Nghiên cứu khả năng ứng dụng phương pháp hấp phụ trong xử lý nước thải dệt nhuộm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN VIẾT HOÀNG NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM NGÀNH: CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN HỒNG KHÁNH HÀ NỘI - 2005 LỜI CẢM ƠN Tôi mong muốn gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Nguyễn Hồng Khánh gợi ý hướng dẫn Cô trình làm luận văn Xin chân thành cảm ơn GS TSKH Nguyễn Văn Điệp giúp đỡ Giáo sư trong q trình xây dựng mơ hình thiết bị Xin chân thành cảm ơn nhân viên phòng thí nghiệm dự án KOICA, viện Cơng nghệ Mơi trường, Viện Khoa học Việt Nam giúp đỡ họ trình tiến hành thực nghiệm Cảm ơn người bạn tơi họ ln khuyến khích tơi giai đoạn gặp khó khăn, ln chia sẻ kiến thức, giúp đỡ q trình hoàn thành luận văn Xin chân thành cám ơn người thân gia đình họ chỗ dựa vững tinh thần để tơi ln có động lực tập trung cao trình nghiên cứu MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CH-¬ng TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Vai trò cơng đoạn hấp phụ dây chuyền xử lý nước thải 1.3 Các nghiên cứu trình hấp phụ Việt Nam Thế Giới 12 1.3.1 Các nghiên cứu chế động học trình hấp phụ13 1.3.2 Các nghiên cứu ứng dụng phương pháp mơ hình hố công nghệ hấp phụ 15 1.4 Nội dung giới hạn nghiên cứu luận văn 16 CH-¬ng PHƯƠNG PHÁP LUẬN NGHIÊN CỨU .19 2.1 Cơ sở lý thuyết trình hấp phụ 19 2.1.1 Tổng quan phương pháp hấp phụ 19 2.1.2 Các tính chất vật liệu hấp phụ 20 2.1.3 Vật liệu hấp phụ 21 2.1.4 Cân hấp phụ - Đường đẳng nhiệt hấp phụ 27 2.1.5 Cơ chế động học trình hấp phụ 29 2.1.6 Thiết bị hấp phụ dạng cột 32 2.2 Mơ hình thiết bị hấp phụ 34 2.2.1 Các dạng mơ hình thiết bị hấp phụ dạng tầng cố định 35 2.2.2 Mơ hình thiết bị dạng đẩy khơng có khuếch tán dọc trục 36 2.2.3 Phương pháp giải mơ hình thiết bị hấp phụ loại tầng cố định 39 Cơ sở lý thuyết phương pháp xác định hệ số khuếch tán 2.3 pha rắn 42 Phương pháp phân tích xử lý số liệu 44 2.4 CH-¬ng THÍ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 46 Thiết bị vật liệu dùng cho thí nghiệm 46 3.1 3.1.1 Than hoạt tính mẫu nước thải 46 3.1.2 Dụng cụ thí nghiệm 51 3.1.3 Phương pháp xác định nồng độ chất màu Auramin: 53 Phương pháp tiến hành thí nghiệm 55 3.2 3.2.1 Thí nghiệm lựa chọn loại than phù hợp 55 3.2.2 Thí nghiệm xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ 55 3.2.3 Thí nghiệm động học q trình hấp phụ 58 3.1.4 Thí nghiệm xây dựng đường cong hấp phụ (Breakthrough curve) 59 Kết thí nghiệm 61 3.3 3.3.1 Thí nghiệm lựa chọn loại than phù hợp 61 3.3.2 Thí nghiệm xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ 66 3.3.2.1 Kết thí nghiệm với nước thải nhà máy dệt Minh Khai: 66 3.3.2.2 Kết thí nghiệm với dung dịch Auramin 68 3.3.3 Kết thí nghiệm động học q trình hấp phụ 71 3.3.4 Kết thí