nghiên cứu xử lý nước cấp sinh hoạt bằng phương pháp keo tụ điện hóa với điện cực nhôm

Nhiệm vụ đề tài luận văn - Khảo sát ảnh hưởng của các thông số vận hành đến khả năng xử lý ô nhiễm của quá trình keo tụ điện hóa sử dụng điện cực Nhôm Al.. Các chỉ tiêu chưa đạt này sẽ đ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

DƯƠNG QUỐC VINH

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC CẤP SINH HOẠT BẰNG PHƯƠNG PHÁP KEO TỤ ĐIỆN HÓA

VỚI ĐIỆN CỰC NHÔM

WATER TREATMENT BY ELECTROCOAGULATION WITH ALUMINUM ELECTRODE

Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường Mã số: 8520320

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2024

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Mỹ Linh

PGS TS Nguyễn Nhật Huy

Cán bộ phản biện 1: PGS TS Nguyễn Tấn Phong

Cán bộ phản biện 2: PGS TS Phạm Nguyễn Kim Tuyến

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM ngày 27 tháng 01 năm 2024

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1 Chủ tịch Hội đồng: GS TS Nguyễn Văn Phước 2 Cán bộ phản biện 1: PGS TS Nguyễn Tấn Phong

3 Cán bộ phản biện 2: PGS TS Phạm Nguyễn Kim Tuyến 4 Ủy viên Hội đồng: TS Nguyễn Thái Anh

5 Thư ký Hội đồng: TS Phan Thanh Lâm

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA

MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

1 Tên đề tài

Nghiên cứu xử lý nước cấp sinh hoạt bằng công nghệ keo tụ điện hóa với điện cực nhôm Water treatment by electrocoagulation with aluminum electrode

2 Nhiệm vụ đề tài luận văn

- Khảo sát ảnh hưởng của các thông số vận hành đến khả năng xử lý ô nhiễm của quá trình keo tụ điện hóa sử dụng điện cực Nhôm (Al)

- Tối ưu hóa các thông số vận hành bằng phần mềm Design Expert nhằm đạt hiệu quả xử lý các chỉ tiêu đầu vào chọn lọc đang vượt QCVN 01-1:2018/BYT, về lại đúng giới hạn - Dùng thông số vừa tối ưu hóa để thử nghiệm cho các loại nước sông khác nhau và đối chiếu xác thực kết quả

- Ước tính chi phí vận hành và khả năng áp dụng vào thực tế của công nghệ keo tụ điện hóa

3 Ngày giao nhiệm vụ (Ghi theo quyết định giao đề tài): 04/09/2023

4 Ngày hoàn thành nhiệm vụ (Ghi theo quyết định giao đề tài): 18/12/2023 5 Cán bộ hướng dẫn (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): TS Nguyễn Mỹ Linh và

LỜI CẢM ƠN

Sau khoảng thời gian 02 năm học tập tại trường và gần 05 tháng thực hiện luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ, em xin gửi lời tri ân sâu sắc đến tất cả Quý thầy cô bộ môn Kỹ thuật môi trường, thuộc khoa Môi trường và Tài nguyên, trường đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM Chính Quý thầy cô là những người đã dìu dắt và dạy dỗ em trong hành trình theo học cao học tại đây, đã cho em rất nhiều bài học cũng như lời khuyên bổ ích để em vững vàng trên con đường sự nghiệp còn chông gai phía trước

Bên cạnh đó, em cũng xin gửi lời cảm ơn cách riêng đến PGS TS Nguyễn Nhật Huy, là giảng viên hướng dẫn luận văn tốt nghiệp của em Thầy đã tận tình hướng dẫn em những điều em cần làm, ngay từ khâu chuẩn bị cho đến khi hoàn thành bản báo cáo luận văn cuối cùng Dù em nhiều lần còn làm sai sót và chưa thật sự đúng ý Thầy, Thầy vẫn luôn kiên nhẫn và hết lòng chỉ dẫn để em có thể thực hiện luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ một cách chỉn chu nhất

Ngoài ra, em cũng xin gửi lời cảm ơn đặc biệt đến Thầy Lâm Phạm Thanh Hiền, quản lý phòng thí nghiệm khoa Môi trường và Tài nguyên tại cơ sở 2, trường đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM Thầy đã luôn sẵn lòng hỗ trợ em hết mình những lúc em thí nghiệm tại đây và cho em mượn những dụng cụ cũng như hóa chất cần thiết để em có thể thực hiện các thí nghiệm của em cách suôn sẻ nhất

Một lần nữa, em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến tất cả Quý thầy cô, em kính chúc Quý thầy cô luôn thật nhiều sức khỏe, để có thể tiếp tục dìu dắt các thế hệ học viên tiếp theo trên con đường hướng đến tri thức

Cuối cùng, con xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và những người đã luôn đồng hành, tin tưởng và ủng hộ con trong quãng thời gian học cao học Con xin hứa sẽ cố gắng hết sức dùng tất cả những điều tốt đẹp đã được học để cống hiến cho xã hội và giúp cuộc sống của mỗi người ngày một tốt đẹp hơn

Trân trọng cảm ơn, Dương Quốc Vinh

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn này hướng đến mục tiêu đánh giá khả năng xử lý nước cấp của phương pháp keo tụ điện hóa, một phương pháp đang được nghiên cứu đế thay thế các phương pháp truyền thống, nhằm nâng cao cả về hiệu quả kỹ thuật và hiệu quả kinh tế Bước đầu tiên, thực hiện lấy mẫu và phân tích 13 chỉ tiêu đầu vào cơ bản trong nước sông Sài Gòn, chọn lọc ra 05 chỉ tiêu vượt QCVN 01-1/2018/BYT, bao gồm: độ đục, độ màu, Amoni, Pecmanganat và TSS Các chỉ tiêu chưa đạt này sẽ được dùng để phân tích và đánh giá hiệu suất xử lý, đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số vận hành khi thực hiện thí nghiệm phương pháp keo tụ điện hóa với điện cực nhôm, từ đó lấy số liệu chạy tối ưu hóa bằng phần mềm Design Expert Cụ thể, khảo sát khả năng keo tụ điện hóa của điện cực vật liệu nhôm với các yếu tố vận hành ảnh hưởng đến quá trình như: khoảng cách điện cực, cường độ dòng điện, thời gian phản ứng Kết quả được xác định điều kiện tối ưu để thực hiện keo tụ điện hóa cho 500mL nước sông Sài Gòn là pH trung tính, khoảng cách điện cực 3cm, cường độ dòng điện 0,08A, thời gian phản ứng 7 phút với các tấm điện cực nhôm có kích thước 6 cm x 3 cm x 0,3 cm Bước tiếp theo là dùng các thông số đã tối ưu hóa ở trên để thực hiện thí nghiệm keo tụ điện hóa cho các loại nước sông ở các địa điểm khác nhau, bao gồm sông Sài Gòn, sông Nhà Bè, sông Đồng Nai, sông Vàm Cỏ và sông Tiền Phân tích đầy đủ 13 chỉ tiêu như ban đầu, thu được các kết quả hết sức khả quan Và cuối cùng, ước tính chí phí xử lý một mét khối nước bằng phương pháp keo tụ điện hóa cho thấy hiệu quả cao về mặt kinh tế, bên cạnh hiệu suất xử lý tốt và hạn chế tối thiểu dư lượng hóa chất có trong nước sau xử lý

ABSTRACT

This thesis aims to evaluate the feed water treatment capabilities of electrochemical flocculation, a method that is being researched to replace traditional methods, in order to improve both technical and economic efficiency As a first step, sampling and analyzing 13 basic input criteria in Saigon River water, selecting 05 indicators exceeding QCVN 01-1/2018/BYT, including: turbidity, colorability, Ammonium, Pecmanganate and TSS These unmet criteria will be used to analyze and evaluate the processing performance, evaluate the impact of operating parameters when performing experiments on electrochemical flocculation method with aluminum electrodes, thereby obtaining optimized running data using Design Expert software Specifically, investigate the electrochemical flocculation ability of aluminum material electrodes with operating factors affecting the process such as: electrode distance, current strength, reaction time The optimal conditions for performing electrochemical flocculation for 500mL of Saigon River water are neutral pH, electrode distance 3cm, amperage 0.08A, reaction time 7 minutes with aluminum electrode plates measuring 6 cm x 3 cm x 0.3 cm The next step is to use the optimized parameters above to perform electrochemical flocculation experiments for river waters in different locations, including Saigon River, Nha Be River, Dong Nai River, Vam Co River and Tien River Fully analyzing 13 indicators as initially, obtaining very positive results And finally, the estimated cost of treating one cubic meter of water by electrochemical flocculation method shows high economic efficiency, in addition to good treatment performance and minimal limitation of chemical residues present in the treated water

