Tiểu luận Ứng dụng của hấp phụ trong xử lý nước

Có sự cân bằng giữa nồng độ các hợp chất hòa tan trong nước và lượng của chất bị hấp phụ vào carbon.. Khi xử lý nước bằng hấp phụ chất bẩn trong nước chịu tác dụng của 2 lực: - Lực tác d

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 2

DANH MỤC BẢNG BIỂU, HÌNH ẢNH 3

CHƯƠNG 1 KẾ HOẠCH THỰC HIỆN 5

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 7

2.1 Giới Thiệu 7

2.2 Vật liệu hấp phụ: 10

CHƯƠNG 3 CƠ CHẾ HẤP PHỤ 13

3.1 Cơ sở khoa học của quá trình hấp phụ 13

3.2 Sự cân bằng hấp phụ 18

3.3 Cân bằng đẳng nhiệt Freundlich 20

3.4 Động năng hấp phụ 23

3.5 Phương pháp giải cho công thức cơ bản 24

CHƯƠNG 4 TÁI SINH VẬT LIỆU HẤP PHỤ 28

4.1 Tái sinh nhiệt 29

4.2 Các phương pháp khác 30

CHƯƠNG 5 ỨNG DỤNG 32

5.1 Ứng dụng của vật liệu hấp phụ 32

5.2 Ứng dụng hấp phụ trong xử lý nước cấp 35

5.3 Ứng dụng hấp phụ trong xử lý nước thải: 36

5.4 Than hoạt tính trong xử lý nước thải 38

5.5 Ứng dụng thực tiển 46

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

DOC: Các chất ô nhiễm hữu cơ đa lượng

AOC: Carbon hữu cơ đồng hóa

UV: Tia tử ngoại

DANH MỤC BẢNG BIỂU, HÌNH ẢNH

Bảng 1 Đặc điểm của vật liệu hấp phụ thương mại 12 Bảng 2 So sánh giữa hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học 16 Bảng 3 Hằng số K và n cho một số chất đã biết 22

Bảng 4 Lượng hơi tiêu hao khi tái sinh than hoạt tính 31 Bảng 5 Ứng dụng của một số chất hấp phụ

33

B.Hình Ảnh

Hình 2 Mặt cắt ngang và dọc của một bể lọc carbon 9 Hình 3 Vị trí của bộ lọc than hoạt tính trong qui trình xử lý nước

Hình 9 Mối liên hệ giữa thời gian tiếp xúc và thời gian chạy bể

Hình 10 Các vấn đề liên quan đến các chất hấp

Hình 11 Tiêu thụ vật liệu hấp phụ trên thế giới 32

Hình 16 Sơ đồ khối của quá trình hấp phụ nhiều bậc xuôi dòng 43 Hình 17 Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt với nhiều bậc xuôi dòng 44

Hình 19 Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt với nhiều bậc ngược dòng 46

Hình 21 Sự giải hấp phụ sau khi khử clo vận chuyễn 48

Hình 23 Đường cong xuyên thấu cho bể lọc carbon hoạt tính có lớp

Hình 24 Bể lọc áp lực bằng thép với carbon hoạt tính 50 Hình 25 Sự ảnh hưởng của tiền ozone hóa trong thời gian tiếp xúc

CHƯƠNG 1 KẾ HOẠCH THỰC HIỆN

I GIỚI THIỆU

Xử lý nước thải và nước cấp có tầm quan trọng rất lớn không chỉ đối với môi trường tự nhiên mà còn đối với sức khỏe con người Mức sống người dân ngày một tăng đồi hỏi chất lượng nước được xử lý cũng tăng theo Đặc biệt

là từ khi có các luật , quy định về chất lượng nước thải Các doanh nghiệp, xưởng công nghiệp cũng đã đầu tư các hệ thống xử lý nước thải đạt tiêu chuẩn theo quy định

Hấp phụ, trong hóa học là quá trình xảy ra khi một chất khí hay chất lỏng bị hút trên bề mặt một chất rắn xốp Chất khí, hơi hay chất hòa tan được gọi là chất bị hấp phụ (adsorbate), chất rắn xốp dùng để hút khí, hơi hay chất hòa tan gọi là chất hấp phụ (adsorbent) và những khí không bị hấp phụ gọi là khí trơ Quá trình ngược lại của hấp phụ gọi là quá trình giải hấp phụ hay nhả hấp phụ