nghiệm xây dựng đường cong hấp phụ (Breakthrouhg curve) 74 3.3.4.1 Thí nghiệm với nước thải dệt nhuộm 74 3.3.4.2 Kết thí nghiệm với chất mầu Auramin 76 CH-¬ng SO SÁNH KẾT QUẢ MƠ HÌNH VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .81 4.1 Kết nước thải dệt nhuộm 81 4.1.1 Các thống số đầu vào mơ hình: 81 4.1.2 Nhận xét kết mô nước thải nhà máy dệt Minh Khai 82 4.2 Kết chất màu Auramin 86 4.2.1 Thông số đầu vào mơ hình: 87 4.2.2 Nhận xét kết quả: 87 KẾT LUẬN 94 TÀI LIỆU THAM KHẢO 97 LỜI MỞ ĐẦU Hấp phụ phương pháp quan trọng ứng dụng để xử lý chất ô nhiễm, đặc biệt chất hữu khó phân huỷ sinh học, sản phẩm phụ trình khử trùng (By-disinfection products – BDPs)… Mặc dù, hiệu phương pháp hấp phụ cao (trong số trường hợp, cao hiệu cơng nghệ màng) áp dụng trường hợp mà số phương pháp cổ điển khó áp dụng [11], việc sử dụng rộng rãi phương pháp hạn chế Một lý giá thành chất hấp phụ đắt Đã có nhiều tác giả tập trung nghiên cứu để tạo chất hấp phụ có giá thành thấp, nhiên, nghiên cứu dừng lại quy mơ phòng thí nghiệm Chính vậy, nhà nghiên cứu nhà công nghệ cố gắng tìm phương pháp tiếp cận khác để giảm giá thành xử lý phương pháp hấp phụ, là, tối ưu hố q trình thiết kế vận hành hệ thống hấp phụ Thực tế, Việt Nam quốc gia có nguồn nguyên liệu phong phú có chất lượng cao để chế tạo than hoạt tính có số sản xuất vật liệu hấp phụ tiếng (như than Trà Bắc, sản xuất từ sọ dừa) Tại viện Khoa học Công nghệ Việt Nam, số nghiên cứu trình hấp phụ phát triển mạnh (các nghiên cứu trình vật liệu hấp phụ PG.STS Lê Văn Cát) Đây ưu lớn để sản xuất ứng dụng than hoạt tính lĩnh vực cơng nghệ mơi trường, nói riêng, cách rộng rãi với giá thành chấp nhận Hơn nữa, ngành công nghệ môi trường ngành mới, xuất khoảng 10 năm gần Khi ngành công nghiệp sản xuất phát triển mạnh mẽ với tải lượng nhiễm cao hiển nhiên tiêu chuẩn môi trường phải xiết chặt để đảm bảo cho phát triển bền vững môi trường chất lượng sống người dân Khi tiêu chuẩn xiết chặt, khả đáp ứng tiêu chuẩn môi trường phương pháp xử lý truyền thống (như đông keo tụ, tuyển nổi, phương pháp sinh học …) bị hạn chế Do đó, người ta cần phải áp dụng phương pháp có hiệu cao công nghệ màng, công nghệ oxy hoá tiên tiến (Fenton, oxy hoá peroxide ướt - WPO – wet peroxide oxidation…) hấp phụ Trong đó, phương pháp hấp phụ có số ưu điểm so với phương pháp khác (ví dụ: fenton công nghệ màng) như: đơn giản vận hành, nguồn nguyên liệu phong phú, hiệu xử lý cao, có khả hoàn nguyên vật liệu sau sử dụng Hiện nay, có hai phương pháp tiếp cận q trình thiết kết thiết bị hấp phụ là: nghiên cứu thiết bị phòng thí nghiệm mơ hình hố thiết bị hấp phụ (ứng dụng mơ hình để mô thiết bị hấp phụ) Tuy nhiên, việc nghiên cứu phòng thí nghiệm đòi hỏi nhiều cơng sức, thời gian đầu tư cho thí nghiệm Thơng thường, thí nghiệm xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ phải 2h Để xây dựng đường cong hấp phụ (breakthrough curve), cần đến hàng ngày chí hàng tuần Ngồi ra, việc đánh giá sử dụng số liệu thí nghiệm để áp dụng cho cơng trình thực tế đòi hỏi kinh nghiệm kỹ thuất xử lý số liệu định áp dụng xác Trong năm gần đây, phương pháp mơ hình hố ngày thể nhiều ưu điểm so với việc tiến hành nghiên cứu truyền thống phòng thí nghiệm Đặc biệt, ngày có nhiều tác giả nghiên cứu trình hấp phụ nên chế chất trình hiểu cách xác Do vậy, ta mơ tả gần q trình cơng thức tốn học giải chúng máy tính Trên giới, có nhiều tác giả khác nghiên cứu lĩnh vực như: Gordon McKay, Buning Chen, Chi Wai Hui [4], Tongbao Chen, Yi Jiang, Yinping Zhang, Shuanquiang Liu [27], Michelle Edith Jarvie, David W Hand, Shanmugalingam Bhuvendralingam, John C Crittenden, Dave R Hokanson [18] Trong đó, đặc biệt có hai tác giả David O Cooney [6] Chi Tien [5] có nghiên cứu sâu lĩnh vực mơ hình hố thiết bị hấp phụ Tuy nhiên, Việt Nam, lĩnh vực có nghiên cứu riêng cho việc ứng dụng phương pháp mơ hình hố để mơ thiết kế thiết bị hấp phụ Việc áp dụng phương pháp mơ hình hố giảm thiểu nhiều thí nghiệm thời gian nghiên cứu Do đó, đề tài “Nghiên cứu khả ứng dụng phương pháp hấp phụ xử lý nước thải dệt nhuộm” lựa chọn Với đề tài này, việc mơ dự đốn trình xảy thiết bị hấp phụ dạng tầng cố định nội dung luận văn Đồng thời, đề quy trình tiến hành thí nghiệm để xác định thơng số quan trọng mơ hình Với kết đạt được,việc thiết kế thiết bị hấp phụ tiến hành cách hiệu nhanh chóng so với phương pháp truyền thống (tiến hành thí nghiệm phòng thí nghiệm sau mở rộng quy mơ cho thiết bị thực) Trong q trình nghiên cứu thực nghiệm, chất hấp phụ sử dụng than hoạt tính Đối tượng nước xử lý gồm hai loại chính: nước thải nhà máy dệt Minh Khai nước thải tự pha với chất mầu Auramin Với nội dung trên, luận văn chia thành chương sau: Chương 1: Tổng quan, nêu lên tổng quan công đoạn hấp phụ, nghiên cứu nội dung luận văn Chương 2: Phương pháp luận nghiên cứu, trình bày sở lý thuyết quan trọng phục vụ cho trình nghiên cứu thực nghiệm xây dựng mơ hình thiết bị hấp phụ Chương 3: Thí nghiệm kết quả, trình bày vật liệu, phương pháp thí nghiệm kết thí nghiệm đạt Chương 4: So sánh kết mơ hình với kết thực nghiệm, tiến hành giải mơ hình so sánh kết mơ hình với kết thí nghiệm Kết luận, đưa kết luận kết luận văn, xuất phương hướng mở rộng trình nghiên cứu tương lai Ch-¬ng TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Chất hấp phụ loại vật liệu ứng dụng thực tế từ lâu Các tài liệu lịch sử cho thấy, từ năm 1550 trước công nguyên, than hoạt gỗ ứng dụng ngành dược phẩm Vào năm 200 sau công nguyên, than sử dụng để loại bỏ chất gây vị khó chịu nước Tới năm 1785, nhà khoa học tiến hành thí nghiệm nhận khả hấp phụ than chất ô nhiễm nước Vào năm 1800, than hoạt tính bắt