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài luận văn “Nghiên cứu xử lý nước cấp sinh hoạt bằng phương pháp keo tụ điện hóa với điện cực nhôm” là do tôi thực hiện với sự hướng dẫn của TS Nguyễn Mỹ Linh và PGS.TS Nguyễn Nhật Huy Luận văn không sao chép và trùng lặp với bất kỳ công trình khoa học nào khác Các kết quả nghiên cứu trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được tác giả nào công bố trước đây

Dương Quốc Vinh

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 2

1.3 Nội dung nghiên cứu 2

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu 2

2.1.1 Một số tính chất của nước mặt sông Sài Gòn 5

2.2 Keo tụ điện hóa 7

2.2.1 Định nghĩa 7

2.2.2 Cơ chế phản ứng 7

2.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng 10

2.3 Nghiên cứu trong và ngoài nước 17

CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 22

3.1 Sơ đồ nghiên cứu 22

3.2 Hóa chất, thiết bị và mô hình thí nghiệm 23

3.2.1 Hóa chất thiết bị 23

3.2.2 Mô hình thí nghiệm 25

3.3 Phương pháp nghiên cứu 25

3.3.1 Phương pháp phân tích độ đục 25

3.3.2 Phương pháp phân tích độ màu 26

3.3.3 Phương pháp phân tích Amoni 26

3.3.4 Phương pháp phân tích Pecmanganat 27

3.3.5 Phương pháp phân tích tổng chất rắn lơ lửng (TSS) 28

3.3.6 Phương pháp phân tích Coliforms 28

3.4 Vật liệu điện cực 30

3.5 Phần mềm Design Expert 31

3.6 Nội dung nghiên cứu 36

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 37

4.1 Ảnh hưởng của các thông số vận hành đến khả năng xử lý ô nhiễm của quá trình keo tụ điện hóa sử dụng điện cực Nhôm (Al) 37

4.1.1 Phân tích các chỉ tiêu nước đầu vào 37

4.1.2 Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực 38

4.1.3 Ảnh hưởng của cường độ dòng điện (mật độ dòng điện) 40

4.1.4 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng 43

4.2 Tối ưu hóa các thông số vận hành bằng phần mềm Design Expert 45

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

COD : Nhu cầu oxy hóa học (Chemical Oxygen Demand) BOD : Nhu cầu oxy sinh hóa (Biochemical Oxygen Demand) TSS : Tổng chất rắn lơ lửmg (Total Suspended Solids) TDS : Tổng chất rắn hòa tan (Total Dissolved Solids) QCVN : Quy chuẩn Việt Nam

TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam BTNMT : Bộ Tài nguyên Môi trường

CC / CF : Keo tụ hóa học / Tạo bông hóa học (Chemical Coagulation / Chemical Flocculation

EC : Keo tụ điện hóa (Electrocoagulatin)

SEM : Quét kính hiển vi điện tử (Scanning Electron Microscope)

TEM : Kinh hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscope)

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1 Các hóa chất sử dụng trong mô hình thí nghiệm 23

Bảng 3.2 Các dụng cụ dùng trong mô hình thí nghiệm 24

Bảng 3.3 Các thiết bị sử dụng trong mô hình thí nghiệm 24

Bảng 4.1 Các chỉ tiêu cơ bản nước sông Sài Gòn đầu vào 37

Bảng 4.2 Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến độ đục 38

Bảng 4.3 Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến độ màu 38

Bảng 4.4 Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến Amoni 38

Bảng 4.5 Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến Pecmanganat 39

Bảng 4.6 Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến TSS 39

Bảng 4.7 Ảnh hưởng của cường độ dòng điện đến độ đục 40

Bảng 4.8 Ảnh hưởng của cường độ dòng điện đến độ màu 41

Bảng 4.9 Ảnh hưởng của cường độ dòng điện đến Amoni 41

Bảng 4.10 Ảnh hưởng của cường độ dòng điện đến Pecmanganat 41

Bảng 4.11 Ảnh hưởng của cường độ dòng điện đến TSS 41

Bảng 4.12 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến độ đục 43

Bảng 4.13 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến độ màu 43

Bảng 4.14 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến Amoni 43

Bảng 4.15 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến Pecmanganat 44

Bảng 4.16 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến TSS 44

Bảng 4.17 Điều kiện chi tiết và kết quả 36 lần chạy thử nghiệm 46

Bảng 4.18 Kết quả phân tích đầu vào và đầu ra nước sông Sài Gòn 56

Bảng 4.19 Kết quả phân tích đầu vào và đầu ra nước sông Nhà Bè 58

Bảng 4.20 Kết quả phân tích đầu vào và đầu ra nước sông Đồng Nai 59

Bảng 4.21 Kết quả phân tích đầu vào và đầu ra nước sông Vàm Cỏ 60

Bảng 4.22 Kết quả phân tích đầu vào và đầu ra nước sông Tiền 61

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Chất lượng môi trường nước khu vực miền Nam theo chỉ số WQI 5

Hình 2.2 Giá trị N-NH4+ tại các điểm quan trắc trên sông Sài Gòn 6

Hình 2.3 Giá trị BOD5 tại các điểm quan trắc trên sông Sài Gòn 6

Hình 2.4 Biểu diễn sơ đồ của một mô hình EC cơ bản 7

Hình 2.5 Sơ đồ E-pH của sắt ở 25oC 9

Hình 2.6 Sơ đồ E-pH của nhôm ở 25oC 9

Hình 2.7 Khoảng cách giữa hai điện cực 13

Hình 2.8 Cấu hình khác nhau của kết nối điện cực 14

Hình 2.9 Tổng mô hình tuần tự của bình phương và thống kê tóm tắt % loại bỏ COD 18

Hình 2.10 ANOVA của mô hình bậc hai % loại bỏ độ màu 19

Hình 2.11 ANOVA của mô hình bậc hai % loại bỏ COD 19

Hình 2.12 ANOVA của mô hình bậc hai % loại bỏ độ đục 20

Hình 2.13 ANOVA của mô hình bậc hai năng lượng tiêu thụ 20

Hình 3.1 Mô hình điện hóa thí nghiệm và thực tế 25

Hình 3.2 Cách pha loãng mẫu 28

Hình 3.3 Quy trình thử nghiệm giả định phân tích chỉ số Coliforms 29

Hình 3.4 Quy trình thử nghiệm xác định phân tích chỉ số Coliforms 30

Hình 4.1 Đồ thị tương quan giữa khoảng cách điện cực và hiệu suất xử lý 39

Hình 4.2 Đồ thị tương quan giữa cường độ dòng điện và hiệu suất xử lý 42

Hình 4.3 Đồ thị tương quan giữa thời gian phản ứng và hiệu suất xử lý 44

Hình 4.4 ANOVA cho mô hình bậc hai xử lý độ đục 47

Hình 4.5 Phân tích sự phù hợp của mô hình trong xử lý độ đục 47

Hình 4.6 Hệ số của các yếu tố ảnh hưởng đến độ đục 47

Hình 4.7 ANOVA cho mô hình bậc hai xử lý độ màu 48

Hình 4.8 Phân tích sự phù hợp của mô hình trong xử lý độ màu 48

Hình 4.9 Hệ số của các yếu tố ảnh hưởng đến độ màu 48

Hình 4.10 ANOVA cho mô hình 2FI (two-factor interaction model) trong xử lý Amoni

49

Hình 4.11 Phân tích sự phù hợp của mô hình trong xử lý Amoni 49

Hình 4.12 Hệ số của các yếu tố ảnh hưởng đến Amoni 49

Hình 4.13 ANOVA cho mô hình bậc hai xử lý Pecmanganat 50

Hình 4.14 Phân tích sự phù hợp của mô hình trong xử lý Pecmanganat 50

Hình 4.15 Hệ số của các yếu tố ảnh hưởng đến Pecmanganat 50

Hình 4.16 ANOVA cho mô hình 2FI (two-factor interaction model) trong xử lý TSS 51

