữu phức tạp thành đơn giản hơn, độc hơn, dễ phân hủy sinh học  Khử trùng: Giải phóng bọt khí nhỏ phân tán, nâng cao hiệu khử loại váng dầu mỡ hệ thống tuyển Cung cấp nguồn DO bổ sung chỗ cho trình xử lý sinh học, cải thiện hiệu đốt cháy làm giảm nhiệt độ vận hành lò đốt… 1.5 Nguyên lý phương pháp Fenton  Gian đoạn : Điều chỉnh pH phù hợp: pH ảnh hưởng tới tốc độ phản ứng nồng độ Fe(II), khoảng ph thích hợp cho phản ứng từ – 4, thường tối ưu  Giai đoạn 2: Phản ứng oxy hoá: Trong giai đoạn phản ứng oxy hố có hình thành gốc ❑●OH để oxy hoá chất hữu theo chế: 2+ 3+ ● H2 O2 + Fe → Fe + OH + ❑OH Gốc ❑●OH sau hình thành tham gia vào phản ứng oxy hố hợp chất hữu có thành chất hữu có khối lượng phân tử thấp lý tưởng thành C O2 + H O ● −¿¿ CHC ( cao phântử )+ ❑OH → CHC ( thấp phân tử )+ C O2+ H O+O H  Giai đoạn 3: Trung hoà keo tụ: Sau xảy q trình oxy hố cần nâng pH dung dịch lên để thực keo tụ Fe3+ hình thành: ¿ F e 3+ ¿+3 O H Kết tủa Fe ¿ hình thành thực cá chế keo tụ, đông tụ, hấp phụ phần chất hữu chủ yếu cách chất hữu cao phân tử Sau xảy q trình oxy hóa, vơi tơi (Canxi hydroxit) van xả vào bể Ngồi ra, vơi tơi cịn có cơng dụng khử mùi hơi, khử trùng Khi pH chạm mức 10, nước vôi làm cho hầu hết liên kết peptit, liên kết este, … bị thủy phân thay đổi cấu trúc phân tử hóa học, bẻ gãy mạch liên kết làm giảm tính độc  Giai đoạn 4: Quá trình lắng: Quá trình cuối phản ứng Fenton trình lắng Lúc polymer anion van xả vào bể Polymer anion giúp tạo trình keo tụ kết bơng Các bơng keo sau hình thành lắng xuống  khiến làm giảm COD, màu, mùi nước thải Sau q trình lắng chất hữu cịn lại (nếu có) nước thải chủ yếu hợp chất hữu có khối lượng phân tử thấp xử lý bổ sung phương pháp sinh học phương pháp khác −¿→ Fe ¿¿ 13 Hình Cơ chế phản ứng trình Fenton 1.6 Quy trình nhà máy Hình 10 Quá trình phản ứng Fenton nhà máy TransAsia TanTec 14 Tài liệu tham khảo [1] "Phản ứng Fenton xử lý nước thải," Real Group, 11 June 2020 [Online] Available: https://www.real-group.org/phan-ung-fenton-trong-xu-ly-nuoc-thai/ [2] M L Kremer, "Mechanism of the Fenton reaction evidence for a new intermediate," Physical Chemistry Chemical Physics, vol 1, no 15, pp 3595-3605, 1999 [3] A Santos, P Yustos, S Rodriguez, E Simon and F Garcia-Ochoa, "Abatement of phenolic mixtures by catalytic wet oxidation enhanced by Fenton's pretreatment: Effect of H2O2 dosage and temperature," Journal of Hazardous Materials, vol 146, no 3, pp 595-601, 2007 [4] "Xử lý nước thải phương Pháp Fenton Như Thế Nào Hiệu quả?," 14 May 2022 [Online] Available: https://ph-eu.com.vn/xu-ly-nuoc-thai-bang-phuong-phapfenton/ [5] S Poulopoulos, N M., D Karampetsos and C Philippopoulos, "Photochemical treatment of 2-chlorophenol aqueous solutions using ultraviolet radiation, hydrogen peroxide and photo-fenton reaction," Journal of Hazardous Materials, vol 153, no 1-2, pp 582-587, 2008 [6] Abe Masayuki, “A Practical Approach to Accurate Fault Location on Extra High Voltage Teed Feeders,” IEEE Transaction on Power Delivery, pp 159-168, 1995 [7] S Wang, "A comparative study of Fenton and Fenton-like reaction kinetics in decolourisation of wastewater," Dyes and Pigments, vol 76, no 3, pp 714-720, 2008 [8] M.-h Zhang, H Dong, L Zhao, D.-x Wang and D Meng, "A review on Fenton process for organic wastewater treatment based on optimization perspective," Science of The Total Environment, vol 670, pp 110-121, 2019 [9] Nanoen, "Công nghệ xử lý nước thải FBR - Fenton Hóa Lỏng," Cơng Nghệ Môi Trường Nano, 2023 [Online] Available: http://www.nanoentech.com.vn/tin-tuc/cong-nghe-xu-ly-nuoc-thai-fbr-fenton-hoalong-134.html 15