Chuong 4 Co so cac qua trinh xu hoa ly

CHƯƠNG CƠ SỞ CÁC Q TRÌNH XỬ LÝ HĨA LÝ 4.1 Q TRÌNH KEO TỤ, TẠO BƠNG Các hạt nước thiên nhiên thường ña dạng chủng loại kích thước, bao gồm hạt cát, sét, mùn, vi sinh vật, sản phẩm hữu phân hủy,… Kích thước hạt dao động từ vài µm ñến vài mm Bằng phương pháp xử lý học (lý học) loại bỏ hạt có kích thước lớn 10-4 mm Với hạt có kích thước nhỏ 10-4 mm, dùng trình lắng tĩnh phải tốn thời gian dài (Bảng 4.1) khó đạt hiệu xử lý cao, cần phải áp dụng phương pháp xử lý hóa lý Bảng 4.1 Mối liên hệ kích thước hạt thời gian lắng Kích thước hạt (φ, mm) 10 1,0 0,1 0,01 0,001 0,0001 0,00001 Loại hạt Sỏi Cát Cát mịn Sét Vi khuẩn Hạt keo Hạt keo Thời gian lắng với ñộ sâu lắng m (s) 10 (s) (phút) (giờ) (ngày) (năm) 20 (năm) 4.1.1 Mục ðích Q Trình Keo Tụ Tạo Bơng Q trình keo tụ tạo bơng áp dụng để tách loại hạt cặn có kích thước 0,001 µm < φ < µm, khơng thể tách loại q trình lý học thông thường lắng, lọc tuyển 4.1.2 Hạt Keo Các hạt keo có kích thước 0,001 µm < φ < µm có khả lắng chậm bị cản trở chuyển ñộng Brown Tỷ lệ diện tích bề mặt khối lượng hạt keo lớn nhiều so với hạt khác, tính chất bề mặt (thế điện động điện tích bề mặt) đóng vai trò quan trọng trình tách loại hạt keo lắng tác dụng trọng lực Bảng 4.2 Mối liên hệ ích thước hạt diện tích bề mặt Diện tích bề mặt (cm2) Số lượng hạt Kích thước hạt (φ, mm) 250 0,00375 2503 1,0 x 10-3 (250 x 1000)3 1000 Các hạt keo thường mang điện tích tương ứng với mơi trường xung quanh phân loại thành dạng chính: keo kỵ nước keo ưa nước Keo kỵ nước (ví dụ đất sét, oxyt kim loại,…) hạt keo: - Khơng có lực mơi trường nước; - Dễ keo tụ; - ða số hạt keo vơ 4-1 Keo ưa nước (ví dụ protein) hạt keo: - Thể lực ñối với nước; - Hấp thụ nước làm chậm trình keo tụ, thường cần áp dụng phương pháp xử lý đặc biệt để q trình keo tụ ñạt hiệu mong muốn; - ða số hạt hữu Khi cho tác nhân keo tụ vào nước, keo kỵ nước hình thành sau trình thủy phân chất Ví dụ thủy phân phèn sắt tạo thành hệ keo nhân hạt keo nhóm Fe3+ Nhờ có điện tích bề mặt lớn nên chúng có khả hấp phụ chọn lọc loại ion trái dấu bao bọc quanh bề mặt nhân hạt keo Lớp vỏ ion với lớp phân tử bên tạo thành hạt keo Bề mặt nhân hạt keo mang điện tích lớp ion gắn chặt lên đó, có khả hút số ion tự mang điện tích trái dấu Như vậy, quanh nhân hạt keo có hai lớp ion mang điện tích trái dấu bao bọc, gọi lớp điện tích kép hạt keo Lớp ion lực liên kết yếu nên thường khơng có đủ điện tích trung hòa với điện tích bên hạt keo ln mang điện tích định ðể cân điện tích mơi trường, hạt keo lại thu hút quanh số ion trái dấu trạng thái khuếch tán (Hình 4.1) Hạt mang điện tích âm ðiện zêta Lớp điện tích kép Lớp khuếch tán Hình 4.1 Cấu tạo hạt keo Các lực hút lực ñẩy tĩnh ñiện lực Van der Waals tồn hạt keo ðộ lớn lực thay ñổi tỷ lệ nghịch với khoảng cách hạt (Hình 4.2) Khả ổn định hạt keo kết tổng hợp lực hút lực ñẩy Nếu lực tổng hợp lực hút xảy q trình keo tụ Khi hạt keo kết dính với nhau, chúng tạo thành hạt có kích thước lớn gọi bơng cặn có khả lắng nhanh 4-2 Lực ñẩy Lực ñẩy Fñ Fñ Fñ – Fh Hàng rào Fñ – Fh 0 Khoảng cách Lực hút Lực hút Khoảng cách Fh Fh Hinh 4.2 Năng lượng tương tác hệ keo ðể lực hút thắng lực đẩy điện zêta phải nhỏ 0,03 V trình keo tụ ñạt hiệu ñiện zêta tiến tới 4.1.3 Cơ Chế Của Quá Trình Keo Tụ Tạo Bơng Các chế q trình keo tụ tạo bơng gồm: a) Q trình nén lớp điện tích kép, giảm