Hình 4.17 Phân tích sự phù hợp của mô hình trong xử lý TSS 51

Hình 4.18 Hệ số của các yếu tố ảnh hưởng đến TSS 51

Hình 4.19 Hệ số tổng hợp của hàm mục tiêu cho 3 yếu tố và 5 chỉ tiêu 52

Hình 4.20 Đồ thị bề mặt đáp ứng ảnh hưởng của yếu tố A và B 53

Hình 4.21 Đồ thị bề mặt đáp ứng ảnh hưởng của yếu tố A và C 54

Hình 4.22 Đồ thị bề mặt đáp ứng ảnh hưởng của yếu tố B và C 55

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề

Trong thời đại ngày nay “Môi trường và phát triển bền vững” là chiến lược được nhiều quốc gia và tổ chức quan tâm Cùng với sự phát triển kinh tế - xã hội, mức độ đô thị hóa ngày càng tăng, nhu cầu sử dụng nước sạch cũng tăng lên đáng kể cả ở thành thị lẫn nông thôn Công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước trong thời gian qua đã đạt được những thành tựu quan trọng cả về kinh tế và xã hội, tạo điều kiện thuận lợi cho đời sống của nhân dân ngày càng được cải thiện và nâng cao Tuy nhiên bên cạnh sự phát triển và tăng trưởng kinh tế thì đó là nhu cầu nước sạch cho đời sống sinh hoạt và phát triển kinh tế của dân cư ngày càng cấp thiết Nước sạch là nước không chỉ đảm bảo trong, không màu, không mùi, không vị, mà trên hết là phải an toàn cho sức khỏe con người Nước là cội nguồn chính yếu cho mọi sự sống và bản thân nó cũng là môi trường sống cho mọi động vật, thực vật sinh tồn Nước là một trong những yếu tố không thể thiếu được cho sự tồn tại và phát triển của cộng đồng, của sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, giao thông thủy lợi Nước là tài nguyên tương đối dồi dào và là tài nguyên có khả năng tái tạo Nhưng do trong quá trình khai thác sử dụng, quản lý chưa hợp lý dẫn đến tình trạng thiếu nước sạch một cách nghiêm trọng

Mặt khác, khi các công nghệ xử lý nước cấp truyền thống (keo tụ tạo bông – lắng – lọc – khử trùng) đang dần lạc hậu, mà tính chất nước lại ngày càng biến đổi, nồng độ ô nhiễm ngày càng cao dẫn đến giảm hiệu quả xử lý, nếu muốn đạt yêu cầu phải tốn chi phí nâng công suất hoặc thay đổi công nghệ xử lý Do đó, để giải quyết triệt để vấn đề này đối với nước cấp, nhiều phương pháp mới đã được nghiên cứu và thử nghiệm Trong đó, một phương pháp ít phổ biến nhưng mang lại hiệu quả cao đó chính là các phương pháp điện hóa mà cụ thể hơn là phương pháp keo tụ điện hóa, cải tiến so với phương pháp keo tụ tạo bông truyền thống yêu cầu nhiều hóa chất trong quá trình xử lý dẫn đến một dư lượng hóa chất có hại cho sức khỏe trong nguồn nước đầu ra Tuy nhiên, các phương pháp điện hóa còn chưa được phổ biến rộng rãi do nhiều yếu tố như: chưa được chứng minh hiệu quả một cách đầy đủ nhất với quy mô lớn, chưa tìm ra các điều kiện thiết kế vận hành tối ưu, chi phí đầu tư hệ thống khá cao, cần bảo trì định kì, yêu cầu người vận hành được trang bị đầy đủ kiến thức về công nghệ điện hóa

Vậy nên, việc nghiên cứu ứng dụng và đánh giá hiệu quả xử lý nước cấp bằng công nghệ keo tụ điện hóa một cách chuyên sâu có thể mở ra một hướng đi mới cho việc xử lý nước cấp, và có thể hạn chế tối thiểu lượng hóa chất cần sử dụng cũng như tồn tại trong nước sau xử lý

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu này hướng đến mục tiêu đánh giá khả năng xử lý nước cấp của phương pháp keo tụ điện hóa qua các chỉ tiêu chọn lọc là độ đục, màu sắc, Pecmanganat, Amoni và tổng chất rắn lơ lửng (TSS), của nước mặt lấy trực tiếp từ sông Sài Gòn Cụ thể hơn là đánh giá hiệu quả xử lý nước cấp của phương pháp keo tụ điện hóa bằng loại vật liệu điện cực nhôm (Al) Từ đó, ta chọn ra các thông số tối ưu nhất cho việc vận hành đạt hiệu suất tối đa Cuối cùng là đánh giá khả năng áp dụng vào thực tế của công nghệ keo tụ điện hóa trong xử lý nước cấp với quy mô lớn

1.3 Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu bao gồm những nội dung sau:

‐ Nội dung 1: Ảnh hưởng của các thông số vận hành đến khả năng xử lý ô nhiễm của quá trình keo tụ điện hóa sử dụng điện cực Nhôm (Al)

‐ Nội dung 2: Tối ưu hóa các thông số vận hành bằng phần mềm Design Expert nhằm đạt hiệu quả xử lý các chỉ tiêu đầu vào chọn lọc đang vượt QCVN 01-1:2018/BYT, về lại đúng giới hạn của QCVN 01-1:2018/BYT

‐ Nội dung 3: Dùng thông số vừa tối ưu hóa để thử nghiệm cho các loại nước sông khác nhau và đối chiếu xác thực hiệu quả

‐ Nội dung 4: Ước tính chi phí vận hành và khả năng áp dụng vào thực tế của công nghệ keo tụ điện hóa

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.4.1 Đối tượng nghiên cứu

Các đối tượng của nghiên cứu bao gồm:

‐ Nước mặt khu vực sông Sài Gòn: khu vực dọc bờ sông đường Nguyễn Văn Hưởng, phường Thảo Điền, quận 2, Thành phố Hồ Chí Minh Mẫu nước được lấy ở tầng mặt

‐ Công nghệ keo tụ điện hóa, các loại vật liệu điện cực và các thông số ảnh hưởng

Hình 1.1 Vị trí khu vực lấy mẫu nghiên cứu 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu được giới hạn ở quy mô phòng thí nghiệm Địa điểm tiến hành nghiên cứu tại phòng thí nghiệm Khoa Môi trường và Tài nguyên Trường Đại học Bách Khoa cơ sở Dĩ An, Thành phố Dĩ An, tỉnh Bình Dương

Thời gian thực hiện: từ 08/2023 đến 12/2023

1.5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 1.5.1 Ý nghĩa khoa học

Việc ứng dụng công nghệ keo tụ điện hóa trong xử lý nước cấp trực tiếp từ nước sông là một công nghệ mới trong điều kiện hiện nay Nghiên cứu này sẽ thử nghiệm và đánh giá khả năng hoạt động của vật liệu điện cực là nhôm (Al) và tối ưu hiệu suất xử lý của công nghệ

1.5.2 Ý nghĩa thực tiễn

Việc áp dụng công nghệ keo tụ điện hóa để xử lý trực tiếp nước sông có ý nghĩa thực tiễn trong điều kiện Việt Nam, làm giảm lượng hóa chất sử dụng và lượng bùn sinh ra Đặc biệt, công nghệ keo tụ điện hóa có thể nói là một công nghệ xử lý nước cấp mà rất ít hoặc không tạo ra dư lượng hóa chất trong nước đầu ra gây ảnh hưởng đến sức khỏe của con người Trong tương lai, công nghệ keo tụ điện hóa nói riêng và các công nghệ điện hóa nói chung có thể mở ra hướng đi mới trong lĩnh vực xử lý nước

1.6 Tính mới của đề tài

Đề tài có các tính mới đặc trưng đó là:

- Việc nghiên cứu sử dụng công nghệ keo tụ điện hóa xử lý nước cấp là một hướng nghiên cứu mới trong điều kiện Việt Nam hiện nay để giảm thiểu sử dụng hóa chất và lượng bùn sinh ra

