BÀI GIẢNG: QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ NƯỚC VÀ NƯỚC THẢI pot

Sự kết tủa thực hiện dưới dạng hợp chất chứa lưu huznh rất ít tan làm kết tủa các kim loại phức yếu ammonia hoặc một số phức chất của hữu cơ và trong vùng thu hẹp pH.. Khái quát - Tuyển

MÔN HỌC

QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ NƯỚC

VÀ NƯỚC THẢI

GIẢNG VIÊN: ThS PHẠM ANH ĐỨC

QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ NƯỚC

VÀ NƯỚC THẢI

Phạm Anh Đức Khoa Môi trường và BJLĐ

QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ NƯỚC

VÀ NƯỚC THẢI

Phạm Anh Đức 2008 Bài giảng Quá trình Công nghệ

nước và Nước thải Đại học Tôn Đức Thắng Tp.HCM

T H Dũng, N V Lục, V B Minh, H M Nam 2005

Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa học và Thực

phẩm – Tập 2: Phân riêng bằng Khí động, Lực ly tâm,

Bơm quạt, Máy nén, Tính hệ thống Đường ống NXB

Đại học Quốc gia Tp.HCM Tp.HCM.

QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ NƯỚC

VÀ NƯỚC THẢI

Trung tâm Đào tạo Ngành nước và Môi trường 1999

Sổ tay Xử lý nước – Tập 1 NXB Xây dựng Hà Nội

Trung tâm Đào tạo Ngành nước và Môi trường 2008

Sổ tay Xử lý nước – Tập 2 NXB Xây dựng Hà Nội.

Chương 1 QUÁ TRÌNH KEO TỤ - TẠO

BÔNG

1.1 KHÁI QUÁT CHUNG

1.2 CÁC CHẤT PHẢN ỨNG

1.3 KẾT BÔNG TIẾP XÚC VỚI BÙN

1.1 KHÁI QUÁT CHUNG

1.1.1 Huyền phù và chất keo 1.1.2 Loại bỏ huyền phù dạng keo 1.1.3 Các giai đoạn keo tụ 1.1.4 Chất làm keo tụ 1.1.5 Chất làm kết bông

1.1.1 Huyền phù và chất keo

Định nghĩa

Nước chứa nhiều hợp chất được chia làm 3 loại:

Chất huyền phù lơ lửng (MES): Các chất này có nguồn

gốc vô cơ hay hữu cơ

Chất keo (< 1 m): Nguồn gốc như trên, nhưng có kích

thước nhỏ hơn mà quá trình lắng hết sức chậm.

Chất hòa tan (nhỏ hơn vài nm): Nói chung, chúng là các

cation và anion, và một phần chất hữu cơ dạng hòa tan

và các khí như O 2 , CO 2 , H 2 S

1.1.2 Loại bỏ huyền phù dạng keo

Tính ổn định của huyền phù dạng keo – Tính cần thiết của keo tụ

Lý thuyết lớp kép Thế năng Zeta

1.1.3 Các giai đoạn keo tụ

Sự keo tụ

Tầm quan trọng của gradient tốc độ

Thời gian keo tụ và kết bông

1.1.4 Chất làm keo tụ

Trung hòa điện tích âm bề mặt của chất keo thực hiện bằng cách cho thêm cation vào trường hợp làm keo tụ khoáng chất

Sự keo tụ càng hiệu quả hơn khi hóa trị của cation càng cao (lý thuyết Schulze Hardy: một ion hóa trị 3 có tác dụng gấp 10 lần một ion hóa trị 2)

Lựa chọn chất làm đông tụ phải chú ý tới tính không độc hại của chất đã chọn và giá thành Như muối của sắt và nhôm hóa trị 2 được sử dụng trong tất cả các

xử lý keo tụ nước.

1.1.5 Chất làm kết bông

Các polymer vô cơ (silic hoạt tính) và polymer tự nhiên.

Nhưng sự xuất hiện của các polymer tổng hợp rất

phong phú làm phát triển đáng kể sự hoàn thiện của

các chất tạo kết bông.

Tỷ lệ xử lý hữu ích cũng được xác định như ở

keo tụ.

Thời gian giữa lúc cho thêm chất làm keo tụ và

kết bông phải tôn trọng hàng đầu.

Phối hợp các phương pháp tách hiện đại có thể sản sinh ra bùn đặc có khả năng xử lý trực tiếp qua các

1.2 CÁC CHẤT PHẢN ỨNG

1.2.1 Chất làm keo tụ vô cơ

1.2.2 Chất phụ gia kết bông “tự nhiên”

1.2.3 Các chất keo tụ hữu cơ tổng hợp

1.2.4 Chất kết bông tổng hợp

1.2.1 Chất làm keo tụ vô cơ

Muối nhôm Polymer nhôm Muối sắt Các chất làm keo tụ vô cơ khác

1.2.2 Chất phụ gia kết bông “tự nhiên”

Chất kết bông vô cơ

Chất kết bông hữu cơ (polymer tự nhiên)

1.2.3 Các chất keo tụ hữu cơ tổng hợp

Đó là các sản phẩm hữu cơ tổng hợp có khối lượng phân tử trung bình (10 4 – 10 5 ) Trong môi trường nước chúng chỉ có dạng lỏng.

Chúng có thể sử dụng trực tiếp (không có trạm điều chế), thay thế toàn bộ hay từng phần chất đông

tụ vô cơ.

