Nghiên cứu xử lý nước kim loại nặng trong nước thải xi mạ bằng pellet reactor

Tính cấp thiết đề tài

Trong những năm gần đây, sự phát triển kinh tế và gia tăng dân số tại Việt Nam đã dẫn đến tình trạng ô nhiễm môi trường nước, đặc biệt là do kim loại nặng từ các hoạt động công nghiệp và giao thông vận tải Việc loại bỏ kim loại nặng khỏi nguồn nước trở nên rất khó khăn với các biện pháp xử lý hiện có.

Nồng độ kim loại nặng trong nguồn nước sinh hoạt vượt mức cho phép có thể gây ra nhiều bệnh hiểm nghèo, đe dọa sức khỏe con người Do đó, nghiên cứu và bảo vệ môi trường, đặc biệt là môi trường nước, trở thành ưu tiên hàng đầu của nhiều quốc gia và tổ chức toàn cầu Ô nhiễm kim loại nặng không chỉ xuất phát từ nước thải công nghiệp và sinh hoạt mà còn từ các nguồn khác như giao thông, đốt than, rác thải, phân bón và thuốc trừ sâu Các kim loại nặng, dù ở dạng khí hay rắn, đều có khả năng gây ô nhiễm nguồn nước khi lắng đọng xuống sông, hồ hoặc thấm vào tầng nước ngầm qua mưa Theo IAEA, hàng năm, độc tố từ kim loại do hoạt động con người gây ra đã vượt qua tổng số độc tố từ chất thải phóng xạ và hữu cơ.

Có nhiều phương pháp xử lý nước thải chứa kim loại nặng như hóa học, hóa lý và sinh học, nhưng việc xử lý ngay tại nguồn ô nhiễm là cách hiệu quả nhất Tại các nhà máy có nước thải vượt quá tiêu chuẩn cho phép, cần áp dụng các quy trình để loại bỏ kim loại nặng trước khi thải ra môi trường Việc xử lý tại nguồn không chỉ giúp thu hồi kim loại mà còn tạo cơ hội tuần hoàn nước và giảm hàm lượng kim loại trong dòng thải trước khi đưa vào trạm xử lý tập trung Nghiên cứu về quá trình xử lý kim loại nặng bằng Bể phản ứng tầng sôi với chi phí thấp và khả năng thu hồi kim loại quý hiếm sẽ giúp giải quyết các vấn đề ô nhiễm này.

III Mục tiêu của nghiên cứu

Nghiên cứu này tập trung vào việc loại bỏ độ cứng và kim loại nặng thông qua phương pháp kết tinh trên bề mặt cát trong bể phản ứng tầng sôi Phương pháp này không chỉ thân thiện với môi trường mà còn có ứng dụng hiệu quả trong xử lý nước cấp và nước thải.

IV Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu khả năng loại bỏ độ cứng và kim loại nặng trong Bể phản ứng tầng sôi

- Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình trao đổi độ cứng và kim loại nặng như pH, lưu lượng nước đầu vào, hàm lượng cát

- Đánh giá đặc tính của hạt seeding trước và sau khi phản ứng

V Đối tượng và phạm vi nghiên cứu a Đối tượng của nghiên cứu

- Nguồn nước giả lập có hàm lượng độ cứng và kim loại nặng được sử dụng để nghiên cứu vật liệu trong phòng thí nghiệm b Phạm vi nghiên cứu

- Phạm vi nghiên cứu của đề tài là nguồn nước giả lập phòng thí nghiệm

VI Ý nghĩa của nghiên cứu a Ý nghĩa khoa học

Nghiên cứu về việc loại bỏ kim loại nặng và khử cứng trong nước thải bằng Bể phản ứng tầng sôi cho thấy hiệu suất cao và chi phí thấp Đồng thời, nghiên cứu còn tập trung vào khả năng phân tách và thu hồi các kim loại nặng, góp phần phục vụ cho sản xuất, mang lại ý nghĩa thực tiễn quan trọng trong việc xử lý nước thải.

Nghiên cứu cho thấy việc áp dụng Bể phản ứng tầng sôi trong xử lý nước mang lại hiệu quả thực tiễn cao, giúp tiết kiệm chi phí hóa chất và đầu tư Phương pháp này không chỉ đơn giản và dễ vận hành mà còn góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường, đảm bảo hiệu quả xử lý nước đáng tin cậy.

VII Phương pháp nghiên cứu a Phương pháp tổng hợp, phân tích

Phân tích, tổng hợp các nghiên cứu trong và ngoài nước, các dữ liệu cần thiết cho nghiên cứu b Phương pháp thực nghiệm

Tiến hành các thí nghiệm khảo sát theo trình tự logic, đảm bảo thời gian thực hiện đủ và kết quả đạt tính đại diện, khách quan, đồng thời giảm thiểu sai số là rất quan trọng trong quá trình nghiên cứu.

4 nghiệm sử dụng phương pháp dòng chảy liên tục để có cái nhìn tổng quan và khả năng ứng dụng thực tế c Phương pháp toán học

Xử lý các số liệu thực nghiệm, tính toán các thông số cho quá trình xử lý d Phương pháp đồ thị

Sử dụng số liệu toán học và dữ liệu thực nghiệm kết hợp với phương pháp đồ thị giúp tạo ra cái nhìn trực quan và toàn diện về kết quả đạt được Điều này không chỉ dễ dàng cho việc phân tích và nhận định mà còn hỗ trợ xác định hướng nghiên cứu hợp lý nhất Phương pháp so sánh cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.

Phương pháp này dùng để đối chiếu các kết quả đã nghiên cứu với nhau nhằm chọn ra kết quả có hiệu suất kết tủa tốt nhất

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

1.1 Vấn đề môi trường hiện nay

Khoảng 71% bề mặt trái đất, tương đương với 361 triệu km², được bao phủ bởi nước, điều này cho thấy tầm quan trọng của nước đối với sự sống Nước là yếu tố thiết yếu cho tất cả các sinh vật trên hành tinh Đáng chú ý, khoảng 80% các loại bệnh tật ở con người có liên quan đến chất lượng nguồn nước sinh hoạt.

Chất lượng nước đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ sức khỏe cộng đồng Tại Việt Nam, người dân chủ yếu sử dụng ba nguồn nước: nước từ sông hồ, giếng khoan, nước mưa và nước máy đã qua xử lý Sự phát triển của các ngành công nghiệp, nông nghiệp và dịch vụ như y tế, du lịch, thương mại đã gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, đặc biệt là sự hiện diện của các ion kim loại trong nước.

Sự tích tụ kim loại nặng, đặc biệt là arsenic (As), ảnh hưởng nghiêm trọng đến đời sống sinh vật thủy sinh và sức khỏe con người qua chuỗi thức ăn Gần đây, nhiều báo cáo từ Ấn Độ, Trung Quốc và Bangladesh đã chỉ ra tác động tiêu cực của As đối với sức khỏe, với ước tính hàng triệu người có nguy cơ ngộ độc Tại Việt Nam, khoảng 10 triệu người ở đồng bằng sông Hồng đang đối mặt với nguy cơ này, trong khi có khoảng 500.000 người có thể bị ảnh hưởng trực tiếp.

