Bài giảng hóa kỹ thuật môi trường chương 6 ths lê nguyễn kim cương

M c tiêu TÊN MƠN HỌC: HĨA KỸ THUẬT MƠI TRƯỜNG CHƯƠNG 6: HẤP PHỤ v Hi u #∃%c c& s∋ trình h(p ph∗ v V,n d∗ng l−a ch.n qui trình x0 lý ch(t th1i b2ng ph∃&ng pháp h(p ph∗ Giảng viên: ThS Lê Nguyễn Kim Cương LOGO ThS Nguyễn Văn Phương Chương 6: HẤP PHỤ 6.1 HIỆN TƯỢNG HẤP PHỤ 6.2 HẤP PHỤ TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC 6.3 CHẤT HẤP PHỤ 6.4 BẢN CHẤT CỦA CHẤT BỊ HẤP PHỤ TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC 6.5 CƠ CHẾ HẤP PHỤ 6.6 ĐỘNG HỌC HẤP PHỤ 6.7 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG ĐỘNG LỰC HẤP PHỤ 6.1 HI N T NG H P PH !nh ngh#a h∃p ph∋ H(p ph∗ trình ng∃ng t∗ phân t0 khí, h&i ho5c phân t0, ion c6a ch(t tan lên b7 m5t phân chia pha 6.1 HI N T NG H P PH Khái ni m: H p ph môi tr ng n c #∃%c hi u hi n t ng t ng n ng c6a m8t ch(t tan (ch(t b9 h(p ph∗) lên b7 m5t m8t ch(t r;n (ch(t h(p ph∗) Ch(t #ã b9 h(p ph∗ ch< t>n t?i b7 m5t ch(t r;n, không phân b≅ #7u kh;p tồn b8 th tích ch(t h(p ph∗ nên cịn #∃%c g.i q trình phân b hai chi u Nhi t h p ph Phân lo i: • H(p ph∗ v,t lý L ng ch t b h p ph Tính ch n l c • H(p ph∗ hóa h.c S✾ ph thu c c a nhi t • Trao #Αi ion Tính ch t i m h p ph H ✵ p ph v t lý H p ph hóa h c Không lΒn th∃Χng nh∆ h&n 10 kcal/mol Khá lΒn, tΕ 20 ÷ 50 kcal/mol Nhi7u lΒp (#a lΒp) Φ&n lΒp Khơng có s− ch.n l.c, #7u có Tính ch.n l.c cao, ph∗ thu8c vào tính ch(t h(p ph∗ lý h.c tính ch(t b7 m5t ch(t r;n tính ch(t c6a ch(t b9 h(p ph∗ NhiΓt #8 tΗng l∃%ng ch(t h(p ph∗ gi1m NhiΓt #8 cao T∃&ng tác yΙu Liên kΙt m?nh N ❃ ng l ng ho t hóa H(p ph∗ lý h.c tiΙn hành r(t H(p ph∗ hóa h.c tiΙn hành ch,m nhanh nΗng l∃%ng ho?t có nΗng l∃%ng ho?t hóa lΒn ch t h p ph hóa b2ng khơng Tính thu n ngh ch Tr ng thái ch t b h p ph Thu,n ngh9ch Khơng ph1i bao giΧ cϑng q trình thu,n ngh9ch Khơng thay #Αi Thay #Αi hồn tồn H P PH V T LÝ 6.1.1 L c t nh i n 6.1.1 L c t nh i n Theo Coulom hai #iΓn tích trái d(u hút d(u #Κy Et = k t 6.1.2 L c nh h ng µ12 µ22 Eđ = k T R q1.q2 R2 6.1.3 L c tán x : (l c London) EL = − A R6 6.2 H P PH TRONG MÔI TR N C 6.1.4 L c c m ng Ec = α1.