Đang tải... (xem toàn văn)
Mục tiêu của bài viết trình bày cách xác định hệ số động học của phản ứng trong các quá trình nghiên cứu xử lý nước thải để làm cơ sở cho thiết kế công nghệ xử lý. Bằng phương pháp tích phân và phương pháp vi phân, bài báo thiết lập các công thức xác định hệ số động học phản ứng.
Phương pháp xác định hệ số động học phản ứng nghiên cứu trình xử lý nước thải Analysis of reaction rate coefficients in wastewater treatment research processes Hà Xuân Ánh Tóm tắt Giới thiệu Tốc độ phản ứng thuật ngữ dùng để biểu diễn Trong qui trình xử lý nước thải, trình vật thay đổi (tăng giảm) số lượng mole chất phản ứng lý, hóa học sinh học áp dụng nhằm chuyển đổi đơn vị thể tích, hay đơn vị diện tích khối lượng tách thành phần có nước thải, tốc độ đơn vị thời gian (Denbigh Turner, 1984) Định nghĩa tiến hành phản ứng hóa học xem áp dụng hai loại phản ứng xảy xử lý nước thải yếu tố quan trọng việc xác định hiệu phản ứng đồng (Homogeneous reaction) phản ứng không phản ứng Mục tiêu báo trình bày đồng (Heterogeneous reaction) cách xác định hệ số động học phản ứng trình nghiên cứu xử lý nước thải để làm sở cho thiết kế Phản ứng đồng (Homogeneous reaction) công nghệ xử lý Bằng phương pháp tích phân phương Trong phản ứng đồng nhất, chất phản ứng phân phối pháp vi phân, báo thiết lập công thức xác định hệ đồng toàn chất lỏng cho khả phản ứng bất số động học phản ứng Bên cạnh đó, báo trình bày ví kỳ điểm chất lỏng Phản ứng đồng thường dụ cụ thể minh họa cho phần sở lý thuyết tổng quan thực lị phản ứng hỗn hợp, khuấy trộn hồn chỉnh Nghiên cứu tạo sở cho việc nghiên cứu ứng dụng dòng chảy hiệu tốc độ phản ứng chu trình xử lý nước Tốc độ phản ứng xác định bởi: thải đại d[N ] sè mol r = Từ khóa: Tốc độ phản ứng, số tốc độ, số nhiệt độ, phản = V dt (thÓ tÝch)(thêi gian) ứng đồng – không đồng (1) Nếu N thay VC, V thể tích C nồng độ, phương trình (1) trở thành: Abstract In the wastewater treatment process, for physical, chemical and biological processes applied to convert or separate the components in wastewater, the rate at which the chemical reaction is carried out is considered as one of the most important factors in determining the effectiveness of these reactions The aim of the paper presents how to determine the kinematic coefficient of reaction in wastewater treatment research processes as a basis for design of treatment technology By integrating and differential methods, the paper establishes the formulas for determining the reaction kinetic coefficient Moreover, the paper presents concrete examples illustrating the basis of general theory This research will provide a basis for the study of effective application of reaction rates to modern wastewater treatment process Key words: Reaction rate, speed constant, constant temperature, homogeneous reaction - heterogeneous = r d [VC ] VdC +CdV = V dt V dt (2) Nếu thể tích V khơng đổi (tức là, điều kiện đẳng nhiệt, khơng bay hơi), phương trình (2) rút gọn thành r =± dC dt (3) dấu cộng cho thấy gia tăng tích lũy chất, dấu trừ cho thấy giảm chất Phản ứng không