Khoảng 1 triệu người ở đồng bằng sông Cửu Long đang phải đối mặt với tình trạng ngộ độc mãn tính do sử dụng nước giếng khoan chứa arsenic (As) (Berg et al., 2007) Tương tự, sự tích tụ cadmium (Cd) trong gan và thận của động vật chăn thả ở Úc và New Zealand ảnh hưởng đến tiêu thụ thịt trong nước và xuất khẩu (McLaughlin et al., 2000) Các ion kim loại như Ca²⁺, Mg²⁺ làm tăng độ cứng của nước khi hòa tan trong dòng nước qua các lớp đất đá và trầm tích Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) khẳng định không có bằng chứng thuyết phục nào cho thấy độ cứng của nước gây hại cho sức khỏe con người Nước cứng chỉ ảnh hưởng đến màu sắc và hương vị của thực phẩm, gây mảng bám trên dụng cụ nhà bếp và thiết bị vệ sinh Trong công nghiệp, nước cứng có thể tạo lớp muối cacbonat trên thiết bị nồi hơi và đường ống, làm giảm khả năng dẫn nhiệt và tiềm ẩn nguy cơ gây nổ do làm tắc nghẽn van an toàn.

Tình trạng ô nhiễm kim loại nặng (KLN) đang gia tăng không chỉ ở các nước phát triển mà còn ở các nước đang phát triển, và xu hướng này ngày càng trở nên nghiêm trọng hơn.

Kim loại nặng như Cr (III), Ni (II), Cd (II), Zn (II), Pb (II) và Cu (II) là những chất ô nhiễm nguy hại, thường xuất hiện với nồng độ cao tại các khu vực sản xuất Tại khu vực hạ lưu sông Swan thuộc Tam giác Công nghiệp Kahuta, nồng độ kim loại nặng cao gấp nhiều lần so với thượng nguồn Cụ thể, nồng độ kim loại nặng trong đất khu vực hạ lưu ghi nhận là 149% đối với Cr, 131% đối với Ni, 176% đối với Cd, 139% đối với Zn và 224% đối với Pb.

Ô nhiễm kim loại nặng (KLN) ở Việt Nam chủ yếu tập trung tại các khu công nghiệp, đô thị và khu khai thác khoáng sản, với nồng độ Pb và Cu tăng lên 182% so với mẫu từ thượng nguồn (Perveen et al., 2017) Theo Báo cáo môi trường quốc gia năm 2011, có đến 90% doanh nghiệp không đáp ứng tiêu chuẩn chất lượng nước thải, và 73% trong số đó thiếu các công trình và thiết bị xử lý nước thải Nước thải chứa hàm lượng lớn các kim loại nặng như Cd, Cu, Fe, Zn, và Cr, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường.

Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu khả năng loại bỏ độ cứng và kim loại nặng trong Bể phản ứng tầng sôi

- Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình trao đổi độ cứng và kim loại nặng như pH, lưu lượng nước đầu vào, hàm lượng cát

- Đánh giá đặc tính của hạt seeding trước và sau khi phản ứng.

Ý nghĩa của nghiên cứu

Nghiên cứu về việc loại bỏ kim loại nặng và khử cứng trong nước thải bằng Bể phản ứng tầng sôi cho thấy hiệu suất cao và chi phí thấp Đồng thời, nghiên cứu cũng tập trung vào khả năng phân tách và thu hồi kim loại, nhằm phục vụ cho sản xuất.

Nghiên cứu cho thấy việc áp dụng Bể phản ứng tầng sôi trong xử lý nước mang lại hiệu quả thực tiễn cao, giúp tiết kiệm chi phí hóa chất và đầu tư Phương pháp này không chỉ đơn giản và dễ vận hành mà còn góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường, đảm bảo hiệu quả xử lý đáng tin cậy.

Phương pháp nghiên cứu

a Phương pháp tổng hợp, phân tích

Phân tích, tổng hợp các nghiên cứu trong và ngoài nước, các dữ liệu cần thiết cho nghiên cứu b Phương pháp thực nghiệm

Tiến hành thí nghiệm khảo sát theo trình tự logic là rất quan trọng, đảm bảo thời gian thực hiện đầy đủ để có được kết quả đại diện và khách quan Quá trình này cần giảm thiểu sai số để đảm bảo tính chính xác của dữ liệu thu thập được.

4 nghiệm sử dụng phương pháp dòng chảy liên tục để có cái nhìn tổng quan và khả năng ứng dụng thực tế c Phương pháp toán học

Xử lý các số liệu thực nghiệm, tính toán các thông số cho quá trình xử lý d Phương pháp đồ thị

Sử dụng số liệu toán học và dữ liệu thực nghiệm kết hợp với phương pháp đồ thị giúp tạo ra cái nhìn trực quan và toàn diện, từ đó dễ dàng phân tích và đánh giá các kết quả đạt được Phương pháp này cũng hỗ trợ trong việc xác định hướng nghiên cứu hợp lý nhất thông qua việc so sánh các dữ liệu.

Phương pháp này dùng để đối chiếu các kết quả đã nghiên cứu với nhau nhằm chọn ra kết quả có hiệu suất kết tủa tốt nhất

TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

Vấn đề môi trường hiện nay

Khoảng 71% bề mặt trái đất, tương đương 361 triệu km², được bao phủ bởi nước, một yếu tố thiết yếu cho sự sống của tất cả các sinh vật Nghiên cứu cho thấy khoảng 80% các bệnh tật ở con người có liên quan đến chất lượng nguồn nước sử dụng trong sinh hoạt.

Chất lượng nước đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ sức khỏe cộng đồng Tại Việt Nam, người dân chủ yếu sử dụng ba nguồn nước: nước từ sông hồ, giếng khoan, nước mưa và nước đã qua xử lý tại các nhà máy Sự phát triển của ngành công nghiệp, nông nghiệp và dịch vụ như y tế, du lịch, thương mại đã dẫn đến ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, đặc biệt là sự hiện diện của các ion kim loại trong nước.

Sự tích tụ kim loại nặng, đặc biệt là arsenic (As), không chỉ ảnh hưởng đến đời sống của các sinh vật thủy sinh mà còn tác động tiêu cực đến sức khỏe con người thông qua chuỗi thức ăn Gần đây, các báo cáo từ Ấn Độ, Trung Quốc và Bangladesh đã chỉ ra tác hại nghiêm trọng của As đối với sức khỏe con người, với ước tính hàng triệu người có nguy cơ bị ngộ độc Tại Việt Nam, khoảng 10 triệu người ở đồng bằng sông Hồng đang phải đối mặt với nguy cơ này, trong khi có khoảng 500.000 người có thể bị ảnh hưởng trực tiếp.

Khoảng 1 triệu người ở đồng bằng sông Cửu Long đang bị ngộ độc mãn tính do sử dụng nước giếng khoan chứa arsenic (As) (Berg et al., 2007) Tương tự, sự tích tụ cadmium (Cd) trong gan và thận của động vật chăn thả ở Úc và New Zealand ảnh hưởng đến tiêu thụ thịt trong nước và xuất khẩu (McLaughlin et al., 2000) Các ion kim loại như Ca²⁺ và Mg²⁺ gây ra độ cứng của nước có thể hòa tan và làm tăng độ cứng khi nước đi qua các lớp đất đá và trầm tích Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) cho biết không có bằng chứng thuyết phục nào cho thấy độ cứng của nước gây hại cho sức khỏe con người Nước cứng chỉ làm thay đổi màu sắc và hương vị của thực phẩm, gây mảng bám trên dụng cụ nhà bếp và thiết bị vệ sinh Trong sản xuất công nghiệp, nước cứng có thể tạo lớp muối cacbonat trên bề mặt thiết bị, giảm khả năng dẫn nhiệt và gây nguy hiểm khi lấp kín van an toàn, dẫn đến quá tải và nổ.

Tình trạng ô nhiễm kim loại nặng (KLN) đang gia tăng không chỉ ở các quốc gia phát triển mà còn ở các nước đang phát triển, và diễn biến này ngày càng trở nên nghiêm trọng hơn.