µ + α µ R6 2 NG Tính ch.n l.c c6a c5p t∃&ng tác ph∗ thu8c vào yΙu t≅: Φ8 tan c6a ch(t b9 h(p ph∗ n∃Βc, tính ∃a ho5c k9 n∃Βc c6a ch(t h(p ph∗ MΛc #8 kΜ n∃Βc c6a ch(t b9 h(p ph∗ mơi tr∃Χng n∃Βc B1n ch(t hóa h.c 6.3 CH T H P PH v LΒp v∆ hydrat yΙu t≅ c1n tr∋ t∃&ng tác tΟnh #iΓn Theo #ó, có th s;p xΙp thΛ t− v7 kh1 nΗng h(p ph∗: Li+ < Na+ < K+ < Rb+ < Cs+ Mg2+ < Ca2+ < Sr2+ < Ba2+; Cl- < Br- < NO3- < I- < NCS- Khái niΓm: Ch(t h(p ph∗ ch(t có b7 m5t x≅p nh2m t?o #i7u kiΓn giΠ phΡn v,t ch(t b9 h(p ph∗ v Kh1 nΗng h(p ph∗ c6a ion có hóa tr9 cao t≅t h&n nhi7u so vΒi ion có hóa tr9 th(p: K+ m nhơm oxit silic oxit s;p xΙp theo m8t tr,t t− #ó theo m8t tΣ lΓ nh(t #9nh 6.3.6 S t oxit a/ Ph∃&ng pháp chΙ t?o: Φ∃%c t?o tΕ trình kh0 s;t (III) oxit vΒi hydro hay khí CO ho5c nung s;t (II) oxalat khơng có m5t c6a oxi b/ Tính ch(t: Là d?ng b8t màu #en, ∋ nhiΓt #8 th(p dς tan axit loãng c/ Công d∗ng: Φ∃%c dùng chung vΒi cát th?ch anh # h(p ph∗ kim lo?i n5ng n∃Βc 6.3.7 Ch t h p ph vô c t nhiên s n ph m bi n tính Trong t− nhiên t>n t?i m8t s≅ ch(t vơ c& có diΓn tích b7 m5t lΒn có th s0 d∗ng làm ch(t xúc tác h(p ph∗ nh∃ silic oxit, nhơm oxit, alumosilicat, khống sét… 6.3.6 S t oxit S;t (II) hydroxit, Fe(OH)2 ch(t kΙt t6a x≅p d?ng #ám mây, màu xanh nh?t, # ngồi khơng khí sΞ ng1 sang màu vàng b9 oxy hóa thành s;t (III) hydroxit S;t (III) hydroxit, màu vàng sΨm, c(u trúc vơ #9nh hình 6.3.8 Than bùn a/ Thành ph n: Là lo?i v,t liΓu chΛa nhi7u hΤn h%p hΠu c& t− nhiên Ngoài thành phΡn hΠu c& (55 – 60% C, 6% H, 33% O) có thành phΡn vơ c& (tro) oxit kim lo?i Thành phΡn c6a than bùn axit humic, axit fulvic, axit có c(u trúc hóa h.c khơng c≅ #9nh b/ Tính ch t: Than bùn s1n phΚm phân h6y th−c v,t có màu #en ho5c nâu sáng Có tính cách nhiΓt cịn Κm, dς cháy khơ c/ Cơng d ng: Có kh1 nΗng trao #Αi ion ph∗ thu8c vào #8 pH c6a môi tr∃Χng 6.4 BẢN CHẤT CỦA CHẤT BỊ HẤP PHỤ TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC 6.3.9 Chất hấp phụ polymer a/ Ph46ng pháp ch t o: Φ∃%c s1n xu(t qua ph1n Λng trùng h%p ph1n Λng trùng ng∃ng #>ng trùng ng∃ng b/ Tính ch t: Th∃Χng ∋ d?ng cΡu, khơng tan n∃Βc, có #8 phân c−c tuΥ vào b1n ch(t v,t liΓu c/ Cơng d ng: Có th h(p ph∗ ch(t b9 h(p ph∗ không