đồng (Heterogeneous reaction) Phản ứng không đồng xảy nhiều thành phần xác định với vị trí cụ thể, chẳng hạn nhựa trao đổi ion nhiều ion thay ion khác Các phản ứng địi hỏi có mặt chất xúc tác pha rắn phân loại không đồng Phản ứng không đồng thường thực cơng trình lọc (lọc xi, lọc ngược) (dẫn từ Smith (1981)) Đối với phản ứng khơng đồng nhất, S diện tích bề mặt, biểu thức tương ứng ThS Hà Xn Ánh Bộ mơn Thốt nước Khoa Kỹ thuật hạ tầng Môi trường Đô thị Email: haxuananh.hau@gmail.com ĐT: 0904 88 79 88 Ngày nhận bài: Ngày sửa bài: Ngày duyệt đăng: d[N ] sè mol =r = S dt (diÖn tÝch)(thêi gian) (4) Đối với phản ứng liên quan đến hai nhiều chất phản ứng có hệ số cân hóa học không đồng đều, tốc độ thể chất phản ứng không giống tốc độ chất phản ứng khác Ví dụ, phản ứng: aA + bB → cC + dD (5) nồng độ chất thay đổi chất phản ứng khác cho cơng thức: S¬ 37 - 2020 77 KHOA HC & CôNG NGHê d [ A ] d [ B ] d [C ] d [ D ] = − == a dt b dt c dt d dt k2 (6) Như vậy, chất phản ứng mà hệ số cân hóa học không nhau, tốc độ phản ứng thể sau: d [Ci ] ci dt r= (7) đó, hệ số 1/Ci âm chất phản ứng dương sản phẩm Từ quy luật hoạt động rằng, tốc độ phản ứng phản ứng cho tỷ lệ thuận với nồng độ lại chất phản ứng Do đó, phản ứng liên quan đến thành phần A, tốc độ phản ứng viết bởi: r = ± kCA (8) k số tỷ lệ định nghĩa tốc độ phản ứng riêng (cũng biết đến số tốc độ phản ứng, số vận tốc, số tốc độ) Tốc độ phản ứng riêng có đơn vị phản ứng hóa học riêng nồng độ Theo phương trình (8), đơn vị tốc độ phản ứng riêng là: k= r dN mol = = = C V dt C L.s ( mol / L ) s k1 (12) Phương trình (12) sử dụng phổ biến lĩnh vực kỹ thuật xử lý để điều chỉnh giá trị số tốc độ hoạt động nhằm phản ánh ảnh hưởng nhiệt độ Tuy nhiên, cần lưu ý giá trị giả sử không đổi, thường thay đổi đáng kể theo nhiệt độ Giá trị cho số hệ thống xử lý sinh học thay đổi từ khoảng 1,020 đến 1,10 Phương pháp ví dụ tính tốn Tốc độ xảy phản ứng thường xác định cách đo nồng độ chất phản ứng sản phẩm phản ứng hồn thành Các kết đo sau so sánh với kết tương ứng thu từ phương trình tỷ lệ tiêu chuẩn khác mà theo phản ứng nghiên cứu dự kiến tiến hành Một số biểu thức tốc độ phản ứng với thứ tự phản ứng khác sau: r = ±k r = ± kC đó: k = số tốc độ phản ứng nhiệt độ T; T = nhiệt độ, K=273,15+ oC; E= lượng hoạt động (một giá trị đặc trưng phản ứng hóa học, J/mol) R = số khí lí tưởng, 8,314J/mol.K (1,99 cal/mol.K) Tích phân hai vế phương trình (12) từ T1 đến T2 ta có k E (T2 −T1) E = ln = (T −T ) k1 RT2T1 RT2T1 (11) Với k1 xác định nhiệt độ cho trước với E cho trước, k2 tính (Bậc 1) (14) r =± kC K +C r =± kC (1+ rt )n (Bậc 1) (15) (Bậc 2) (16) (Bậc 2) (17) (Bậc bão hòa hỗn hợp) (18) (Bậc bị trì hỗn) (19) Biểu thức tỷ lệ sử dụng để mô tả chuyển đổi thành phần nước thải trình xử lý Khi nồng độ C lớn, tốc độ phản ứng bậc nồng độ thấp, tốc độ phản ứng bậc Đồ thị tương ứng với phương trình (18), gọi loại phương trình bão hịa (hay cịn gọi phương trình dạng Monod) Thông thường, số tốc độ phản ứng xác định cách sử dụng kết thu từ thí nghiệm có dịng chảy khơng có dịng chảy Từ thí nghiệm dịng chảy liên