điện động zêta nhờ ion trái dấu Khi bổ sung ion trái dấu vào nước/nước thải với nồng ñộ cao, ion chuyển dịch ñến lớp khuếch tán vào lớp ñiện tích kép tăng điện tích lớp điện tích kép, giảm ñiện ñộng zêta giảm lực tĩnh ñiện b) Quá trình keo tụ hấp phụ ion trái dấu bề mặt, trung hòa điện tích tạo điểm đẳng ñiện zêta Trong trường hợp này, trình hấp phụ chiếm ưu c) Cơ chế hấp phụ – tạo cầu nối Các polymer vô hữu ion hóa, nhờ cấu trúc mạch dài chúng tạo cầu nối hạt keo qua bước sau: - Phân tán polymer; - Vận chuyển polymer ñến bề mặt hạt; - Hấp phụ polymer lên bề mặt hạt; - Liên kết hạt ñã hấp phụ polymer với với hạt khác Cơ chế tạo cầu nối biểu diễn theo sơ ñồ phản ứng sau: Phản ứng 1: phân tử polymer kết dính với hạt keo lực hút polymer hạt keo tích điện trái dấu Polymer Hạt keo Hạt keo bị phá bền 4-3 Phản ứng 2: phần lại polymer hấp phụ hạt keo lại liên kết với vị trí hoạt tính bề mặt hạt keo khác Tạo Hạt keo bị phá bền Hạt keo Phản ứng 3: liên kết với hạt keo khác, polymer ñã hấp phụ hạt keo cuộn lại kết dính vị trí hoạt tính khác bề mặt hạt keo tái tạo tượng tái bền hạt keo Hạt keo bị phá bền Hạt keo tái bền Phản ứng 4: Nếu cho q thừa polymer, làm bão hòa điện tích bề hạt keo nên khơng vị trí hoạt tính tồn để tạo thành cầu nối ðiều dẫn ñến tượng tái bền hạt keo có khơng xảy tượng ñổi dấu hạt keo Polymer dư Hạt keo Hạt keo bền vững Phản ứng 5: phá vỡ liên kết hạt keo polymer khuấy trộn mạnh Phá vỡ cặn Hạt keo Phản ứng 6: tái bền hạt keo tượng hấp phụ vị trí hoạt tính khác hạt keo trình bày phản ứng d) Quá trình keo tụ hấp phụ lắng trình lắng 4-4 Ở giá trị pH thích hợp, tác nhân keo tụ phèn nhôm phèn sắt cho vào dung dịch tạo thành Al(OH)3 Fe(OH)3 lắng xuống Trong q trình lắng chúng kéo theo bơng keo, cặn bẩn hữu vô cơ, hạt keo khác lắng Cơ chế ñược gọi chế lắng Q trình khơng phụ thuộc vào q trình keo tụ tạo bơng khơng xảy tượng tái ổn ñịnh hạt keo 4.1.4 ðộng Học Q Trình Keo Tụ Tạo Bơng Q trình keo tụ tạo bơng gồm hai q trình chính: - Q trình keo tụ: dựa chế phá bền hạt keo; - Q trình tạo bơng: tiếp xúc/kết dính hạt keo bị phá bền Cơ chất tiếp xúc hạt bao gồm: + Tiếp xúc chuyển ñộng nhiệt (chuyển ñộng Brown) tạo thành hạt có kích thước nhỏ, khoảng µm; + Tiếp xúc q trình chuyển động lưu chất ñược thực cách khuấy trộn hỗn hợp để tạo thành bơng cặn có kích thước lớn hơn; + Tiếp xúc trình lắng hạt Giá trị gradient vận tốc G thời gian t phụ thuộc vào: - Thành phần hóa học nước; - Bản chất nồng ñộ keo nước G = P1/2 µ-1/2 V-1/2 Trong đó, P lượng tiêu hao bể phản ứng tạo (W.kg.m2.s-3), V thể tích bể phản ứng, µ độ nhớt động học 4.2 Q TRÌNH KẾT TỦA Q trình kết tủa thường gặp xử lý nước kết tủa carbonate canxi and hydroxyt kim loại Ví dụ ứng dụng trình kết tủa làm mềm nước theo phương pháp sau: - Sử dụng vôi: Ca(OH)2 + Ca(HCO3)2 → 2CaCO3↓ + 2H2O - Sử dụng carbonate natri: Na2CO3 + CaCl2 → 2NaCl + CaCO3↓ - Sử dụng xút: 2NaOH + Ca(HCO3)2 → Na2CO3 + CaCO3↓ + H2O Kim loại chứa nước thải tách loại ñơn giản cách tạo kết tủa kim loại dạng hydroxyt Giá trị pH tối ưu để q trình kết tủa xảy hiệu kim loại khác khơng trùng Do đó, cần xác ñịnh giá trị pH thích hợp ñối với kim loại loại nước thải cụ thề cần xử lý Bên cạnh đó, q trình kết tủa ứng dụng trình khử SO42-, F-, PO43- sau: - SO42- + Ca2+ + 2H2O → CaSO4.2H2O ↓ - 2F- + 2Ca2+ → CaF2↓ - 2H3PO4 + Ca(OH)2 → Ca(HPO4)2↓ + 2H2O pH = – - 2Ca(HPO4)2 + Ca(OH)2 → Ca3(PO4)3↓ + 2H2O pH = - 12 4-5 4.3 QUÁ TRÌNH TUYỂN NỔI HĨA HỌC (XEM CHƯƠNG 2) 4.4 Q TRÌNH ðIỆN PHÂN Q trình điện phân ứng dụng chênh lệch điện hai điện cực bình điện phân (dung dịch chứa ion) ñể tạo ñiện trường ñịnh hướng chuyển ñộng ion Các ion dương (cation) di chuyển phía điện cực âm (catốt), ion âm (anion) di chuyển phía điện cực dương (anốt) Khi ñiện áp ñủ lớn, ñiện cực xảy phản ứng ñặc trưng sau: - Tại ñiện cực dương (anốt): A- → A + e- Tại ñiện cực âm (catốt): C+ + e- → C Ví dụ, ứng dụng q trình điện phân để sản xuất NaOCl từ nước muối, phản ứng xảy sau: Tại catốt 2H2O + 2e- → H2 + 2OH- Tại Anốt Cl2 + 2e- ← 2Cl- Cl2 + 2OH- → ClO- + Cl- + H2O ClO- + H2O ⇔ HClO + OHPhản ứng tổng quát: 2NaCl + H2O → NaClO + NaCl + H2 ðiện phân ứng dụng kết hợp với trình keo tụ tạo bơng theo bước sau: - Tạo điện trường hai điện cực thích hợp cho va chạm điện tích có nước thải; - Giải phóng ion kim loại (Fe, Al) cách hòa tan anốt, ion tạo huydroxyt thích hợp cho việc tạo thành bơng keo 4.5 Q TRÌNH HẤP PHỤ 4.5.1 Giới Thiệu Chung Phương pháp hấp phụ ñược áp dụng rộng rãi ñể làm triệt ñể nước thải khỏi chất hữu hòa tan khơng xử lý ñược phương pháp khác Tùy theo chất, q trình hấp phụ phân loại thành: hấp phụ lý học hấp phụ hóa học - Hấp phụ lý học trình hấp phụ xảy nhờ lực liên kết vật lý chất bị hấp phụ bề mặt chất hấp phụ lực liên kết VanderWaals Các hạt bị hấp phụ vật lý chuyển ñộng tự bề mặt chất hấp phụ q trình hấp phụ đa lớp (hình thành nhiều lớp phân tử bề mặt chất hấp phụ) - Hấp phụ hóa học q trình hấp phụ có xảy phản ứng hóa học chất bị hấp phụ chất hấp phụ Trong xử lý nước thải, trình hấp phụ thường kết hợp hấp phụ vật lý hấp phụ hóa học 4-6 Khả hấp phụ chất hấp phụ phụ thuộc vào: - Diện tích bề mặt chất hấp phụ (m2/g); - Nồng ñộ chất bị hấp phụ; - Vận tốc tương ñối hai pha; - Cơ chế hình thành liên kết: hóa học lý học Các tác nhân hấp phụ sử dụng bao gồm: - ðất sét: 50-200 m2/g; - Zeolites; - Silica gel; - Polymer gel (300 m2/g); - Chitosan; - Than hoạt tính (1000 – 1500 m2/g) 4.5.2 Hấp Phụ Bằng Than Hoạt Tính - Than hoạt tính thường dùng có hai loại: + Dạng hạt (Granular Activated Carbon – GAC); + Dạng bột (Powdered Activated Carbon – PAC) ðối với than GAC thường sử dụng trình xử lý liên tục qua tháp hấp phụ hoạt thiết bị lọc theo sơ đồ trình bày Hình 4.3 Tháp Tháp hấp phụ Tháp Nước sau xử lý Nước trước xử lý Hình 4.3 Hấp phụ than GAC - ðối với than PAC, chủ yếu áp dụng phương pháp xử lý dạng mẻ trình bày Hình 4.4 PAC Hình 4.4 Hấp phụ than PAC 4-7 Than hoạt tính, sau thời gian sử dụng, tái sinh phương pháp sau: - Tái sinh than hoạt tính cách gia nhiệt đến 8000C áp suất khí Lượng than bị chiếm khoảng – 10% sau lần tái sinh - Tái sinh than hoạt tính phương pháp hóa học sử dụng hóa chất (kiềm dung mơi), thường thực nhiệt ñộ 1000C pH cao Sau tái sinh than thu hỗn hợp gồm dung mơi chất bẩn, dùng phương pháp trích ly/chưng chất để thu hồi dung môi (Dung môi + chất bẩn) Chưng chất Dung môi + Chất bẩn ðốt 4.5.3 ðường ðẳng Nhiệt Hấp Phụ (Adsorption Isotherms) ðƯỜNG ðẲNG NHIỆT LANGMUIR ðường ñẳng nhiệt Langmuir ñược xây dựng dựa giả thiết sau: + Giả sử trình hấp phụ lớp, lớp bị hấp phụ có bề dày bề dày phân tử; + Tất mặt chất hấp phụ có lực phân tử chất bị hấp phụ Do đó, có mặt phân tử chất bị hấp phụ phía chất hấp phụ khơng ảnh hưởng đến hấp phụ vị trí kế cận + Phương trình