Kim loại nặng như Cr (III), Ni (II), Cd (II), Zn (II), Pb (II) và Cu (II) là những chất ô nhiễm nguy hại, thường xuất hiện với nồng độ cao ở các khu vực sản xuất Tại khu vực hạ lưu sông Swan thuộc Tam giác Công nghiệp Kahuta, nồng độ kim loại nặng trong nước cao hơn nhiều lần so với thượng nguồn Cụ thể, nồng độ kim loại nặng trong đất ở khu vực hạ lưu cho thấy sự gia tăng đáng kể, với 149% đối với Cr, 131% đối với Ni, 176% đối với Cd, 139% đối với Zn, và 224% đối với Pb.

Ô nhiễm kim loại nặng (KLN) ở Việt Nam chủ yếu xảy ra tại các khu công nghiệp, đô thị và khu khai thác khoáng sản, với mức độ ô nhiễm Pb cao gấp 182% so với Cu (Perveen et al., 2017) Theo Báo cáo môi trường quốc gia năm 2011, có đến 90% doanh nghiệp không đạt tiêu chuẩn xả thải, và 73% trong số đó không có công trình xử lý nước thải Nước thải chứa nhiều kim loại nặng như Cd, Cu, Fe, Zn, và Cr, gây ra những tác động tiêu cực đến môi trường.

Có nhiều phương pháp xử lý nước thải chứa kim loại nặng, bao gồm hóa học, hóa lý và sinh học Tuy nhiên, do kim loại nặng thường phát sinh từ các nguồn nhất định, việc xử lý ngay tại nguồn gây ô nhiễm là cách hiệu quả nhất Tại các nhà máy có nước thải chứa hàm lượng kim loại nặng vượt quá tiêu chuẩn cho phép, cần áp dụng các quy trình xử lý để loại bỏ kim loại nặng trước khi thải ra môi trường.

Các phương pháp xử lý độ cứng và kim loại nặng

Kỹ thuật tách vật lý chủ yếu được áp dụng cho kim loại dạng hạt, bao gồm các phương pháp như sàng lọc cơ học, tuyển nổi, tách từ và tách tĩnh điện Hiệu quả của quá trình tách vật lý phụ thuộc vào các đặc tính như phân bố kích thước hạt, hình dạng hạt, độ ẩm, mật độ kim loại gây ô nhiễm và tính kỵ nước của bề mặt hạt Trong khi đó, để loại bỏ kim loại nặng trong nước thải, các quá trình hóa học thường được sử dụng bao gồm tuyển nổi, hấp phụ, trao đổi ion và lắng đọng điện hóa.

1.2.2 Phương pháp dùng hóa chất kết tủa

Kết tủa hóa học là phương pháp phổ biến để loại bỏ kim loại nặng từ nước thải vô cơ trong ngành công nghiệp nhờ vào nguyên lý hoạt động đơn giản Quá trình này tạo ra các kết tủa không tan của kim loại nặng, bao gồm hydroxide, sulfide, carbonat và phosphate.

Quá trình kết tủa kim loại không tan từ các kim loại hòa tan trong dung dịch diễn ra khi chất kết tủa được thêm vào, tạo ra các hạt mịn liên kết với nhau Khi kích thước hạt tăng dần, chúng sẽ được loại bỏ như bùn, và các kim loại kết tủa ở nồng độ thấp sẽ dễ dàng được tách ra Để tối ưu hóa tỷ lệ loại bỏ ion kim loại trong dung dịch, có thể điều chỉnh các thông số như độ pH, nhiệt độ và nồng độ ban đầu Kỹ thuật kết tủa phổ biến nhất là sử dụng nhóm hydroxit, do tính đơn giản, chi phí thấp và khả năng kiểm soát pH dễ dàng Tính tan của nhóm hydroxit kim loại thay đổi trong khoảng pH từ 8.0 đến 11.0 (Gunatilake, 2015).

Trong quá trình khử cứng nước, phương pháp xử lý hóa chất được áp dụng để kết hợp các ion Ca2+ và Mg2+ hòa tan thành các hợp chất không tan, dễ lắng và lọc Những hóa chất thường được sử dụng để làm mềm nước bao gồm vôi, soda (Na2CO3), xút (NaOH), bari hydroxit (Ba(OH)2) và natri photphat (Na3PO4).

1.2.3 Phương pháp keo tụ - tạo bông

Phương pháp keo tụ xử lý nước bằng cách thêm hóa chất keo tụ, giúp các hạt nhỏ kết tụ thành hạt lớn hơn và lắng xuống Quá trình keo tụ tạo bông thường diễn ra qua hai giai đoạn chính.

Giai đoạn 1: Bản thân chất keo tụ phát sinh thủy phân, quá trình hình thành dung dịch keo và ngưng tụ

Giai đoạn 2: Trung hòa, khử trùng, lọc các tạp chất trong nước

Việc bổ sung polymer hữu cơ giúp cải thiện hiệu suất của quá trình xử lý nước Khi các cặn trong nước kết dính lại thành bông cặn lớn, chúng sẽ lắng xuống và dễ dàng được loại bỏ.

Phục hồi điện phân là công nghệ hiệu quả để loại bỏ kim loại từ nước thải, sử dụng điện chạy qua dung dịch nước với cathode và anode không hòa tan Quá trình này dựa vào sự chuyển động của electron để xử lý nước thải chứa kim loại nặng, kết tủa chúng trong axit yếu hoặc hydroxit Các phương pháp điện hóa như điện tích tụ, đốt điện, điện nổi và electro-oxy hóa đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.

Quá trình điện – keo tụ chất kết tủa diễn ra tại chỗ thông qua việc oxy hóa điện của vật liệu cực dương thích hợp Trong quá trình này, ion kim loại tích điện được loại bỏ bằng cách phản ứng với anion trong nước thải Quá trình này nổi bật với việc giảm sản sinh bùn, không cần sử dụng hóa chất và dễ dàng vận hành.

Màng lọc đang trở thành một giải pháp quan trọng trong xử lý nước thải vô cơ, với khả năng loại bỏ các chất rắn lơ lửng nhỏ, hợp chất hữu cơ và ô nhiễm vô cơ như kim loại nặng Tùy thuộc vào kích thước hạt cần loại bỏ, các công nghệ màng lọc như siêu lọc, lọc nano và thẩm thấu ngược có thể được áp dụng để hiệu quả xử lý kim loại nặng trong nước thải.

Các loại màng lọc trên thị trường hiện nay như: Microfiltration (MF), Ultrafiltration (UF), Nanofiltration (NF), màng lọc thẩm thấu ngược (RO),…

1.2.6 Phương pháp trao đổi ion

Trao đổi ion là phương pháp phổ biến trong ngành công nghiệp xử lý nước, được biết đến với hiệu quả chi phí và dễ dàng vận hành Phương pháp này rất hiệu quả trong việc loại bỏ kim loại nặng, đặc biệt là trong nước có nồng độ kim loại thấp Nguyên tắc của trao đổi ion dựa trên tương tác hóa học giữa các ion trong pha lỏng và pha rắn, thông qua các phản ứng hóa học đổi chỗ Nhựa trao đổi ion có khả năng hấp thu ưu tiên các ion trong pha lỏng, giúp chúng dễ dàng thay thế các ion trên khung mang.

Quá trình trao đổi ion trong nhựa trao đổi phụ thuộc vào loại nhựa và các ion khác nhau Các ion dương trong nhựa cation, như ion hydro và natri, có thể được thay thế bởi các ion dương như niken, đồng và kẽm Tương tự, các ion âm trong nhựa như hydroxyl và clorua có thể được thay thế bởi các ion âm như cromat, sunfat, nitrat, xianua và carbon hữu cơ hòa tan (DOC).