Các chất hấp phụ như là than hoạt tính , zeolite, silicagel … được sử dụng nhiều trong các công nghệ xử lý nước cấp và nước thải Giai đoạn lọc

thường là giai đoạn ứng dụng hấp phụ để lọc đi các tạp chất , chất bẩn , chất

ô nhiểm sau khi nước đã được xử lý cấp một và cấp hai Hấp phụ không chỉ được ứng dụng trong các công trình xử lý nước cho thành phố hay công ty xí nghiệp mà còn được sử dụng cho lọc nước trong nhà dân như vòi lọc , bình lọc

Thông qua chuyên đề “ Ứng dụng của hấp phụ trong xử lý nước” , chúng tôi

sẻ giới thiệu về cơ chế hấp phụ cũng như là ứng dụng của hấp phụ trong xử

lý nước cấp và nước thải , đánh giá hiệu quả của hấp phụ trong xử lý nước Chuyên để này được thực hiện qua việc tổng hợp các tài liệu trong nước cũng như là tài liệu quốc tế

II MỤC TIÊU

Mục tiêu chính của đề tài là giới thiệu về quá trình hấp phụ, và ứng dụng của quá

III PHẠM VI, ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu: Quá trình hấp phụ và những ứng dụng của hấp phụ trong

xử lý nước thải cũng như nước cấp

Phạm vi nghiên cứu : Những vấn đề có liên quan tới quá trình hấp phụ và những

ứng dụng của hấp phụ trong xử lý nước thải cũng như nước cấp Có thể mở rộng ra các bài báo, tạp chí quốc tế đã được công bố có liên quan đến đề tài

IV NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Phương pháp nghiên cứu: sử dụng nhiều bài báo, tạp chí nước ngoài đã được

công bố, có chọn lọc những thông tin hay, mới, hiệu quả để xây dựng chuyên đề Ngoài ra, tham khảo ý kiến giảng viên để hỗ trợ kiến thức trong quá trình thực hiện

Nội dung nghiên cứu: Để hoàn thành chuyên đề, chúng tôi phải thực hiện các

bước

- Dịch tài liệu tham khảo chính, đọc hiểu nội dung chính

- Hình thành ý tưởng dàn bài, cân nhắc các nội dụng cần thiết cho chuyên đề

- Tìm kiếm các bài báo nước ngoài (trong nước) đã được công bố có liên quan Sàng lọc các thông tin phù hợp và có tính mới lạ

- Tham khảo tài liệu tiếng Việt và giảng viên để nắm chắc thông tin

- Chỉnh sửa bài làm

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN

2.1 Giới Thiệu

Nước chứa những chất hữu cơ hòa tan không thể bị loại bỏ bằng tạo bông cặn hay lọc cát Các hợp chất hữu cơ hòa tan này bao gồm :

- Các hợp chất tạo mùi, vị , màu

- Các chất ô nhiễm ( thuốc bảo vệ thực vật, hợp chất hydrocarbon)

Carbon hoạt tính hấp phụ ( 1 phần ) chất hữu cơ và chủ yếu được sử dụng xử lý nước uống từ nước mặt

Trong quá khứ, nước uống sản xuất từ nước mặt phải đi qua các bước : kết bông, loại

bỏ bông cặn ( lắng và lọc ) và khử trùng với chlorine

Điều này đủ để đáp ứng yêu cầu nước uống cho độ đục , mùi , vị…

Do sự phát hiện thuốc bảo vệ thực vật trong nước uống dẫn đến việc xử lý nước truyền thống không còn đáp ứng tiêu chuẩn nữa Ngoài ra chlorine có thể tác dụng với các chất hữu cơ và hình thành THMs là chất độc

Các chất độc này có thể bị loại bỏ bởi carbon hoạt tính Vấn đề là các carbon hoạt tính liên tục bị bão hòa bởi THMs và cần được tái sinh thường xuyên