phân c−c môi tr∃Χng n∃Βc hay ch(t phân c−c dung mơi khác 6.4.1 Tính chất axit – bazơ Nước chất lưỡng tính axit – bazơ: H2O + H2O H3O+ + OHTích số ion nước Kw [ ][ ] [ ][ ] lg K = lg[H ] + lg[OH ] pK = − lg K , pH = − lg[H ], pOH = − lg[OH ] K w = OH − H 3O + = OH − H + + − w + w − w pK w = pH + pOH Tại 250C, Kw = 1,008.1014 ứng với nước trung hòa pH = 6.4.1 Tính chất axit – bazơ Phụ thuộc pH mơi trường - Khi nước bazơ: KA = HA + H2O ⇌ H3O+(H+) + A- Khi nước axit: KB = A- + H2O ⇌ HA + OH- [H ][A ] + − [HA] [HA][OH − ] [A ] − Để thể cường đô axit,bazơ người ta thường sử dùng khái niệm độ phân ly axit bazơ yếu Độ phân ly (α) mức độ điện ly chất tỷ số (n) mol chất tan điện ly với tổng số (n0) mol chất tan Có thể tìm mối liên hệ cường độ axit với độ phân ly axit(bazơ) bằng: + − [H ] = [A ] = α.c Xét phương trình phân ly chất phân ly yếu AB Ta có: [ ][ ] K A = H + OH − / K B = K w / K B Cân 6.4.2 Ion kim loại nước Hằng số điện li: Nếu α nhỏ 1- α ≈ [ ][ ] = α c + − Đối với axit : HA ↔ H + + A − , K = H A A [ [HA] Đối với bazơ: B + H + ↔ BH +, K B = BH + ] [B].[H + ] 1−α = α (1 − α ).c Ta thường thấy hệ axit – bazơ liên hợp cơng nghệ xử lí nước thải: H2CO3 – HCO3- - CO32-, H2SO4 – HSO4- - SO42-, H3PO4 – H2PO4- - HPO42- - PO43-…, axit hữu dạng tích điện âm trung hịa, bazơ trung hịa dạng tích điện dương 6.4.3 Ch t ho t Sự hình thành lớp vỏ hydrat, với tương tác lưỡng cực phân tử nước NaCl ⇔ Na + + Cl Khả tạo phức hydroxo hay oxo môi trường nước theo pH Al 3+ + H 2O ⇔ [Al(H 2O)6 ] 3+ [Al(H O) ] 3+ + OH- ⇔ [Al(H 2O)6 (OH )] 2+ [Al(H2O)(OH )2 ]+ + OH- ⇔ Al(OH)3 ng b m t Chúng có c(u trúc #5c biΓt: nhóm phân c−c ∃a n∃Βc nhóm kΜ n∃Βc, c(u trúc khơng gian c>ng k7nh mà #iΓn tích (nΙu có) l?i th(p R- COOMe, R-OSO3Me, R-SO3Me tan n∃Βc sΞ phân ly ion kim lo?i g≅c mang #iΓn âm H%p ch(t có chΛa nit& hóa tr9 +4 , t(t c1 ch(t phân li thành ion Cl- ion d∃&ng t∃&ng Λng 10 -Ch(t ho?t #8ng d?ng trung tính: khơng có kh1 C∃u trúc -C(u trúc không gian c>ng k7nh -G>m hai phΡn: Hydrocacbon k9 n∃Βc Nhóm ∃a n∃Βc (M:kim lo?i) nΗng phân ly -Φ5c tr∃ng quan tr.ng c6a ch(t ho?t #8ng b7 m5t: #8 tan n∃Βc (10-5-10-3) mol/l -N>ng #8 tan c6a ch(t