Các ph ơng pháp triển khai công nghệ 1 [ ]đã hình thành và phát triển qua ba giai đoạn chính: thực nghiệm, động học (biểu hiện là mô tả vật lý) và bảo toàn.
Sử dụng ph ơng pháp tiếp cận hệ thống để xem xét các quá trình hóa học và nắm vững đ ợc bản chất của quá trình nhờ lý thuyết mô hình và điều khiển
đ ợc quá trình nhờ lý thuyết tối u. ng dụng của ph ơng pháp tiếp cận hệ ứ thống sẽ giải đ ợc các hệ ph ơng trình bảo toàn dòng cho từng quá trình công nghệ cụ thể, tìm ra đ ợc giải pháp công nghệ thích hợp nhất. Do sự hình thành đầy đủ về các lý thuyết của các quá trình chủ yếu trong công nghệ hoá học nên việc vận dụng lý thuyết hệ thống để nghiên cứu, tìm kiếm các công nghệ mới tối
u và đặc biệt là công nghệ phức tạp đã trở thành hiện thực, đó chính là nhờ khoa học về hệ thống công nghệ. Với các giai đoạn triển khai công nghệ từ thực nghiệm, đông học đến bảo toàn dòng và bằng cách lập mô hình của các công nghệ trong giai đoạn nghiên cứu có thể đ a trực tiếp công nghệ vào sản xuất và
thời gian triển khai công nghệ sản xuất sẽ ngày càng rút ngắn.
Luận điểm cơ bản của ph ơng pháp tiếp cận hệ thống và triển khai công nghệ là : khi nghiên cứu hệ thống cần xem xét hệ thống nh một chỉnh thể có các mối liên hệ bên ngoài và bên trong rõ ràng. Hệ thống phải đ ợc xem xét trong tính thống nhất ngoại tại của nó nghĩa là trong môi liên hệ giữa nó và môi tr ờng xác định, khi đó mới xác định đ ợc mục tiêu, nhiệm vụ của hệ từ đó xác định đ ợc các liên kết giữa nó và môi tr ờng.
Giữa cấu trúc và mô tả bản chất của hệ thống tức là hành vi của hệ thống có liên quan rất chặt chẽ. Phân tích hệ thống và tổng hợp hệ thống là hai mặt của một nguyên tắc tiếp cận hệ thống, là hai quá trình khác nhau nh ng đều nhằm mô tả bản chất của hệ thống, mô tả cấu trúc và mô tả hành vi.
Chỉ có trên cơ sở các hàm toán mô tả các hành vi của hệ, chúng ta mới có thể tìm đ ợc những hành vi thích hợp nhất hay quĩ đạo tối u của hệ nhờ sử dụng ph ơng pháp tối u toán học thích hợp.
Từ đó thấy rằng con đ ờng tiếp cận hệ thống công nghệ hóa học bao gồm
hai b ớc: b ớc tìm ra bản chất của hệ nhờ mô hình hóa và b ớc tìm chế độ công nghệ tối u nhờ việc tối u hóa các hàm toán mô tả bản chất của hệ.
3.1.2 Quan hệ giữa các loại mô hình mô tả hệ công nghệ hóa học bậc thấp, lựa chọn mô hình nghiên cứu
Hệ công nghệ hóa học bậc thấp là hệ chỉ thực hiện các quá trình hóa lý cơ sở. Để mô tả những hệ này th ờng sử dụng ba loại mô hình : mô hình thống kê, mô hình vật lý và mô hình toán học với cấu trúc dòng [2a] [; 2b]
Các tiền đề xuất hiện mô hình thống kê trong công nghệ hóa học có từ thế
kỷ tr ớc với tiền thân của nó là các mô hình thực nghiệm, nó gắn liền với việc sử dụng thực nghiệm để hình thành các công nghệ hóa học. Nó đ ợc hoàn thiện tiếp theo nhờ sự vận dụng toán học thống kê và sự ứng dụng của các ph ơng
pháp toán học khác vào lĩnh vực thực nghiệm để từ đó hình thành một lĩnh vực khoa học rất quan trong đối với hóa học và công nghệ hóa học là khoa học thực
nghiệm. Khi dùng mô hình thống kê có một nh ợc điểm là không thể biết đ ợc bản chất và cấu trúc rõ của hệ vì lúc này chỉ coi hệ là hộp đen (cấu trúc của một phần tử đen), do vậy với mô hình thống kê không thể hiểu rõ đ ợc quy luật bảo toàn cũng nh quy luật động học trong vận động của hệ mà chỉ hiểu đ ợc t ơng tác giữa các yếu tố cần quan tâm với một mức độ xác suất nào đó của hệ cụ thể trong phạm vi nghiên cứu. Nh vậy thực ra mô hình thống kê chỉ dùng để xác định các điều kiện giới hạn (các điều kiện biên) trong vận động của hệ, đó chính là những thông tin nhanh về hệ, thời gian dùng để lập đ ơc mô hình thống kê là
nhỏ nhất. Do không hiểu biết đ ợc bản chất bảo toàn và bản chất của hệ nên ta cũng không thể chủ động điều khiển đ ợc vận động của hệ, mà chỉ có thể tìm ra đ ợc chế độ tối u trong hoạt động của hệ.