đầu sử dụng làm vật liệu lọc Năm 1929, thiết bị lọc nước than hoạt tính dạng hạt lắp đặt lần châu Âu Tại Mỹ, thiết bị lọc than hoạt tính lắp đặt lần thành phố Bay, Michigan vào năm 1930 Trong năm 1940, nhà khoa học bắt đầu nhận thấy tính hiệu than hoạt tính dạng hạt (Granular Activated Carbon – GAC) việc tinh lọc tách sản phẩm ngành cơng nghiệp hố chất nhân tạo Cho tới cuối năm 1960 đầu 1970, người ta bắt đầu biết tới khả loại bỏ hợp chất hữu tổng hợp (Synthesis Organic compounds - SOCs) nước khí GAC Tới nay, hấp phụ giai doạn thiếu dây chuyền xử lý nước thải xử lý khí thải Mặc dù, cơng nghệ truyền thống việc tìm hiểu chế, tính tốn q trình cần thiết, vì, nhiều cơng nghệ phát triển tảng q trình hấp phụ cơng nghệ siêu lọc, màng …Ngồi ra, có nhiều cơng nghệ tiên tiến phát triển cách kết hợp công doạn hấp phụ với công đoạn xử lý khác kết hợp phương pháp hấp phụ dùng than dạng 86 Hình 4.5: Phân bố nồng độ pha lỏng theo thời gian chiều dài cột (H=2.45 dm, v=175dm/hr) Hình 4.6: Phân bố nồng độ pha rắn theo thời gian chiều dài cột (H=2.45 dm, v=175dm/hr) 4.2 Kết chất màu Auramin 87 4.2.1 Thơng số đầu vào mơ hình: Các thơng số đầu vào mơ hình mơ đường cong hấp phụ thiết bị dạng cột ATA2: Tính chất vật lý than: - Khối lượng riêng:  = 500 g/dm3 - Độ rỗng:  = 0.475 - Đường kính trung bình hạt than: dtb=0.009 dm Vận tốc pha lỏng thiết bị: - v = 170 dm/hr (với trường hợp v = 170 dm/hr) - v = 374 dm/hr (với trường hợp v= 374 dm/hr) Chiều cao lớp hấp phụ: - H = 2.45 dm (với trường hợp v=170 dm/hr) - H = 1.97 dm (với trường hợp v=374 dm/hr) Thời gian vận hành: - t = 185 hr (với trường hợp v=170 dm/hr) - t = 100 hr (với trường hợp v=374 dm/hr) Thông số đường đẳng nhiệt hấp phụ động học: - Đường đẳng nhiệt hấp phụ: - Hệ số khuếch tán rắn: Ds = 1.69*10-13 (m2/s) = 6.084*10-8 (dm2/hr) 4.2.2 Nhận xét kết quả: Các kết chạy mơ hình cho thấy, sử dụng trực tiếp đường đẳng nhiệt Auramin, kết mơ hình khơng tốt (hình 4.7) Do, hệ số 88 góc đường đẳng nhiệt biến thiên nhanh vùng nồng độ nhỏ, sau đó, gần khơng đổi nên gây khó khăn xử lý tốn học Như nói phần trên, hệ phương trình sử dụng để mơ tả thiết bị hấp phụ dạng tầng cố định có dạng hệ cứng Độ cứng hệ phụ thuộc nhiều vào thông số đầu vào đặc biệt phụ thuộc vào dạng đường đẳng nhiệt hấp phụ Với nước thải dệt nhuộm, hệ số góc đường cong hấp phụ thay đổi chậm (so với dung dịch auramin) nên kết chạy mơ hình khơng bị ảnh hưởng nhiều sai số toán học Nhưng với dung dịch auramin, biến thiên nồng độ đầu giải mơ hình có dao động lớn (đường cong không mịn) khoảng chia nhỏ (n=10 30 không cho kết tốt) Để giải vấn đề này, lựa chọn phương pháp chia nhỏ trục không gian trục thời gian, nhiên, chia nhỏ gặp vấn đề sai số cộng dồn phép toán, vấn đề tốc độ nhớ máy tính Ngồi ra, sử dụng thuật tốn tốt để xử lý vấn đề này, nhiên, điều đòi