Chúng bị thải sau khi hòa tan.

1.2.3 Các chất keo tụ hữu cơ tổng hợp

Sử dụng các chất đông tụ hữu cơ làm giảm đáng kể

thể tích bùn Bùn lấy ra đặc hơn, nhƣng cũng dính

hơn.

Do vậy, ứng dụng của chúng không phải thích

hợp cho bất kz công trình nào.

Chất kết bông hữu cơ chỉ làm thay đổi rất ít giá

trị pH và tăng thêm rất ít độ muối.

1.2.3 Các chất keo tụ hữu cơ tổng hợp

Phân loại Lĩnh vực áp dụng

Sự đồng vận với một số chất keo tụ vô cơ

1.2.4 Chất kết bông tổng hợp

Đó là các đại phân tử nối dài các mắt xích thu đƣợc do

kết hợp cac đơn phân tử tổng hợp, trong đó một số

tích điện hay nhóm khả năng ion hóa.

Chúng có khối lƣợng phân tử rất cao (10 6 – 10 7 ),

cho phép đạt đƣợc hiệu quả lớn hơn rất nhiều so với

polymer tự nhiên.

1.2.4 Chất kết bông tổng hợp

Phân loại

Sử dụngLĩnh vực áp dụng

1.3 KẾT BÔNG TIẾP XÚC VỚI BÙN

Tự học

Chương 2 KẾT TỦA HÓA HỌC

2.1 LOẠI BỎ CALCIUM VÀ MAGNESIUM 2.2 KẾT TỦA (PRECIPITATION) SILIC 2.3 KẾT TỦA KIM LOẠI

2.4 CÁC LOẠI LIÊN KẾT 2.5 ỨC CHẾ KẾT TỦA

2.1 LOẠI BỎ CALCIUM VÀ MAGNESIUM

2.1.2 Tính và kiểm tra kết tủa (thu được một TAC

2.3 KẾT TỦA KIM LOẠI

Đó là sự kết tủa của kim loại hòa tan thường gặp chủ

yếu trong các chất thải của nhà máy xử lý bề mặt kim

loại, sự ngâm chiết của công nghiệp thủy luyện kim,

nước làm sạch khí đốt than và lò thiêu rác sinh hoạt.

2.3 KẾT TỦA KIM LOẠI

Phương pháp thường dùng nhất là làm kết tủa kim loại dưới dạng hydroxide bằng cách trung hòa đơn giản các chất thải acid

Giá trị pH kết tủa cực đại của tất cả kim loại không trùng nhau, ta tìm một vùng tối ưu của pH, giá trị từ 7 – 10,5 tùy theo giá trị cực tiểu cần tìm để loại

bỏ kim loại mà không gây độc hại.

2.3 KẾT TỦA KIM LOẠI

Cùng kết tủa với carbonate dưới dạng hydroxide

carbonate ít hòa tan, mức loại bỏ có thể được cải

thiện, đó là trường hợp của chì

Giá trị dư kim loại ion hóa thay đổi từ 0,1 – 2

mg/l tùy theo kim loại và không phụ thuộc vào

hydroxide, chúng vẫn ở trạng thái keo phân tán tùy

theo chất lượng kết bông và lắng

2.3 KẾT TỦA KIM LOẠI

Mức độ dư thừa kim loại (Cd, Ag, Hg) ở một số nước rất nghiêm ngặt và giảm hàm lượng xuống nhỏ hơn

100 g/l

Sự kết tủa thực hiện dưới dạng hợp chất chứa lưu huznh rất ít tan làm kết tủa các kim loại phức yếu (ammonia hoặc một số phức chất của hữu cơ) và trong vùng thu hẹp pH.

2.3 KẾT TỦA KIM LOẠI

Kết tủa này nhận được:

- Từ Na 2 S và dưới dạng keo sulfua yêu cầu phải có

đồng thời hydroxide sắt để kết bông.

- Hoặc từ dẫn xuất của methanol hữu cơ làm kết

bông dễ dàng hơn.

Ở trạng thái trung gian, ta có thể tận dụng sự dư thừa

của một loại cation kim loại: Fe 3+ hay Al 3+ cho phép hấp

thụ (Cd, Se, ngay cả B, As) hay quay trở về phía trước

thành một chất oxy hóa mạnh để phá vỡ các phức

mạnh như acid ethylen diamin acetic (EDTA).

2.4 CÁC LOẠI LIÊN KẾT

Sulphate Florua Phosphate

2.5 ỨC CHẾ KẾT TỦA

Kết tủa hóa học có thể bị hãm lại bởi một số chất có

sẵn trong nước.

Đó là sự ức chế tự nhiên, nó gây nhiều phiền

phức đến kết tủa mong muốn.

Ngược lại, khi ta muốn tránh kết tủa thì sự ức

chế này được tạo thành bằng cách cho thêm chất

ức chế.

2.5 ỨC CHẾ KẾT TỦA

2.5.1 Ức chế tự nhiên 2.5.2 Ức chế sự phân tán

2.5.1 Ức chế tự nhiên

Hợp chất vô cơ hay hữu cơ có mặt đồng thời có thể

tạo nên các hợp chất hòa tan tương đối với các

ion để kết tủa, hoặc phân tán các sản phẩm kết

tủa, hạn chế chúng bằng cách làm chậm lại hay

dịch chuyển độ hòa tan.