- Nghiên cứu lựa chọn vật liệu nhôm (Al) làm điện cực với các ưu nhược điểm được nêu rõ và đánh giá hiệu suất xử lý, dưới các điều kiện ảnh hưởng khác nhau; từ đó tìm ra điều kiện vận hành tối ưu nhất

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 Tổng quan lý thuyết

2.1.1 Một số tính chất của nước mặt sông Sài Gòn

Sông Sài Gòn dài 256 km, chảy dọc trên địa phận Thành phố Hồ Chí Minh khoảng 80km, có lưu lượng trung bình vào khoảng 54m³/s, bề rộng tại Thành phố khoảng 225m đến 370m, độ sâu có chỗ tới 20 m, diện tích lưu vực trên 5.000 km² [1]

Thành phố Hồ Chí Minh có hệ thống kênh ngòi dày đặc, tuy nhiên, phần lớn những kênh rạch này đã và đang bị ô nhiễm nghiêm trọng do nước thải sinh hoạt cũng như các khu công nghiệp, khu chế xuất [2] Từ tháng 4 đến tháng 12 năm 2021, Trung tâm Quan trắc môi trường miền Nam đã triển khai 8 đợt quan trắc tại 100 điểm gồm 58 điểm nước mặt lục địa trên lưu vực hệ thống sông Đồng Nai (bao gồm: lưu vực sông Đồng Nai, lưu vực sông Sài Gòn, lưu vực sông Thị Vải, lưu vực sông Vàm Cỏ) và lưu vực sông Mê Công (sông Tiền), 12 điểm nước biển ven bờ và cửa sông ven biển tại khu vực biển Bà Rịa - Vũng Tàu, TP Hồ Chí Minh, Tiền Giang và khu vực cửa sông Đồng Nai, cửa sông Sài Gòn, cửa sông Thị Vải, cửa sông Tiền [3]

Hình 2.1 Chất lượng môi trường nước khu vực miền Nam theo chỉ số WQI (chỉ số chất lượng nước) năm 2021

(Nguồn: Tạp chí Môi trường số 3/2022)

Kết quả quan trắc năm 2021 của Trung tâm Quan trắc môi trường miền Nam cho thấy, lưu vực sông Sài Gòn có chất lượng nước kém nhất trong 5 lưu vực sông thực hiện quan trắc tại khu vực miền Nam, mức độ ô nhiễm hữu cơ (đặc trưng bởi thông số COD)

và ô nhiễm dinh dưỡng (đặc trưng bởi thông số N-NH4+) cao hơn các lưu vực sông còn lại [3]

TP.HCM đang trên đà công nghiệp hóa hiện đại hóa với GDP bình quân đạt 9,8% Quá trình này kéo theo sự gia tăng dân số một cách nhanh chóng, tốc độ đô thị hóa ở khu vực nông thôn đang diễn ra mạnh mẽ Hiện tại, nguồn nước sinh hoạt của thành phố cũng đang đối diện với nhiều thách thức lớn khi trên 90% nguồn nước sạch cung cấp cho sinh hoạt của TP.HCM được lấy từ nguồn nước mặt sông Đồng Nai, sông Sài Gòn và kênh Đông [4] Bên cạnh đó, với áp lực bởi các hoạt động kinh tế - xã hội như sự phát triển của các khu công nghiệp/ khu chế xuất (KCN/KCX), tốc độ đô thị hóa, cùng với sự gia tăng dân số đã gây sức ép nặng nề đối với nguồn nước, khiến mức độ ô nhiễm nguồn nước vượt quá khả năng kiểm soát

Hình 2.2 Giá trị N-NH4+ tại các điểm quan trắc trên sông Sài Gòn

(Nguồn: Trung tâm điều tra, thông tin và dữ liệu về môi trường, đa dạng sinh học)

Mức độ ô nhiễm dinh dưỡng (tồn tại dưới dạng N-NH4+) cao nhất trên sông Sài Gòn là khu vực Cầu Chữ Y, giá trị N-NH4+ vượt quy chuẩn QCVN 08 MT:2015/BTNMT cột B1 khoảng 7,0 lần

Hình 2.3 Giá trị BOD5 tại các điểm quan trắc trên sông Sài Gòn

(Nguồn: Trung tâm điều tra, thông tin và dữ liệu về môi trường, đa dạng sinh học)

Theo Sở Xây dựng TPHCM, dù cơ quan quản lý đã tăng cường nhiều giải pháp bảo vệ nguồn nước nhưng chất lượng nước mặt hệ thống sông Sài Gòn - Đồng Nai đang bị ô nhiễm nặng Các chỉ tiêu như amoniac, hữu cơ, vi sinh, ngày càng tăng Ngoài ra, nguồn nước sông đang chịu tác động lớn bởi đặc tính thời tiết, thủy văn và ảnh hưởng do biến đổi khí hậu dẫn đến nguy cơ xâm nhập mặn và thiếu nước vào mùa khô [5]

2.2 Keo tụ điện hóa 2.2.1 Định nghĩa

Keo tụ điện hóa (EC) là một công nghệ mới trong xử lý nước và nước thải, vì nó kết hợp các lợi ích của keo tụ - tạo bông, tuyển nổi và điện hóa Lý thuyết của phương pháp keo tụ - tạo bông truyền thống (CC/CF) và keo tụ điện hóa (EC) về cơ bản là giống nhau Cả hai phương pháp đều nhắm mục tiêu loại bỏ các hạt khỏi nước thải thông qua việc làm mất ổn định / trung hòa các lực đẩy giữ cho các hạt lơ lửng trong nước Khi lực đẩy được trung hòa, các hạt lơ lửng sẽ tạo thành các hạt lớn hơn có thể lắng xuống để tách khỏi nước dễ dàng hơn Ưu điểm chính của EC so với keo tụ - tạo bông hóa học CC/CF là CC/CF sử dụng chất keo tụ hóa học như muối kim loại hoặc polyme, trong khi ở EC, các chất keo tụ được tạo ra tại chỗ bằng cách oxy hóa điện phân của vật liệu cực dương thích hợp, tạo bùn ít hơn nhiều [6]

Thêm vào đó, phương pháp keo tụ điện hóa hiện tại đã được cải tiến phát triển để chi phí bảo trì và lắp đặt ban đầu thấp, một lượng nhỏ bùn sản xuất sau khi xử lý với thời gian lắng ngắn và hiệu quả loại bỏ chất ô nhiễm tốt Thép không gỉ (SS), nhôm (Al) và sắt (Fe) là các loại điện cực được sử dụng trong quy trình EC để xử lý nước thải [7]

2.2.2 Cơ chế phản ứng [6]

Power supply: nguồn điện Pollutan: Chất ô nhiễm Precipitate: chất kết tủa

Hình 2.4 Biểu diễn sơ đồ của một mô hình EC cơ bản

(Nguồn: Journal of Environmental Management)

Power supply: nguồn điện

Pollutant rise to the surface: Chất ô nhiễm nổi lên Precipitate: chất kết tủa

Mô hình EC cơ bản thường bao gồm một bộ phận điện phân với các điện cực kim loại cực dương và cực âm được kết nối bên ngoài với nguồn điện DC và được ngâm trong dung dịch được xử lý như trong Hình 2.4 Điện cực sắt và nhôm là những kim loại được sử dụng rộng rãi nhất cho các tế bào EC vì các kim loại này có sẵn, không độc hại và được chứng minh là đáng tin cậy Mặc dù EC được coi là khá giống với CC/CF về cơ chế mất ổn định, nhưng nó vẫn khác với CC/CF ở các khía cạnh khác như các phản ứng phụ xảy ra đồng thời ở cả hai điện cực

Cực dương đóng vai trò là chất keo tụ trong mô hình EC, nơi nó phân ly để tạo ra các cation kim loại khi DC được truyền qua Sự phân ly của cực dương tuân theo định luật Faraday như sau:

𝑚 = 𝐼𝑡𝑀𝑤

𝐹 (1) Trong đó:

I: cường độ dòng điện hiện tại (đơn vị: A) t: thời gian phản ứng (đơn vị: giây)

Mw: khối lượng mol (đơn vị: g/mol) F: hằng số Faraday (96,485 C/mol) z: số electron tham gia phản ứng

m: khối lượng của cực dương hòa tan (G)