Ph ơng pháp mô hình vật lý đ ợc sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật để chuyển các kết quả nghiên cứu từ các thí nghiệm nhỏ lên các quy mô lớn hơn. Với mục đích nhằm đ a một quá trình từ quy mô nhỏ lên quy mô lớn, nên khái
niệm “đồng dạng” là khái niệm có tính chất bao trùm trong toàn bộ ph ơng pháp này. Ph ơng pháp này đ ợc áp dụng rất tốt cho những hệ t ơng đối đơn giản chỉ bao gồm một số chuẩn số. Nền tảng cơ sở của nó phải kể đến định lý π
của Buchkingham đ a ra năm 1914 và các ph ơng trình bảo toàn dòng do Damkoehler đ a ra năm 1936.
Dùng mô hình vật lý có thể biểu diễn đ ợc động học các quá trình chuyển vật lý tức là làm rõ số hạng thứ ba trong ph ơng trình bảo toàn dòng và biết đ ợc quy luật động học của các quá trình vật lý xảy ra. Do đó có thể xác định đ ợc quy luật động học của quá trình chuyển vật lý khác trong hệ nhờ các t ơng tự phổ biến nhất là t ơng tự Colburn và t ơng tự Reynolds (khi Pr = Sc = Le =1).
Nếu lấy logarit hóa hai vế của mô hình vật lý biểu diễn một quá trình nào
đó, sẽ có ngay một ph ơng trình có dạng của mô hình thống kê tuyến tính và các hệ số của mô hình đó cũng chỉ có thể xác định bằng thực nghiệm. Điều này đã nói lên sự gần gũi về mặt hình thức và trên một chừng mực nào đó về mặt nội dung giữa mô hình thống kê và mô hình vật lý. Đ ơng nhiên ở đây sự khác nhau về nội dung là cơ bản, vì để thiết lập đ ợc mô hình vật lý thì cần phải biết dạng của dòng trong hệ, tuy những hiểu biết này chỉ ở mức độ cấu trúc đơn giản, hệ chỉ có một phần tử. Nh ng mặc dù chỉ với cấu trúc nh vậy, vẫn ch a đủ công cụ, ph ơng tiện và kiến thức để giải đ ợc các ph ơng trình bảo toàn của nó. Chính vì vậy phải sử dụng định lý để hạ bậc tự do của hệ, đồng thời sử dụng lý π thuyết nhóm để đ a các ph ơng trình bảo toàn dòng về hệ giải đ ợc. Cách xác định tham số mô hình bằng thực nghiệm giống nh ở mô hình thống kê. Để
kiểm tra tính t ơng hợp của mô hình phải xây dựng hệ thống bán sản xuất trên cơ sở những số liệu thu đ ợc ở đó có thể cải tiến mô hình.
Với mô hình toán học có thể trả lời đ ợc tất cả các câu hỏi đặt ra xung quanh vấn đề khống chế và điều khiển hệ. Cấu tạo của mô hình toán gồm ba thành phần : mô hình cấu trúc dòng, mô hình động học và điều kiện biên. Mô hình toán học chung (mô hình bảo toàn) chỉ có thể thiết lập đ ợc khi tồn tại mô hình động học và điều kiện biên, nh ng hai thành phần này th ờng có quan hệ chặt chẽ với hai loại mô hình trên : mô hình vật lý xác định động học các quá trình chuyển vật lý (kể cả quá trình chuyển hóa hóa học mà khuếch tán đóng vai trò quyết định), mô hình thống kê xác định điều kiện biên và đôi khi xác định
động học các quá trình có nguồn khi ít biết về quy luật nội tại của chúng.