2.5.2 Ức chế sự phân tán

Những tính chất chính Các hợp chất chính

Khi nồng độ nhỏ, tốc độ rơi tăng dần như gia

tăng kích thước của các cục vón do va chạm với các

V2vào

ra Vùng chứa bùn

Khi Khi lắng, lắng, quá quá trình trình kết kết bông bông vẫn vẫn tiếp tiếp tục, tục, tốc tốc độ độ đóng đóng cặn

cặn V V 00 của của các các hạt hạt tăng tăng lên lên

3.1.2 Lắng khuếch tán các hạt kết bông

Quá trình này xảy ra ngay từ khi nồng độ chất kết

bông lớn hơn khoảng 50 mg/l.

Hiệu quả lắng khuếch tán liên quan không

những tới lưu lượng thủy lực mà còn ở thời gian tiếp

xúc.

Không có một công thức toán học nào để tính

toán tốc độ lắng Tốc độ này biết được từ các thực

0

0,6

1,2 1,8

Độ lắng đọng

10 30 50 100

3.1.3 Lắng piston

Ngay khi nồng độ các phần tử kết bông đủ lớn, sự

tương tác giữa chúng không bỏ qua được.

Sự lắng bị hãm lại, các hạt liên kết với nhau và

khối lượng lắng piston với sự hình thành một mặt

phân cách rõ giữa các chất đông kết và chất lỏng nổi.

Hiện tượng này là đặc tính của bùn hoạt tính và

sự loại bỏ kết bông hóa học khi nồng độ của chúng

- Dòng khối đặc trưng số lượng huyền phù phải lắng trên một đơn vị diện tích và thời gian (kg/m 2 h).

Các mục trước đã chỉ ra rằng: tốc độ này được xác định bằng luật Stokes trong trường hợp các hạt và

có thể đánh giá dễ dàng trong trường hợp lắng khuếch tán các phần tử kết tủa.

Định kích thước bể lắng trong mọi trường hợp chỉ phụ thuộc vào lưu lượng thủy lực bề mặt.

3.2.2 Ảnh hưởng của dòng khối IB

Trong trường hợp lắng chậm các hạt kết bông, ở đây

hiện tượng cô đặc lắng

Cho một bể lắng tiết diện S được cấp một lưu

lượng vào Q E với nồng độ MES là C E , bùn được lấy ra

từ ở phần dưới với lưu lượng Q S , nồng độ C S

3.2.2 Ảnh hưởng của dòng khối IBKhi không có phản ứng hóa học hoặc sinh học ảnh hưởng đến nồng độ MES và như hiệu suất loại bỏ là 100%, ta có:

- Lưu lượng xử lý Q = Q E – Q S ;

- Cân bằng vật chất Q S C S = Q E C E hay dòng khối

Q S C S Q E Q E - = -

3.2.2 Ảnh hưởng của dòng khối IB

Dòng khối lắng được cho trong đường cong Kynch

Đối với điểm đặc biệt của đường cong Kynch có

nồng độ Ci, tốc độ lắng Vi cho bằng độ dốc của đường

cong tại điểm này tương ứng với dòng khối Fi = CiVi.

Ở dòng khối Fi, cần phải thêm dòng lấy ra

F S = C S V S với V S = Q S /S.

Dòng khối toàn phần

3.2.2 Ảnh hưởng của dòng khối IB

Hình 8 chỉ ra sự thay đổi của các dòng khối khác nhau.

Dòng khối F của một cực tiểu F L kết hợp với nồng độ tới hạn C L , đưa tiết diện nhỏ nhất Sm cho bể lắng:

Sm = Q E C E /F L

3.2.2 Ảnh hưởng của dòng khối IB

Điều đặc biệt L được xác định trực tiếp trên đường

cong dòng khối F (Hình 8c) bằng:

(dF/dCi)L = (dFi/dCi) + Vs = 0

Điểm L là điểm của đường cong khối Fi mà tg của góc

nghiêng tại điểm đó bằng giá trị tuyệt đối của tốc độ

lấy ra Vs (Hình 8a.) Kết quả này có thể biểu thị sự khác

nhau khi quan sát đường cong Kynch

3.2.2 Ảnh hưởng của dòng khối IBDòng khối giới hạn F L ở điểm L là:

Cần phải cố gắng đạt được nhiều như có thể tuần hoàn lớp và đặc tính ổn định bằng giá trị thích hợp số Reynold:

V.d h

R * =

-

3.2.3 Cấu trúc của bể lắng

Trong đó: R * là số Raynold đặc trưng cho

dòng chảy;

V là tốc độ dòng chảy của nước (m/s);

d h là đường kính thủy lực tương đương m;

 là độ nhớt của nước m/s.

Với d h = 4(Diện tích thấm nước)/(Chu vi thấm nước);

3.2.3 Cấu trúc của bể lắng

Chú ý: bán kính thủy lực rh của một ống dẫn được xác định bằng công thức:

rh = (Diện tích thấm nước)/(Chu vi thấm nước) Trong trường hợp ống dẫn tròn đều, đường kính thủy lực chính là đường kính ống dẫn

Giá trị số của Raynold phụ thuộc vào sự lựa chọn rh hay dh theo định nghĩa

Thực tế, chế độ đã quan sát xem như chảy tầng khi R * < 800

3.2.3 Cấu trúc của bể lắng

Vả lại, số Froude cho phép đánh giá tính ổn định

của một quá trình lưu thông khi dòng chảy bị ảnh

hưởng chủ yếu bởi lực hấp dẫn và quán tính:

Thực tế, ta có thể xác định tỷ số H/L hay H/R; H: là chiều cao thấm nước của bể lắng chữ nhật có chiều dài L hay bể lắng tròn có bán kính R, bằng cách giữ trong 2 giờ Schumitt Bregas đã đưa ra kết quả cho:

nhiên và thu gom nước xử l{ cũng như phương pháp

thải bùn có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất thủy lực của

bể lắng.