ho?t #8ng b7 m5t #?t #Ιn m8t giá tr9 #ó sΞ c∗m l?i t?o thành mixen Phân lo i -Theo tính ch(t #iΓn c6a phân c−c: Trung hịa Tích #iΓn âm Tích #iΓn d∃&ng 6.4.4 Polyme mơi tr -Ch(t ho?t hóa b7 m5t Λng d∗ng r(t nhi7u #Χi s≅ng hàng ngày Ζng d∗ng phΑ biΙn nh(t b8t gi5t, s&n, nhu8m … ng n c Polyme trung tính: polyvinyl alcohol, polyacrylamide, polyethylen glycol : Tính ch(t tr% keo t∗ c6a lo?i polyme 6.4.4 Polyme mơi tr ng n c Polyme âm chΛa nhóm chΛc carboxyl, sulfonic: axit polyacrylic, polyacrylamide ph∗ thu8c pH 11 6.4.4 Polyme môi trường nước Polyme d∃&ng phΡn lΒn chΛa nhóm amin b,c 4, vΕa có tính keo t∗ tr% keo t∗ Giai o n Bulk solution transport: Các ch(t dung d9ch #∃&c v,n chuy n #Ιn lΒp n∃Βc m∆ng bao quanh b7 m5t h?t r;n – trình bao g>m: v,n chuy n theo dòng phân tán Giai o n Film diffusion transport: Các ch(t t,p trung ∋ lΒp n∃Βc m∆ng khuΙch tán #Ιn khe rΤng b7 m5t h?t r;n (khuΙch tán ngoài) Giai o n Pore transport: KhuΙch tán ch(t khe rΤng d.c theo b7 m5t khe rΤng (khuΙch tán trong) Giai o n Adsorption: Các ch(t dính bám lên b7 m5t khe rΤng c6a h?t r;n theo c& chΙ khác Chất bị hấp phụ theo lỗ rỗng carbon khuếch tán bề mặt, sau hấp phụ bề mặt carbon Nồng độ chất hòa tan giảm dần theo chiều dày màng nước mỏng Nồng độ chất bị hấp phụ ko thay đổi khối chất lỏng vận chuyển theo dòng khuếch tán Chất hữu bị hấp phụ Vận chuyển khuếch tán lỗ rỗng Vận chuyển khuếch tán bề mặt Than hoạt tính Màng nước 6.5 C CH H P PH 6.5.1 H p ph phân t trung hòa Ch(t h(p ph∗ ch(t b9 h(p ph∗ #7u ch(t không phân c−c (than ho?t tính hydrocarbon) hΓ có l−c t∃&ng tác cao: h(p ph∗ t≅t Ch(t h(p ph∗ ch(t b9 h(p ph∗ #7u có tính phân c−c cao kh1 nΗng h(p ph∗ sΞ tùy thu8c vào tính ∃u thΙ t∃&ng #≅i giΠa chúng quy #9nh #8 ch.n l.c Khối chất lỏng 12 6.5.2 H p ph ch t phân ly y u Φ5c tr∃ng v7 #iΓn tích c6a ch(t b9 h(p ph∗ có b1n ch(t axit baz& yΙu #∃%c th hiΓn thông qua s− khác biΓt v7 c∃Χng #8 axit (pKA) baz& (pKB) ∋ #i m pH #ang kh1o sát Các ch(t h(p ph∗ axit, baz& yΙu sΞ t>n t?i ∋ hai tr?ng thái khác nhau: mang #iΓn tích hay trung hịa, tΣ lΓ n>ng #8 c6a hai d?ng ph∗ thu8c vào pH c6a môi tr∃Χng 6.5.3 H p ph ch t vô c 6.5.3 H p ph ch t vô