ñường ñẳng nhiệt Lanmuir có dạng Trong ñó: -x -m -c - a b x a.b.c 1 = ⇒ = + x m + a.c b a.b.c m : lượng chất bị hấp phụ (mg); : khối lượng chất hấp phụ (mg); : nồng ñộ chất bị hấp phụ lại dung dịch sau q trình hấp phụ xảy hồn tồn (mg/L); : số ðƯỜNG ðẲNG NHIỆT FREUNDLICH ðường ñẳng nhiệt Freundlich ñược xây dựng dựa giả thiết sau: + Giả sử q trình hấp phụ đa lớp + Phương trình đường đẳng nhiệt x x = K C n ⇔ log  = log K + log C m n m Trong đó: : lượng chất bị hấp phụ (mg); : khối lượng chất hấp phụ (mg); : nồng độ chất bị hấp phụ lại dung dịch sau trình hấp phụ xảy hoàn toàn (mg/L); - K n : số -x -m -C 4.5.4 Ứng Dụng Của Quá Trình Hấp Phụ - Tách chất hữu phenol, alkylbenzen-sulphonic acid, thuốc nhuộm, hợp chất thơm từ nước thải than hoạt tính; - Có thể dùng than hoạt tính khử thủy ngân (Logsdon et al., 1976); 4-8 - Có thể dùng để tách loại thuốc nhuộm khó phân hủy (Eberle et al., 1976) - Xử lý chất hoạt tính bề mặt, hợp chất gây mùi, thuốc trừ sâu, diệt cỏ kim loại nặng; - Ứng dụng hạn chế chi phí cao 4.6 QUÁ TRÌNH TRAO ðỔI ION 4.6.1 Giới Thiệu Chung Trao ñổi ion ñược xem dạng trình hấp thụ Trong đó, ion dung dịch thay ion chất trao đổi khơng hòa tan (mạng trao ñổi ion) Chất trao ñổi ion dùng công nghiệp hầu hết hợp chất cao phân tử khơng tan, gọi nhựa trao đổi ion Mạng polyme chứa nhóm có khả kết hợp với ion dương (chất trao ñổi cation) kết hợp với ion âm (chất trao ñổi anion) Những loại nhựa trao ñổi ion sau ñây ñược phân biệt theo số phân ly: - Nhựa trao ñổi cation axít mạnh, ví dụ có chứa nhóm SO3H; - Nhựa trao đổi cation axít yếu, ví dụ có chứa nhóm COOH; - Nhựa trao ñổi cation ña chức với nhóm anion yếu mạnh; - Nhựa trao đổi anion bazơ mạnh với nhóm R3N+; - Nhựa trao đổi anio bazơ yếu, với nhóm R-NH+2 Những chất trao đổi ion nhựa tổng hợp vật liệu tự nhiên Vật liệu trao ñổi ion tự nhiên khống có đất sét sillite, montmorillonite vermiculite, zeolite giống clinoptilolite Các chất hữu ví dụ than bùn có khả trao ñổi ion Nhựa ñồng trùng hợp styrene-divinyl-benzene nhựa phenol-formaldehyde nhựa trao ñổi ion tổng hợp Số lượng nhựa trao đổi ion thị trường khơng thể kể hết 4.6.2 Cơ Chế Q Trình Trao ðổi Ion: Hệ Số Lựa Chọn & Hệ Số Phân Tách Các phản ứng trao ñổi ion tuân theo quy luật cân tỷ lượng tổng điện tích dương điện tích âm ln ln khơng ðây u cầu trung hòa điện tích Ví dụ 1000 ion Na+ bề mặt hạt nhựa ñược trao ñổi với 1000 ion NH4+ 500 ion Ca2+ Phản ứng trao ñổi ion biểu diễn phương trình phản ứng cân hóa học (4.1), ví dụ sau: Na - R + Ca2+ ⇔ CaR2 + Na+ (- R = Nhựa) Phương trình cân hóa học là: [Ca2+][Na+]2 KCa/Na = [Ca2+][Na+]2 Hoặc dạng tổng quát: [Bb+]a[A+]b K’B/A = [Bb+]a[A+]b Trong đó: (4.1) (4.2) [Aa+] = hoạt độ ion Aa+ có nhựa; [Aa+] = hoạt độ ion Aa+ có dung dịch; 4-9 [Bb+] = hoạt độ ion Bb+ có nhựa; [Bb+] = hoạt độ ion Bb+ có dung dịch Nếu thay giá trị nồng ñộ hoạt ñộ phương trình (4.2) trở thành: K’B/A = (Bb+)a(A+)b (Bb+)a(A+)b (4.3) KB/A hệ số lựa chọn Các giá trị nồng ñộ phương trình (4.3) ñược biểu diễn ñơn vị mol/kg (kg nhựa khô kg dung dịch) Mặc dù hệ số lựa chọn số khoảng giới hạn nồng ñộ, số thường ñược sử dụng Hằng số cân thực K’B/A khơng thể tính tốn khơng thể xác ñịnh hoạt ñộ ion nhựa ðể tính toán phân bố ion dung dịch nhựa trao đổi, sử dụng phương trình trung hòa điện tử: - Trong dung dịch : a (Aa+) + b (Bb+) = C0 - Trong nhựa trao ñổi : a (Aa+) + b (Bb+) = Q0 Trong đó, C0 (= tổng lượng ion dương có dung dịch) Q0 (dung lượng trao ñổi ion tổng cộng hạt nhựa) ñược biểu diễn dạng ñương lượng/kg Theo cân khối lượng: [x.