Tối ưu hóa quá trình keo tụ tạo bông bằng hoạt chất được chiết xuất từ hạt cây chùm ngây, ứng dụng trong công nghệ xử lý nước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘIBÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG NĂM 2023Tối ưu hóa quá trình keo tụ tạo bông bằng hoạt chất được chiết xuất t

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG NĂM 2023

Tối ưu hóa quá trình keo tụ tạo bông bằng hoạt chất được chiết xuất

từ hạt cây chùm ngây, ứng dụng trong công nghệ xử lý nước

Mã số: MT-2023-27

Sinh viên thực hiện:

Giảng viên hướng dẫn: TS DƯƠNG THU HẰNG

ThS NGUYỄN THUÝ LIÊN

Hà Nội, 11/2023

Mục lục

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 1

3 Phương pháp nghiên cứu 1

4 Nội dung nghiên cứu 2

5 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU 3

1.1 Tổng quan các nghiên cứu về hạt chùm ngây 3

1.1.1 Giới thiệu chung về đặc điểm của cây chùm ngây 3

1.1.2 Các thành phần trong hạt cây chùm ngây có khả năng keo tụ và khử trùng nước và cơ chế của chúng 4

1.2 Tổng quan về ứng dụng của thí nghiệm jar test 11

1.2.1 Mục đích của thí nghiệm Jar test 12

1.2.2 Cơ sở lý thuyết của thí nghiệm Jar test 13

1.2.3 Tầm quan trọng của Jar test trong dây truyền xử lý nước 15

1.2.4 Quy trình phân tích bằng thí nghiệm Jartest 15

1.2.5 Đánh giá hiệu quả: 16

1.2.6 Ưu điểm của quá trình Jartest 16

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT – NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 18

2.1 Cơ sở lý thuyết của hạt MO 18

2.1.2 Bản chất quá trình, hoạt chất trong MO và trong thí nghiệm nghiên cứu xử lý nước 20

2.2 Nghiên cứu thực nghiệm 20

2.2.1 Đối tượng nghiên cứu 20

2.2.2 Quy trình thí nghiệm 20

2.2.2.1 Quy trình thí nghiệm Jartest: 20

2.2.2.2 Quy trình chiết tách protein: 28

2.2.3 Phương pháp phân tích thí nghiệm 29

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ KIẾN NGHỊ 30

3.1 Thành phần và đặc tính của MO được chiết xuất từ hạt cây chùm ngây 30

3.2 Đánh giá sự ảnh hưởng của thời gian lắng đến khả năng loại bỏ đục 32

3.3 Đánh giá hiệu quả loại bỏ COD 36

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 39

TÀI LIỆU THAM KHẢO 40

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 Thành phần dinh dưỡng trong hạt chùm ngây 5

Bảng 2 Thành phần các chất khoáng trong hạt chùm ngây 6

Bảng 3 Thành phần các protein trong hạt chùm ngây 7

Bảng 4 Thành phần các chất béo trong hạt chùm ngây 8

Bảng 5 Thông số pha dung dịch nước trước khi jartest nhân tạo 26

Bảng 6 Đặc tính của dịch chiết xuất chùm ngây với các nồng độ khác nhau của dung dịch muối NaCl ( Dung dịch A) 30

Bảng 7 Đặc tính của dung dịch chiết xuất chùm ngây với các nồng độ khác nhau của dung dịch muối NaCl ( Dung dịch B) 31

DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH

Hình 1: Hoạt tính keo tụ của các dạng Mo khác nhau 9

Hình 2 hoạt tính keo tụ của dịch chiết xuất từ cây trùm ngây với các dung môi khác nhau 10

Hình 3 Sự hình thành thế năng zeta 13

Hình 4 Mô hình thí nghiệm Jartest 14

Hình 5 Sơ đồ tích điện bề mặt một hạt cặn trong nước 19

Hình 6 Hạt chùm ngây tách vỏ 21

Hình 7 Hạt chùm ngây đã được tách vỏ 22

Hình 8 Quá trình nghiền mịn hạt chùm ngây 23

Hình 9 Quá trình lọc chùm ngây qua giấy lọc 24

Hình 10 Thí nghiệm Jartest 25

Hình 11 Quá trình lắng của từng bình sau Jartest 25

Hình 12 Quá trình khuấy bằng máy Jartest 27

Hình 13 Máy đo độ đục cho từng mẫu thí nghiệm 27

Hình 14 Sự thay đổi độ đục của nước tại các thời điểm lắng khác nhau với (a) 3 mL, (b) 5 mL và (c) 10 mL dung dịch keo tụ Moringa A 33

