Để khắc phục tình trạng trên, đảm bảo cấp nước liên tục và an toàn tại KTX, chúng tôi thực hiện đề án “Xử lý nước cấp bằng công nghệ trao đổi ion cho KTX khu B ĐHQG TP.HCM” 1.2 Tính cấp
Tính cấp thiết của đề tài
Nhà máy xử lý nước Thủ Đức là một trong những cơ sở cung cấp nước lớn nhất TP.HCM, đáp ứng nhu cầu sinh hoạt và sản xuất Để đảm bảo chất lượng nước sau xử lý đạt tiêu chuẩn cao, việc xây dựng hệ thống xử lý và cung cấp nước chất lượng cho ký túc xá trở thành yêu cầu cấp thiết.
Nội dung của đồ án
- Khảo sát hiện trạng sử dụng nước của KTX khu B
- Khảo sát, tính toán nhu cầu sử dụng nước cho mục đích sinh hoạt.
- Đề xuất công nghệ xử lý.
- Tính toán lưu lượng nước cấp vào KTX khu B
GIỚI THIỆU CHUNG
Giới thiệu tổng quan về Ký Túc Xá khu B
- Tọa lạc tại Đường Mạc Đĩnh Chi, Khu phố Tân Hòa, Dĩ An, Bình Dương.
- Ký túc xá khu B - KTX ĐHQG TP Hồ Chí Minh có tổng diện tích khu vực lên đến 38.8ha.
2.1.3 Các yếu tố khí hậu
Khí hậu vùng Đông Nam Bộ mang đặc trưng của khí hậu nhiệt đới gió mùa, với đặc điểm nóng ẩm và lượng mưa dồi dào Mùa mưa diễn ra từ tháng 5 đến tháng 11, trong khi mùa khô kéo dài từ tháng 12 năm trước đến tháng 4 năm sau.
- Nhiệt độ trung bình năm là 26,5 0 C, tháng 4 là tháng có nhiệt độ cao nhất (khoảng
29 0 C), tháng thấp nhất là tháng 1 (khoảng 24 0 C).
- Số giờ nắng trung bình là 2.400 giờ, có năm số giờ nắng tăng cao lên tới 2.700 giờ.
- Lượng mưa trung bình hàng năm từ 1.800 - 2.000mm Tháng có lượng mưa lớn nhất là tháng 9 (335 mm), tháng mưa ít nhất là tháng 1 (50 mm).
- Chế độ gió khá ổn định, không bị ảnh hưởng bởi bão và áp thấp nhiệt đới
- Độ ẩm tương đối cao, khoảng 80 - 90% và thay đổi tùy theo mùa.
- Ký túc xá khu B có khoảng hơn 40.000 sinh viên.
Giới thiệu về nguồn nước để cấp cho KTX khu B
2.2.1 Công trình thu và trạm bơm nước thô
Nước từ sông Đồng Nai được dẫn qua hệ thống chắn rác vào công trình thu, sau đó được bơm về nhà máy xử lý qua tuyến ống nước thô D2400 Trước khi vào hầm giao liên, nước thô được clo hóa sơ bộ để tiêu diệt rong rêu và tảo trên đường ống Trạm bơm nước thô có công suất lên đến 315.000m³/ngày.
Trạm tiếp nhận nước thô từ Hóa An cung cấp nguồn nước cho khu xử lý Nước thô sẽ tự chảy đến nhà máy BOO Nước Thủ Đức để được xử lý.
Nước thô từ hầm giao liên có nhiệm vụ tiêu bớt năng lượng do chênh lệch cao trình với bể tiếp nhận, trước khi được đưa vào cụm xử lý qua mương phân phối Sau đó, nước sẽ trải qua các giai đoạn xử lý tại nhà máy và được cung cấp cho KTX khu B.
Đề xuất công nghệ xử lý
Mặc dù có nhiều công nghệ xử lý nước cung cấp cho KTX khu B ĐHQG - TP.HCM, công nghệ trao đổi ion được ưa chuộng nhất nhờ vào khả năng mang lại chất lượng nước tốt nhất Do đó, việc đề xuất áp dụng công nghệ trao đổi ion cho hệ thống xử lý nước tại KTX khu B ĐHQG - TP.HCM là hợp lý và cần thiết.