c Ch6 yΙu s− hình thành lΒp #iΓn tích kép tΕ #iΓn tích c6a b7 m5t ch(t r;n s− thay #Αi n>ng #8 c6a ion tan, d−a vào mơ hình sau: Gouy – Chapman – Stern – Graham 6.5.3 H p ph ch t vô c Ti7n #7 c6a t(t c1 mơ hình c6a q trình h(p ph∗ kΙt qu1 c6a ph1n Λng giΠa ion tan tâm #iΓn tích b7 m5t ch(t r;n 13 6.5.3 H p ph ch t vơ c Φ5c tr∃ng c6a q trình h(p ph∗ ch(t vô c& #∃%c th hiΓn qua #5c tr∃ng hút ion c6a lΒp #iΓn tích Mà #5c tr∃ng cho lΒp #iΓn tích kép hay khuΙch tán #?i l∃%ng: #iΓn thΙ, m,t #8, diΓn tích, b7 m5t ch(t r;n #∃%c xác #9nh theo ph ng trình Poisson Boltzmann: ∇ 2Ψ = − e ε ∑ z c 10  z e.Ψ  exp  −  k T   6.5.4 H p ph polyme Polyme b7 m5t ch(t h(p ph∗ ph∗ thu8c vào b1n ch(t polyme (#8 dài, lo?i nhóm chΛc, m,t #8 nhóm chΛc), n>ng #8 c6a dung d9ch, c5p t∃&ng tác giΠa polyme vΒi dung môi vΒi ch(t h(p ph∗ Phương trình Poisson Boltzmann: ∇ 2Ψ = − e ε ∑ z c 10  z e.Ψ  exp  −  k T   Ψ - điện thế - toán tử Laplace cho Ψ theo khoảng cách e - điện tích điện tử z1 - hóa trị k - số Boltzmann ε - số điện môi x - khoảng cách tới bề mặt chất rắn 6.6  d 2Ψ   dx    NG H C H P PH 6.6.1 Quá trình chuy n kh i Chuy n kh≅i s− d9ch chuy n c6a m8t thành phΡn v,t ch(t hΤn h%p tΕ m8t v9 trí tΒi v9 trí khác Có hai lo?i c& chΙ chuy n kh≅i khuΙch tán phân t0 khuΙch tán dịng xốy Φ8ng h.c kh≅ng chΙ b∋i khuΙch tán phân t0 14 6.6.2 Khu ch tán phân t 6.6.2.1 nh lu t khu ch tán KhuΙch tán hiΓn t∃%ng san b2ng n>ng #8 c6a m8t ch(t m8t pha, phân t0 chuy n #8ng tΕ n&i có n>ng #8 cao xu≅ng vùng có n>ng #8 th(p C& chΙ c6a khuΙch tán phân t0 chuy n #8ng nhiΓt, phân t0 ch(t khuΙch tán chuy n #8ng v7 m.i h∃Βng vΒi xác su(t b2ng #≅i vΒi tΕng phân t0 a nh lu t Fick a hai nh lu t khu ch tán: Φ9nh lu,t mô t1 khuΙch tán ∋ tr?ng thái Αn #9nh Φ9nh lu,t mô t1 ∋ tr∃Χng h%p không Αn #9nh b nh lu t Quá trình khuΙch tán qua m8t tiΙt diΓn A, s− chênh lΓch n>ng #8 c6a ch(t khuΙch tán dc m8t kho1ng dx Trong m8t thΧi gian dt l∃%ng ch(t (mol) khuΙch tán qua A dn Trong tr∃Χng h%p q trình khuΙch tán khơng Αn #9nh, n>ng #8 ch(t khuΙch tán ch∴ng nhΠng thay #Αi theo v9 trí mà cịn theo c1 thΧi gian ph∃&ng trình mơ t1 khuΙch tán có d?ng: dn dc = − D A dt dx  ∂ 2c   ∂c    = D.   ∂t  x  ∂x  15 6.6.2.2 Khu ch tán ch t khí 6.6.2.2 Khu ch tán ch t khí ch t r n x p 6.6.2.3 Khu ch tán n c Xem tài liΓu 6.6.3 Chuy n kh i h h p ph T≅c #8 h(p ph∗ n∃Βc th∃Χng b9 kh≅ng chΙ b∋i: Các trình chuy n kh≅i qua màng Chuy n kh≅i h?t ch(t h(p ph∗ Quá trình ph∗ thu8c vào: Tính ch(t c6a ch(t h(p ph∗, ch(t b9 h(p ph∗ Φi7u kiΓn th6y #8ng h.c hΓ Mô hình tốn h.c mơ t1 #8ng h.c h(p ph∗ d−a nguyên t;c: - Chuy n kh≅i c6a m8t hΓ c∗ th - S− b1o toàn ch(t c6a m8t hΓ 6.7 CÁC KHÁI NI M C B N TRONG NG L C H P PH Xem tài liΓu 6.8 GI I H P PH Là trình ng∃%c vΒi h(p ph∗, tách ch(t b9 h(p ph∗ b7 m5t ch(t r;n dung d9ch Gi1i h(p ph∗ d−a nguyên t;c s0 d∗ng yΙu t≅ b(t l%i vΒi h(p ph∗ 16 i v i h p ph v t lý làm gi m kh n ng h p ph Gi1m n>ng #8 ch(t b9 h(p ph∗ ∋ dung d9ch TΗng nhiΓt #8 làm lΓch hΓ s≅ cân b2ng Thay #Αi pH c6a môi tr∃Χng S0 d∗ng tác nhân vi sinh v,t 6.8.2 Ph ng pháp hóa lý v Có l%i có th th−c hiΓn t?i chΤ, c8t h(p ph∗ nên tiΙt kiΓm #∃%c thΧi gian, công tháo d], v,n chuy n, không v] v∗n ch(t h(p ph∗ nên không ph1i bΑ sung thêm cho lΡn n?p l?i sau #ó v Có th th−c hiΓn : chiΙt vΒi dung môi, s0 d∗ng ph1n Λng oxy hóa kh0, áp #5t #i7u kiΓn làm d9ch chuy n cân b2ng #i7u kiΓn ph1n Λng c∗ th 6.8.1 Ph ng pháp nhi t Ph∃&ng pháp nhiΓt #∃%c s0 d∗ng cho tr∃Χng h%p ch(t b9 h(p ph∗ dς bay h&i ho5c s1n phΚm phân h6y nhiΓt c6a chúng có kh1 nΗng bay h&i – ch6 yΙu ch(t hΠu c& ch(t h(p ph∗ phΡn lΒn than ho?t tính 6.8.3 Ph ng pháp vi sinh Tái sinh b2ng ph∃&ng pháp vi sinh #∃%c #9nh nghΟa tái t?o kh1 nΗng h(p ph∗ c6a m8t ch(t h(p ph∗ nhΧ vi sinh v,t 17 ... #8 c6a hai d?ng ph∗ thu8c vào pH c6a môi tr∃Χng 6. 5.3 H p ph ch t vô c 6. 5.3 H p ph ch t vô c Ch6 yΙu s− hình thành lΒp #iΓn tích kép tΕ #iΓn tích c6a b7 m5t ch(t r;n s− thay #Αi n>ng #8 c6a ion...   ∂c    = D.   ∂t  x  ∂x  15 6. 6.2.2 Khu ch tán ch t khí 6. 6.2.2 Khu ch tán ch t khí ch t r n x p 6. 6.2.3 Khu ch tán n c Xem tài liΓu 6. 6.3 Chuy n kh i h h p ph T≅c #8 h(p ph∗ n∃Βc... tử z1 - hóa trị k - số Boltzmann ε - số điện môi x - khoảng cách tới bề mặt chất rắn 6. 6  d 2Ψ   dx    NG H C H P PH 6. 6.1 Quá trình chuy n kh i Chuy n kh≅i s− d9ch chuy n c6a m8t thành