Hình 15 Sự thay đổi độ đục của nước tại các thời điểm lắng khác nhau với (a) 3 mL, (b) 5 mL và (c) 10 mL dung dịch keo tụ Moringa B 35

Hình 16 Nồng độ COD (a) và TN (b) của nước ở các liều lượng khác nhau của chất keo tụ Moringa (3, 5 và 10 mL dung dịch A) 36

Hình 17 Nồng độ COD (a) và TN (b) của nước ở các liều lượng khác nhau của chất keo tụ Moringa (3, 5 và 10 mL dung dịch B) 38

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

MOCP - Moringa Oleifeira – cây trùm ngây

SDS-PAGE - sodium dodecyl sulfate poly-acrylamide - hệ thống điện di không liên tục

THMs – Trihalomethanes

COD - Chemical Oxygen Demand - Nhu cầu oxy hóa học

EC - Electro-conductivity - Tổng nồng độ ion hòa tan trong dung dịch

TN - Total Nitơgen - Tổng Nitow

NTU - Nephelometric Turbidity Units - Đơn vị đo độ đục

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong những năm gần đây, có nhiều nghiên cứu phát triển để tìm kiếm các chấtkeo tụ và khử trùng tự nhiên bền vững và thân thiện với môi trường để thay thế chocác hóa chất keo tụ tổng hợp như phèn phôm, phèn sắt… cho việc sản xuất nước uống

an toàn Mặc dù các hoạt chất keo tụ có hiệu suất cao và hiệu quả về chi phí nhưngchúng yêu cầu điều chỉnh độ pH và kiềm, tạo ra lượng lớn lượng tạp chất Dư lượngchất keo tụ như phèn nhôm trong nước có liên quan đến các bệnh như Alzheimer, tácđộng tiêu cực với hệ thần kinh và gây ung thư [1] phèn nhôm không phân hủy sinhhọc và có thể gây ra vấn đề về môi trường trong quá trình xử lý Do đó, cần phải cómột hoạt chất keo tụ và khử trùng từ tự nhiên, thân thiện hơn với sức khoẻ con người

và môi trường Trên một góc độ khác, tại các vùng nông thôn tại các quốc gia đangphát triển đặc biệt là Việt Nam, chi phí sử dụng muối nhôm khi xử lý nước vẫn cònkhá cao với nhiều hộ dân, khiến họ phải sử dụng trực tiếp các nguồn nước không đảmbảo như: nước mưa, nước giếng khoan, là nguyên nhân chính khiến việc tiếp cận nướcsạch trở nên khó khan tại nhiều địa bàn [2]

Trong số các vật liệu tự nhiên đã được thử nghiệm, hạt cây chùm ngây là mộttrong những giải pháp tiềm năng, vì chúng chứa các protein hòa tan trong nước có thểđược sử dụng trong việc xử lý nước uống hoặc nước thải Tuy nhiên, việc tinh chếhoạt chất keo tụ từ hạt cây chùm ngây và liều lượng cụ thể chưa được nghiên cứu vàlàm rõ Xuất phát từ thực tiễn đó, nghiên cứu tối ưu hóa quá trình keo tụ tạo bôngbằng chất keo tụ được chiết xuất từ hạt cây chùm ngây là vô cùng cấp bách và cầnthiết Kết quả của nghiên cứu là cở sở để mở ra các nghiên cứu về tinh chế MOCP,từng bước ứng dụng hoạt chất này vào lĩnh vực xử lí nước tại Việt Nam

2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu đề tài là nghiên cứu tối ưu hóa quá trình keo tụ tạo bông bằng hoạt chất được chiết xuất từ hạt chùm ngây và ứng dụng trong công nghệ xử lý nước