tục thí nghiệm quy mơ thí điểm Sử dụng liệu từ thí nghiệm hàng loạt, hệ số xác định nhiều phương pháp khác bao gồm (1) phương pháp tích phân (2) phương pháp vi phân Ví dụ việc xác định bậc phản ứng số tốc độ phản ứng Cho tập liệu sau đây, thu sau bể phản ứng trộn Xác định bậc phản ứng số tốc độ phản ứng cách sử dụng tích phân phương pháp sai phân Hệ số nhiệt độ Bởi đa số quy trình xử lý nước thải thực phạm vi nhiệt độ tương đối E hẹp, RT2T1 phương trình (11) giả thiết E khơng đổi cho tất mục đích thực tế Nếu RT2T1 ký hiệu C, phương trình (11) viết thành k2 k C T −T ln= C (T2 −T1 ) Do = e ( 1) Thay eC k1 k1 phương trình hệ số nhiệt độ θ, thu biểu thức sau: 78 r = ± kCACB Yếu tố ảnh hưởng tới tốc độ phản ứng (10) (Bậc 0) (13) r = ± kC Trong ứng dụng, tốc độ phản ứng r tính tốn dựa vào ảnh hưởng nồng độ số tốc độ riêng k có tính đến ảnh hưởng tất biến khác có khả ảnh hưởng đến phản ứng d (ln k ) E = dT R2 r= ± k (C −CS ) (9) Đối với biến tình đưa ra, nhiệt độ ln quan trọng Sự phụ thuộc nhiệt độ vào số tốc độ phản ứng riêng quan trọng cần thiết phải điều chỉnh nhiệt độ Sự phụ thuộc nhiệt độ tốc độ phản ứng đưa mối quan hệ Hof-Arrhenius: (T −T ) =θ T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG Thời gian (ngày) Nồng độ (mol/L) 250 70 42 30 23 18 16 Bảng 1.1 Biểu thức tốc độ phản ứng tương ứng cho quy trình hóa học sinh học xử lý nước thải Quá trình Biểu thức Chú thích Q trình chuyển đổi Chuyển đổi vi khuẩn rc = − kC rc = tốc độ trình, M/L3T k = số tốc độ phản ứng bậc 1, 1/T C = nồng độ chất hữu cịn lại, M/L3 Phản ứng hóa học rc = ± knC n rc = tốc độ trình, M/L3T kn= số tốc độ phản ứng, (M/L3T)n-1/T C = nồng độ thành phần, (M/L3T)n n = bậc phản ứng (đối với bậc hai 2) Phân hủy tự nhiên rd = − kd N rd = tốc độ phân hủy, số/T kd = số tốc độ phản ứng bậc 1, 1/T N = số lượng sinh vật cịn lại, số Q trình phân tách Hấp thụ khí/ phân A = rab kab (Cs −C ) giải khí V rab = tốc độ hấp thụ, M/L3T rde = tốc độ phân giải, M/L3T kab = hệ số hấp thụ, L/T A rde = − kde (Cs −C ) V kde = hệ số phân giải, L/T A = diện tích, L2 V = thể tích, L3 Cs = nồng độ bão hòa thành phần chất lỏng, M/L3 C = nồng độ thành phần chất lỏng, M/L3 Bồi lắng v rs = s (SS ) H rs = tốc độ bồi lắng, 1/T Vs = vận tốc lắng, L/T H = độ sâu, L SS = chất rắn lắng, L3/L3 Bay rv = − kv (C −Cs ) rv = tốc độ bay đơn vị thời gian đơn vị khối lượng, M/L3T kv = số bay hơi, 1/T C = nồng độ thành phần chất lỏng, M/L3 Cs = nồng độ bão hòa thành phần chất lỏng, M/L3 S¬ 37 - 2020 79 KHOA HC & CôNG NGHê (a) phn ng bc (b) phản ứng bậc (c) phản ứng bậc hai (d) phản ứng loại bão hịa Hình 1-1 Đồ thị miêu tả mối quan hệ tốc độ phản ứng nồng độ Hình 1-2 Phân tích đồ họa để xác định thứ tự phản ứng số tốc độ phản ứng 13 Sử dụng phương pháp vi phân: 12 n= Sử dụng phương pháp tích phân: Đầu tiên phát triển liệu cần thiết để vẽ đồ thị liệu, giả sử phản ứng bậc bậc Thời gian (ngày) Nồng độ (mol/L) 1/C − log(C / C0 ) 250 0,000 0,004 70 0,553 0,014 42 0,775 0,024 30 0,921 0,033 23 1,036 0,043 18 1,143 0,056 16 1,194 0,063 13 1,284 0,077 12 1,319 0,083 Cuối cùng, để