Tốt nhất là nên ngăn chặn sự hình thành THMs bằng cách giảm nồng độ chất hữu cơ trước khi cho chlorine vào

Carbon hoạt tính là một chất có nồng độ carbon cao

Dưới nhiệt độ cao, một phần carbon trong vật liệu này chuyển hóa thành CO và nước

Đó là lý do tại sao carbon có cấu trúc mở

Hình 1.Cấu trúc mở của carbon hoạt tính

Bề mặt phía trong của carbon hoạt tính lớn gấp nhiều lần so với bề mặt bên ngoài Vì vậy phần lớn chất bị hấp phụ ở phía trong carbon

Các chất hữu cơ hòa tan có thể bị loại bỏ bằng cách cho lọc qua các lớp carbon hoạt tính

Các chất hữu cơ chuyển từ pha lỏng sang bề mặt của carbon Các hợp chất hữu cơ được vận chuyển sâu hơn vào carbon để gắn vào các lỗ rổng

Sự hấp phụ chất hữu cơ không phải là vô hạn Có sự cân bằng giữa nồng độ các hợp chất hòa tan trong nước và lượng của chất bị hấp phụ vào carbon Khi có các hợp chất hữu cơ khác nhau hiện diện trong nước, sự cạnh tranh xảy ra Các hợp chất đã được hấp phụ tốt sẽ chiếm các vị trí hấp phụ mà không thể sử dụng bởi các chất bị hấp phụ kém hơn Các phân tử hữu cơ lớn có thể chặn các lỗ nhỏ, từ đó chặn các phân tử hữu

cơ nhỏ hơn đi vào các lỗ rổng nhỏ này

Sau một khoảng thời gian thì carbon hoạt tính bị bảo hòa với các chất hữu cơ bị hấp phụ và cần được làm sạch ( tái sinh ) bằng cách tháo lớp carbon khỏi chổ đặt và nung nóng nó đến 1000oC Tái sinh thường được thực hiện sau nhiều lần sử dụng

Lỗ lớn (> 25nm) , lỗ nhỏ (1- 25nm), vi lỗ (<1nm)

Lọc carbon hoạt tính vận hành như là lọc cát Chủ yếu là dòng chảy xuống Lọc mở được áp dụng để tránh các hạt carbon mịn bị rửa trôi đi

Vì thới gian tiếp xúc là yếu tố quan trọng để quyết định hiệu quả loại bỏ, bể lọc thường được thiết kế với lớp lọc dầy để giảm diện tích xây dựng Vì vậy , lọc carbon hoạt tính không thể hoạt động nhờ trọng lực được mà cần phải có thêm công đoạn bơm

Hình 2.Mặt cắt ngang và dọc của một bể lọc carbon

Khi bể lọc bị chặn bởi các chất lơ lửng hay các sinh khối có độ chống chịu cao, bể lọc cần được rửa lọc

Nước rửa lọc được thu bằng hệ thống ống phía trên bể lọc

Tắc nghẽn bởi chất lơ lửng có thể dẫn đến việc tái sinh thường xuyên hơn Vì thế lọc carbon hoạt tính thường đặt sau tạo bông , loại bông cặn và lọc bằng cát

Mặt cắt A-A

Hình 3 Vị trí của bộ lọc than hoạt tính trong qui trình xử lý nước đóng chai

2.2 Vật liệu hấp phụ:

- Than hoạt tính - một loại vật liệu giống như than với diện tích bề mặt cao

- Silica gel - cứng, dạng hạt, vật liệu xốp được làm kết tủa từ natri silicat được xử

Than hoạt tính đến nay là hấp phụ phổ biến nhất được sử dụng trong xử lý nước thải

Than hoạt tính (Activated Carbon): là sự lựa chọn lý tưởng cho mục đích hấp phụ, bởi

nó có một diện tích bề mặt rất lớn ( từ 500 đến 1500 m2/ g )

Than hoạt tính lọc nước qua hai quá trình song song:

- Lọc cơ học, giữ lại các hạt cặn bằng những lỗ nhỏ

- Hấp phụ các tạp chất hòa tan trong nước bằng cơ chế hấp phụ bề mặt hoặc trao đổi ion