3 Phương pháp nghiên cứu

cây chùm ngây trong điều kiện phòng thí nghiệm

dụng các từ khoá “water treatment” và “moringa” Công cụ tìm kiếm bao gồm các nhàxuất bản báo khoa học uy tín như Sciendirect, Research Gate, Elsevier… Việc lựachọn bài báo phụ thuộc vào mức độ liên quan đến lĩnh vực xử lí nước, lượt tríchdẫn… , Qua đó phân tích các lỗ hổng khoa học và bổ sung trong nghiên cứu

gia về lĩnh vực xử lí nước

4 Nội dung nghiên cứu

 Tìm hiểu đánh giá khả năng keo tụ từ chiết xuất của hạt chùm ngây trong xử lý nước

 Nghiên cứu điều kiện tối ưu cho quá trình chiết tách thành phần hạt cây trùm ngây

 Tổng quan nghiên cứu cấu trúc và thành phần của hạt cây trùm ngây

 Phân tích, lựa chọn những thành phần phù hợp cho keo tụ của hạt trùm ngây trong nước

 Đánh giá kết quả dựa trên thực nghiệm tại phòng thí nghiêm đối với các chất ô nhiễm như hóa học, vi sinh vật ngây hại

 Đánh giá về sự an toàn của chiết xuất hạt chùm ngây đối với sức khỏe con người

5 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là: Hoạt chất keo tụ được chiết xuất từ hạt cây chùm ngây (Moringa Oleifeira – MOCP)

Phạm vi nghiên cứu của đề tài:

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan các nghiên cứu về hạt chùm ngây

1.1.1 Giới thiệu chung về đặc điểm của cây chùm ngây

Cây chùm ngây hay Moringa Oleifeira là một lại cây được trồng phổ biến tại nhiềuquốc gia và vùng lãnh thổ có khí hậu nhiệt đới và cận nhiệt đới Loài cây trên được trồng cho mục đích thương mại ở Ấn Độ, Nam Phi, Nam và Trung Mỹ, Mexico, Hawaii và một

số quốc gia Châu Á cũng như Đông Nam Á trong đó có Việt Nam.[3]

Do đáp ứng các điều kiện về khí hậu nên tại Việt Nam, chùm ngây được biết đếnrộng rãi và là một loại cây phổ biến trên khắp các tỉnh thành trên cả nước bao gồm: cáctỉnh miền Bắc như Hà Giang, Lào Cai, Điện Biên, Lai Châu; Quảng Bình, Quảng Nam,

Đà Nẵng, Bình Phước, Bà Rịa - Vũng Tàu…

Cây chùm ngây, là một loại cây thân gỗ nhỏ thuộc họ Moringaceae Được biết đếnvới nhiều tên gọi khác nhau như "drumstick tree," "miracle tree," hay "benzolive tree,"

Cây chùm ngây, một loại cây thân gỗ nhỏ, khi phát triển đến 1 tuổi, nếu khôngđược cắt ngọn, có thể đạt đến chiều cao khoảng 5 - 6 m với đường kính 10 cm Trong giaiđoạn trưởng thành, từ 3 đến 4 tuổi, cây có chiều cao trung bình từ 5 đến 10 m

Vỏ của cây chùm ngây có màu xám trắng đậm và có các rãnh nứt Khi bị tổnthương, vỏ sẽ tiết ra chất gôm, và dưới tác động của môi trường, chúng sẽ chuyển từ màutrắng sang màu nâu đỏ hoặc nâu đen Thân cây không có gai, tạo điều kiện thuận lợi choviệc quản lý và sử dụng

Lá của cây chùm ngây có dạng lá kép, mọc so le nhau, với chiều dài từ 30 - 60 cm

và có màu xanh mốc Lá chét có chiều dài 12 - 20 mm, thường mọc đối nhau thành cáccặp, có khoảng 6 - 9 đôi lá chét Điều này tạo nên một hình thái lá phong phú và thuậntiện cho việc nhận biết

Hoa của cây chùm ngây có màu trắng, hình thành cụm giống như hoa đậu vàthường nở rộ vào mùa xuân, chủ yếu từ tháng 4 đến tháng 6 Mỗi quả cây chùm ngây cómàu nâu, thiết diện tam giác và mọc thõng xuống Độ dài của mỗi quả khoảng từ 30 - 50

cm, rộng từ 1,5 - 2,5 cm và chứa ít nhất 20 hạt Hạt thường có màu nâu tối hoặc sáng, có

hình dạng màng tam giác với cánh màu trắng, chiều dài từ 1,5 - 2,5 cm và đường kính từ