Tiêu chuẩn nước sinh hoạt
- Theo quy chuẩn QCVN 01-1:2018/BYT Chất lượng nước sạch sinh hoạt
GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ TRAO ĐỔI ION
Công nghệ trao đổi ion
- Phương pháp trao đổi ion là quá trình tách riêng những ion không mong muốn ra khỏi dung dịch và thay thế bằng những ion khác.
- Quá trình trao đổi ion được diễn ra bằng các phản ứng hóa học trong một thiết bị chuyên dụng (Gồm 2 pha: Pha lỏng và pha rắn).
3.1.2 Cơ sở của phương pháp trao đổi ion
- Cơ sở của phương pháp trao đổi ion: Là dựa trên sự phản ứng hoá học giữa ion trong pha lỏng và ion trong pha rắn.
Trao đổi ion là quá trình phản ứng giữa các ion trong pha lỏng và ion trong pha rắn, thường được thực hiện thông qua nhựa trao đổi.
Các ion trong pha lỏng có khả năng dễ dàng thay thế các ion trên khung của nhựa trao đổi, và quá trình này phụ thuộc vào loại nhựa trao đổi cũng như các loại ion khác nhau.
3.1.3 Nguyên lý hoạt động của phương pháp trao đổi ion
Trao đổi ion là quá trình thay thế giữa các ion dương hoặc âm cố định trên các gốc axit hoặc bazơ của vật liệu hạt trao đổi với các ion cùng dấu trong dung dịch lỏng khi có sự tiếp xúc Quá trình này cho phép điều chỉnh thành phần ion của chất lỏng mà không làm thay đổi tổng số ion có trong chất lỏng trước khi trao đổi.
3.1.4 Vật liệu trao đổi ion
Chất trao đổi ion là loại vật liệu lọc dạng hạt không hòa tan, chứa các gốc axit hoặc bazơ có khả năng thay thế mà không làm thay đổi tính chất vật lý của chúng Loại vật liệu này không bị hủy hoại hay hòa tan trong quá trình sử dụng.
- Chất trao đổi ion có trong tự nhiên Zeolite, các hợp chất tổng hợp vô cơ silicoaluminat và hữu cơ.
Hạt nhựa trao đổi ion, hay còn gọi là hạt nhựa làm mềm nước, là loại hạt không hòa tan chứa các ion có khả năng trao đổi với các ion khác trong dung dịch Quá trình trao đổi này không làm thay đổi tính chất vật lý của vật liệu trao đổi ion.
Hạt nhựa trao đổi ion có khả năng thay thế các ion cụ thể của chúng bằng các ion khác có trong dung dịch chảy qua cột phản ứng Nhựa polystyrene với nhóm sulphonate thường được sử dụng để trao đổi ion dương, trong khi nhóm amin có khả năng trao đổi ion âm Những loại nhựa tổng hợp này chủ yếu được ứng dụng trong việc tinh sạch nước, bên cạnh đó, chúng còn được sử dụng để phân tách các thành phần lẫn trong dung dịch.
Hạt nhựa trao đổi ion có đa dạng cấu trúc, nhóm và hình thái ion, cùng với nhiều màu sắc như vàng, nâu, trắng, đen và xám Sự đa dạng này cho phép hạt nhựa đáp ứng hiệu quả các yêu cầu sử dụng khác nhau trong các ứng dụng công nghiệp và môi trường.
Hạt nhựa sử dụng trong xử lý nước thường có nhiều loại, bao gồm hạt nhựa styrene dạng gel với bề ngoài màu vàng trong suốt, hạt nhựa macroprous không trong suốt hoặc hơi trong, hạt nhựa macroprous cation styrene có màu vàng nhạt hoặc nâu xám nhạt, hạt nhựa macroprous anion styrene màu trắng, và nhựa acrylic màu trắng hoặc trắng sữa.
Khi hạt nhựa trao đổi ion bị bẩn, màu sắc của chúng sẽ thay đổi, và mức độ thay đổi này tỉ lệ thuận với mức độ bẩn của hạt nhựa Tình trạng này thường khó có thể khôi phục lại như ban đầu.
Vì thế, trong quá trình sử dụng, phải chú ý đến sự thay đổi màu sắc của hạt, để xác định độ bẩn của nó.