Có hai phương pháp sử dụng nhựa trao đổi ion: phương pháp trao đổi với lớp nhựa chuyển động, hoạt động và tái sinh liên tục, và phương pháp trao đổi với lớp nhựa tĩnh, hoạt động và tái sinh gián đoạn Trong đó, phương pháp trao đổi ion với lớp nhựa tĩnh được ưa chuộng hơn.

 Thứ tự tự ưu tiên khi trao đổi Đối với nhựa cationit acid mạnh:

Fe 3+ > Al 3+ > Ca 3+ > Mg 2+ > K + > H + > Li + Đối với nhựa cationit acid yếu:

Hệ thống trao đổi ion trong nhựa anionit kiềm yếu có thứ tự ưu tiên như sau: H + > Fe 3+ > Al 3+ > Ca 2+ > Mg 2+ > K + > Na + > Li + Ở nồng độ ion thấp và nhiệt độ thường, khả năng trao đổi ion tăng lên khi bán kính hydrat hóa lớn Tuy nhiên, ở nồng độ ion cao, khả năng trao đổi giữa các ion không có sự khác biệt rõ rệt.

 Cơ chế trao đổi ion

Qúa trình trao đổi ion có thể biểu diễn:

R - I + là cationit vì nó có ion dương I + có thể trao đổi được với ion M + trong dung dịch,

R + Y là anionit có khả năng trao đổi với các ion âm X - trong dung dịch R - , R + là mạng chất không tan của chất trao đổi ion, bao gồm mạng polymer ba chiều với các liên kết hydrocacbon Các nhóm chức điện tích âm như SO3 - và COO - được sử dụng cho cationit, trong khi nhóm chức điện tích dương NR + được áp dụng cho anionit.

10 là H + hay Na + , tương ứng nó được gọi là cationit dạng H + hay Na + Anionit cũng thường tồn tại ở hai dạng là Cl - và OH -

Trong lớp điện tích kép, ion được phân chia thành hai loại: lớp hấp phụ và lớp khuếch tán Lớp hấp phụ, hay còn gọi là lớp cố định, chứa các ion hoạt động kém, bám chặt vào bề mặt cao phân tử, bao gồm lớp ion bên trong và một phần ion ngược dấu Bên ngoài lớp hấp phụ là lớp khuếch tán, nơi chứa các ion hoạt động mạnh có khả năng khuếch tán vào dung dịch Khi nhựa trao đổi ion tiếp xúc với dung dịch nước có chất điện giải, các phản ứng quan trọng sẽ diễn ra.

Lý thuyết Bể phản ứng tầng sôi

Hệ thống làm mềm nước bằng Bể phản ứng tầng sôi bắt nguồn và được sử dụng phổ biến ở Châu Âu

Pellet reactor, hay còn gọi là bể phản ứng tầng sôi, là công nghệ tiên tiến và hiệu quả trong việc loại bỏ ô nhiễm và làm mềm nước Bể phản ứng này bao gồm một cột phản ứng tầng sôi, nơi nước được bơm vào cùng với hóa chất Bề mặt hạt cát (seeding material) giúp kết tinh kim loại nặng và độ cứng trong nước Các hóa chất như vôi và soda thường được thêm vào để khử độ cứng và kim loại nặng (Adaco et al., 2005).

PR tận dụng ưu điểm của phương pháp sử dụng hóa chất vôi/soda nhờ tính đơn giản, hiệu suất cao và chi phí thấp, đồng thời khắc phục nhược điểm như tốn diện tích xây bể lắng và phát sinh bùn thải Quá trình này còn giúp loại bỏ sắt, trong khi các kim loại khác như mangan đòi hỏi điều kiện xử lý phức tạp hơn.

Khi nước dòng vào đưa vào PR từ dưới lên, ngay tại vùng trộn lẫn của “cát-Ca 2+ -Ni 2+

Dòng chảy đẩy nước lên phía trên qua tầng sôi của cát, dẫn đến sự hình thành tinh thể CaCO3 và NiCO3 trên bề mặt hạt cát Các hạt CaCO3 và NiCO3 này kết tinh dày lên, có thể đạt kích thước gấp 5 lần hạt cát ban đầu Nước sau phản ứng được thu thập từ ống trên của PR Khi cát và CaCO3 đạt kích thước và khối lượng nhất định, chúng sẽ lắng xuống đáy của PR, trong khi đó cần duy trì sự hoạt động của tầng sôi.

13 động ổn định, cần phải thay cát mới Khác với bùn thải, Cát sau xử lý là một sản phẩm có thể tái sử dụng

Các phản ứng xảy ra trong PR như sau:

CaCO3 + NiCO3 + cát → Cát sau xử lý a) Ưu điểm của PR:

- Loại bỏ Canxi và SS một cách hiệu quả

- Có thể thay thế hệ thống hạt zeolit

- Kích thước PR tương đối nhỏ gọn, dễ lắp đặt, có thể xử lý cột chạy liên tục trong nhiều ngày

- Không tốn nhiều chi phí đầu tư hệ thống, cát dễ tìm, giá thành rẻ, dễ xử lý

Hạt Cát sau khi xử lý có thể dễ dàng tách ra khỏi PR khi đạt kích thước nhất định Chúng có nhiều ứng dụng hữu ích như sử dụng làm vôi trong nông nghiệp, làm chất phụ gia cho thức ăn gia súc, trung hòa nước thải có tính acid, và làm nguyên liệu trong ngành công nghiệp chế biến xi măng cũng như xây dựng, đồng thời có thể dùng để lấp đầy rãnh đường.

- Sử dụng PR trước TĐI có thể giảm “gánh nặng” về độ cứng, giúp nhựa sử dụng được lâu hơn b) Nhược điểm của PR:

Để đảm bảo chất lượng nước đạt yêu cầu, pH đầu ra có thể cần được điều chỉnh cao hơn, nhằm phù hợp với nhu cầu sử dụng hoặc để thuận lợi cho các giai đoạn xử lý tiếp theo.

- Chú ý không để cát bị hút vào trong bơm nhu động và bơm định lượng vì có thể gây hư hỏng bơm

Nước sau khi xử lý từ PR có độ pH cao hơn so với nước ban đầu, và có thể được điều chỉnh pH bằng cách sục khí CO2 vào nước đầu ra Bên cạnh đó, nước sau xử lý cũng có thể xuất hiện màu sắc khác biệt.

14 trắng đục nếu có một số vấn đề liên quan đến tầng sôi của cát hoặc lưu lượng bơm vượt mức cho phép

Khi các hạt CaCO3 được hình thành, nếu không có cát làm giá thể, chúng sẽ tự tạo nhân một cách tự nhiên Tuy nhiên, khi có cát trong môi trường nước, cát sẽ trở thành mầm để các hạt CaCO3 bám vào, dẫn đến sự gia tăng bám dính Quá trình này nhanh chóng chuyển sang giai đoạn phát triển hạt, kết quả là kích thước và khối lượng của hạt cát tăng lên đáng kể.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Vật liệu và thiết bị

2.1.1 Hóa chất và thiết bị sử dụng

Hóa chất sử dụng bao gồm Murexide (LabChem, Mỹ), H2SO4, NaCl, HCl, KCl (HaiAu Int., Trung Quốc), NaOH, NiCl2.6H2O, CaCl2, MgCl2, CH3COOH (Đức Việt, Trung Quốc), EDTA (Tuấn Phát, Nhật) và một số hóa chất khác.

Tủ sấy (Memmert UN55), Máy lắc (SK-0330), Máy đo pH (Mettler Toledo S220-K), Máy đo kim loại nặng (Metrohm 797 VA Computrace)

Nghiên cứu này sử dụng hai loại nước: nước giả lập có nồng độ canxi cao từ 200 mg/L đến 1200 mg/L, được pha chế từ nước và hóa chất CaCl2.5H2O, và nước thải được mô phỏng dựa trên thành phần của nước thải xi mạ công nghiệp, cụ thể theo thông số trong bảng 2.1.