1 - 1,4 cm, tạo nên một cấu trúc quả độc đáo và đẹp mắt

Hạt, lá, dầu, sáp, vỏ, rễ và hoa chùm ngây đựng sử dụng rộng rãi như một vị thuốc truyền thống do chúng có hàm lượng chất dinh dưỡng cao bao gồm các vitamin, amino axit, axit béo có nhiều tác dụng trong việc cải thiện sức khoẻ Chẳng hạn [3]:

arabinose và acidýglucuronic), -sitosterol và benzylanin

glucosinolate)

(kaempferol, gallic acid, kaempferol 3–O––rhamnoside, rutin, syringic acid và quercetin 3–O– –glucoside) Ngoài ra, lá cây còn chứa các thành phần như chất gôm và 2 alcaloid bao gồm moringinin và moringi

 Hoa chùm cây: Polysaccharid là thành phần hóa học chính được tìm thấy trong hoa cây chùm ngoài

1.1.2 Các thành phần trong hạt cây chùm ngây có khả năng keo tụ và khử trùng

nước và cơ chế của chúng

Nhiều báo cáo cho thấy rằng, hạt cây chùm ngây đã được ứng dụng cho việc xử lí nước tại các vùng nông thôn tại các nước Châu Á và Nam Phi trong một vài thế kỉ gần đây [4]

Việc sử dụng bột hạt chùm ngây cho việc giảm độ đục trong nước là do chúng cóchứa các polyacrylamine an toàn với con người cũng như môi trường xung quanh Chưa

có nghiên cứu nào trên thế giới có kết luận về tác hại của hạt chùm ngây với sức khoẻcòn người [4] Do đó, hạt chùm ngây được đánh giá là có khả năng thương mại hoá trongtương lai gần do nguồn cung dồi dào cùng đặc tính thân thiện với sức khoẻ con người vàmôi trường

Thành phần dinh dưỡng, protein, các chất khoáng và vitamins, axit béo được tổnghợp từ Thư viện quốc gia về Thuốc của Hoa Kì (NIH) cũng như các nghiên cứu khác:

Bảng 1 Thành phần dinh dưỡng trong hạt chùm ngây

Thành phần

Tài liệu tham khảo

Compaoré, Nikièma, Bassolé, Savadogo, Hounhouigan, và cộng sự ( 2011 ) and Compaoré, Nikièma, Bassolé, Savadogo, Mouecoucou, và

cộng sự ( 2011 )

Mbah và

cộng

sự (2012)

Abiodu

n và

cộng

sự (2012)

Ijarotimi và

cộng sự (2013)

Bridgemohan và cộng sự (2014)

Bảng 2 Thành phần các chất khoáng trong hạt chùm ngây

Các chất khoáng Kawo và

cộng sự.

(2009)

Compaoré, Nikièma, Bassolé, Savadogo, Hounhouigan, và cộng sự.

(2011) and Compaoré, Nikièma, Bassolé,

Abiodun và cộng sự.

(2012)

Ijarotimi và cộng sự (2013 )

Savadogo, Mouecoucou, và cộng sự (2011)

Bảng 3 Thành phần các protein trong hạt chùm ngây

Amino acids

Moringa oleifera seed (Bridgemohan

et al., 2014)

Dehulled and defatted (Bridgemohan et al., 2014)

Moringa oleifera seed (Ijarotimi et al., 2013)

Fermented seed (Ijarotimi

et al., 2013)

Spouting seed (Ijarotimi et al., 2013)

Moringa oleifera seed (Okereke &

Akaninwor, 2013)

OMS/Food and Agriculture Organization (2001)

Các amino axit không thiết yếu

Tsaknis, Lalas, Gergis, Dourtoglou, and Spilitois (1999)

Lalas and Tsaknis (2002)

Lalas and Tsaknis (2002)

Anwar and Bhanger (2003)

Abdulkarim

et al (2005)

Anwar and Rashid (2007)