Than hoạt tính là một chất liệu xốp, có rất nhiều lỗ lớn nhỏ Dưới kính hiển vi điện tử, một hạt than trông giống như một tổ kiến Vì thế, diện tích tiếp xúc bề mặt của nó rất

rộng để hấp thụ tạp chất (Tùy theo nguyên liệu gốc, tổng diện tích bề mặt của ½ kg than hoạt tính còn rộng hơn cả một sân bóng đá)

 Sản xuất than hoạt tính

Nguyên liệu: than củi, vỏ đâu, vỏ dừa,…

Những nguyên liệu này được nung nóng từ từ trong môi trường chân không, sau đó được hoạt tính hóa bằng các khí có tính oxi hóa ở nhiệt độ cực cao Quá trình này tạo nên những lỗ nhỏ li ti có tác dụng hấp thụ và giữ các tạp chất

 Cấu trúc lỗ rỗng trong than hoạt tính

- Lỗ rỗng trong than hoạt tính có đường kính thường dao động từ 10 đến 10.000

Å

- Lỗ rỗng có đường kính không nhỏ hơn 1000 Å được gọi là lỗ rỗng lớn

- Lỗ rỗng có đường kính nhỏ hơn 1.000 Å được gọi là vi lỗ

- Vi lỗ chịu trách nhiệm chính cho các đặc tính hấp phụ của than hoạt tính

- Diện tích bề mặt đặc trưng trong than hoạt tính khoảng 500-1.500 m2 / g

carbon

 Kích thước của các hạt than hoạt tính

- Than hoạt tính được sản xuất trong các kích cỡ hạt đến vài µm

- Tổng diện tích bề mặt sẵn để hấp phụ không bị ảnh hưởng đáng kể bởi kích thước hạt từ cấu trúc vi lỗ chịu trách nhiệm hấp thụ không thay đổi đáng kể với kích thước hạt

- Điều này có nghĩa rằng tổng khả năng hấp thụ của các hạt nhỏ và lớn không phải là quá khác nhau mặc dù thời gian để đạt được trạng thái cân bằng có thể thay đổi đáng kể do hiệu ứng khuếch tán

- Carbon có kích thước hạt lớn (từ1 mm trở lên) được gọi là "hạt" Vật liệu này có thể được đóng gói trong các cột thông qua đó một chất lỏng có thể được thông qua, và có thể được tái sinh sau khi sử dụng

- Carbon có kích thước hạt nhỏ hơn (vài chục µm) được gọi là “bột” Vật liệu này chỉ có thể được sử dụng bằng cách bổ sung trực tiếp chất lỏng và phải được loại

bỏ sau khi sử dụng (ví dụ, bằng cách lọc) và xử lý

- Dạng khối đặc (Extruded Solid Block –SB) là loại hiệu quả nhất để lọc cặn, khuẩn Coliform, chì, độc tố, khử mầu và khử mùi clorine Loại này được làm từ

nguyên một thỏi than, được ép định dạng dưới áp xuất tới 800 tấn nên rất chắc chắn

Bảng 1 Đặc điểm của vật liệu hấp phụ thương mại

Các yêu cầu carbon

CHƯƠNG 3 CƠ CHẾ HẤP PHỤ

3.1 Cơ sở khoa học của quá trình hấp phụ

Hấp phụ là hiện tượng tăng bề mặt chất tan trên bề mặt phân chia giữa hai pha Hấp phụ có thể diễn ra ở bề mặt biên giới giữa hai pha lỏng và khí, giữa pha lỏng và rắn

Trong công nghệ xử lý nước thải khi nói về phương pháp hấp phụ tức là nói về hấp phụ chất bẩn hòa tan ở bề mặt biên giới giữa pha lỏng và rắn

Khi xử lý nước bằng hấp phụ chất bẩn trong nước chịu tác dụng của 2 lực:

- Lực tác dụng qua lại của các phân tử chất tan với các phân tử chất lỏng

- Lực tác dụng qua lại của các phân tử chất tan với các phân tử của vật liệu hấp phụ

Sự hấp phụ xảy ra khi các lực hấp dẫn tại bề mặt carbon vượt qua lực hút của chất lỏng.Động lực cho hấp phụ là giảm bề (bề mặt) căng giữa chất lỏng và chất rắn hấp phụ là kết quả của sự hấp thụ của chất bị hấp phụ trên bề mặt của chất rắn