3.2.3 Cấu trúc của bể lắng

Trong trường hợp nước hoặc chất lỏng mang nhiều

huyền phù, “dòng nước đậm đặc” có thể gây nên

nhiều sự phân phối không phù hợp với tốc độ

Ví dụ như trường hợp bể lắng chữ nhật quy ước đã dùng quá lâu để lọc trong các chất lỏng chứa

bùn hoạt tính (Hình 9).

3.2.3 Cấu trúc của bể lắng

Các dòng chất lỏng đối lưu gãy do tác dụng của nhiệt

độ (mặt trời chiếu sáng, nước nóng) và các nhiễu loạn

do dao động của muối (nước cửa sông, nước thải công

Chương 4 QUÁ TRÌNH TUYỂN NỔI

4.1.1 Khái quát

Ngược lại với lắng, tuyển nổi là một phương pháp

tách rắn-lỏng hay lỏng-lỏng tác động lên các hạt có

tỷ trọng nhỏ hơn tỷ trọng chứa nó.

- Nếu sự khác nhau tỷ trọng đương nhiên đủ để tách,

ta gọi là tuyển nổi tự nhiên;

- Tuyển nổi gọi là trợ giúp, nếu nó sử dụng phương

tiện ngoài để cải thiện việc tách các hạt có khả

năng nổi;

4.1.1 Khái quát

- Tuyển nổi gọi là kích hoạt, khi tỷ trọng của các hạt lớn hơn tỷ trọng của chất lỏng, ta tìm cách giảm nhân tạo tỷ trọng các hạt này bằng cách lợi dụng khả năng mà một số hạt rắn (lỏng) liên kết với các

bọt khí để tạo nên các “hạt khí” loãng hơn chất

lỏng mà chúng tạo ra pha phân tán

Vậy hiện tượng sử dụng trên gọi là hiện tượng 3 pha (khí-lỏng-rắn), nó phụ thuộc vào đặc tính hóa

lý của 3 pha, đặc biệt là sự phân cách

4.1.2 Kích thước và tốc độ các bọt khí

Tốc độ nổi lên của các bọt khí trong nước chảy tầng

cho bởi phương trình Stokes.

V = g/18( l –  g )d 2 Trong đó: d là đường kính bọt khí;

ở trong “nước trắng” được cấp từ vòi nước của

Trục tung: Tốc độ; Trục hoành: Kích thước của hạt (mm)

1 Pháp tuyến nối

cơ học.

0,50 0,30 0,10 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01

0,01 0,1 0,2 0,5 1 2 5 10 50

1 FAD

4.2 TUYỂN NỔI TỰ NHIÊN VÀ TUYỂN NỔI BỌT

4.2.1 Tuyển nổi tự nhiên 4.2.2 Tuyển nổi bọt

4.2.1 Tuyển nổi tự nhiên

Tuyển nổi tự nhiên thường dùng trong tất cả các quá

trình loại bỏ sơ bộ dầu mỡ.

Hình 2 chỉ ra tốc độ nổi của các giọt hydrocarbua có

1 Nước trong ở

15 0 C; Tỷ khối: 0,85; 0,90;

0,95.

100 50

30

10

5 3 2

0,85 0,90 0.95

4.2.2 Tuyển nổi bọt

Vấn đề tuyển nổi tự nhiên thích hợp bằng việc thổi

bọt khí vào giữa khối lỏng.

Phương pháp này có liên quan đến việc tách mỡ

(hạt rắn) phân tán trong chất lỏng (nước thải).

Nói chung công trình gồm hai phần, một vùng trộn

và tạo nhũ, vùng khác yên lặng hơn gọi là vùng

tuyển nổi.

4.2.2 Tuyển nổi bọt

Để loại bỏ sơ bộ mỡ, không khí được thổi từ các vòi phun tạo bọt trung bình (2 – 4 mm) gây nên một dòng xoáy để tách các hạt cặn vô cơ hay hữu cơ

đông tụ với mỡ (Hình 3).

Để loại bỏ mỡ mạnh hơn, không khí được phun vào thành các hạt nhỏ (0,5 – 1 mm) bằng một máy sục khí nhúng chìm, phần chuyển động thủy lực của thiết bị bảo đảm trộn và tách loại nữa.

Hiệu quả bay lên của bọt khí kéo theo các hạt bề mặt và làm dễ dàng cho việc tích tụ chúng lại.

4.2.2 Tuyển nổi bọt

Hình 3 Nguyên lý loại

bỏ mỡ bằng tuyển nổi bọt

1 Vùng tuyển tự nhiên;

2 Mỡ;

3 không khí; 4 Vùng mảnh vụn tách ra

2 2

3

4.3 TUYỂN NỔI CƠ HỌC VÀ TẠO BỌT

Phương pháp này thích hợp với việc tạo ra các lỗ trống khác nhau trong phương pháp tuyển nổi khí bằng hòa tan.