Các phản ứng tại anode được thể hiện bằng các phương trình sau đây cho cả điện cực nhôm và sắt:

Fe (s) → Fen+ (aq) + ne-1 (2)

4Fe2+ (aq) + 10H2O + O2 (aq) → 4Fe(OH)3 (s) + 8H+ (3) Fe2+ (aq) + 2OH → Fe(OH)2 (s) (4)

Al (s) → Al3+ (aq) + 3e-1 (5) Al3+ (aq) +nH2O → Al(OH)n3-n + nH+ (6)

Hình 2.5 Sơ đồ E-pH của sắt ở 25oC

(Nguồn: Journal of Environmental Management)

Hình 2.6 Sơ đồ E-pH của nhôm ở 25oC

(Nguồn: Journal of Environmental Management)

Tùy thuộc vào độ pH của dung dịch và tiềm năng, sắt có thể tạo thành các cation hóa trị hai hoặc hóa trị ba như minh họa trong sơ đồ E-pH cho sắt Mặt khác, nhôm chỉ hòa tan dưới dạng cation hóa trị ba Sử dụng sơ đồ E-pH sắt và nhôm (Hình 2.5 và 2.6), các hợp chất ổn định của mỗi hợp chất có thể được dự đoán ở các điều kiện khác nhau Như đã đề cập trước đây, một số phản ứng phụ xảy ra trong tế bào EC, dẫn đến sự gia tăng độ pH của dung dịch như được biểu thị bằng phương trình sau:

2e- + 2H2O → H2 + 2OH- (7)

Trong một số trường hợp, sự hòa tan cực dương thực tế không khớp với sự hòa tan được tính bằng định luật Faraday, điều này chỉ ra rằng các phản ứng điện hóa khác có thể diễn ra ở cực dương Một số tác giả cho rằng sự tiến hóa của oxy ở cực dương có thể diễn ra ở pH kiềm và tiềm năng anode đủ cao như phương trình dưới, đó có thể là lý do đằng sau sự không đồng nhất giữa sự hòa tan anode lý thuyết và thực tế

Than chì và PbO2 là anode không hòa tan phổ biến nhất được sử dụng trong quá trình EC Những anode này có hiệu quả về chi phí và dễ dàng có sẵn Tuy nhiên, chúng cho thấy sự tiến hóa oxy cao quá tiềm năng và độ bền thấp Anode PbO2 tạo ra Pb2+ có độc tính cao, dẫn đến ô nhiễm thứ cấp nghiêm trọng Điện cực IrOx và Ti/IrOx-Ta2O5rất đắt Mặc dù năng suất Faradic trung bình tương tự có thể thu được bằng cách sử dụng anode Ti/PbO2 hoặc Ti/SiO2, nhưng sau này được ưa thích hơn vì khả năng oxy hóa các hợp chất độc hại tốt hơn Khi một lượng đáng kể các ion Ca2+ và hoặc Mg2+ có trong nước, các điện cực SS có thể được sử dụng Điện cực màng BDD được tìm thấy

là vật liệu anode hoạt động mạnh nhất để phân hủy các chất ô nhiễm chịu lửa như amoniac, xyanua, phenol, anilin, TCE, thuốc nhuộm, chất hoạt động bề mặt, v.v

Như đã nêu trước đó, các vật liệu được sử dụng trong EC thường là nhôm hoặc sắt Các điện cực có thể được tạo thành từ các tấm Al hoặc Fe hoặc từ các phế liệu như phay Fe hoặc Al cắt, v.v Khi các vật liệu thải được sử dụng, các giá đỡ cho vật liệu điện cực phải được làm từ vật liệu trơ Cần phải cẩn thận để đảm bảo rằng không có cặn bùn ở giữa các phế liệu Cần phải rửa bề mặt của các tấm điện cực thường xuyên vì bất kỳ sự lắng đọng bùn nào trên điện cực đều làm giảm sự giải phóng các cation kim loại trong chất lỏng số lượng lớn Một lượng ion kim loại nhất định là cần thiết để loại bỏ một lượng chất ô nhiễm nhất định Sắt và nhôm là các điện cực phổ biến được sử dụng để xử lý nước thải do tính sẵn có dễ dàng, chi phí thấp và hòa tan tốt hơn Tuy nhiên, sắt được ưa thích hơn vì nó tương đối rẻ hơn Các tấm nhôm cũng đang tìm kiếm các ứng dụng trong xử lý nước thải một mình hoặc kết hợp với các tấm sắt do hiệu quả keo tụ cao của Al3+ Khi có một lượng đáng kể các ion Ca2+ hoặc Mg2+ trong nước, nên sử dụng vật liệu cathode bằng thép không gỉ

b Khoảng cách điện cực [8]

Khoảng cách giữa hai điện cực cũng ảnh hưởng đến các phản ứng trong mô hình phản ứng điện phân Trong quá trình điện phân, dung dịch gần cathode trở nên đậm đặc hơn do tính di động khác nhau của các ion có mặt, và hiệu ứng này cũng có thể được giảm bằng cách khuấy trộn dung dịch rời Khoảng cách giữa các điện cực được lấp đầy một phần khí trong quá trình điện phân, làm tăng điện trở của nó Kích động (khuấy động cảm ứng) của hàm lượng phản ứng, hình dạng điện cực thuận lợi và độ thẳng đứng của các điện cực cải thiện lưu thông nhờ lực nâng khí Các điện cực sóng và đục lỗ cũng khuyến khích giải phóng khí điện phân Cấu hình mở và sắp xếp tấm song song dọc đã được chứng minh là khá hiệu quả trong việc tuyển nổi bùn kết tủa dầu và chất rắn lơ lửng Tiết kiệm năng lượng điện phân đáng kể cũng có thể đạt được do khe hở giữa các điện cực nhỏ được sử dụng trong mô hình phản ứng điện hóa (ECR)

Khoảng cách điện cực là một thông số kiểm soát có thể ảnh hưởng đến kích thước của mô hình phản ứng và mức tiêu thụ năng lượng và cũng có thể có tác động đáng kể đến tổng chi phí xử lý Vì sự sụt giảm điện thế ohmic tỷ lệ thuận với khoảng cách giữa các điện cực, việc giảm khoảng cách này có tầm quan trọng lớn trong việc giảm tiêu thụ năng lượng điện phân Khoảng cách hẹp hơn tăng cường các đặc tính truyền khối lượng và giảm tổn thất ohmic Khi có khí sản phẩm, việc giảm khe hở dẫn đến tăng điện trở chất điện phân Tuy nhiên, khe hở điện cực thiết kế phụ thuộc vào tính thực tế và điều

kiện trường Khoảng cách điện cực tối thiểu là 3 và 8 mm là có thể khi xử lý nước thải tổng hợp và nước thải thực tế, tương ứng Khi làm việc với điện áp tế bào thấp có lợi cho sự hình thành các flocs chắc chắn có thể lắng tốt, thích hợp để hạn chế khoảng cách giữa các điện cực không nhỏ hơn 10 mm, nếu không ECR có thể yêu cầu đảo ngược cực thường xuyên Khoảng cách hẹp dưới 10 mm đi kèm với mức tiêu thụ năng lượng thấp Khi tăng khoảng cách giữa các điện cực, sự gia tăng điện áp tế bào xảy ra, gây ra sự gia tăng mức tiêu thụ điện năng

Khi lập kế hoạch cho các mô hình phản ứng có tỷ lệ diện tích bề mặt điện cực hoạt động cao so với thể tích, khe hở giữa các điện cực phải vừa đủ để cung cấp đủ nhiễu loạn ở giữa các điện cực bắt đầu truyền khối lượng trong ECR Khoảng cách giữa các điện cực là 10 mm đã được tìm thấy thích hợp trong quá trình xử lý điện hóa (ECT) rượu đen từ nước thải nhà máy bột giấy và giấy Khoảng cách nhỏ hơn 10 mm làm giảm vận tốc xoáy của môi trường lỏng giữa các điện cực và nó ảnh hưởng đến hiệu quả loại bỏ chất ô nhiễm Hình 2.7 cho thấy sự tương tác giữa hai điện cực ở khoảng cách điện cực tối thiểu Sự sụt giảm tiềm năng ohmic hoặc giảm IR có thể có ảnh hưởng đáng kể đến các phép đo điện hóa Sự thay đổi trong IR giảm được điều chỉnh bởi phương trình dưới đây:

ƞIR = I.d / A.k (9) Trong đó:

I: cường độ dòng điện (A)

d: khoảng cách giữa anode và cathode (m) A: diện tích anode hoạt động (m2)

k: độ dẫn điện riêng (103 mS/m)

Từ phương trình (9), có thể suy ra rằng sự sụt giảm IR sẽ tăng lên bằng cách tăng khoảng cách của các điện cực Trong quá trình xử lý nước thải, dòng điện đột ngột giảm sau một thời gian trong quá trình vận hành EC; Do đó, điện áp ứng dụng phải được tăng lên để duy trì đầu vào dòng điện không đổi cho hệ thống Tình trạng này xảy ra có thể là do sự gia tăng mất ohmic (giảm IR) dẫn đến sự ức chế tốc độ oxy hóa anode Do đó, sự gia tăng giảm IR do sự gia tăng khoảng cách giữa anode và cathode không được khuyến nghị trong quy trình EC và nên tránh

Distance: Khoảng cách Sludges: Bùn

Hình 2.7 Khoảng cách giữa hai điện cực

(Nguồn: Environmental science and pollution research)

c Sắp xếp điện cực [6]

Bất chấp sự đơn giản của mô hình EC cơ bản được minh họa trong Hình 2.4, nó không phù hợp cho các ứng dụng xử lý nước thải thực tế, vì nó đòi hỏi diện tích bề mặt điện cực lớn để vượt qua tốc độ phân ly kim loại; điều này được khắc phục bằng cách sử dụng các mô hình điện cực đơn cực hoặc lưỡng cực trong các kết nối nối tiếp hoặc song song như minh họa trong Hình 2.8

Trong cấu hình đơn cực - song song (MP-P), tất cả các cực dương được kết nối với nhau và với nguồn cung cấp DC bên ngoài, và điều tương tự cũng áp dụng cho các điện cực cathode Trong cấu hình này, dòng điện được chia giữa các điện cực dẫn đến chênh lệch điện thế thấp hơn nếu so sánh với các điện cực được kết nối nối tiếp Mặt khác, kết nối chuỗi đơn cực (MP-S) đạt được khi hai điện cực ngoài cùng được kết nối với mạch ngoài tạo thành cathode và anode trong khi mỗi cặp điện cực bên trong được kết nối với nhau mà không cần kết nối với các điện cực bên ngoài Trong trường hợp này, điện áp được thêm vào tạo ra sự khác biệt tiềm năng cao hơn Các điện cực bên trong được gọi là "sacrificial electrodes" có thể được làm bằng các kim loại tương tự hoặc khác nhau và vai trò của chúng là giảm mức tiêu thụ anode và thụ động của cathode

Tùy chọn thứ ba là cấu hình chuỗi lưỡng cực (BP-S), trong đó các điện cực ngoài cùng được kết nối trực tiếp với nguồn điện bên ngoài với các điện cực bên trong không được kết nối bằng bất kỳ phương tiện nào Khi dòng điện đi qua các điện cực chính, phía liền kề của các điện cực bên trong bị phân cực và sẽ mang điện tích ngược lại với điện tích của điện cực gần đó Trong cấu hình như vậy, hai điện cực ngoài cùng là đơn cực trong khi các "sacrificial electrodes" bên trong là lưỡng cực Việc lựa chọn kết nối điện cực thích hợp được xác định bởi hiệu quả loại bỏ và chi phí xử lý và đã được nghiên cứu trong một số nghiên cứu Demirci và các cộng sự (2015) đã nghiên cứu ảnh hưởng của các kết nối điện cực khác nhau (MP-P, MP-S, BP-P) đối với việc loại bỏ màu sắc và độ đục và tổng chi phí xử lý EC của xử lý nước thải dệt may; Kết quả của ông đã chứng minh rằng hiệu quả loại bỏ là tương tự cho cả ba kết nối; tuy nhiên, cấu hình MP-P là hiệu quả nhất về chi phí Kobya và Demirbas (2015) đã chứng minh kết quả tương tự, trong đó chế độ MP-P cho hiệu quả loại bỏ cao nhất và chi phí vận hành thấp nhất để xử lý EC nước thải sản xuất lon Trong một thí nghiệm để loại bỏ Cr3+ khỏi dung dịch nước sử dụng EC với các điện cực thép nhẹ, Golder và các cộng sự (2007) đã nghiên cứu ảnh hưởng của các kết nối đơn cực và lưỡng cực đến hiệu quả hiện tại, loại bỏ Cr3+ và chi phí vận hành Kết quả cho thấy kết nối đơn cực cho hiệu quả dòng điện cao hơn nhiều với chi phí vận hành thấp hơn so với kết nối lưỡng cực Tuy nhiên, kết nối lưỡng cực dẫn đến việc loại bỏ gần như hoàn toàn Cr3+ so với 81,5% của kết nối đơn cực Việc loại bỏ florua khỏi nước uống tốt hơn khi các điện cực lưỡng cực được sử dụng, nhưng tổng chi phí vận hành của các điện cực đơn cực ít hơn nhiều, theo báo cáo của Ghosh và các cộng sự

Hình 2.8 Cấu hình khác nhau của kết nối điện cực

(Nguồn: Journal of Environmental Management)

d Loại nguồn điện [6]

Nguồn điện DC thường được sử dụng cho các mô hình keo tụ điện hóa; tuy nhiên, sử dụng DC dẫn đến quá trình oxy hóa / tiêu thụ anode và hình thành một lớp oxit trên cathode được gọi là thụ động cathode Sự thụ động gây ra sự gia tăng thụ động so với tiềm năng, dẫn đến tiêu thụ điện năng cao hơn; lớp thụ động cũng dẫn đến giảm dòng điện giữa hai điện cực và làm giảm hiệu suất của EC Yang và các cộng sự (2015) nhấn mạnh rằng vấn đề thụ động có thể được khắc phục bằng cách thêm một lượng ion clorua vừa đủ phá vỡ lớp thụ động hoặc bằng cách áp dụng dòng xung xoay chiều (APC) ngăn chặn sự hình thành lớp thụ động khi sử dụng điện cực Al hoặc Fe

Một số nghiên cứu đã báo cáo kết quả đầy hứa hẹn khi sử dụng nguồn điện xoay chiều Mollah và các cộng sự (2001) báo cáo rằng AC đảm bảo tuổi thọ điện cực hợp lý do năng lượng tuần hoàn làm chậm mức tiêu thụ điện cực truyền thống gặp phải trong DC Vasudevan và các cộng sự (2011) đã nghiên cứu ảnh hưởng của AC & DC đối với việc loại bỏ cadmium khỏi nước bằng cách sử dụng phương pháp keo tụ điện hóa, và kết quả đã chứng minh rằng tiêu thụ năng lượng thấp hơn và hiệu quả loại bỏ chất ô nhiễm cao hơn đạt được bằng cách sử dụng nguồn điện xoay chiều Trong một nghiên cứu về ảnh hưởng của EC dòng điện xoay chiều đối với việc loại bỏ thuốc nhuộm khỏi dung dịch nước, Eyvaz và các cộng sự (2009) đã chứng minh rằng hiệu quả loại bỏ cao hơn trong thời gian hoạt động ngắn hơn đạt được khi sử dụng APC; hơn nữa, hiệu quả loại bỏ không giảm theo thời gian như trong trường hợp của DC Họ cũng báo cáo rằng chi phí vận hành của APC thấp hơn nhiều so với hệ thống DC, điều này làm cho nó tiết kiệm hơn

e Mật độ dòng điện [6]