(Aa+) + (Aa+)]truớc phản ứng = [x.(Aa+) + (Aa+)]sau phản ứng Trong đó, x số kg nhựa kg dung dịch Một thông số khác thường ñược sử dụng lý thuyết trao ñổi ion hệ số phân tách α α= (B )(A ) (B )(A ) b+ a+ b+ a+ (4.4) Hệ số phân tách khơng có số mũ nồng độ hệ số lựa chọn ðối với ion có điện tích, hệ số lựa chọn hệ số phân tách 4.6.3 ðộng Học Quá Trình Trao ðổi Ion Trong q trình trao đổi ion xảy trao ñổi ion bề mặt nhựa trao ñổi Quá trình trao đổi ion tn theo định luật cân tỷ lượng: ion rời bề mặt phải ñược thay ion khác Lượng ion chuyển ñến bề mặt tách khỏi bề mặt phải Gần bề mặt nhựa trao ñổi, vận chuyển xảy thơng qua q trình khuếch tán Q trình khuếch tán chịu ảnh hưởng tương tác tĩnh ñiện ion chuyển ñộng ion trái dấu với chúng Q trình trao đổi bề mặt thường xảy nhanh không hạn chế vận tốc q trình trao đổi Các bước xác định vận tốc trao ñổi bao gồm: Sự chuyển ñộng ion từ khối chất lỏng ñến hạt trao ñổi, phụ thuộc vào bề dày lớp phim bao quanh hạt Mức ñộ xáo trộn cao, lớp phim lỏng mỏng q trình chuyển vận qua lớp phim nhanh 4-10 Quá trình khuyếch tán ion hạt Ở đó, chuyển động tùy thuộc vào kích thước hạt đường kính lỗ trống 4.6.4 Dung Lượng Trao ðổi Của Vật Liệu Trao ðổi Ion Dung lượng trao ñổi ñược xác ñịnh dựa số lượng nhóm hoạt động đơn vị khối lượng nhựa trao ñổi ion Dung lượng trao ñổi phụ thuộc vào đặc tính nhóm hoạt động ðối với nhựa trao đổi ion axít yếu bazơ yếu, dung lượng trao ñổi phụ thuộc nhiều vào thay đổi pH dung dịch Do đó, xác định dung lượng trao đổi ion, khơng tính đến dung lượng trao đổi tổng cộng mà phải tính dung lượng trao đổi hữu ích ðó phần dung lượng trao ñổi tổng cộng ñược sử dụng điều kiện thí nghiệm áp dụng thực tế khác pH dung dịch Dung lượng trao đổi tổng cộng xác định phòng thí nghiệm phương pháp chuẩn độ với axít (đối với nhựa trao ñổi anion dạng OH-) với bazơ (ñối với nhựa trao ñổi cation dạng H+) Dung lượng trao ñổi trao ñổi ñược ñánh giá cách xác ñịnh ñường cong ngưỡng hấp thụ thí nghiệm ngâm chiết (Hình 4.5) 10 Nhựa caition cao phân tử Nhựa acid mạnh Nhựa acid yếu 10 NaOH/g nhựa Hình 4.5 ðường chuẩn độ meq nhựa trao ñổi ion khác dạng H+ Bảng 4.3 Dung lượng trao ñổi số loại nhựa trao ñổi ion Nhựa trao ñổi ion Nhựa acid mạnh Nhựa acid yếu Nhựa bazơ mạnh Nhựa bazơ yếu meq/g nhựa khô 2,0 – 5,0 2,5 – 10,0 3,0 – 5,0 5,0 – 8,0 meq/ml thể tích lớp nhựa 0,6 – 2,5 1,0 – 4,0 0,7 – 1,6 2,0 – 2,5 4.6.5 Ứng Dụng Của Quá Trình Trao ðổi Ion Làm mềm nước Ứng dụng quan trọng q trình trao đổi ion làm mềm nước, đó, ion Ca2+ Mg2+ tách khỏi nước thay vị trí Na+ hạt nhựa ðối với trình làm mềm nước, thiết bị trao ñổi ion axít mạnh với Na+ ñược sử dụng Quá trình tái sinh thực dung dịch NaCl M Cột trao đổi ion axít yếu có tính lựa chọn cao ion Ca chúng trì tính lựa chọn cao nồng độ NaCl cao Nhựa trao ñổi ion ñược tái sinh axít sau bazơ, gọi q trình tái sinh hai giai đoạn 4-11 Trong thực tế, chất trao đổi ion axít yếu khơng sử dụng để làm mềm nước Nếu chất trao ñổi ion dạng Na+ ñược dùng, ñộ kiềm HCO-3 khơng xử lý Nếu phải xử lý ñộ kiềm, chất trao ñổi ion dạng H+ ñược sử dụng sau nước trung hòa Khử khống Trong q trình khử khống, tất ion dương ion âm ñều bị khử khỏi nước Nước di chuyển qua hệ thống hai