Bảng 2.1 Thành phần tính chất nước thải xi mạ

Thông số Đơn vị Nước thải xi mạ niken

Sulfate mg/L 84700 – 88560 Độ dẫn điện mS/cm 84 – 86 pH - 6.7 – 6.8

2.2 Vận hành bể phản ứng tầng sôi

Bể phản ứng tầng sôi được thiết kế với cột thủy tinh có đường kính 2 cm và chiều cao 2.0 m, bên trong được lấp đầy 0.5 m cát (50g) Cát xây dựng được mua và được sàng lọc để đạt kích thước hạt phù hợp.

Bể phản ứng có đường kính lớn hơn giúp giảm tốc độ nước đi lên, ngăn chặn hiện tượng cát bị lôi kéo ra ngoài Trong quá trình vận hành, nước thải được bơm từ dưới lên, đi xuyên qua lớp vật liệu với tốc độ phù hợp để tối ưu hóa quá trình giản nỡ Đồng thời, hỗn hợp hóa chất NaOH và Na2CO3 được bổ sung vào vị trí dưới bể phản ứng với lưu lượng 1L/h để điều chỉnh pH và tỉ lệ carbonate, nhằm đạt được các phản ứng hóa học cần thiết Khối lượng Na2CO3 và NaOH được xác định dựa trên tỉ lệ mole R.

CO3 2-/[Ni 2+ ] + [Ca 2+ ] và liều lượng NaOH Tất cả thí nghiệm được vận hành trong thời gian 6h

Ni 2+ + 2 OH -  Ni(OH) 2 , Ksp = 5.48 10 -16 (2)

Hình.2.1 Hình dạng của bể phản ứng tầng sôi

2.2.1 Loại bỏ độ cứng trong nước Ảnh hưởng của vận tốc bề mặt SV (hoặc thời gian lưu nước HRT)

Vận tốc bề mặt trong PR liên quan mật thiết đến thời gian lưu nước trong PR, thời gian tiếp xúc hóa chất với chất cần xử lý

Vận tốc bề mặt trong quá trình PR đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì sự ổn định của tầng sôi cát Nếu vận tốc này quá thấp, tầng sôi sẽ không được hình thành Ngược lại, nếu vận tốc quá cao, thời gian tiếp xúc sẽ giảm, dẫn đến hiệu suất phản ứng không đạt yêu cầu và có thể làm cát trào ra khỏi cột PR.

Vì vậy, để nâng cao hiệu suất phản ứng, phải tiến hành khảo sát giá trị của vận tốc bề mặt trong PR

Lắp đặt mô hình như sơ đồ hình 2.2:

Hình 2.2: Sơ đồ lắp đặt các thiết bị trong hệ thống PR

Để chuẩn bị mẫu nước có độ cứng 530 ppm as CaCO3, đầu tiên, cho 50 gram cát và một ít cát hạt lớn (d = 1 mm) vào PR từ cửa trên Bật bơm nước số 1 và điều chỉnh lưu lượng Q = 7,2 L/h để đạt vận tốc bề mặt trong PR là 35.29 m/h Khi tầng sôi của cát đã ổn định, mở bơm số 2 để bơm dung dịch Na2CO3 0.025 M với lưu lượng phù hợp Lấy mẫu nước sau mỗi 60 phút trong vòng 6 tiếng để đo pH và độ đục.

Bể chứa nước đầu vào

SS, Ca 2+ Đo các chỉ tiêu ngay sau khi lấy mẫu Lặp lại thí nghiệm với các lưu lượng Q 7.2; 8.1; 9; 10.1; 11.2; 12.1; 13.1; 14 và 15.1 L/h Ảnh hưởng của kích thước hạt cát:

Kích thước hạt cát có ảnh hưởng lớn đến diện tích bề mặt, nơi mà phản ứng giữa ion Ca 2+ và ion CO 3 2− diễn ra Khi kích thước hạt nhỏ hơn, diện tích bề mặt tăng lên, dẫn đến hiệu suất phản ứng cao hơn; ngược lại, kích thước hạt lớn hơn sẽ làm giảm hiệu suất.

Tuy nhiên, hạt càng nhỏ thì càng nhẹ, tầng sôi không ổn định, điều này ảnh hưởng đến hiệu suất

Vì vậy, để chọn được kích thước hạt phù hợp cho bơm tạo được tầng sôi ổn định, ta phải khảo sát kích thước hạt cát

Tiến hành thí nghiệm bằng cách lắp đặt mô hình theo hình 2.2 và thực hiện các bước như đã nêu trong mục 3.6.2 Đảm bảo duy trì lưu lượng Q = 7.2 L/h và lặp lại các thí nghiệm với các kích thước hạt khác nhau.

= 0.1; 0.2; 0.3; 0.4 và 0.6 mm Ảnh hưởng của khối lượng cát:

Khối lượng cát và kích thước hạt đều ảnh hưởng đến diện tích tiếp xúc trong phản ứng Nếu khối lượng hạt quá ít, diện tích tiếp xúc hạn chế, dẫn đến hiệu suất kém Ngược lại, nếu khối lượng hạt quá nhiều, cát có thể trào ra ngoài, ảnh hưởng đến hiệu suất Do đó, việc khảo sát khối lượng cát là cần thiết để chọn ra khối lượng phù hợp.

Tiến hành thí nghiệm bằng cách lắp đặt mô hình theo hình 2.2 và thực hiện các bước như mục 3.6.2 Giữ nguyên lưu lượng Q ở mức 7.2 L/h và kích thước hạt d là 0.104 mm Lặp lại các thí nghiệm với khối lượng hạt m thay đổi từ 30 g đến 150 g.

Khả năng khử Canxi thay đổi tùy theo nồng độ, do đó, để nâng cao tính ứng dụng của mô hình trong thực tế, cần khảo sát khả năng khử Canxi của mẫu nước với độ cứng khác nhau ở mỗi địa điểm.

Tiến hành thí nghiệm: lắp đặt mô hình như hình 2.2, vận hành các bước như mục 3.6.2, giữ nguyên lưu lượng Q = 7.2 L/h, kích thước hạt d = 0.104 mm, khối lượng hạt m

= 90 (gram), lặp lại các thí nghiệm với nồng độ Canxi ban đầu khác nhau từ 200 ppm đến

Bảng 2.1 tóm tắt các quá trình vận hành của Bể phản ứng tầng sôi, nhằm khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất loại bỏ canxi.

Bảng 2.1 Điều kiện vận hành

Kích cỡ hạt, mm Sand mass, g [Ca 2+ ], mgCaCO3/l

2.2.2 Loại bỏ độ cứng và kim loại nặng trong nước thải

Sau khi tiến hành khảo sát quá trình loại bỏ canxi, nước thải được mô phỏng với thành phần từ nước thải xi mạ, theo các thông số đầu vào được trình bày trong bảng 2.1 Nước thải này sau đó được đưa vào hệ thống xử lý.