Mật độ dòng điện, là dòng điện trên mỗi diện tích điện cực, xác định lượng ion kim loại được giải phóng từ các điện cực Nói chung, sự phân ly ion kim loại tỷ lệ thuận với mật độ dòng điện được áp dụng Tuy nhiên, khi dòng điện quá lớn được sử dụng, có khả năng cao lãng phí năng lượng điện trong việc làm nóng nước và thậm chí giảm hiệu suất dòng điện, được biểu thị bằng tỷ lệ dòng điện tiêu thụ để sản xuất một sản phẩm nhất định trên tổng mức tiêu thụ hiện tại Có một giá trị quan trọng đối với mật độ dòng điện, nếu vượt quá chất lượng nước được xử lý không cho thấy sự cải thiện đáng kể Việc lựa chọn giá trị tối ưu cho mật độ dòng điện cũng bị ảnh hưởng bởi các thông số khác như pH, nhiệt độ và lưu lượng nước Một số nhà nghiên cứu đã nghiên cứu ảnh hưởng của mật độ dòng điện đến hoạt động / hiệu quả của EC ở các điều kiện hoạt động khác nhau

f Nồng độ các anion [6]

Sự hiện diện của các anion khác nhau có tác động khác nhau đến tính chất mất ổn định của các ion kim loại Các ion sunfat được biết là ức chế sự ăn mòn / hòa tan kim loại từ các điện cực và do đó chúng làm giảm sự mất ổn định của chất keo và hiệu suất dòng điện Mặt khác, các ion clorua và nitrat ngăn chặn sự ức chế các ion sunfat bằng cách phá vỡ lớp thụ động được hình thành Sự hiện diện của các ion clorua cũng làm giảm đáng kể tác dụng phụ của các ion sunfat, dẫn đến kết tủa muối trên các điện cực khi nồng độ muối đủ cao Kết tủa tạo thành một lớp cách điện làm giảm hiệu suất dòng điện bằng cách tăng điện thế giữa các điện cực

Độ dẫn điện của dung dịch là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả và mức tiêu thụ điện năng của EC, độ dẫn điện càng cao thì điện năng tiêu thụ của EC càng thấp do hiệu quả loại bỏ chất ô nhiễm tăng lên Do đó, độ dẫn điện của dung dịch được tăng cường bằng cách thêm các anion dưới dạng muối như NaCl Nó cũng đã được tìm thấy rằng sự hiện diện của các ion clo có hiệu quả góp phần khử trùng nước

g Ảnh hưởng của pH ban đầu [6]

pH là một thông số quan trọng khi nói đến quá trình keo tụ điện hóa vì nó ảnh hưởng đến độ dẫn điện của dung dịch, thế năng zeta và hòa tan điện cực Tuy nhiên, rất khó để thiết lập mối quan hệ rõ ràng giữa độ pH của dung dịch và hiệu quả của quá trình keo tụ điện hóa vì pH của nước được xử lý thay đổi trong quá trình EC, do đó nó thường được gọi là pH dung dịch ban đầu Anode nhôm và sắt hoạt động theo một cách khác nhau trong EC như dưới đây:

Anode nhôm

Như đã đề cập trước đây, khi nhôm được sử dụng làm anode, nó trải qua quá trình điện phân theo phương trình (5) để tạo thành các ion nhôm hóa trị ba, sau đó là thủy phân theo phương trình (6) để cung cấp cho các ion khác nhau tùy thuộc vào độ pH của dung dịch Các phản ứng làm cho vùng lân cận của anode có tính axit nhẹ, ngược lại, vùng lân cận cathode hơi kiềm do sự tiến hóa hydro và sản xuất các ion OH- (phương trình (6)) Theo quan sát chung, khi độ pH ban đầu của dung dịch có tính axit cao (pH < 3) hoặc kiềm cao (pH > 11) thì không có thay đổi đáng kể về độ pH ban đầu Tuy nhiên, khi pH ban đầu có tính axit, pH dự kiến sẽ tăng trong suốt quá trình EC và khi pH ban đầu có tính kiềm, pH dự kiến sẽ giảm theo quy trình EC Do đó, EC sử dụng anode nhôm được coi là chất trung hòa pH Barrera- Diaz và các cộng sự đã nghiên cứu các loại nhôm chiếm ưu thế có trong dung dịch ở các giá trị pH khác nhau, trong đó họ thấy rằng ở pH nhỏ hơn 3,5, Al3+ là mẫu vật chính có mặt, đối với các giá trị pH từ 4

đến 9,5, Al(OH)3 (s) chiếm ưu thế và khi pH lớn hơn 10, Al(OH)4- hình thành Các kết quả tương tự có thể được tìm thấy bằng cách sử dụng sơ đồ E-pH cho nhôm (Hình 2.6), vì nó cung cấp cho các loại nhôm ổn định nhiệt động lực học ở một độ pH và tiềm năng nhất định Barrera Díaz và các cộng sự (2006) cũng đã nghiên cứu ảnh hưởng của pH ban đầu đối với việc giảm COD và thấy rằng hiệu quả loại bỏ tốt nhất đạt được trong phạm vi pH 6 - 8 và hiệu quả loại bỏ ít nhất xảy ra ở pH kiềm cao là 12 Một số tác giả đã đi đến cùng một kết luận rằng hiệu suất tối đa của EC sử dụng cực dương nhôm là khoảng pH trung tính

h Thời gian phản ứng [8]

Nồng độ chất keo tụ được tạo ra bằng cách điện phân trên anode tỷ lệ thuận với điện tích được thêm vào trên mỗi thể tích Chất keo tụ được sản xuất bằng điện phân thường có thể được tính theo định luật Faraday khi biết thời gian hiện tại và thời gian điều trị Thời gian điện phân cũng ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý của quá trình điện hóa vì nó có thể tăng hoặc giảm theo mật độ dòng điện hoặc pH của mẫu

2.3 Nghiên cứu trong và ngoài nước

2.3.1 Electrocoagulation and advanced electrocoagulation processes: A general review about the fundamentals, emerging applications and its association with other technologies [9]

- Tác giả: Sergi Garcia-Segura, Maria Maesia S.G Eibanda, Jailson Vieira de Melo, Carlos Alberto Martínez-Huitle

- Ngày công bố: 26/07/2017

- Nội dung: Keo tụ điện hóa (EC) là một quá trình điện hóa làm keo tụ và loại bỏ chất rắn lơ lửng, vật liệu keo và kim loại, cũng như các chất rắn hòa tan khác từ nước và nước thải Quy trình EC đã được sử dụng thành công trong việc loại bỏ các chất ô nhiễm, thuốc trừ sâu và hạt nhân phóng xạ Quá trình này cũng loại bỏ các vi sinh vật gây hại Sự hòa tan điện gây ra sự gia tăng nồng độ kim loại trong dung dịch cuối cùng kết tủa dưới dạng oxit và hydroxit Do thiết kế quy trình và vật liệu chi phí thấp, quy trình EC được chấp nhận rộng rãi so với các quy trình hóa lý khác Bài viết này trình bày một đánh giá chung về các công nghệ EC hiệu quả được phát triển để loại bỏ chất hữu cơ và vô cơ khỏi nước thải để bảo vệ môi trường Các nguyên tắc cơ bản và ứng dụng chính của EC cũng như tiến trình của các phương pháp xử lý EC mới nổi được báo cáo Ảnh hưởng của anode sắt hoặc nhôm đến việc khử ô nhiễm nước thải tổng hợp được giải thích Ưu điểm của cơ chế EC với điện cực nhôm và sắt được thảo luận rộng

rãi Có trình bày các quy trình EC tiên tiến với việc tạo ra gốc hydroxyl tại chỗ Tầm quan trọng của các thông số vận hành đối với việc áp dụng hiệu quả quy trình EC cũng như sự kết hợp của công nghệ điện hóa này với các kỹ thuật phân tích điện và các công nghệ khác được nhận xét

2.3.2 Development of electrocoagulation process for wastewater treatment: optimization by response surface methodology [7]

- Tác giả: Million Ebba, Perumal Asaithambi, Esayas Alemayehu - Ngày công bố: 04/05/2022