Trong quá trình hấp phụ, hai chất có liên quan Một là chất rắn hay chất lỏng mà hấp phụ xảy ra và nó được gọi là vật liệu hấp phụ Thứ hai là chất bị hấp phụ, đó là khí hoặc chất lỏng hoặc chất tan từ một giải pháp mà được hấp thụ trên bề mặt

Vật liệu hấp phụ: Các chất trên có bề mặt hấp phụ xảy ra được gọi là vật liệu hấp phụ Chất hấp phụ (adsorbent) : Các chất có phân tử được hấp thụ trên bề mặt của các vật liệu hấp phụ (tức là rắn, lỏng)

Sự hấp phụ là khác so với hấp thụ Trong hấp thụ, các phân tử của một chất được

khuếch tán phân bố đều trong phần lớn các khác, trong khi các phân tử hấp phụ của một chất có mặt ở nồng độ cao hơn trên bề mặt của các chất khác, bị hút trên bề mặt một chất rắn xốp

Hấp phụ của phân

tử phản ứng

Hấp phụ của phân tử phản ứng

Lớp trung gian

Giải hấp phụ của những phân tử

Phân tử được tách Chất hấp phụ

Chất hấp phụ

Các ví dụ bao gồm:

- Khí-rắn (như trong sự hấp thụ của một VOC trên than hoạt tính);

- Lỏng-rắn(như trong sự hấp thụ của một chất gây ô nhiễm hữu cơ trên than hoạt tính)

- Chất bị hấp phụ hoặc chất tan: chất bị hấp phụ (ví dụ, 2,4,6-trichlorophenol)

- Chất hấp phụ: vật liệu rắn được sử dụng để hấp phụ các chất cần hấp phụ (ví dụ, than hoạt tính)

Tùy thuộc vào bản chất của lực tương tác giữa các phân tử bị hấp phụ và chất hấp phụ, hấp phụ có thể được phân thành hai loại:

 Hấp phụ vật lý (physisorption):

Nếu lực hấp dẫn hiện tại giữa chất bị hấp phụ và vật liệu hấp phụ là lực lượng Vander Waal, sự hấp phụ được gọi là hấp phụ vật lý Nó còn được gọi là hấp phụ Vander Waal Trong hấp phụ vật lý lực hấp dẫn giữa chất bị hấp phụ và vật liệu hấp phụ rất yếu, do đó loại hình này có thể dễ dàng đảo ngược hấp phụ

Trong bất kỳ quá trình hấp phụ của chất được hấp phụ (ví dụ, một chất gây ô nhiễm) chỉ đơn giản nhưng hiệu quả loại bỏ từ một pha (ví dụ, pha lỏng-nước thải) và chuyển sang một pha khác (ví dụ, pha rắn-than hoạt tính)

Điều này có nghĩa rằng hấp phụ là một quá trình tách vật lý, trong đó các chất bị hấp phụ không thay đổi về mặt hóa học

 Vì tính chất hoá học của chất bị hấp phụ không thay đổi nên việc sử dụng hấp phụ trong xử lý nước thải có liên quan đến việc loại bỏ các chất độc hại từ nước thải và chuyển nó cho than hoạt tính

Điều này có nghĩa rằng than hoạt tính bây giờ chứa các chất độc hại Vì vậy, hành động thích hợp sau đó phải được thực hiện để xử lý than hoạt tính dành vào cuối của một chu kỳ Các carbon có thể là:

- Tái sinh (tức là, các chất độc hại có thể được loại bỏ thông qua tẩy rữa)

- Vứt bỏ (cùng với các chất ô nhiễm trong nó) trong một bãi rác

- Phá hủy (cùng với các chất ô nhiễm trong nó) trong lò đốt

2 Lực hấp dẫn là lực Vander Waal Lực có bản chất hóa học

3 Nó thường xảy ra ở nhiệt độ thấp và giảm

dần theo nhiệt độ tăng Nó diễn ra ở nhiệt độ cao

4 Là quá trình thuận nghịch Là quá trình không thuận nghịch

7 Tạo thành lớp đa phân tử Tạo thành lớp đơn phân tử

8 Không đòi hỏi bất kỳ năng lượng kích hoạt Đòi hỏi năng lượng hoạt hóa

 Các yếu tố ảnh hưởng đến hấp phụ

Các yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ là:

- Diện tích bề mặt của vật liệu hấp phụ :diện tích lớn bao hàm một khả năng hấp phụ cao hơn

- Kích thước hạt của vật liệu hấp phụ: kích thước hạt nhỏ hơn làm giảm sự

khuếch tán nội bộ và truyền khối hạn chế để sự xâm nhập của các chất bị hấp phụ bên trong vật liệu hấp phụ (ví dụ, trạng thái cân bằng được dễ dàng đạt được và khả năng hấp thụ gần như đầy đủ có thể đạt được) Ngoài ra bột vật liệu hấp phụ phải được tuân thủ bằng cách loại bỏ

- Thời gian tiếp xúc và thời gian lưu:thời gian càng lâu hiệu quả càng cao tuy nhiên các thiết bị sẽ lớn hơn

- Độ tan của chất tan ( chất bị hấp phụ) trong chất lỏng (nước thải): chất ít tan trong nước sẽ được dễ dàng tách ra khỏi nước hơn so với các chất có khả năng hòa tan cao Ngoài ra, các chất không phân cực sẽ được loại bỏ dễ dàng hơn chất phân cực kể từ sau có ái lực lớn hơn cho nước

- Tính chất hóa học của chất bị hấp phụ:

+ Các chất kị nước sẽ hấp phụ tốt hơn sơ với những chất ưa nước, các chất không phân ly bị hấp phụ như nhau với bất kỳ giá trị nào của pH trong môi trường

+ Nói chung đa số các chất bẩn khi hấp phụ có thể xác định được giá trị pH tối

ưu

+ Nếu không tạo được điều kiện tối ưu cho từng loại chất hữu cơ phân ly trong nước thì sẽ tốn nhiều lượng vật liệu hấp phụ mà hiệu quả sẽ không đạt được như mong muốn

- Mối quan hệ của các chất tan trong vật liệu hấp phụ (carbon): bề mặt của than hoạt tính chỉ là hơi phân cực Do đó các chất không phân cực sẽdễ dàng chọn carbon hơn so với những chất phân cực (nước phân cực)

- Số lượng của các nguyên tử carbon: đối lượng lớn các nguyên tử cacbon liên kết với độ phân cực thấp và đó một tiềm năng lớn để được hấp phụ (ví dụ, mức độ hấp thụ tăng trong chuỗi formic, axit propionic acetic-butyric)

- Kích thước của các phân tử liên quan đến kích thước của các lỗ rỗng: các phân

tử lớn có thể quá lớn để vào lỗ rỗng Điều này có thể làm khả năng giảm hấp phụ

- Mức độ ion hóa của phân tử chất bị hấp phụ: các phân tử bị ion hóa được hấp thụ ở một mức độ nhỏ hơn so với các phân tử trung tính

- pH: mức độ ion hóa bị ảnh hưởng bơi pH (các hợp chất có tính axit là loại bỏ tốt hơn ở pH thấp hơn.)

- Đối với tích hợp hấp phụ và quá trình lọc: than hoạt tính chỉ có tác dụng với một lượng nước nhất định Sau khi lọc được một khối lượng nước theo chỉ định của nhà sản xuất (chỉ những hãng uy tín mới chỉ định theo tiêu chí này), than sẽ không còn khả năng hấp thụ nữa

3.2 Sự cân bằng hấp phụ

Sau khi tiếp xúc với một số lượng than hoạt tính với nước thải có chứa các chất có khả năng được hấp phụ thì quá trình hấp phụ sẽ được diễn ra

Sự hấp phụ sẽ tiếp tục cho đến khi cân bằng được thiết lập

Khisố phân tử bị hấp phụ từ dung dịch lên bề mặt chất hấp phụ bằng số phân tử di chuyển ngược lại từ bề mặt chất hấp phụ vào dung dịch thì nồng độ chất hòa tan trong dung dịch sẽ là một đại lượng không đổi và được gọi là nồng độ cân bằng (Cs)