Kích thước và mật độ các hạt rắn, và của bọt sử dụng, điều kiện trộn.

Các chất phản ứng đặc biệt dùng để làm thay đổi sức căng bề mặt.

4.3 TUYỂN NỔI CƠ HỌC VÀ TẠO BỌT

Sự phân tán cơ học của các bọt khí có đường kính từ

0,2 – 2 mm được dùng để tách và cô đặc bã quặng.

Quặng đã nghiền có kích thước chung nhỏ hơn 0,2

mm được loại bỏ trong nước có chứa các tác nhân

thu gom, tác nhân hoạt hóa hay tác nhân cản nổi.

Việc thực hiện cần số lớn các ngăn đặt nối tiếp.

Mỗi ngăn trang bị một tổ hợp rotor tĩnh dùng một

năng lượng đáng kể, với năng lượng này một cụm

kết bông hydroxide không tồn tại được.

4.3 TUYỂN NỔI CƠ HỌC VÀ TẠO BỌT

Trong xử lý nước chứa dầu (nước sản xuất dầu mỏ) tách bỏ dầu bằng tuyển nổi cơ học được gọi là tạo bọt.

Nó nhận được bằng các chất phụ gia đông tụ hữu

Bản chất của cơ cấu giãn nở có ảnh hưởng quyết định đến chất lượng của bọt khí tạo ra.

4.4.1 Cách tạo các bọt nhỏ

Đường cong trên Hình 4 chỉ ra nồng độ khí của

nước bão hòa khí với áp suất khác nhau ở 20 0 C.

Người ta dùng chất lỏng điều áp như khí tự nhiên

(điều áp trực tiếp) hay nước đã xử lý tuần hoàn

lại (điều áp gián tiếp).

4.4.1 Cách tạo các bọt nhỏ

- Trong xử lý lọc trong nước mặt hay nước thải công nghiệp, dùng điều áp gián tiếp Lưu lượng nước điều áp là một phần lưu lượng định mức của thiết bị.

Nó chiếm khoảng 10 – 50% lưu lượng cần xử lý với áp suất cỡ 3 – 6 bar.

Người ta hòa tan khí với tỷ lệ 70% của nước ở áp suất bão hòa.

Tiêu thụ khí nén thay đổi giữa 15 và 50 lít không khí cho m 3 nước đã xử lý;

4.4.1 Cách tạo các bọt nhỏ

- Trong trường hợp cô đặc bùn (trạm lọc nước

uống hay nước thải), điều áp được thực hiện trực

tiếp hay gián tiếp và lượng không khí tiêu thụ lớn

hơn.

4.4.1 Cách tạo các bọt nhỏ

Hình 4 Độ hòa tan của không khí trong nước ở 20 0 C.

Trục tung: Không khí tập trung; Trục hoành: Bars.

120 100 80

20

1 2 3 4 5 6

4.4.1 Cách tạo các bọt nhỏ

Tuyển nổi bằng điện: Thực hiện bằng cách tạo ra các

bọt (H 2 hay O 2 ) bằng điện phân nước bằng các

điện cực thích hợp.

Anode bị ăn mòn mạnh còn canode bị bám cặn do

khử carbonate.

Khi việc bảo vệ anode yêu cầu dùng titan bảo vệ,

không có khả năng đảo ngược theo chu kz các điện

Khí sinh ra khoảng 50 – 60 l/h cho 1 m 2 bề mặt.

Tốc độ nổi nhỏ hơn là tuyển nổi bằng không khí hòa tan do đặc tính của bọt khí và hệ thống tạo ra chúng.

4.4.2 Lĩnh vực sử dụng

Tự học

5.1 PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN 5.2 KHÁI QUÁT

5.3 LỌC TRÊN CÁC THIẾT BỊ CÓ GIÁ ĐỠ 5.4 LỌC TRÊN LỚP HẠT LỌC

5.5 LỌC LY TÂM

5.1 PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN

Lọc là phương pháp tách sử dụng việc tuyển một hỗn

hợp rắn-lỏng qua môi trường có các lỗ khoan (bộ

5.1.1 Định luật tổng quát

Lọc là sự chảy của dòng chất lỏng trong môi trường

xốp được biểu diễn bằng luật Darcy đối với tốc độ

5.1.2 Lọc chất lỏng mang tải với

sự hình thành lớp

Ở đây, xem lớp lọc đỡ lớp bùn

tạo ra một bánh bùn bề dày

tăng (Hình 5.1)

Trong biểu thức của định luật

Darcy, R gồm hai sức cản nối

5.1.2 Lọc chất lỏng mang tải với

.r.W R m t=av 2 +bv hay t/v=av+b, với a = - và b = -

5.3 LỌC TRÊN CÁC THIẾT BỊ CÓ GIÁ ĐỠ

5.4.1 Nguyên lý và kiểm tra

Đo và đánh giá sự chuyển biến của chất lượng nước đã lọc

Đo và sự chuyển biến tổn thất tải Tối ưu hóa

Đường cong áp suất Khả năng giữ lớn nhất của một bộ lọc

5.4.2 Môi trường xốp

Tính chất vật lý

Bản chất của môi trường xốp

Lựa chọn cỡ hạt của một lớp lọc

5.4.3 Thau rửa môi trường lọc

Thau rửa là một nguyên công rất quan trọng, khi làm không chu đáo, kéo theo sự bít kín một số vùng làm cho nước chảy qua ít.