Loại axit béo

Tài liệu tham khảo

Tổng quan các tài liệu liên quan cho thấy, hoạt chất trong hạt chùm ngây đã được tinh

chế bằng cách sử dụng nhiều phương pháp: lọc, trao đổi ion, sấy khô làm lạnh, kết tủa

bằng hoá chất… Và đi đến kết luận là hoạt chất keo tụ chỉ có trong hạt, không được tìm

thấy ở vỏ hạt Dung dịch MO lọc qua giấy lọc và không lọc đều cho thấy tác dụng keo tụ,

điều này nghĩa là hoạt chất keo tụ là một chất tan.[7]

Hình 1: Hoạt tính keo tụ của các dạng Mo khác nhau

Phương pháp chiết tách đơn giản và hiệu quả nhất là sấy lạnh và sử dụng nước cấthoặc dung dịch muối trung tính do khi sử dụng các dung môi khác cho quá trình chiếttách đều không ghi nhận hiệu quả keo tụ.[7]

Dung môi Lượng chất chiết xuất được ( trên

Rất nhiều nghiên cứu và báo cáo chỉ ra rằng hoạt chất chiết xuất từ hạt chùm ngây

có hiệu quả trong quá trình keo tụ là hay có tính chất của một protein Sau khi được phân

tích bằng phương pháp rây (sieving), protein trong chùm ngây được cho là mang điệntích dương có khối lượng nguyên tử từ 12-14 kDa và điểm đẳng điện (pI) trong khoảng

10 đến 11[5], khối lượng 6.5kDa sau khi biến tính

Khi phân tích protein bằng kĩ thuật điện di đứng SDS-PAGE, cũng cho kết quảtương đồng Protein trước và sau biến tính đều cho thấy khả năng keo tụ

Mặt khác, GS.TS Okuda và các cộng sự chỉ ra rằng các hoạt chất chiết xuất bằngdung dịch muối không phải là protein, polysaccarit hay chất béo mà là một polyme hữu

cơ mang điện tích dương với khối lượng nguyên tử là 3.0 kDa.[6]

Thế zeta của dung dịch Moringa 5% là +6mV [7] Dùng MOCP với nồng độ quácao có thể đảo ngược điện tích của hệ keo, nhưng không làm giảm hiệu quả keo tụ

Trong quá trình keo tụ, Moringa không làm ảnh hưởng quá nhiều đến độ pH củanước do đó không cần dung them hoá chất để ổn định độ pH.[7]

Do trong hoạt chất chiết xuất từ cây chùm ngây có các hợp chất mang điện tíchdương nên, cơ chế của quá trình keo tụ bằng MOCP chủ yếu là hấp phụ và trung hoà điệntích với các hạt cặn mang điện tích âm tạo ra bông cặn lớn hơn lắng xuống [7]

Các kết quả khác nhau trong các báo cáo cho thấy cần thiết phải có them cácnghiên cứu chuyên sâu để kết luận về cơ chế của quá trình keo tụ cặn bẩn trong nướcbằng hoạt chất chiết xuất từ hạt chùm ngây

Ngoài khả năng keo tụ cặn bẩn trong nước, hoạt chất chiết xuất từ cây chùm ngâycòn được phát hiện rằng có khả năng gây bất hoạt vi khuẩn vi rút, từ đó kết luận được khảnăng khử trùng phục vụ xử lí nước sinh hoạt

Việc khử trùng sử dụng các chất oxy hoá mạnh như các halogen như clo hay thuốctím… đã được áp dụng rộng rãi trong lĩnh vực xử lí nước suốt nhiều thập kỉ qua Tuynhiên, các sản phẩm phụ của quá trình khử trùng bằng các halogen có ảnh hưởng tiêu cựcđến sức khoẻ con người Các hợp chất THMs (trihalomethanes) được hình thành khi cáchợp chất hữu cơ có trong nước liên kết với Chlorine được sử dụng để khử trùng, trong đó

4 hợp chất được quan tâm nhiều nhất là: Chloroform,Bromodichloromethane,

Dibromochloromethane và Bromoform Có nhiều báo cáo đã chỉ ra mối liên hệ giữa cáchợp chất THMs và các bệnh lý như: ung thư, rối loạn sinh sản, dị tật bẩm sinh và sẩy thai,