3.1.5.2 Phân loại a) Nhựa trao đổi cation axit mạnh
- Hạt nhựa này chứa một lượng lớn các nhóm axit mạnh như axit sulfonic, nhóm -
SO3H có khả năng phân tách H+ trong dung dịch, tạo ra nhựa với các nhóm tích điện âm như SO3- Nhựa này có thể hấp thụ các cation khác Phản ứng phân ly của nhựa cation axit mạnh diễn ra mạnh mẽ, dẫn đến quá trình phân ly và trao đổi ion trong dung dịch axit hoặc kiềm.
Nhựa trao đổi cation axit mạnh cần được tái sinh sau một thời gian sử dụng, bằng cách sử dụng hóa chất để thực hiện phản ứng trao đổi ion ngược lại Quá trình này giúp các nhóm chức năng của nhựa phục hồi trạng thái ban đầu và sẵn sàng cho lần sử dụng tiếp theo Bên cạnh đó, nhựa trao đổi cation axit yếu cũng có những đặc điểm riêng cần được chú ý.
Nhựa trao đổi cation chứa nhiều nhóm axit yếu như Carboxyl - COOH, có khả năng phân ly H+ và tạo ra môi trường axit trong nước Khi nhựa này phân ly, nhóm tích điện âm R-COO- (với R là nhóm hydrocarbon) sẽ kết hợp với dung dịch có khả năng hấp thụ các cation khác, tạo ra quá trình trao đổi cation hiệu quả.
Nhựa phân ly axit có tính yếu, khiến việc phân tách và trao đổi ion trở nên khó khăn ở pH thấp, chỉ từ pH 5 đến 14 Chúng hoạt động hiệu quả trong môi trường kiềm, dung dịch trung tính hoặc hơi chua Loại nhựa này cũng được sử dụng để tái sinh axit, dễ dàng hơn so với việc tái sinh nhựa axit mạnh.
Nhựa trao đổi anion chứa các nhóm kiềm mạnh cơ bản như amin bậc 4 -NR3OH, có khả năng phân ly OH- trong nước Loại nhựa này có thể hấp thụ các nhóm tích điện dương và tương tác với anion trong dung dịch, tạo ra hiệu ứng trao đổi anion Nhựa trao đổi anion kiềm mạnh này hoạt động hiệu quả trong nhiều môi trường pH khác nhau và có thể được tái sinh bằng dung dịch kiềm mạnh.
Loại hạt nhựa này chứa nhiều nhóm kiềm yếu như amin bậc 1 -NH2, amin thứ cấp NHR và amin bậc 3 -NR2, có khả năng phân ly trong nước và OH - kiềm yếu Nhựa trao đổi anion này có thể hấp thụ các nhóm điện tích dương trong dung dịch, tạo ra hiệu ứng trao đổi anion Tuy nhiên, loại nhựa này chỉ hoạt động hiệu quả trong môi trường pH trung tính hoặc axit Để tái sinh, nhựa trao đổi anion có tính kiềm yếu có thể sử dụng Na2CO3 hoặc NH4OH.
3.1.5.3 Hạt nhựa trao đổi ion hoạt động như thế nào?
Cơ chế trao đổi Ion
3.2.1 Thứ tự trao đổi một số cation thông thường
Thứ tự trao đổi cation trong quá trình trao đổi ion được xác định bởi sức mạnh của các ion cation và khả năng liên kết của chúng với nhựa trao đổi ion Một số cation dễ dàng bị trao đổi hơn so với những cation khác Dưới đây là thứ tự trao đổi cation thông thường, từ mạnh nhất đến yếu nhất.
+ Ion kim loại kiềm thổ như Ca 2+ và Mg 2+
+ Ion kim loại kiềm như Na + và K +
+ Ion kim loại chuyển tiếp như Fe 2+ , Cu 2+ và Zn 2+
+ Ion kim loại nhóm chính như Al 3+ và Pb 2+
Các ion được trao đổi dựa trên sự khác biệt về điện tích và kích thước, cùng với sự tương tác với các nhóm chức trên nhựa trao đổi ion Những ion có điện tích cao và kích thước nhỏ thường có khả năng liên kết mạnh hơn, do đó chúng được ưu tiên trong quá trình trao đổi.
Cơ chế trao đổi ion là một quá trình hóa học quan trọng, trong đó các ion trong dung dịch được tách ra và thay thế bởi các ion khác thông qua tương tác với hạt nhựa trao đổi ion Quá trình này dựa trên nguyên lý của sắc ký trao đổi ion, một kỹ thuật phân tách và tinh chế các ion và phân tử phân cực dựa trên ái lực của chúng với chất trao đổi ion.