Tổn thất tải tăng rất nhanh, lọc sạch trở thành cục bộ và ít hiệu quả.

Để rửa vật liệu lọc, cho một dòng nước chảy từ thấp lên cao dùng để gỡ các tạp chất và đưa chúng vào máng tháo.

Vật liệu lọc cũng được tác dụng đồng thời trong

5.4.3 Thau rửa môi trường lọc

Thau rửa bằng cách giãn nở nước

Thau rửa không làm giãn nở lớp lọc bằng

5.4.5 Chiều lọc

Nước cần lọc chảy qua môi trường lọc từ cao xuống

thấp, môi trường lọc hoàn toàn chìm trong nước

Nước chảy do trọng lực hoặc dưới áp suất

Trong một số bộ lọc, môi trường lọc không chìm

hoàn toàn trong nước mà nước chảy qua các kẽ hở

trong khối chất lọc, đó là bộ lọc “khô” đặc biệt hữu ích

Ngoài giới hạn này, vật liệu lọc bị đẩy lên cao và

bộ lọc bị bục Để tránh nhược điểm này, cần phải đặt

hệ thống bao che vật liệu lọc (lưới bảo vệ).

5.4.5 Chiều lọc

Hệ thống này cho phép dùng vật liệu nhẹ hơn nước

Cũng có thể lọc hai chiều: nước cần lọc thấm

vào vật liệu lọc đồng thời ở phần trên và phần dưới,

còn nước thu hồi lấy ra ở phần giữa khối vật liệu lọc

Một phương án lọc bằng dòng nước dâng lên

dùng các vật liệu nổi đang tiếp tục nghiên cứu.

6.1.2 Cơ chế chuyển dịch qua màng mỏng

Chúng được chia thành 3 loại (Hình 4).

Lọc

Người ta dùng màng bán thẩm thấu: Dung dịch được

cô đặc bằng cách chuyển qua có chọn lọc của nước

(chuyển dịch đối lưu của dung môi trong môi trường

6.1.2 Cơ chế chuyển dịch qua màng mỏng

Thấm tách

Các màng sử dụng cho phép chuyển dịch có chọn lọc các

ion hay không, nước không dịch chuyển qua màng

Các màng này có thể trung hòa hay tích điện Khi

chúng tích điện (vật liệu tương ứng là nhựa trao đổi

ion, có dạng mỏng), chúng sẽ vận tải các ion có dấu

ngược lại

Vậy ta có thể cấu tạo các màng cation chỉ cản các

cation, màng anion không cho chuyển qua cá anion.

6.2 MÀNG BÁN THẨM THẤU (MÀNG LỌC)

Thẩm thấu ngược (Reverse Osmosis-RO) Màng lọc nano

Màng siêu lọc (Ultrafiltration-UF) Màng vi lọc (Microfitration-MF)

Chương 7 QUÁ TRÌNH TRUYỀN KHỐI

7.1 CÁC QUÁ TRÌNH TRUYỀN KHỐI

7.2 KHUẾCH TÁN PHÂN TỬ

7.3 HỆ SỐ TRUYỀN KHỐI

7.4 TRUYỀN KHỐI GIỮA HAI PHA

7.1 CÁC QUÁ TRÌNH TRUYỀN KHỐI

Quá trình truyền vật chất trên quy mô phân

tử từ pha này sang pha khác khi hai pha tiếp xúc trực tiếp với nhau gọi là quá trình truyền khối hay là quá trình khuếch tán.

7.1 CÁC QUÁ TRÌNH TRUYỀN KHỐI

7.1.1 Phân loại các quá trình truyền khối

7.1.2 Lựa chọn phương pháp phân riêng

7.1.3 Các phương pháp thực hiện quá trình

truyền khối

7.1.4 Nguyên tắc thiết kế

7.1.5 Biểu diễn thành phần pha

7.1.1 Phân loại các quá trình truyền khối

7.1.1.1 Khí – Lỏng

Chưng cất: Là quá trình phân riêng các hỗn hợp lỏng thành các cấu tử riêng biệt, trong đó vật chất đi từ pha lỏng vào pha hơi và ngược lại, pha hơi được tạo nên từ pha lỏng bằng quá trình bốc hơi ngược lại pha lỏng được tạo nên từ pha hơi bằng quá trình ngưng tụ

Các cấu tử như vậy hiện diện trong cả hai pha nhưng với tỷ lệ khác nhau do có độ bay hơi khác nhau.

Vd: chưng cất rượu và nước.

7.1.1 Phân loại các quá trình truyền khối

Hấp thu: Là quá trình hòa tan khí (hay hơi) vào chất

lỏng, trong đó vật chất (một cấu tử hay một nhóm

cấu tử) đi từ pha khí vào pha lỏng

Vd: tách CO 2 , SO 2 , H 2 S bằng dung dịch kiềm KOH.

Ngược lại nếu vật chất đi từ pha lỏng vào pha khí

thì quá trình được gọi là nhả khí

Sự khác biệt chủ yếu là do chiều di chuyển của vật

chất.