… [8]

Theo Suarez và các cộng sự ( 2003 )[9], protein trong hạt chùm ngây có khả năngứng dụng đê thay thế cho các hoá chất bảo quản cũng như khử trùng nước Hạt chùmngây dường như không có các tác động gây hạt khi con người đã sử dụng trong để tinhchế dầu ăn và làm thực phẩm

Bichi (2011) đã chỉ ra rằng hiệu quả khử trùng cao nhất khi sử dụng hạt chùmngây đã tách béo và điều kiện lí tưởng cho quá trình khử trùng là 31 phút khuất tại 85rpm

và liều lượng MOCP là 3.25 mg/mL

Cơ chế bất hoạt vi khuẩn, virut của hạt chùm ngây được chỉ ra là do hợp chất benzylisothiocynate tự sinh (C6H5CH2NCS) [10] ( Eilert và các cộng sự 1981) một hợp chất khửtrùng có nguồn gốc thực vật và một phần do các polypeptit có tính chất giống Flo.[9]

1.2 Tổng quan về ứng dụng của thí nghiệm jar test

Thử nghiệm Jartest cho phép lựa chọn chính xác và liều lượng các chất đông tụ hóa học nhằm mục đích loại bỏ các chất lơ lửng và chất ô nhiễm trong nước

Thí nghiệm Jar Test là một phương pháp thí nghiệm được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực xử lý nước và nước thải để đánh giá hiệu quả của các hóa chất flocculant và quá trình tạo kết tủa trong việc loại bỏ chất rắn hữu cơ và vi khuẩn trong nước

Tính chất điện quan trọng nhất của các hạt keo và hạt lơ lửng là điện tích bề mặt của chúng Điện tích này làm cho các hạt ở trạng thái lơ lửng mà không kết tụ trong thời gian dài Các huyền phù hạt nước bề mặt không ổn định về mặt nhiệt động và nếu có đủ thời gian, chúng sẽ kết bông và lắng xuống

Tuy nhiên, quá trình tổng hợp diễn ra rất chậm và các hạt không thể được loại bỏ bằng phương pháp lắng đọng trong một khoảng thời gian hợp lý, nghĩa là thời gian đủ ngắn để có thể sản xuất đủ lượng nước cho một cộng đồng nhiều hơn một vài người

Đối với hầu hết các hạt trong nước, dấu của điện tích là âm (Niehof và Loeb, 1972; Hunter và Liss, 1979).

Tính chất điện quan trọng nhất của các hạt keo và hạt lơ lửng là điện tích bề mặt của chúng Điện tích này làm cho các hạt ở trạng thái lơ lửng mà không kết tụ trong thời gian dài Các huyền phù hạt nước bề mặt không ổn định về mặt nhiệt động và nếu có đủ thời gian, chúng sẽ kết bông và lắng xuống

Tuy nhiên, quá trình tổng hợp diễn ra rất chậm và các hạt không thể được loại bỏ bằng phương pháp lắng đọng trong một khoảng thời gian ngắn vì vậy sẽ cần thí nghiệm Jar test để đẩy nhanh quá trình keo tụ và tạo bông

1.2.1 Mục đích của thí nghiệm Jar test

 Xác định pH tối ưu cho keo tụ tạo bông

 Xác định nồng độ phèn tối ưu cho keo tụ tạo bông

 Xác định tốc độ khuấy tối ưu

 Xác định thời gian lắng tối ưu

Mục đích cuối cùng là người sử dụng có thể so sánh, lựa chọn hóa chất, liều

lượng, tốc độ khấy tối ưu, xác định các thông số cần thiết cho quá trình xử lý, giúp cho các công đoạn xử lý nước thải của nhà máy được dễ dàng và hiệu quả hơn Từ đó, chọn loại hóa chất phù hợp và các thiết bị đi kèm cho quá trình keo tụ – tạo bông của hệ thống

xử lý

1.2.2 Cơ sở lý thuyết của thí nghiệm Jar test

Thế năng Zeta Khi đặt một hạt tích điện vào điện trường, nó sẽ di chuyển về cực mang điện tích trái dấu Chuyển động này được gọi là điện di Khi hạt chuyển động, một phần nước gần bề mặt cũng chuyển động theo nó.(Theo Derjaguin và Landau, 1941; Verway và Overbeek, 1948)