giai ñoạn gồm trao đổi cation axít mạnh dạng H+ nối tiếp với trao ñổi anion bazơ mạnh dạng OH- Khử/làm ñậm ñặc kim loại nặng Chất trao ñổi cation axít yếu có tính lựa chọn cao ñối với trình tách kim loại nặng Cu, Zn, Hg, Cd khỏi dung dịch lỗng có chứa Ca, Mg Na Vì thơng thường tính lựa chọn theo H+ không cao lắm, pH dung dịch phải lớn So với phản ứng kết tủa (khử kim loại nặng dạng muối khơng hòa tan), nồng ñộ chất cần xử lý nước sau qua cột trao đổi thấp việc tách hồn tồn chất kết tủa khỏi dung dịch khơng phải ln ln thực Sau tái sinh axít, kim loại tồn dung dịch đậm ñặc ñược tiếp tục xử lý ñể tái sử dụng Khử ammonium (NH4+) Q trình trao đổi ion dùng để đặc NH4+ có nước thải Trong trường hợp này, phải sử dụng chất trao đổi có tính lựa chọn NH4+ cao chẳng hạn clinoptilolite Sau tái sinh, dung dịch ñậm ñặc ñược chế biến thành phân 4.7 QUÁ TRÌNH THẨM THẤU 4.7.1 Hiện Tượng Thẩm Thấu Trong hệ kín chứa màng bán thấm ngăn cách hai vùng khác nhau, vùng chứa dung mơi chất tan với nồng ñộ khác Màng bán thấm có đặc tính cho dung mơi thấm qua ngăn khơng cho chất tan qua màng Sau thời gian ñịnh, ñộ cao chất lỏng bên ngăn có nồng độ chất hòa tan cao tăng lên bên ngăn giảm ñi Chất lỏng vận chuyển từ nơi có nồng độ chất hòa tan thấp đến nơi có nồng độ chất hòa tan cao ñể cân nồng ñộ hệ Hiện tượng ñược gọi thẩm thấu Hiện tượng ngược với trình khuếch tán phân tử (là san nồng độ chất tan từ vùng có nồng ñộ cao ñến vùng có nồng ñộ thấp) Nếu gọi ngăn có nồng độ chất hòa tan cao ngăn có nồng độ chất hòa tan thấp 2, hóa dung mơi hai ngăn tách biệt màng bán thấm ñược biểu diễn sau: µ1 = µ10 + RT lna1 + V.p1 µ2 = µ20 + RT lna2 + V.p2 Trong a1 a2 hoạt độ dung mơi Do a2 > a1 nên µ2 > µ1 Sự chênh lệch hóa dẫn đến dòng chảy dung mơi từ pha lỗng tới pha đặc Tại cân µ1 = µ2, ta có: µ10 + RT lna1 + V.p1 = µ20 + RT lna2 + V.p2 hay RT.(lna2 – lna1) = V.(p1 – p2) RT.(lna2 – lna1) = V.∆π ðại lượng ∆π ñược gọi áp suất thẩm thấu 4-12 4.7.2 Kỹ Thuật Thẩm Thấu Ngược Như trình bày trên, hai dung dịch có nồng độ chất hòa tan khác bị ngăn màng bán thấm nồng độ chất tan dung dịch đặc pha lỗng dung mơi vận chuyển qua màng từ phía dung dịch lỗng Q trình dừng lại nồng ñộ hai pha Hiện tượng thẩm thấu xảy tự ñộng theo chiều thuận Nếu áp đặt áp suất phía dung dịch đặc q trình vận chuyển dung mơi bị kìm hãm lại, tăng dần áp suất áp suất thẩm thấu, trình vận chuyển dung môi dừng lại Tiếp tục tăng áp suất dẫn đến tượng vận chuyển dung mơi từ phía dung dịch đặc sang phía dung dịch lỗng, ngược chiều với hướng áp suất thẩm thấu Hiện tượng ñược gọi tượng thẩm thấu ngược áp suất gây tượng thẩm thấu ngược ñược gọi áp suất ñộng lực ðể tượng thẩm thấu ngược xảy ra, áp suất ñộng lực phải lớn áp suất thẩm thấu, tốc độ vận chuyển dung mơi qua màng tỷ lệ thuận với áp suất ñộng lực Trong kỹ thuật lọc nước từ nước lợ hay nước mặn, áp suất thẩm thấu dung dịch tỷ lệ với nồng ñộ muối NaCl với giá trị tăng tương ứng khoảng 0,691.10-3 at tăng mg/L Kỹ thuật thẩm thấu ngược cho phép loại bỏ chất hữu tan acid hữu cơ, chất bảo vệ thực vật, ngồi áp dụng trình làm mềm nước Vật liệu chế tạo màng thẩm thấu ngược cellulose acetate, cellulose triacetate, polyamide, polyetheramide, polyetherurea Màng cellulose acetate có hàm lượng acetate cao khả giữ muối tốt, khản thấm nước 4.8 Q TRÌNH TRÍCH LY 4.8.1 Q Trình Trích Ly Chất Lỏng Trích ly chất lỏng q trình