hỏi nghiên cứu riêng thuật tốn Hình 4.7: Kết giải mơ hình sử dụng trực tiếp đường đẳng nhiệt hấp phụ, ('o' điểm thực nghiệm,'-' kết mơ hình) 89 Ở đây, phương pháp sử dụng để giải vấn đề dùng đường cong khác có tính tương đương có tốc độ biến thiên hệ số góc chậm nhằm giảm độ stiff hệ phương trình Tiêu chí để lựa chọn đường đẳng nhiệt tương đương diện tích vùng khơng gian mà hai đường tạo nên (với c chạy từ tới nồng độ đầu vào) phải Để thuận tiện cho tính tốn, đường đẳng nhiệt lựa chọn đường thẳng Hệ số góc xác định sau: 1000c dc Siso + 4.5c K = tg = = c cv cv  Trong đó: Siso: diện tích tính theo đường đẳng nhiệt hấp phụ Auramin cv: nồng độ đầu vào cột hấp phụ (mg/l) Do giới hạn thời gian nghiên cứu, nên số lượng kết thực nghiệm dùng để chứng minh cho phương pháp thay đường đẳng nhiệt thực đường đẳng nhiệt tương đương có dạng đường thẳng hạn chế Tuy nhiên, kế mơ hình so sánh với hai trường hợp khác với hai trường hợp, mơ hình dự đoán kết thực nghiệm, đặc biệt, trường hợp vận tốc pha lỏng nhỏ, mô hình dùng để dự đốn nồng độ đầu nhỏ (hình 4.8) Khi vận tốc pha lỏng lớn, độ tương hợp hơn, nhiên, điểm thực nghiệm dao động xung quanh kết mơ hình (hình 4.11) Phương pháp thử với số liệu nước thải nhà máy dệt Minh Khai, nhiên, kết mô khơng khớp với kết thực nghiệm Chính vậy, phương pháp dùng đường đẳng nhiệt có dạng đường thẳng thay cho đường 90 đẳng nhiệt thực áp dụng đường đẳng nhiệt thực có dạng hình chữ nhật (quá trình hấp phụ gần bất thuận nghịch) Sự biến thiên nồng độ chất màu pha lỏng pha rắn theo thời gian chiều dài cột cho qua hình 4.9, 4.10 (với trường hợp vận tốc 170 dm/hr) hình 4.12, 4.13 (với trường hợp vận tốc 374) Hình 4.13 cho thấy khả hấp phụ tốt than SWW 210&220 với chất màu Auramin Nồng độ chất màu pha rắn lớn nồng độ đầu dung dịch đạt 11.7 mg/l (nồng độ đầu vào 24 mg/l) Hình 4.8: Biến thiên nồng độ Auramin đầu theo thời gian, 'o' điểm thực nghiệm,'-' kết mơ hình, (H=1.95 dm, v=170 dm/hr) 91 Hình 4.9: Biến thiên nồng độ pha lỏng theo thời gian chiều dài cột (H=1.95 dm, v=170 dm/hr) Hình 4.10: Biến thiên nồng độ pha rắn theo thời gian chiều dài cột (H=1.95 dm, v=170 dm/hr) 92 Hình 4.11: Biến thiên nồng độ Auramin đầu theo thời gian, 'o' điểm thực nghiệm,'-' kết mơ hình (H=1.97 dm, v=374dm/hr) Hình 4.12: Phân bố nồng độ pha lỏng theo thời gian chiều dài cột (H=1.97 dm, v=374dm/hr) 93 Hình 4.13: Phân bố nồng độ pha rắn theo thời gian chiều dài cột (H=1.97 dm, v=374dm/hr) 94 KẾT LUẬN Trên sở kết nghiên cứu thực nghiệm lý thuyết thu q trình hồn thành luận văn, xin phép rút số kết luận sau: - Đã lựa chọn loại than có khả xử lý COD nước thải nhà máy dệt Minh Khai dung dịch màu Auramin - Xây dựng phương trình đường đẳng nhiệt hấp phụ than SWW 210&220 với nước thải nhà máy dệt Minh Khai, phương trình có dạng tuyến tính giải nồng độ nhỏ (