Hình 3 Sự hình thành thế năng zeta

Do số lượng và độ phức tạp của các phản ứng đông tụ, liều lượng và độ pH thực tếcủa một loại nước nhất định vào một ngày nhất định thường được xác định theo kinh nghiệm từ thử nghiệm trong phòng thí nghiệm Quy trình thử nghiệm được gọi là “Jar test” dựa trên cấu hình của thiết bị thử nghiệm (Harris, et al., 1966; Birkner and Morgan, 1968)

Trong kỹ thuật xử lý nước thải, các hạt cặn trong nước có nguồn gốc và kích thướckhác nhau Dùng biện pháp xử lý cơ học như lắng lọc có thể loại bỏ được các cặn có kíchthước lớn hơn 10-4mm, còn các hạt có kích thước nhỏ hơn 10-4mm không thể tự lắng được

mà luôn tồn tại ở trạng thái lơ lửng

Phương pháp xử lý dựa trên quá trình keo tụ và tạo bông là biện pháp xử lý hiệu quả các hạt cặn lơ lửng trên

Xử lý bằng phương pháp keo tụ là cho vào trong nước một loại hóa chất gọi là chất keo tụ có thể đủ làm cho các hạt rất nhỏ biến thành những hạt lớn lắng xuống Thôngthường quá trình keo tụ tạo bông xảy ra qua 2 giai đoạn sau:

 Giai đoạn 1: Bản thân chất keo tụ phát sinh thủy phân, quá trình hình thành dung dịch keo và ngưng tụ

 Giai đoạn 2: Trung hòa hấp phụ lọc các tạp chất trong nước:

Kết quả của các quá trình trên là hình thành các hạt lớn lắng xuống.

Hình 4 Mô hình thí nghiệm Jartest

 Thử nghiệm Jartest cho phép lựa chọn chính xác và liều lượng các chất đông tụ hóa học nhằm mục đích loại bỏ các chất lơ lửng và chất ô nhiễm trong nước được xử lý trong các nhà máy xử lý nước thải

 Việc lựa chọn và định lượng hóa chất đông tụ thực tế xuất phát từ kết quả của thử nghiệm keo tụ tạo bông trong phòng thí nghiệm, mô phỏng hoạt động quy mô lớn trong các nhà máy xử lý nước

 Các chất đông tụ được sử dụng nhiều nhất là vôi (canxi hydroxit), phèn (nhôm sunfat)

và muối sắt (sắt hoặc sắt) Keo tụ hoặc Đông tụ là cơ bản trong mọi quy trình xử lý nước và nó là bước hỗ trợ cho quá trình lắng, lọc và khử trùng trước khi phân phối

1.2.3 Tầm quan trọng của Jar test trong dây truyền xử lý nước

Phương pháp keo tụ – tạo bông là phương pháp phổ biến dùng trong xử lý nước cấp từ nguồn nước mặt (ao, hồ, sông, suối,…), đến nước thải công nghiệp (cao su, dệt nhuộm, thực phẩm, thủy sản,…)

Thông thường, mỗi loại nước sẽ có những đặc điểm hóa lý khác nhau Do đó, không có một công thức chung nào để xác định lượng hóa chất sử dụng (hay còn gọi là phèn) và chỉ số pH phản ứng tối ưu.

Thí nghiệm Jartest là phép thử quan trọng trong xử lý nước nhằm tìm ra thông số tối ưu để thực hiện keo tụ tạo bông giảm chất ô nhiễm tăng hiệu quả xử lý

 Sau khi thực hiện thí nghiệm Jartest thì chúng ta có thể so sánh, lựa chọn hóa chất, liều lượng và tốc độ khuấy tối ưu nhất giúp cho các công đoạn xử lý nước sau đó củanhà máy được tốt và hiệu quả hơn

trong hệ thống xử lý của nhà máy giúp tiết kiệm chi phí, hóa chất, thời gian, công sức

mà lại không làm ảnh hưởng đến chất lượng nước thải trong quá trình kiểm tra

1.2.4 Quy trình phân tích bằng thí nghiệm Jartest

Sử dụng chất tạo bông, chất đông tụ được thêm vào cốc đựng mẫu nước Chất đông tụ hóa học bắt đầu kết tủa giữ lại tất cả các tạp chất và tạo thành các bông cặn sẽ lắng xuống đáy cốc