tách chất hòa tan chất lỏng chất lỏng khác (dung môi) không hòa tan Sau q trình trích ly, hỗn hợp thu ñược ñược ñem chưng cất ñể thu hồi dung mơi sử dụng lại Q trình trích ly chất lỏng ñược tiến hành qua hai giai ñoạn sau: a) Giai ñoạn ñầu gia ñoạn trộn lẫn, phân tán hai pha với ñể tạo tiếp xúc pha tốt cho dung chất truyền từ hỗn hợp ñầu vào dung mơi Nếu thời gian tiếp xúc pha đủ lớn trình truyền vật chất xảy cho ñến ñạt cân hai pha; b) Giai ñoạn giai ñoạn tách pha, hai pha tách dễ dàng hay không tùy thuộc vào sai biệt khối lượng riêng hai pha Một pha pha trích gồm chủ yếu dung mơi dung chất Pha lại gọi pha rafinat gồm chủ yếu phần lại hỗn hợp ban đầu Thường cấu tử hỗn hợp dung mơi nhiều có tan lẫn vào hai pha có diện ba cấu tử 4.8.2 Trích Chất Rắn Trích ly chất rắn q trình hòa tan chọn lựa hay nhiều cấu tử chất rắn cách cho chất rắn tiếp xúc với dung mơi lỏng Q trình trích ly chất rắn phụ thuộc vào cấu tạo bề mặt kích thước chất rắn Nhiệt độ trích ly cao tốt nhiệt độ cao làm tăng độ hòa tan dung chất vào dung mơi, làm giảm độ nhớt làm tăng hệ số khuếch tán tăng tốc độ q trình trích ly Tuy nhiên, với sản phẩm tự nhiên, nhiệt độ trích ly q cao làm tăng độ hòa tan chất không mong muốn vào dung dịch 4-13 Q trình trích ly chất rắn thực gián đoạn, bán liên tục liên tục Có hai phương pháp ñể tạo tiếp xúc pha phun tưới chất lỏng qua lớp vật liệu rắn nhúng chất rắn chìm hồn tồn chất lỏng Việc lựa chọn thiệt bị ñể sử dụng trường hợp tùy thuộc phần lớn vào trạng thái vật lý chất rắn dung chất chất rắn 4.9 QUÁ TRÌNH TRUYỀN KHÍ VÀ SỰ TIÊU THỤ OXY 4.9.1 Giới Thiệu Chung Sự truyền khí từ pha khí sang pha lỏng ngược lại đóng vai trò quan trọng q trình tự nhiên mơi trường công nghệ môi trường Trong hệ thống xử lý nước cấp, nước ngầm sục khí để oxy hóa dạng khử Fe, Mn làm giảm nồng ñộ khí khác CO2 H2S Trong hệ thống xử lý nước thải phương pháp hiếu khí, oxy khơng khí chuyển vào hỗn hợp nước/bùn hoạt tính máy thổi khí Xác định kích thước bể máy thổi khí yếu tố quan trọng ñể thiết kế hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí Trong nguồn nước mặt bị mhiễm chất hữu có khả phân hủy sinh học, cạn kiệt lượng oxy hòa tan nước dẫn đến tượng truyền oxy tự nhiên từ mơi trường khơng khí xung quanh vào nguồn nước Bên cạnh đó, thành phần khí khác khí carbonic (CO2), khí nitơ (N2), khí ammoniac (NH3), khí sulfua hydro (H2S), khí mêtan (CH4) có ý nghĩa quan trọng lĩnh vực khoa học môi trường Trong phạm vi môn học này, số thí nghiệm q trình truyền khí tiêu thụ oxy bùn sinh học thực mơ hình thí nghiệm Nội dung trình bày chương nhằm phục vụ cho thí nghiệm nói 4.9.2 Lý Thuyết Về Sự Truyền Khí Lý thuyết chung truyền khí pha khí pha lỏng gọi lý thuyết hai lớp phim Lý thuyết dựa mơ hình hai lớp màng tồn mặt phân giới khí-lỏng (Hình 4.6), gồm màng khí màng lỏng, gây trở lực ñối với vận chuyển phân tử khí khối chất lỏng khối khí ðối với q trình truyền phân tử khí từ pha khí sang pha lỏng, khí hòa tan chịu trở lực sơ cấp để truyền qua lớp phim lỏng khí hòa tan tốt chịu trở lực sơ cấp để truyền qua lớp phim khí Các khí có độ hòa tan trung bình chịu trở lực ñặc biệt từ hai lớp phim Vận tốc truyền khí thường tỷ lệ thuận với độ chênh lệch nồng ñộ ñang xét nồng ñộ cân khí dung dịch Phương trình biễu diễn sau: dm = K g A(C s − C ) dt (4.5) 4-14 Trong đó: - dm/dt = vận tốc truyền khối (mg.h-1); - Kg = hệ số