Trong hệ thống làm mềm nước, các ion Ca 2+ và Mg 2+ được loại bỏ khỏi nước đầu vào thông qua quá trình hấp thụ và giữ lại trong các hạt nhựa trao đổi ion chứa ion Na + Quá trình này không chỉ loại bỏ các ion cứng mà còn giải phóng ion Na + vào nước, giúp làm mềm nước hiệu quả.
3.2.3 Cân bằng trao đổi ion
Cân bằng trao đổi ion là yếu tố thiết yếu trong hóa học phân tích, với ứng dụng rộng rãi từ xử lý nước đến tổng hợp hóa học Để cân bằng một phản ứng trao đổi ion, cần đảm bảo số lượng và loại ion ở hai bên phương trình phản ứng là tương đương Dưới đây là các bước cơ bản để thực hiện phương pháp cân bằng ion.
Xác định các ion tham gia: Xác định các ion tham gia vào phản ứng và viết chúng dưới dạng phương trình ion.
Cân bằng số nguyên tử: Đảm bảo rằng số lượng nguyên tử của mỗi nguyên tố là như nhau ở hai bên phương trình.
Cân bằng điện tích là quá trình sử dụng electron (e-) để đảm bảo sự cân bằng điện tích ở cả hai bên của phương trình hóa học Để đạt được điều này, có thể cần nhân các electron với hai nửa phản ứng, nhằm đảm bảo rằng điện tích được cân bằng chính xác.
Để tạo thành phương trình ion ròng trong phản ứng oxi hóa - khử, cần cộng hai nửa phản ứng lại với nhau.
Kiểm tra phương trình cuối cùng: Đảm bảo rằng phương pháp cuối cùng cân bằng cả về số nguyên tử và điện tích.
3.2.4 Thiết kế cột trao đổi ion
Thiết kế cột trao đổi ion là một quá trình phức tạp, đòi hỏi sự cẩn thận để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống Các yếu tố quan trọng cần xem xét bao gồm kích thước cột, loại vật liệu trao đổi ion, tốc độ dòng chảy và điều kiện vận hành Việc tối ưu hóa những yếu tố này sẽ giúp nâng cao hiệu quả hoạt động của cột trao đổi ion.
Kết quả phân tích nước cấp:
- Đầu tiên, cần có kết quả phân tích nguồn nước cấp cần xử lý để xác định sự kết hợp nhựa trao đổi ion là cần thiết.
Khi nhận kết quả phân tích nước cấp, việc so sánh các chỉ tiêu với quy chuẩn là rất quan trọng để xác định xem mẫu nước có đạt yêu cầu hay không Các chỉ tiêu chất lượng nước thường được xem xét bao gồm BOD, COD, TSS, TDS, tổng Nito và các thông số khác tùy thuộc vào nguồn nước và mục đích sử dụng.
Công suất của thiết bị: Xác định công suất cần thiết dựa trên lượng nước cần xử lý và mức độ ô nhiễm của nước cấp.
Chiều dài chu kỳ lọc là yếu tố quan trọng trong việc tính toán thời gian lọc và tái sinh, nhằm đảm bảo cột trao đổi ion hoạt động hiệu quả suốt chu kỳ sử dụng.
Yêu cầu chất lượng nước sau xử lý: Xác định các tiêu chuẩn chất lượng nước sau xử lý để chọn lựa nhựa trao đổi ion phù hợp.
Công nghệ tái sinh: Lựa chọn phương pháp tái sinh nhựa trao đổi ion, ví dụ như sử dụng dung dịch muối để tái sinh nhựa trao đổi ion.
Kích thước cột: Xác định kích thước cột dựa trên công suất và yêu cầu về không gia lắp đặt.
Khi lựa chọn nhựa trao đổi ion, cần xác định loại nhựa phù hợp với ứng dụng cụ thể Ví dụ, có thể chọn nhựa trao đổi cation axit mạnh hoặc nhựa trao đổi anion axit yếu để đáp ứng yêu cầu của quá trình xử lý.
Quy trình xử lý nước
Phương pháp làm mềm nước cứng sử dụng cột lọc chứa các vật liệu lọc là hạt trao đổi ion Quá trình này diễn ra dưới áp suất từ 1,5 đến 2,5 bar, giúp loại bỏ các ion Ca 2+ và Mg 2+ có trong nước.