Bể phản ứng tầng sôi từ bên dưới bể với các thông số vận hành: lưu lượng nước khoảng 14

L/h, tỉ lệ [CO3 2-]/[Ni 2+ ] + [Ca 2+ ] từ 2 đến 8 và liều lượng NaOH được giữ trong khoảng 0.2 đến 0.8 g/L

2.3 Phân tích mẫu: pH trước và sau phản ứng được đo bằng máy pH (Mettler Toledo S220-K), Nồng độ Canxi được đo bằng phương pháp chuẩn độ EDTA và nồng độ Niken được đo bằng máy quang phổ (Metrohm 797 VA Computrace) Kết quả của các hạt cát sẽ được phân tích thành phần kết tủa với XRD và SEM tại Trung tâm Nghiên cứu triển khai – Khu Công nghệ cao

Hiệu quả loại bỏ canxi và niken được tính theo công thức:

Trong đó Cin là nồng độ ban đầu (mM), Ctot nồng độ tổng (không lọc) (mM),

Csol nồng độ hũa tan của canxi / niken đầu ra (sau khi lọc bằng giấy lọc MF 0.45àm) (mM)

Nồng độ trung bình sẽ được tính dựa trên 4 lần đo (từ thời gian 3h đến 6h vận hành liên tục)

/ (%)   in tot sol in NF

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

3.1 Khử cứng bằng bể phản ứng tầng sôi

3.1.1 Ảnh hưởng của tỉ lệ mol [CO 3 2− ]/[Ca 2+ ] đến hiệu quả khử canxi Ảnh hưởng của tỉ lệ mol[CO3 2−]/[Ca 2+ ] được tiến hành nhằm xác định tỉ lệ thích hợp cho quá trình loại bỏ độ cứng ra khỏi nước bằng cách thêm dung dịch Na2CO3 (Hình 4.1) Theo lý thuyết, tỉ lệ [CO3 2−]/ [Ca 2+ ] = 1 sẽ đủ để đạt được hiệu suất 100% Tuy nhiên, hiệu quả khử cứng khi làm gián đoạn và khi chạy trong bể phản ứng tầng sôi chỉ có 89% và 85% tương ứng với nồng độ canxi là 61 va 82 mg CaCO3/L Hiệu quả loại bỏ canxi của thí nghiệm gián đoạn cao hơn do thời gian lưu nước = 3 phút trong quá trình chạy liên tục của bể phản ứng tầng sôi với lưu lượng 7.2 L/h Sự gia tăng lượng Na2CO3 do đó làm tăng tỉ lệ [CO3 2-]/[Ca 2+ ] sẽ làm gia tăng hiệu quả loại bỏ canxi Với nồng độ CO3 2- cao, độ bảo hòa cao, do đó dẫn đến quá trình kết tinh nhanh Tuy nhiên, khi tỉ lệ [CO3 2-

]/[Ca 2+ ] cao hơn 1.2, hiệu quả khử cứng dường như không tăng (Hình 3.1)

Hình 3.1 Ảnh hưởng của[CO3 2−]/[Ca 2+ ) đến hiệu quả loại bỏ canxi khi nồng độ Canxi 550 mgCaCO3/L (HRT = 3 phút)

Hiệu quả loại bỏ canxi, %

Calcium hardness removal - BE Calcium hardness removal -PR pH out - BE pH out - PR

Loại bỏ Canxi – Theo mẻ pH ra – PR

Loại bỏ Canxi – Theo mẻ

Loại bỏ Canxi – Theo mẻ pH ra – Theo mẻ

Loại bỏ Canxi – Theo mẻ

Phân tích mẫu

pH trước và sau phản ứng được xác định bằng máy pH Mettler Toledo S220-K Nồng độ Canxi được đo bằng phương pháp chuẩn độ EDTA, trong khi nồng độ Niken được xác định qua máy quang phổ Metrohm 797 VA Computrace Các hạt cát sẽ được phân tích thành phần kết tủa bằng phương pháp XRD và SEM tại Trung tâm Nghiên cứu triển khai – Khu Công nghệ cao.

Hiệu quả loại bỏ canxi và niken được tính theo công thức:

Trong đó Cin là nồng độ ban đầu (mM), Ctot nồng độ tổng (không lọc) (mM),

Csol nồng độ hũa tan của canxi / niken đầu ra (sau khi lọc bằng giấy lọc MF 0.45àm) (mM)

Nồng độ trung bình sẽ được tính dựa trên 4 lần đo (từ thời gian 3h đến 6h vận hành liên tục)

/ (%)   in tot sol in NF

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

3.1 Khử cứng bằng bể phản ứng tầng sôi

3.1.1 Ảnh hưởng của tỉ lệ mol [CO 3 2− ]/[Ca 2+ ] đến hiệu quả khử canxi Ảnh hưởng của tỉ lệ mol[CO3 2−]/[Ca 2+ ] được tiến hành nhằm xác định tỉ lệ thích hợp cho quá trình loại bỏ độ cứng ra khỏi nước bằng cách thêm dung dịch Na2CO3 (Hình 4.1) Theo lý thuyết, tỉ lệ [CO3 2−]/ [Ca 2+ ] = 1 sẽ đủ để đạt được hiệu suất 100% Tuy nhiên, hiệu quả khử cứng khi làm gián đoạn và khi chạy trong bể phản ứng tầng sôi chỉ có 89% và 85% tương ứng với nồng độ canxi là 61 va 82 mg CaCO3/L Hiệu quả loại bỏ canxi của thí nghiệm gián đoạn cao hơn do thời gian lưu nước = 3 phút trong quá trình chạy liên tục của bể phản ứng tầng sôi với lưu lượng 7.2 L/h Sự gia tăng lượng Na2CO3 do đó làm tăng tỉ lệ [CO3 2-]/[Ca 2+ ] sẽ làm gia tăng hiệu quả loại bỏ canxi Với nồng độ CO3 2- cao, độ bảo hòa cao, do đó dẫn đến quá trình kết tinh nhanh Tuy nhiên, khi tỉ lệ [CO3 2-

]/[Ca 2+ ] cao hơn 1.2, hiệu quả khử cứng dường như không tăng (Hình 3.1)

Hình 3.1 Ảnh hưởng của[CO3 2−]/[Ca 2+ ) đến hiệu quả loại bỏ canxi khi nồng độ Canxi 550 mgCaCO3/L (HRT = 3 phút)

Hiệu quả loại bỏ canxi, %

Calcium hardness removal - BE Calcium hardness removal -PR pH out - BE pH out - PR

Loại bỏ Canxi – Theo mẻ pH ra – PR

Loại bỏ Canxi – Theo mẻ

Loại bỏ Canxi – Theo mẻ pH ra – Theo mẻ

Loại bỏ Canxi – Theo mẻ

Hiệu quả loại bỏ canxi đạt tối đa 90.2% khi tỉ lệ CO3 2-/Ca 2+ là 1.2 Khi kết tủa calcium carbonate xảy ra, sự loại bỏ ion CO3 2- từ dung dịch bão hòa làm dịch chuyển cân bằng phản ứng, giải phóng proton và dẫn đến giảm pH Kết quả thí nghiệm cho thấy sự loại bỏ canxi cao hơn trong bể phản ứng tầng sôi, dẫn đến pH đầu ra thấp hơn so với các phương pháp khác.

Ping Zhou và các cộng sự (1990) đã quan sát thấy rằng khi tỉ lệ carbonate trên kim loại tăng từ 1.5/1 đến 4/1, hiệu quả loại bỏ kim loại nặng tăng lên Tuy nhiên, khi tỉ lệ tiếp tục tăng, hiệu quả loại bỏ kim loại có xu hướng giảm, do hiện tượng kết tủa rời rạc dẫn đến nồng độ kim loại nặng trong đầu ra tăng.