Các trạng thái cân bằng hấp phụ liên quan đến q, C Các trạng thái cân bằng là một hàm nhiệt độ Vì vậy, mối quan hệ cân bằng hấp phụ ở nhiệt độ thường được gọi là hấp phụ đẳng nhiệt, tức là:

q = f (C)

q = Tải lượng hấp phụ, khối lượng của chất bị hấp phụ trên khối lượng của vật liệu hấp phụ tức là khả năng hấp phụ của vật liệu

C = nồng độ cân bằng của các chất có thể bị hấp phụ (nồng độ của chất bị hấp phụ)

Xác định thực nghiệm của sự hấp phụ tại điểm cân bằng

Để xác định mối quan hệ giữa nồng độ của chất bị hấp phụ trong dung dịch (C) và lượng chất hấp phụ đã được hấp phụ trên một đơn vị khối lượng của vật liệu hấp phụ (q) người ta có thể tiến hành như sau:

- Dùng một lọ có chứa chất hấp phụ và vật liệu hấp phụ

- Đủ thời gian để đạt tới trạng thái cân bằng

- Dung dịch được lấy mẫu và cho phân tích chất bị hấp phụ

Cân bằng khối lượng cho chất bị hấp phụ là:

V (Co - C) = M(q - qo )

Từ đó mối quan hệ giữa giá trị của C và giá trị cân bằng tương ứng của q có thể được thiết lập

Co : nồng độ chất bị hấp phụ ban đầu trong dung dịch (mg / L)

C : nồng độ cân bằng, nồng độ cuối của chất bị hấp phụ (mg / L)

qo : lượng ban đầu của chất bị hấp phụ trên một đơn vị khối lượng của vật liệu hấp phụ (mg /g carbon)

q : lượng sau của chất bị hấp phụ trên một đơn vị khối lượng của vật liệu hấp phụ (mg /g carbon)

M : khối lượng của vật liệu carbon (g)

V : lượng nước thải

q0 = 0 => q= V( C0 – C)/M

Lưu ý rằng kết quả thí nghiệm này chỉ trong một điểm cân bằng (C; q) Nếu một đường cong cân bằng được yêu cầu thí nghiệm tương tự phải được lặp đi lặp lại với nồng độ ban đầu khác nhau và, hoặc bổ sung khác nhau của bột carbon để tạo ra điểm khác cân bằng C-q

Hình 6.Sơ đồ đại diện của bể lọc than hoạt tính

Một hợp chất hữu cơ với nồng độ c0 đi vào hệ thống với lưu lượng dòng chảy Q và thoát ra khỏi hệ thống với một nồng độ c1 Sự khác nhau trong nồng độ giữa dòng chảy vào và chảy ra là bị hấp phụ trên carbon hoạt tính và lượng tải tăng của carbon

Công thức liên tiếp hay cân bằng khối là :

3.3 Cân bằng đẳng nhiệt Freundlich

Để đánh giá khả năng hấp phụ của một hệ hấp phụ, đặc biệt là hấp phụ trong môi

trường nước, người ta thường áp dụng phương trình đẳng nhiệt Freundlich

Với các giả thuyết :

- Bề mặtđồng nhất về năng lượng

- Cácchấtbị hấp phụ hình thành một lớp đơn phân tử

c0 : nồng độ ban đầu của hợp chất hữu cơ (mg/l)

u : vận tốc qua lỗ rỗng của nước (m/s)

cs : nồng độ cân bằng của các hợp chất hữu cơ liên kết với một tải nhất định của carbon hoạt tính (mg/l)

Công thức động năng bao gồm một điều kiện đối lưu với điều mà sự vận chuyển của hợp chất qua lớp lọc có thể được miêu tả :u.dc/dy

và một điều kiện loại bỏ :k2.(c0-cs)

Tốc độ của truyền khối thì giống nhau đến tỷ lệ thoáng khí đến sự khác nhau giữa nồng

độ hiện hành và nồng độ cân bằng Nồng độ cân bằng dựa trên khả năng tải và được quyết định bởi đẳng nhiệt Freundlich