Cho tới nay có khá nhiều công trình nghiên cứu sử dụng mô hình toán học để nghiên cứu quá trình lọc lớp sâu bởi vật liệu dạng hạt, mô hình quan hệ
giữa thời gian thực hiện xử lý với các yếu tố sinh hoá phức tạp của quá trình xử
lý bằng sinh học, mô hình nghiên cứu quá trình khử Cr6+. Tuy nhiên ch a có mô hình nào đ ợc xây dựng để mô tả quá trình keo tụ xử lý kim loại nặng.
Để tiến tới xem xét ảnh h ởng của các thông số công nghệ đến quá trình kết tủa tạo bông xử lý thuỷ ngân và kẽm trong n ớc thải, chúng tôi đã sử dụng ph ơng pháp tiếp cận hệ thống, mô hình hoá bằng mô hình thống kê, tối u hoá mô hình thống kê để tìm giá trị của các yếu tố công nghệ khi hàm mục tiêu đạt cực trị và dùng mô hình vật lý để triển khai công nghệ.
Sở dĩ dùng mô hình thống kê vì ở đây, chúng ta ch a biết về bản chất và cấu trúc rõ ràng của hệ thống công nghệ xử lý cần xem xét, nh ng mô hình thống kê giúp chúng ta tìm đ ợc quan hệ t ơng tác giữa các yếu tố công nghệ
ảnh h ởng đến quá trình. Khi đã thiết lập đ ợc mô hình, chúng ta có thể khảo sát mô hình để tìm ra các thông số công nghệ tối u trong miền tiến hành kiểm nghiệm và điều này sẽ giúp chúng ta khống chế quá trình xử lý để đạt đ ợc mục tiêu đề ra.
Việc sửdụng mô hình vật lý trong nghiên cứu tiếp theo để triển khai công nghệ vào thực tế với các quy mô sản xuất khác nhau.
3.2. Quy luật động học của quá trình công nghệ hóa học
3.2.1 .Biểu thức động học
Động học của bất kể một quá trình nào đó cũng đều đ ợc mô tả bởi biểu
thức chung sau 1[ ]:
ν= kν . ∆ϕ
Trong đó :
+ kν : hệ số động học, kể đến ảnh h ởng của bản chất vật chất tham gia vào quá trình chuyển và một phần quan trọng ảnh h ởng của các điều kiện công nghệ
nh : nhiệt độ, áp suất… trong những tr ờng hợp cụ thể có thể kể đến ảnh h ởng của các yếu tố công nghệ : vận tốc dòng, kích th ớc hệ.
+ ∆ϕ : động lực quá trình, có thể là hiệu của áp suất và hóa thế hoặc nhiệt độ, cũng có thể là hiệu tập tích có số mũ của các yếu tố đó trong các quá trình hóa
học.
Dạng cụ thể của k và ∆ϕ rất khác nhau và tùy theo từng quá trình cụ thể có thể tìm thấy công thức tính chúng trong các sách chuyên khảo khác nhau. 3.2.2. Cân bằng của hệ
Khi vận tốc quá trình trong hệ bằng không, khi đó hệ ở trạng thái cân bằng. Nh vậy cân bằng là một tr ờng hợp riêng rất quan trọng của động học. Tr ờng hợp vận tốc động học của quá trình trong hệ bằng không, nếu quá trình trong nội bộ pha thì chứng tỏ pha đồng nhất, không tồn tại chênh lệch thế, nghĩa là hiệu các đại l ợng mật độ bằng không.
Với hệ nghiên cứu ở đây chỉ bao gồm các pha lỏng là (dung dịch n ớc thải chứa các ion kẽm và thuỷ ngân, dung dịch hoá chất điều chỉnh pH, dung dịch chất keo tụ) nên quá trình kết tủa và tạo bông trong điều kiện các yếu tố công nghệ tối u sẽ tiến tới cân bằng khi các dung dịch này hoà lẫn vào nhau và trở thành một pha lỏng đồng nhất 1 [ ]