3.1.2 Ảnh hưởng của vận tốc nước đi lên đến hiệu quả khử canxi

Hiệu quả loại bỏ canxi giảm khi tốc độ nước đi lên tăng từ 35.3 đến 74.1 m/h, dẫn đến thời gian lưu nước giảm từ 3.1 xuống 1.5 phút Tăng tốc độ làm tăng phần trăm giản nỡ của lớp vật liệu từ 252% đến 300%, nhưng đồng thời giảm diện tích bề mặt trên một đơn vị thể tích, gây giảm hiệu quả khử cứng từ 91.2% xuống 78.5% Khi tốc độ tăng, hiệu quả loại bỏ canxi trong bể phản ứng tầng sôi cũng giảm do thời gian lưu nước ngắn Hiện tượng này xảy ra khi tốc độ dẫn nước tăng từ 59.1 đến 64.4 m/h, khiến phản ứng giữa Ca²⁺ và CO₃²⁻ không hoàn tất, dẫn đến kết tủa CaCO₃ bị trôi ra khỏi bể và làm giảm hiệu quả loại bỏ canxi, đồng thời tăng nồng độ chất rắn lơ lửng trong nước sau xử lý Do đó, tốc độ nước đi lên nên được giữ nhỏ hơn 59.1 m/h để đảm bảo hiệu quả giản nỡ của lớp vật liệu và tránh hiện tượng cát bị trôi ra ngoài.

Hình 3.2 Ảnh hướng của vận tốc nước đi lên đến hiệu quả loại bỏ canxi (a) và chất rắn lơn lửng đi ra (b)

4.1.3 Ảnh hưởng của kích cỡ hạt cát và khối lượng đến hiệu quả xử lý

Hình 3.3 cho thấy ảnh hưởng của kích cỡ hạt cát trong bể phản ứng tầng sôi đến hiệu quả loại bỏ canxi ở vận tốc 35.3 m/h, với sự phát triển của các hạt kết tinh CaCO3 trên bề mặt cát phụ thuộc vào kích cỡ hạt (Lieser, 1969) Quá trình loại bỏ CaCO3 diễn ra thông qua sự kết tinh CaCO3 trên hạt cát, bao gồm bốn bước, trong đó quá trình tạo hạt nhân và sự phát triển là quan trọng nhất (Lieser, 1969) Ripening và kết tinh lại không đáng kể trong bể phản ứng tầng sôi Hạt nhân hình thành các tinh thể mới, trong khi sự tăng trưởng là sự gia tăng kích thước tinh thể thông qua lắng đọng các ion, nguyên tử hoặc phân tử riêng lẻ (Wilard et al., 1992).

35 45 55 65 75 Độ giãn nở lớp VL, %

Hiệu quả loại bỏ canixi%

35 45 55 65 75 Độ giãn nở lớp VL, %

Nồng độ chất rắn đầu ra, mg/L

Vận tốc nước đi lên, m/h

Kích thước hạt cát nhỏ hơn dẫn đến số lượng hạt nhiều hơn, từ đó thúc đẩy quá trình kết tinh canxi cacbonat hiệu quả hơn Điều này giúp loại bỏ canxi và giảm lượng chất rắn lơ lửng trong nước Tuy nhiên, khi kích thước cát nhỏ hơn 0.3 mm, độ cứng canxi còn lại và chất rắn lơ lửng không có sự khác biệt đáng kể giữa các kích thước 0.1 mm, 0.2 mm và 0.3 mm Ngược lại, khi kích thước cát tăng từ 0.3 mm lên 0.6 mm, độ cứng canxi và chất rắn lơ lửng tăng mạnh.

Khi khối lượng hạt cát trong PR tăng, diện tích cho quá trình tạo mầm cũng tăng, dẫn đến hiệu quả loại bỏ canxi cải thiện Cụ thể, khi khối lượng cát tăng từ 30 đến 150g, nồng độ canxi còn lại trong nước thải giảm từ 88 đến 24 mg/L Tuy nhiên, khi khối lượng cát vượt quá mức này, hiệu quả loại bỏ canxi có xu hướng giảm nhẹ Nguyên nhân là do với cùng một vận tốc bề mặt, khối lượng cát cao hơn khiến lớp vật liệu không thể giãn nở mạnh, dẫn đến diện tích bề mặt tiếp xúc giảm và tiềm năng tạo mầm cũng giảm theo.

Hình 3.3: Ảnh hưởng của kích cỡ hạt đến khả năng loại bỏ canxi

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 N ồng độ chấ t r ắn đầu ra, m g/ L Đ ộ cứ ng ca nxi , m gC aCO 3/ L

Suspended solidResidual Calcium HardnessNồng độ chất rắn lơ lửng đầu raHàm lượng canxi còn lại, mg/L

Hình 3.4: Ảnh hưởng của khối lượng hạt đến khả năng loại bỏ canxi

4.1.4 Ảnh hưởng của nồng độ canxi đầu vào

Nồng độ canxi đầu vào ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả loại bỏ canxi, như thể hiện trong Hình.3.5 Khi nồng độ canxi tăng từ 200 mg CaCO3/L lên 600 mg CaCO3/L, hiệu quả loại bỏ tăng nhanh từ 86% lên 96% Tuy nhiên, khi nồng độ canxi tiếp tục tăng lên 1200 mg/L, sự gia tăng hiệu quả diễn ra chậm hơn Ở nồng độ cao, độ bão hòa tăng lên, dẫn đến hiệu quả quá trình kết tinh cũng tăng theo Điều này càng được củng cố khi tỷ lệ mol [CO3 2-]/[Ca 2+] tăng lên.

Hình 3.5 Ảnh hưởng của nồng độ Canxi đến hiệu quả loại bỏ canxi

H iệu quả loại bỏ C anxi, %

Nồng độ Canxi đầu vào, mgCaCO3/L Calcium Hardness removal efficiencies, % pH

30 60 90 120 150 pH Độ cứ ng ca nx i, m gCaCO 3/ L

Khối lượng cát cho vào, g

Hiệu quả loại bỏ canxi, %

Kết quả chụp phổ XRD

Sự khác biệt giữa phổ của hai mẫu không đáng kể do thời gian thí nghiệm hạn chế, chỉ kéo dài từ 4-6 giờ trước khi thay cát mới Khoáng silicate chiếm tỉ trọng lớn trên đỉnh phổ, khiến các khoáng khác có tỉ trọng thấp hơn Thời gian thí nghiệm ngắn cũng dẫn đến sự lưu bám của các khoáng, đặc biệt là CaCO3, lên cát ở mức thấp.

Theo phân tích XRD của hai mẫu cát trước và sau xử lý, các khoáng chất khác nhau được xác định tại các góc θ khác nhau Trong mẫu cát sau xử lý, các khoáng được phát hiện bao gồm Calcite (CaCO3) với tỷ lệ 9.17% và Ankerite (Ca[Fe(II),Mg](CO3)2).

Trong nghiên cứu, hàm lượng các khoáng chất trong mẫu cát được xác định với tỷ lệ 1.47% Calcite CaCO3, 5.48% Dolomite CaMg(CO3)2 và phần còn lại là Quartz SiO2 Bảng 3.1 trình bày các vị trí có sự xuất hiện cao của khoáng Calcium So với mẫu cát chưa qua xử lý, tại các vị trí θ = 29.5° và 36°, hai đỉnh peak xuất hiện cho thấy sự kết tủa CaCO3 đã hình thành trên bề mặt cát.

Hình 3.6: Đồ thị biểu diễn kết quả chụp XRD của hai mẫu cát

Bảng 3.1 Tổng hợp kết quả chụp XRD

So sánh kết quả chụp phổ XRD của hai mẫu cát

Mẫu ban đầu Mẫu sau xử lý

Ca[Fe(II),Mg](CO3)2 31

Kết quả chụp XRD cho thấy chủ yếu là khoáng Calcite ở các vị trí góc θ, trong khi một số ít là khoáng của Magie và Sắt Điều này cho phép chúng ta kết luận rằng CaCO3 được hình thành từ phản ứng hóa học và bám dính vào cát.