Khả năng tải của carbon càng thấp, nồng độ cân bằng càng thấp và tốc độ truyền khối càng cao

Hệ số truyền khối dựa trên hợp chất bị hấp phụ và loại carbon ( gồm cả kích thước hạt)

Ngoài ra, hệ số truyền khối có thể bị ảnh hưởng bởi tốc độ của nước khi đi qua các hạt

3.5 Phương pháp giải cho công thức cơ bản

Hệ thống của công thức là không tuyến tính và không thể được giải bằng cách phân tích

Khi một tình huống cố định được giả định, và khi nồng độ dòng chảy vào và lưu lượng dòng chảy được giả định là hằng số, nồng độ dòng chảy ra của bể lọc carbon hoạt tính

có thể được tính toán theo công thức Bohart-Adam Công thức này được biến đổi từ công thức cân bằng khối và công thức động năng

c0/cs= 1 + exp(k2 EBCT (1- BV.c0

q  )) EBCT =V/Q

BV= Q.T/V = T/EBCT

với :

EBCT : thời gian tiếp xúc lớp rỗng (h)

BV : lượng nước lọc trên đơn vị thể tích lớp (m3/m3)

T : thời gian chạy bể lọc (h)

V: thể tích bể lọc (m3)

Hình 7 cho thấy tiến độ của nồng độ hợp chất hữu cơ trong lọc carbon hoạt tính

Nước với một nồng độ của hợp chất hữu cơ c0 được cung cấp Vì thế, vào ngay lúc khởi đầu, carbon vẫn chưa được có tải, nồng độ hợp chất hữu cơ của dòng chảy ra giảm xuống bằng 0

Sau một khoảng thới gian, lượng tải carbon tăng, các chổ trống hấp phụ được lấp đầy,

và sự xuyên qua của hợp chất hữa cơ của dòng chảy ra xuất hiện

Hình 7.Tiến độ của nồng độ theo thời gian và chiều cao

Cuối cùng, carbon hoạt tính bị bão hòa mà không có việc loại bỏ chất hữu cơ

Trong hình 8 nồng độ dòng chảy ra được biểu thị đối với thời gian chạy bể lọc ( thể hiện trong số thể tích lớp ) Đường cong này được gọi là đường cong xuyên thấu

Hình 8.Đường cong xuyên thấu

Trong khoảng thời gian bắt đầu, nồng độ dòng chảy ra bằng 0 Sau một hoảng thời gian nồng độ dòng chảy ra tăng cho đến khi carbon hoạt tính bị bão hòa và khi đó nồng độ dòng chảy ra tương đương nồng độ dòng chảy vào

Khi nồng độ dòng chảy ra của bể lọc carbon hoạt tính không còn đạt tiêu chuẩn nữa, bể lọc phải được tái sinh

Thời gian chạy của bể lọc carbon hoạt tính tùy thuộc vào mục tiêu

Sự xuyên thấu cùa THM xảy ra tương đối nhanh (15000 BV); đối với loại bỏ chất tạo

vị, tuy nhiên, thời gian chạy dài hơn có thể được áp dụng (50000BV) mà không cần tái sinh ngay tức thì (Hình 8)

Thời gian tiếp xúc

Sự tương quan giữa thời gian tiếp xúc và thời gian chạy dựa trên tính chất hấp phụ của hợp chất cần loại bỏ

Nhìn chung thời gian chạy bể lọc tăng gấp nhiều lần với sự tăng thời gian tiếp xúc (Hình 9).Vì thế, trên mỗi mét khối của carbon hoạt tính, thể tích nước lớn hơn có thể được xử lý trước khi cần được tái sinh

Hình 9.Mối liên hệ giữa thời gian tiếp xúc và thời gian chạy bể lọc

Ứng dụng của một thời gian tiếp xúc ngắn hơn xác định rằng một thể tích carbon hoạt tính nhỏ hơn được cần đến Điều này dẫn đến tiêu tốn đầu tư thấp hơn

Tuy nhiên, tiêu tốn cho tái sinh sẽ tăng

Một mức độ tối ưu kinh tế dựa trên tính chất hấp phụ của hợp chất cần được loại bỏ