7.1.1 Phân loại các quá trình truyền khối

Nếu pha lỏng là chất lỏng tinh khiết (thường là nước) trong khi pha khí có thể chứa một hoặc nhiều cấu

tử thì quá trình được gọi là làm ẩm hoặc làm khô dòng khí tùy thuộc trên chiều di chuyển của nước.

7.1.1 Phân loại các quá trình truyền khối

7.1.1.2 Khí – Rắn

Hấp phụ: Là quá trình hút khí (hơi) vào chất rắn xốp

Nếu pha khí có nhiều cấu tử được hấp phụ ở

những mức độ khác nhau thì quá trình được gọi là

hấp phụ phân đoạn

Nếu quá trình diễn ra theo chiều ngược lại gọi là

giải hấp.

Vd: Lọc nước bằng than hoạt tính.

7.1.1 Phân loại các quá trình truyền khối

Sấy khô: Là quá trình tách nước ra khỏi vật liệu ẩm, trong đó vật chất (hơi nước) đi từ pha rắn vào pha khí.

Vd: Sấy thực phẩm.

7.1.1 Phân loại các quá trình truyền khối

7.1.1.3 Lỏng – Lỏng

Trích chất lỏng: Là quá trình tách chất hòa tan trong

chất lỏng bằng một chất lỏng khác không hòa tan

với chất lỏng trước.

Quá trình có thể được thực hiện bằng cách làm

lạnh hỗn hợp xuống dưới nhiệt độ tới hạn của

dung dịch, hai pha được tạo nên có thành phần

Trích chất rắn: Là quá trình hòa tan chọn lựa một cấu

tử trong chất rắn bằng một dung môi lỏng Vật chất truyền từ pha rắn vào pha lỏng

Nếu quá trình xảy ra theo chiều ngược lại thì gọi là hấp phụ trong chất lỏng.

7.1.1 Phân loại các quá trình truyền khối

Trong các quá trình được đề cập ở trên, nói vật chất

đi từ pha này sang pha khác chỉ là tương đối, vì

rằng trong cùng một lúc vật chất luôn di chuyển

thuận nghịch chứ không phải theo một chiều, sở dĩ

nói như vậy là căn cứ vào kết quả cuối cùng của quá

trình.

Ngoài các quá trình trên sự phân riêng còn có thể

được thực hiện bằng các kỹ thuật khác như màng

thẩm thấu (lọc thẩm thấu ngược, siêu lọc), sự tiếp

xúc giữa hai pha hòa tan, ứng dụng hiện tượng bề

mặt.

7.1.1 Phân loại các quá trình truyền khối

Trọng tâm của các quá trình phân riêng là tác nhân phân riêng

Trong chưng cất tác nhân phân riêng là nhiệt; trong trích ly là dung môi; trong hấp phụ là chất hấp phụ

và trong quá trình phân riêng bằng màng đó là vật liệu làm màng

7.1.2 Lựa chọn phương pháp phân riêng

7.1.2.1 Quá trình truyền khối và quá trình cơ học

Ví dụ, để tách một chất khoáng ra khỏi quặng ta có

thể dùng quá trình trích ly chất rắn hoặc tuyển nổi

Đôi khi cả hai phương pháp cơ học và truyền khối

được sử dụng, đặc biệt khi phương pháp cơ học

không triệt để, như tách dầu thực vật ra khỏi bã ta

dùng trích ly chất rắn theo sau quá trình ép.

7.1.2 Lựa chọn phương pháp phân riêng

7.1.2.2 Quá trình truyền khối và phản ứng hóa học hay cả hai phương pháp

H 2 S có thể được tách ra khỏi hỗn hợp khí bằng cách cho hấp thụ vào dung môi lỏng có hoặc không kèm với phản ứng hóa học hoặc chỉ dùng phản ứng hóa học với oxide sắt

Phản ứng hóa học thường phá hủy chất được tách trong khi phương pháp truyền khối cho ta thu hồi chất được tách nguyên vẹn.

7.1.2 Lựa chọn phương pháp phân riêng

7.1.2.3 Giữa các quá trình truyền khối

Ví dụ hỗn hợp khí oxygen và nitrogen có thể được

tách ra bằng quá trình chưng cất hay bằng quá trình

hấp phụ chọn lựa trên than hoạt tính

Dung dịch loãng acid acetic với nước có thể được

tách bằng phương pháp chưng cất hoặc bằng

phương pháp trích ly chất lỏng bằng một dung môi

thích hợp

7.1.2 Lựa chọn phương pháp phân riêng

Cơ sở chính để lựa chọn một phương pháp phân riêng là chi phí

Tuy nhiên cũng có một yếu tố khác có ảnh hưởng đến việc lựa chọn như: tính đơn giản của quá trình, tài liệu, số liệu và kinh nghiệm cho thiết kế.

7.1.3 Các phương pháp thực hiện quá trình

truyền khối

7.1.3.1 Thu hồi dung chất và phân đoạn

Nếu các cấu tử của hỗn hợp thuộc về hai nhóm có

tính chất rất khác nhau thì ta có thể xem một nhóm

là dung môi và một nhóm là dung chất

Sự phân riêng hai nhóm này tương đối là dễ dàng,

quá trình khi đó được gọi là thu hồi dung chất

Mặt khác, nếu hỗn hợp gồm các cấu tử có tính chất

gần giống nhau thì sự phân riêng ra thành từng cấu

7.1.3 Các phương pháp thực hiện quá trình

Đặc trưng của quá trình ổn định là nồng độ tại một điểm bất kz trong thiết bị không đổi theo thời gian

7.1.3 Các phương pháp thực hiện quá trình

truyền khối

7.1.3.3 Quá trình tiếp xúc theo bậc (hay đoạn) – Quá trình

tiếp xúc liên tục

Nếu hai pha tiếp xúc với nhau để thực hiện quá trình

truyền khối rồi sau đó tách riêng ra hoàn toàn thì ta nói

quá trình đã tạo nên một bậc (hay đoạn) thay đổi nồng

độ

Nếu quá trình được thực hiện nhiều lần như vậy thì gọi

là quá trình nhiều bậc.