Mẫu được khuấy liên tục để có thể quan sát được sự hình thành, phát triển và lắng cặn của các bông cặn giống như xảy ra trong nhà máy xử lý nước quy mô lớn

Sau đó, người vận hành thực hiện một loạt các thử nghiệm để so sánh ảnh hưởng của các lượng chất keo tụ khác nhau ở các giá trị pH khác nhau để xác định kích thước bông phù hợp

Các điều kiện phân tích phổ biến nhất sử dụng chất tạo bông là:

 600 ml mẫu nước thải + chất đông tụ

 Keo tụ tốc độ chậm: 30 vòng / phút, 25 phút

 Đánh giá kết quả đầu tiên sau 5 phút lắng cặn

1.2.5 Đánh giá hiệu quả:

Jartest được sử dụng để xem xét và đánh giá hiệu quả của các hóa chất flocculant trong quá trình tạo kết tủa và lắng dựa trên thí nghiệm nhỏ scale.(Niehof and Loeb, 1972;Hunter and Liss, 1979)

 Kết quả của Thử nghiệm Jar có thể được đánh giá dựa trên các tiêu chí khác nhau:

Thời gian từ khi bổ sung hóa chất đến khi xuất hiện bông đầu tiên

 Đánh giá độ đục còn lại của phần nổi phía trên, sau một thời gian lắng xác định, bằngmáy đo độ đục Đo thế điện động của các hạt lơ lửng trên mẫu được lấy ngay sau khi thêm và trộn hóa chất

 Đánh giá khả năng lọc của nước trong bằng màng lọc tiêu chuẩn hóa dưới áp lực Việc giảm lưu lượng nước có liên quan đến mức độ tắc nghẽn của các bộ lọc do các chất lơ lửng còn sót lại

1.2.6 Ưu điểm của quá trình Jartest

 Tối ưu hóa liều lượng: Phương pháp này giúp xác định liều lượng bông cặn cần thiết

để đạt được hiệu suất tốt nhất trong việc loại bỏ chất rắn từ nước

 Xác định các tham số quan trọng: Jar Test giúp xác định các thông số quan trọng nhưthời gian tạo bông, thời gian lắng, và loại flocculant phù hợp với điều kiện cụ thể

tố như pH, nhiệt độ, và lực lên quá trình keo tụ-kết bông và lắng

 Mô phỏng lại các điều kiện xử lý nước thực tế: Jar Test có thể được sử dụng để mô phỏng điều kiện xử lý nước thực tế và đưa ra các dự đoán về hiệu suất của quá trình tạo bông và lắng

 Đánh giá chất lượng nước sau xử lý: Jar Test cung cấp thông tin về chất lượng nước sau quá trình xử lý và đánh giá khả năng loại bỏ chất rắn và màu sắc từ nước

 Đánh giá được nhiều tác động đến môi trường: Jar Test có thể được sử dụng để đánh giá tác động của các chất hóa học đối với hệ thống sinh thái nước

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT – NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

2.1 Cơ sở lý thuyết của hạt MO

2.1.1 Cơ sở lý thuyết của thí nghiệm quá trình keo tụ - kết bông với MOCP

Trong quá trình lắng cơ học chỉ tách được các hạt chất rắn huyền phù có kíchthước lớn , còn các hạt nhỏ hơn ở dạng keo không thể lắng được

Ta có thể tăng kích cỡ các hạt nhờ tác dụng tương hỗ giữa các hạt phân tán liênkết vào các tập hợp hạt để có thể lắng được Muốn vậy, trước hết cần trung hoà điện tíchcủa chúng, t đến là liên kết chúng lại với nhau [Water and waste water treatmentMackenzie]

Xử lý bằng phương pháp keo tụ là cho vào trong nước một loại hoá chất keo tụ cóthể đủ làm cho những hạt rất nhỏ biến thành những hạt lớn lắng xuống Thông thường,