Sau quá trình này, muối bão hòa sẽ loại bỏ các hạt nhựa đã bão hòa với các ion khoáng chất Dung dịch muối bão hòa không chỉ giúp bổ sung ion Na+ cho vật liệu lọc mà còn hỗ trợ trong việc loại bỏ các tạp chất.
Ca 2+ và Mg 2+ xả ra theo đường nước xả.
- Nước cứng cần trải qua 5 quá trình trong hệ thống làm mềm nước để loại bỏ được
Quy trình lọc nước diễn ra qua việc trao đổi ion trong cột lọc, giúp loại bỏ độ cứng nhờ các hạt ion có trong vật liệu lọc Sau khi hoàn tất, nước trở thành nước mềm và sẵn sàng để sử dụng.
Tái sinh nhựa trao đổi Ion
Hạt nhựa trao đổi ion chủ yếu được sử dụng để làm mềm nước Tuy nhiên, sau một thời gian dài sử dụng, chúng có thể hấp thụ nhiều ion kim loại nặng và dẫn đến tình trạng quá tải Do đó, hiệu quả trong việc xử lý nước cứng sẽ giảm sút.
Tái sinh hạt nhựa trao đổi ion là quá trình loại bỏ các ion đã trao đổi trong dung dịch, giúp khôi phục chức năng ban đầu của hạt nhựa để tiếp tục sử dụng Quá trình này đóng vai trò quan trọng trong việc tiết kiệm chi phí và gia tăng tuổi thọ của hạt nhựa.
- Hiện nay có khá nhiều cách để phục hồi nhựa trao đổi ion dương Tuy nhiên, phổ biến nhất là phương pháp hoàn nguyên bằng dung dịch muối NaCl 10%.
Khi thực hiện quá trình trao đổi ion, các hạt nhựa loại bỏ ion kim loại và khoáng chất dư thừa, nhưng không đủ natri để thay thế Do đó, cần tiến hành phản ứng hóa học hoàn nguyên hạt nhựa trao đổi ion bằng dung dịch muối.
Muối tái sinh cần phải là muối hoàn nguyên tinh khiết với hàm lượng NaCl đạt 99,5%, không nên sử dụng dung dịch muối ăn thông thường do chứa nhiều tạp chất như ion Ca2+, Mg2+, Cl-, SO42-, Br- Việc sử dụng muối không đạt tiêu chuẩn sẽ gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ thống xử lý nước và làm hỏng hạt nhựa trao đổi ion.
Bước 1: Rửa ngược (Thời gian khoảng 3-5 phút)
Bước đầu tiên trong quá trình tái sinh là rửa ngược hệ thống, cho phép nước chảy ngược qua đáy cột để giãn nở vật liệu, loại bỏ bụi bẩn và mảnh vụn Quá trình này cũng giúp loại bỏ túi khí và phân loại lại nhựa, đồng thời giảm thiểu áp suất trong bình lọc Rửa ngược thường chỉ được thực hiện trong các hệ thống đồng dòng, trong khi ở hệ thống dòng chảy ngược, nó chỉ diễn ra khi cần thiết.
Bước 2: Ngâm hóa chất tái sinh
Hút muối vào cột theo hai hướng: từ dưới lên (hoàn nguyên ngược dòng) hoặc từ trên xuống (hoàn nguyên xuôi dòng), sau đó ngâm trong dung dịch tái sinh trong 60-120 phút Quá trình này giúp loại bỏ các ion đã bị giữ lại trên bề mặt hạt trong quá trình lọc, khôi phục nhựa về trạng thái ban đầu để bắt đầu một chu kỳ dịch vụ mới.
Sau quá trình tái sinh, bước rửa chậm tiếp tục đưa chất tái sinh qua cột, giúp chuyển đổi và loại bỏ chất tái sinh khỏi hệ thống Phương pháp rửa chậm không chỉ hỗ trợ quá trình tái sinh mà còn nâng cao hiệu quả của nó.
Rửa nhanh là bước cuối cùng quan trọng trong quy trình xử lý nước, sử dụng nước thô để đảm bảo chất lượng nước sau khi tái sinh nhựa trao đổi ion Quá trình này không chỉ giúp sắp xếp hạt nhựa một cách ổn định mà còn nâng cao khả năng lọc cho chu kỳ tiếp theo Trong các hệ thống dòng chảy ngược, có thể áp dụng bước tái chế thay thế cho rửa nhanh.
- Tổng thời gian để tái sinh là