- Nội dung: RSM (Response Surface Methodology) là một tập hợp các phương pháp toán học và thống kê cụ thể và nó có thiết kế thử nghiệm, phù hợp với mô hình cũng như để tối ưu hóa RSM nhằm mục đích tối ưu hóa đối tượng quan tâm, chịu ảnh hưởng bởi nhiều biến RSM là một phương pháp thống kê hữu ích để tối ưu hóa các phản ứng hóa học và / hoặc quy trình công nghiệp và nó được sử dụng rộng rãi cho thiết kế thử nghiệm, trong kỹ thuật này, bề mặt đáp ứng được tối ưu hóa bị ảnh hưởng bởi các tham số quy trình Hình 2.9 cho thấy, tổng mô hình tuần tự của bình phương và thống kê tóm tắt % loại bỏ COD Từ Hình 2.9 đến 2.13 , mô hình có ý nghĩa quan trọng đối với việc loại bỏ COD vì giá trị p < 0,005, có nghĩa là, mô hình có ý nghĩa ở mức xác suất 95% Kết quả mô hình chỉ ra rằng, hệ số xác định (R2) và hệ số xác định được điều chỉnh (R2) lần lượt là 0,9911 và 0,9834 để loại bỏ COD Theo ANOVA (Hình 2.30, 2.31, 2.32, 2.33) dẫn đến sự tương tác của pH, dòng điện, nồng độ điện phân, khoảng cách giữa các điện cực và thời gian điện phân ảnh hưởng đến màu sắc, COD, độ đục và mức tiêu thụ năng lượng

Hình 2.9 Tổng mô hình tuần tự của bình phương và thống kê tóm tắt % loại bỏ COD

Hình 2.10 ANOVA của mô hình bậc hai % loại bỏ độ màu

Hình 2.11 ANOVA của mô hình bậc hai % loại bỏ COD

Hình 2.12 ANOVA của mô hình bậc hai % loại bỏ độ đục

Hình 2.13 ANOVA của mô hình bậc hai năng lượng tiêu thụ

2.3.3 Optimization of Electrocoagulation Conditions for the Purification of Table Olive Debittering Wastewater Using Response Surface Methodology [10]

- Tác giả: Razieh Niazmand, Moslem Jahani, Farzaneh Sabbagh, Shahabaldin Rezania

- Ngày công bố: 17/06/2022

CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 Sơ đồ nghiên cứu

QCVN 01-1:2018/BYT Đạt

QCVN 01-1:2018/BYT

ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT XỬ LÝ, ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ ẢNH HƯỞNG

CỦA CÁC THÔNG SỐ VẬN HÀNH VÀ CHẠY TỐI ƯU HÓA NƯỚC ĐẦU VÀO

(ĐÃ XỬ LÝ TÁCH RÁC)

CHẠY MÔ HÌNH KEO TỤ ĐIỆN HÓA BẰNG ĐIỆN

CỰC NHÔM VỚI CÁC THÔNG SỐ VẬN HÀNH KHÁC

NHAU

SO SÁNH VỚI QCVN 01-1:2018/BYT, ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT XỬ LÝ CHO TOÀN BỘ CÁC CHỈ TIÊU BAN ĐẦU VÀ KẾT LUẬN KHẢ NĂNG ÁP DỤNG VÀO XỬ LÝ NƯỚC CẤP

THỰC TẾ

PHÂN TÍCH MỘT SỐ CÁC CHỈ TIÊU ĐẦU VÀO CƠ BẢN: pH, ĐỘ ĐỤC, MÀU SẮC, AMONI, CLO DƯ TỰ DO,

NITRAT, NITRIT, PECMANGANAT, SẮT, SUNPHAT, TDS, TSS,

COLIFORMS

CHẠY LẠI MÔ HÌNH KEO TỤ ĐIỆN HÓA

BẰNG ĐIỆN CỰC NHÔM Ở CÁC THÔNG SỐ ĐÃ TỐI

ƯU HÓA

Thuyết minh: Nguồn nước đầu vào được lấy từ sông Sài Gòn - khu vực dọc bờ sông đường Nguyễn Văn Hưởng, phường Thảo Điền, quận 2 Tọa độ lấy mẫu là 10°48'13.3"N 106°43'33.4"E, thời điểm lấy mẫu là 16h Mẫu nước sau khi đem về phòng thí nghiệm sẽ được phân tích một số các chỉ tiêu đầu vào cơ bản như: pH, độ đục, màu sắc, Amoni, Clo dư tự do, Nitrat, Nitrit, Pecmanganat, Sắt, Sunphat, TDS, TSS, Coliforms Các chỉ tiêu chưa đạt QCVN 01-1:2018/BYT sẽ được dùng để phân tích và đánh giá hiệu suất xử lý, đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số vận hành khi thực hiện thí nghiệm phương pháp keo tụ điện hóa với điện cực nhôm, từ đó lấy số liệu chạy tối ưu hóa bằng phần mềm Design Expert Sau khi hoàn thành việc tối ưu hóa, tiến hành lặp lại nghiên cứu ở điều kiện đã tối ưu hóa cho các loại nước sông khác nhau, bao gồm sông Sài Gòn, sông Nhà Bè, sông Đồng Nai, sông Vàm Cỏ, sông Tiền ; phân tích toàn bộ chỉ tiêu như ban đầu để đối chiếu xác thực, so sánh kết quả phân tích với QCVN 01-1:2018/BYT để đánh giá hiệu suất xử lý và kết luận khả năng áp dụng vào xử lý nước cấp thực tế

3.2 Hóa chất, thiết bị và mô hình thí nghiệm 3.2.1 Hóa chất thiết bị

Bảng 3.1 Các hóa chất sử dụng trong mô hình thí nghiệm

10 Metyl Blue Trung Quốc -

Bảng 3.2 Các dụng cụ dùng trong mô hình thí nghiệm

Bảng 3.3 Các thiết bị sử dụng trong mô hình thí nghiệm

4 Cân 1 Germany

6 DR 2800 Portable Spectrophotometer

3.2.2 Mô hình thí nghiệm

Hình 3.1 Mô hình điện hóa thí nghiệm và thực tế

Mô tả: Nguồn điện sẽ cung cấp dòng điện thông qua hai dây dẫn từ cực âm và cực dương, kết nối vào hai tấm điện cực nhôm Hai tấm điện cực nhôm với kích thước 6 x 3 x 0,3cm đã được cố định bên trong Beaker 1000ml chứa mẫu nước và có thể thay đổi khoảng cách giữa chúng để thực hiện các thí nghiệm khác nhau Bên trong Beaker 1000ml còn cắm thêm 01 đầu dò pH để ghi nhận sự thay đổi pH xuyên suốt thí nghiệm Tiến hành thay đổi khoảng cách điện cực, cường độ dòng điện và thời gian phản ứng cho phù hợp với yêu cầu của thí nghiệm, sau đó dùng pipet để hút nước đã xử lý đem đi phân tích các chỉ tiêu cần thiết và ghi nhận kết quả

3.3 Phương pháp nghiên cứu

- Lập đường chuẩn: Sử dụng 06 bình định mức 25ml, thực hiện dãy chuẩn như sau:

Dung dịch chuẩn độ đục 400 FTU (ml) 0 1 2 3 4 5 Định mức thành 25ml và tiến hành đo hấp thu quang phổ bước sóng 450nm

3.3.2 Phương pháp phân tích độ màu

- Hút 25ml mẫu cho vào Erlen 100ml (Nếu mẫu có hàm lượng quá lớn, cần pha loãng mẫu trước khi phân tích)

- Đo hấp thu quang phổ ở bước sóng 455nm bằng máy đo quang phổ DR 2800 Portable Spectrophotometer

- Lập đường chuẩn: Sử dụng 06 bình định mức 25ml, thực hiện dãy chuẩn như sau:

Dung dịch chuẩn độ màu (ml) 0 2,5 5 7,5 10 12,5 Định mức thành 25ml và tiến hành đo hấp thu quang phổ bước sóng 455nm

3.3.3 Phương pháp phân tích Amoni

- Hút 25 – 50ml mẫu cho vào bình chưng cất NH3

- Thêm 25ml dd Na2B4O7 vào bình, chỉnh pH lên 9,5 bằng dd NaOH 6N - Lắp bình vào hệ thống chưng cất Kieldal

- Chưng cất mẫu bằng thiết bị chưng cất trong 8 phút (thời gian chưng cất có thể thay đổi tùy vào loại thiết bị)

- Hấp thụ bằng Beaker 500ml có chứa 50ml dd hấp thụ Acid Boric (H3BO3) Đầu ống ngưng tụ phải để nhúng ngập trong dung dịch hấp thụ

- Chuẩn độ dung dịch đã hấp thụ bằng H2SO4 0,02N, dừng chuẩn độ khi dung dịch chuyển từ màu vàng (xanh) sang màu tím hồng

- Làm thêm 01 mẫu trắng đối chứng