3.2.3 Quan hệ giữa động học và cấu trúc công nghệ của hệ.
Trong ph ơng trình bảo toàn dòng có hai thành phần (cấp và nguồn) mô tả động học, còn lại ba thành phần (đối l u, dẫn, biến đổi tại chỗ) mô tả cấu trúc hệ. Nh vậy giữa cấu trúc và động học có t ơng tác rất chặt chẽ thể hiện qua định luật bảo toàn. Cấu trúc công nghệ (hay còn gọi là cấu trúc dòng) của hệ quyết định động học và ng ợc lại mỗi một dạng động học đòi hỏi một cấu trúc hệ t ơng ứng. Chỉ khi động học đ ợc tiến hành trong một cấu trúc nào đó thì mới là động học thực của quá trình. Nh vậy mỗi một quy mô nhất định tồn tại nhiều động học thực ứng với những cấu trúc công nghệ khác nhau và trong quy
mô đó sẽ có những cấu trúc công nghệ tối u theo những hàm mục tiêu khác
nhau, tr ớc hết là hiệu suất chuyển hóa của quá trình hay là hiệu suất động học. Với những quy mô khác nhau sẽ có những cấu trúc công nghệ tối u khác nhau
để đ a ra hiệu suất động học cực đại. Mô hình vật lý mà chúng ta thiết lập sau này chính là sự phối hợp giữa các cấu trúc của hệ và động học hình thức của quá trình.
Chính vì vậy đối với các quá trình công nghệ không thể chỉ xét riêng vấn đề động học, vì nếu xét riêng sẽ không giải quyết đ ợc việc hình thành các công nghệ kỹ thuật. nh h ởng của cấu trúc công nghệ của hệ lên động học là ảnh ả h ởng quan trọng và quyết định khi nghiên cứu động học của quá trình công nghệ. Chỉ có thể xác định đ ợc bản chất của ảnh h ởng đó nhờ mô hình toán
học và mô hình vật lý mà cơ sở của chúng đều là định luật bảo toàn dòng. Có thể nói rằng ch a có những nhân tố nêu lên ảnh h ởng của cấu trúc công nghệ của hệ đến động học của một quá trình nào đó thì ch a có thể hiểu biết về động học thực của quá trình xảy ra trong hệ. Nhiệm vụ của những ng ời làm công tác công nghệ là phải đ a ra đ ợc những quan hệ biện chứng giữa cấu trúc công nghệ của hệ và động học của quá trình xảy ra 1 . [ ]
Chơng 4 xây dựng mô hình nghiên cứu quá trình
keo tụ xử lý thuỷ ngân và kẽm trong
nớc thải công nghiệp 4.1 Các nội dung nghiên cứu của luân án
- Trên cơ sở phần tổng quan đã phân tích lựa chọn các yếu tố ảnh h ởng, xây
dựng thí nghiệm để thiết lập các mô hình thống kê mô tả quan hệ giữa các thông số công nghệ chính với hiệu quả xử lý các kim loại
- Xây dựng hàm nguyện vọng chung. Xác định các thông số công nghệ tối u
của quá trình xử lý.
- Thiết lập mô hình vật lý mô tả quan hệ giữa nồng độ các kim loại sau xử lý với các thông số công nghệ để triển khai ra thực tế.
- Đề xuất thiết kế một mô hình hệ thống công nghệ xử lý hệ n ớc thải chứa
thuỷ ngân và kẽm bằng ph ơng pháp keo tụ phù hợp nhằm đạt hiệu quả tốt nhất.
4.2 Lựa chọn các thông số công nghệ ảnh h ởng trong quá trình keo tụ
Nh các kết quả đã phân tích ở phần tổng quan hiện nay đã có một số công trình nghiên cứu về các yếu tố ảnh h ởng đến quá trình keo tụ để loại bỏ các kim loại nặng ra khỏi n ớc thải. iệu quả quá trình keo tụ mà ở đây là hàm H l ợng các kim loại nặng sau khi xử lý chịu ảnh h ởng của nhiều yếu tố nh liều l ợng chất keo tụ, pH, hàm l ợng kim loại trong n ớc thải, hiệu ứng khuấy, thế năng zeta.
4.2.1 Lựa chọn chất keo tụ
Có nhiều loại chất keo tụ đã đ ợc nghiên cứu sử dụng trong công nghệ xử lý n ớc thải để loại bỏ kim loại nặng bằng ph ơng pháp keo tụ [ ] [ ]6 ; 22 .
Các chất keo tụ hay dùng và có hiệu quả để loại bỏ kim loại nặng là các muối nhôm Al2 (SO4)3.18H2O và muối sắt FeCl3; FeSO4. u điểm của loại phèn kể trên là chúng có khả năng tạo ra hệ keo kỵ n ớc và khi keo tụ thì tạo ra bông
cặn có bề mặt hoạt tính phát triển cao, có khả năng hấp phụ, thu hút, dính kết