Nếu hai pha được cho tiếp xúc và thực hiện quá trình

truyền khối liên tục trong thiết bị từ lúc vào cho đến lúc

ra khỏi thiết bị ta gọi là quá trình tiếp xúc pha liên tục.

7.1.4 Nguyên tắc thiết kế

7.1.4.2 Thời gian tiếp xúc pha

Thời gian tiếp xúc pha liên hệ đến hiệu suất bậc hay

chiều cao của thiết bị tiếp xúc pha liên tục

Thời gian tiếp xúc pha độc lập với năng suất của

7.1.4 Nguyên tắc thiết kế

7.1.4.4 Nhu cầu về năng lượng

Nhiệt năng cần cho quá trình có sự biến đổi nhiệt độ

hay tạo nên một pha mới (bốc hơi từ pha lỏng

chẳng hạn), hiệu ứng nhiệt dung dịch

Cơ năng cần cho việc vận chuyển lưu chất và chất

rắn, phân tán pha lỏng và pha khí, các bộ phận

chuyển động của thiết bị.

7.1.5 Biểu diễn thành phần pha

Bảng 7.2 Biểu diễn thành phần pha

Pha lỏng Pha hơi Các liên hệ

Pha lỏng Pha hơi Phần khối

yi/Mi

yi =

-n yi

 i=1 Mi Phần mol Li

xi = L

Gi

yi = G

xiMi

xi = n

- xiMi I=1

yiMi

yi = n

- yiMi i=1

Tỷ số khối lượng

7.1.5 Biểu diễn thành phần pha

Bảng 7.1 Biểu diễn thành phần pha

Pha lỏng Pha hơi Các liên hệ

Pha lỏng Pha hơi

7.2.3 Khuếch tán đối lưu

7.2.1 Khuếch tán phân tử

Quá trình khuếch tán xảy ra khi vật chất truyền từ

nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp.

Vận tốc tại đó, dung chất chuyển động tại một vị

trí và phương bất kz sẽ phụ thuộc vào gradient

7.2.2 Khuếch tán phân tử theo một chiều trong lưu

chất đứng yên hoặc chảy dòng ở trạng thái ổn định

Khuếch tán phân tử trong pha khí

Khuếch tán phân tử trong chất lỏng

Khuếch tán phân tử trong dung dịch và gel sinh học

Khuếch tán phân tử trong chất rắn

7.2.3 Khuếch tán đối lưu

Trong dòng chảy rối các dòng xoáy chuyển động sẽ truyền vật chất từ vị trí này đến vị trí khác như trong trường hợp truyền vận moment và nhiệt năng

Tương tự như truyền vận moment và nhiệt năng trong dòng chảy rối, phương trình truyền khối là:

C A

J A.t = - N - (2-30)

z

Trong đó: J A.t là thông lượng mol của A, tương đối

so với toàn bộ pha, do tác động chảy rối gây nên;

N là hệ số khuếch tán dòng chảy xoáy.

7.2.3 Khuếch tán đối lưu

Thông lượng mol tổng cộng, tương đối so với toàn bộ

pha, trở thành:

C A

J A =-(D AB +  N ) - (2-31)

z

Hệ số khuếch tán dòng xoáy phụ thuộc vào các tính

chất của lưu chất cũng như vận tốc và vị trí trong

dòng chuyển động.

7.3 HỆ SỐ TRUYỀN KHỐI

Các phương trình tính tốc độ khuếch tán trình bày trong 7.2 có thể được dùng tính toán cho quá trình truyền khối ổn định qua lớp lưu chất đứng yên có

bề dày cho trước

Đây không phải là một trường hợp phổ biến, vì hầu hết các quá trình truyền khối đều xảy ra ở trạng thái chảy rối để tăng sự phân tán lưu chất này vào lưu chất khác nhằm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc pha, từ đó sẽ tăng được tốc độ truyền khối

7.3 HỆ SỐ TRUYỀN KHỐI

Do có sự khác biệt như vậy, quá trình truyền khối

trong hầu hết các trường hợp vẫn được biểu diễn

theo dạng phương trình chung với hệ số đặc trưng

được gọi là hệ số truyền khối.

Tốc độ truyền khối = (Hệ số truyền khối)(Sai biệt

nồng độ)

Hệ số truyền khối là lượng vật chất truyền qua một

đơn vị diện tích bề mặt tiếp xúc pha trong một đơn

7.3 HỆ SỐ TRUYỀN KHỐI

Hệ số truyền khối là một đại lượng phức tạp Nó phụ thuộc vào tính chất vật lý của các pha (hệ số khuếch tán, độ nhớt, khối lượng riêng), nhiệt độ,

áp suất, lưu lượng, kích thước hình học đặc trưng

và cấu tạo của thiết bị truyền khối.