khuyếch tán khí (L.h-1.m-2); - A = diện tích bề mặt (m2); - Cs = nồng độ khí bão hòa dung dịch (mg/l); - C = nồng độ khí dung dịch thời ñiểm ñang xét (mg/L) TRUYỀN KHỐI PHA KHÍ PHA LỎNG Cs CHẢY RỐI C LỚP FILM KHÍ LỚP FILM LỎNG DỊNG CHẢY TẦNG Hình 4.6 Mơ hình q trình truyền khí qua hai lớp film Chú ý dm/dt = VdC/dt Trong đó, V thể tích dung dịch Phương trình (4.5) biễu diễn sau: dC A = K g (C s − C ) dt V (4.6) Trong thực tế, Kg (A/V) ñược thay Kla: hệ số truyền khối tổng cộng (h-1): dC = K L a (C s − C ) dt (4.7) Lấy tích phân hai giới hạn C0 C, thời gian t0 t, ta có: C s − Ct = e − K L at C s − C0 (4.8) Từ phương trình (4.4), KLa ñược biễu diễn sau: (C − C ) K L a = ln s t (C s − C t ) (4.9) 4.9.3 Năng Suất Tạo Oxy Của Máy Sục Khí Ứng dụng lý thuyết truyền khí xác định suất tạo oxy máy sục khí sử dụng trình bùn hoạt tính hiếu khí 4-15 Năng suất tạo oxy (Oxygenation Capacity - OC) hệ thống sục khí định nghĩa lượng oxy (g) mà hệ thống truyền đến m3 nước khơng chứa oxy ñơn vị thời gian nhiệt ñộ 100C áp suất theo khí áp kế 760 mmHg Nếu thời ñiểm t = 0, nồng ñộ oxy hòa tan nước (C) = 0, thổi khí đo nồng độ oxy hòa tan (DO) theo thời gian, ta thu đường biểu diễn Hình 4.7 Hình dạng đường cong giải thích thực tế q trình truyền khí xảy khó khăn, nồng độ khí dung dịch gần đạt giá trị bão hòa (Cs) Vận tốc truyền khí thời điểm t = C = có giá trị lớn nhất, gọi suất tạo oxy (OC) Cs C dC/dt = KLa.(Cs – C) t Hình 4.7 ðường biến thiên DO theo thời gian Theo phương trình 4.6, đo đạc nhiệt độ 100C, giá trị xác ñịnh sau: OC = KLa.Ca (4.10) Năng suất tạo oxy hệ thống sục khí phải xác ñịnh nhà máy sản xuất thử Nước nhà máy sản xuất thử phải khử oxy hòa tan cách dùng sulfit natri clorua côban làm chất xúc tác (0,025-0,05 mg Co/L) Trên sở số liệu thu được, OC tính cơng thức sau:  (C − C0 )  k10 OC = C s (10 )  ln s   t i − t (C s − C i )  k T (4.11) KLa = (C − C ) ln s t i − t (C s − C i ) (4.12) hoặc: K L a = 2,30 (C − C0 ) log s ti − t (Cs − Ci ) (4.13) Trong ñó: ti - t0 = khoảng thời gian thời ñiểm ño ñạc (ti) thời ñiểm bắt ñầu thí nghiệm (t0) (h); k10/kT= hệ số ñiều chỉnh nhiệt ñộ thí nghiệm T (0C) Hệ số tính tốn phương trình (4.14): 4-16 k10 = 1,0380,5(10 −T ) kT (4.14) Trong thực tế công thức (4.15) ñược dùng:  (C − C )  ln s OC = C s (T )    t i − t (C s − C i )  (4.15) Sự khác biệt giá trị OC từ phương trình 4.11 4.15 khơng đáng kể Bảng 4.4 biểu diễn giá trị (k0/kT)1/2 Cs (ở nồng ñộ Cl- = 0) Bảng 4.4 Giá trị (k10/kT)1/2 Cs (O2) hàm số nhiệt ñộ (T) T (oC) 10 12 14 16 18 20 (k10/kT)-1/2 1,000 0,964 0,928 0,895 0,861 0,830 Cs(O2), (mg.l-1) 11,3 10,8 10,3 9,8 9,4 9,0 T(oC) 22 24 26 28 30 32 34 4-17 (k10/kT)-1/2 0,799 0,770 0,742 0,714 0,689 0,663 0,530 Cs(O2), (mg.l-1) 8,7 8,3 8,0 7,7 7,4 7,1 6,8 ... khử SO4 2-, F-, PO43- sau: - SO4 2- + Ca2+ + 2H2O → CaSO4.2H2O ↓ - 2F- + 2Ca2+ → CaF2↓ - 2H3PO4 + Ca(OH)2 → Ca(HPO4)2↓ + 2H2O pH = – - 2Ca(HPO4)2 + Ca(OH)2 → Ca3(PO4)3↓ + 2H2O pH = - 12 4- 5 4. 3... sau: - Sử dụng vôi: Ca(OH)2 + Ca(HCO3)2 → 2CaCO3↓ + 2H2O - Sử dụng carbonate natri: Na 2CO3 + CaCl2 → 2NaCl + CaCO3↓ - Sử dụng xút: 2NaOH + Ca(HCO3)2 → Na 2CO3 + CaCO3↓ + H2O Kim loại chứa nước thải... triacetate, polyamide, polyetheramide, polyetherurea Màng cellulose acetate có hàm lượng acetate cao khả giữ muối tốt, khản thấm nước 4. 8 Q TRÌNH TRÍCH LY 4. 8.1 Q Trình Trích Ly Chất Lỏng Trích ly chất