xác định số tốc độ phản ứng, quan sát hệ số góc (độ dốc) k − 0,024 Hệ số góc của= đường 0,084 = 0,010/ d tức k = 0,010/ d 80 d − 2d log(C1) −log(C2 ) Sử dụng liệu thực nghiệm thu ngày Thời gian (ngày) Nồng độ (mol/L) 250 70 42 30 23 18 16 13 12 Chúng= ta tính n Tiếp theo, để xác định xem phản ứng bậc hay bậc 2, ta vẽ biểu đồ đường − log(C / C0 ) / C so với t Do biểu đồ / C so với t đường thẳng, nên phản ứng bậc hai nồng độ C (Hình 1-3) log[ −( dC 1/ dt )] −log[ −( dC / dt )] Ct +1−Ct −1 ≈ (23-42)/2 -9,5 (13-18)/2 -2,5 dCt dt log(9,5) −log(2,5) = 2,07 nên sử log(30,0) −log(16,0) dụng n=2 tức phản ứng bậc hai Hằng số tốc độ phản 1 ứng xác định − = kt với t = Tính C C0 k = 0,0103/ d sử dụng k = 0,010/ d Kết luận Bài báo trình bày cách có hệ thống q trình xây dựng xác định tốc độ phản ứng xử lý nước thải Hệ T„P CHŠ KHOA H“C KIƯN TRC - XY DẳNG Hỡnh 1-3 Bng 1-2 Phng pháp tích phân vi phân sử dụng để xác định số tốc độ phản ứng Biểu thức Phương pháp tích phân Phản ứng bậc dC rc = = − k C −C = − kt dt Phản ứng bậc C dC rc = = − kC ln C = − kt dt Phản ứng bậc Phương pháp sử dụng để xác định số tốc độ phản ứng Đồ thị, cách so C với t Đồ thị, cách so − ln C với t C0 Đồ thị, cách so 1/C với t 1 dC kt rc = = − kC C − C = dt Phản ứng bão hòa C dC kC kt = K ln + (C0 −Ct ) rc = =− Ct dt K +C Phương pháp vi phân dC rc = = − kC n dt Đồ thị, cách so 1/ t ln(Co / Ct ) với t Phân tích, cách giải n= log[ −( dC 1/ dt )] −log[ −( dC / dt )] log(C1) −log(C2 ) Khi biết bậc phản ứng, số tốc độ phản ứng xác định cách thay thể hình 1-2 số động học phản ứng thiết lập phương pháp tích phân phương pháp vi phân với kết có sai số khơng đáng kể Bên cạnh đó, số công thức xác định tốc độ phản ứng cho số quy trình xử lý cụ thể đưa Thông số nhận sở cho việc xây dựng tính tốn thiết kế cơng nghệ chu trình xử lý nước thải Đây yêu cầu quan trọng áp dụng cho nghiên cứu thực nghiệm tiếp theo, đặc biệt việc thiết kế thiết bị trộn, nơi mà trình xử lý diễn nhanh mạnh nhất./ T¿i lièu tham khÀo Larry D Benefild (1980) Biological Process Design for Wastewater Treatment, D Benefild Larry, W Randall Clifford Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, NJ 07632 K G Denbigh, J C R Turner (1984) Chemical Reactor Theory: An Introduction, Cambridge University Press, third edition Metcalf & Eddy (2014) Wastewater engineering, Treatment and Resource Recovery, Inc McGraw-Hill Education, fifth edition Hoàng Huệ Xử lý nước thải NXB Xây dựng 2005 S¬ 37 - 2020 81 ... trộn Xác định bậc phản ứng số tốc độ phản ứng cách sử dụng tích phân phương pháp sai phân Hệ số nhiệt độ Bởi đa số quy trình xử lý nước thải thực phạm vi nhiệt độ tương đối E hẹp, RT2T1 phương trình. .. loạt, hệ số xác định nhiều phương pháp khác bao gồm (1) phương pháp tích phân (2) phương pháp vi phân Ví dụ việc xác định bậc phản ứng số tốc độ phản ứng Cho tập liệu sau đây, thu sau bể phản ứng. .. biết bậc phản ứng, số tốc độ phản ứng xác định cách thay thể hình 1-2 số động học phản ứng thiết lập phương pháp tích phân phương pháp vi phân với kết có sai số khơng đáng kể Bên cạnh đó, số cơng