STT Mẫu ban đầu Mẫu sau xử lý

Hình 3.7a: Mẫu ban đầu Hình 3.7b: Mẫu sau xử lý

Hình 3.7c: Mẫu ban đầu, x5000 Hình 3.7d: Mẫu sau xử lý, x5000

Hình ảnh so sánh trước và sau khi loại bỏ độ cứng cho thấy sự hình thành canxi kết tủa trên bề mặt hạt cát, dẫn đến sự kết tinh của CaCO3 Tuy nhiên, do thời gian vận hành ngắn, quá trình kết tinh trên bề mặt không diễn ra nhiều.

3.3 Loại bỏ canxi và kim loại nặng kết hợp

Trong hình 3.8, có thể thấy rằng việc loại bỏ canxi trung bình phụ thuộc vào tỷ lệ mol

Hiệu quả loại bỏ canxi và niken trong bể phản ứng tầng sôi với liều NaOH 0.4 g/L cho thấy sự khác biệt rõ rệt Khi tỷ lệ mol R thấp hơn 6, hiệu quả loại bỏ canxi chỉ đạt 40.4% tại R = 2 và 59.6% tại R = 4, nhưng khi R vượt quá 6, hiệu quả tăng lên tới 82% Ngược lại, hiệu quả loại bỏ niken duy trì ổn định khoảng 80% ở mọi giá trị tỷ lệ mol, cho thấy Ni(OH)2 kết tủa thuận lợi hơn NiCO3 Điều này có thể giải thích bởi Ksp của Ni(OH)2 thấp hơn Ngoài ra, hiệu quả loại bỏ niken và canxi khi lọc và không lọc tương tự nhau, cho thấy kết tủa xảy ra trên bề mặt hạt cát mà không thoát ra ngoài bể phản ứng.

KẾT QUẢ BÀN LUẬN

Hạt sau xử lý

Kết quả chụp phổ XRD

Sự khác biệt giữa phổ của hai mẫu không đáng kể do thời gian thí nghiệm chỉ kéo dài từ 4-6 giờ, sau đó cát được thay mới Khoáng silicate chiếm tỉ trọng cao trên peak, trong khi các khoáng khác có tỉ lệ thấp hơn Thời gian thí nghiệm hạn chế dẫn đến sự lưu bám của các khoáng, đặc biệt là CaCO3, lên cát cũng ở mức thấp.

Theo phân tích XRD của hai mẫu cát trước và sau xử lý, giá trị CPS ở các góc θ khác nhau cho thấy sự hiện diện của các khoáng chất khác nhau Cụ thể, trong mẫu cát sau xử lý, các khoáng chất được xác định bao gồm Calcite CaCO3 (9.17%) và Ankerite Ca[Fe(II),Mg](CO3)2.

Khoáng chất trong mẫu cát bao gồm Calcite CaCO3 (1.47%), Dolomite CaMg(CO3)2 (5.48%) và Quartz SiO2 Bảng 3.1 tổng hợp các vị trí có sự xuất hiện nhiều nhất của khoáng Calcium So với mẫu cát trước khi xử lý, tại các vị trí θ = 29.5° và 36°, hai đỉnh peak xuất hiện cho thấy sự kết tủa CaCO3 trên bề mặt cát.

Hình 3.6: Đồ thị biểu diễn kết quả chụp XRD của hai mẫu cát

Bảng 3.1 Tổng hợp kết quả chụp XRD

So sánh kết quả chụp phổ XRD của hai mẫu cát

Mẫu ban đầu Mẫu sau xử lý

Ca[Fe(II),Mg](CO3)2 31

Kết quả chụp XRD cho thấy phần lớn các vị trí góc θ là khoáng Calcite, trong khi một số ít là khoáng của Magie và Sắt Điều này cho phép kết luận rằng CaCO3 được hình thành từ phản ứng hóa học có sự bám dính lên cát.

STT Mẫu ban đầu Mẫu sau xử lý

Hình 3.7a: Mẫu ban đầu Hình 3.7b: Mẫu sau xử lý

Hình 3.7c: Mẫu ban đầu, x5000 Hình 3.7d: Mẫu sau xử lý, x5000

Hình ảnh so sánh trước và sau khi loại bỏ độ cứng cho thấy sự hình thành canxi kết tủa trên bề mặt hạt cát, dẫn đến việc tạo ra kết tinh CaCO3 Tuy nhiên, do thời gian vận hành ngắn, quá trình kết tinh trên bề mặt vẫn còn hạn chế.

Loại bỏ canxi và kim loại nặng kết hợp

Trong hình 3.8, có thể thấy rằng việc loại bỏ canxi trung bình phụ thuộc vào tỷ lệ mol

Hiệu quả loại bỏ canxi và niken trong quá trình xử lý nước thải với NaOH 0.4 g/L cho thấy rằng khi tỷ lệ mol R thấp hơn 6, hiệu quả loại bỏ canxi chỉ đạt 40.4% tại R = 2 và 59.6% tại R = 4, nhưng khi R vượt quá 6, hiệu quả tăng lên 82% Ngược lại, tỷ lệ mol R không ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả loại bỏ niken, với hiệu quả khoảng 80% ở bất kỳ giá trị nào của tỷ lệ mol, cho thấy Ni(OH)2 kết tủa thuận lợi hơn NiCO3 trong bể phản ứng tầng sôi do Ksp của Ni(OH)2 thấp hơn Hơn nữa, hiệu quả loại bỏ niken và canxi khi lọc và không lọc rất giống nhau, cho thấy không có kết tủa rời rạc trong nước đầu ra; kết tủa xảy ra trên bề mặt hạt cát và không thoát ra khỏi bể phản ứng.

Hiệu quả loại bỏ niken và canxi phụ thuộc vào liều NaOH ở R = 6, với độ pH tăng lên do liều NaOH từ 0 đến 0.8 g/L, dẫn đến tăng độ quá bão hòa và kết tủa CaCO3 Hiệu quả loại bỏ canxi đạt cao nhất là 91,8% tại 0.8 g/L NaOH Đối với niken, hiệu suất loại bỏ tăng từ 36.7% lên 84.1% khi liều NaOH tăng từ 0 đến 0.6 g/L Sự gia tăng OH- trong dung dịch làm dịch chuyển cân bằng phản ứng sang phải, tăng lượng mưa Ni(OH)2 Tuy nhiên, khi liều NaOH đạt 0.8 g/L, hiệu quả loại bỏ niken khi lọc tăng lên 96%, nhưng hiệu quả không lọc giảm xuống còn 71.7%, cho thấy quá trình tạo mầm đồng nhất diễn ra trong dung dịch ở mức độ quá bão hòa cao, với niken hydroxit tạo thành các hạt nhỏ dễ thoát ra khỏi bể phản ứng.

Tỷ lệ mol R của carbonate so với canxi và niken cùng với độ pH (điều chỉnh bằng NaOH) là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả loại bỏ canxi và niken Quá trình kết tinh trong bể phản ứng tầng sôi có khả năng hiệu quả trong việc loại bỏ niken và canxi.

Nước thải 28 có hiệu quả cao trong việc loại bỏ các hạt mịn với canxi, nhưng đối với niken, mặc dù khả năng loại bỏ ở nồng độ thấp là tốt, vẫn cần thực hiện thêm quá trình lọc để nâng cao hiệu quả loại bỏ kim loại nặng trong nước thải.

Hình 3.8 Ảnh hưởng của tỉ lệ [CO3 2-]/[Ni 2+ + Ca 2+ ] tại liều lượng NaOH = 0.4 g/L (a) and Na2CO3 tại R = 6 (b) đến hiệu quả xử lý

Tỉ lệ mol [CO 3 2- ]/[Ni 2+ + Ca 2+ ]

% loại bỏ Ca - Không lọc

% loại bỏ Ni - Không lọc

Hàm lượng NaOH g/L nước thải

% loại bỏ Ca - Không lọc

% loại bỏ Ni- Không lọc