C N 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.2. Thiết kế thiết bị phản ứng ở quy mô pilot
3.2.1. Thiết kế thùng khuấy
Nh đã trình bày ở Mục 2.4.2.3 thiết bị phản ứng đ ợc tính theo công thức:
.(1 ). 3 ; 24. V z Vr m (ngµydªm) mÎ (2.6) V i:
+V(ngày đêm): năng suất thiết bị trong một ngày đêm, m3
; +z: hệ số dự trữ:
Phản ứng trong thiết bị pilot đ ợc tiến hành ở nhiệt độ thấp do đó hệ số dự trữ đ ợc chọn là 0,15.
+φ hệ số điền đầy thiết bị:
Thiết bị có khuấy và hỗn hợp phản ứng không sủi bọt nên hệ số điền đầy đ ợc chọn là 0,85
+τmẻ th i gian cần thiết để tiến hành một mẻ phản ứng, gi ; τmẻ đ ợc xác định theo công thức sau:
τmẻ = τphản ứng + τchuẩn bị (2.7) τchuẩn bị đã xác định khi thiết kế thiết bị
τchuẩn bị = τnạp liệu + τgia nhiệt + τtháo sản phẩm (2.8)
=> Theo nghiên cứu tổng hợp vật liệu thì τphản ứng đ ợc xác định là sau 3
gi , còn τchuẩn bị đ ợc thực nghiệm và xác định là 30 phút Vì vậy τmẻ sẽ là 3,5 gi . V i việc chọn V(ngày đêm)=100 L thì Vr= 19,7 L để dễ dàng cho việc thiết kế chúng tôi chọn Vr= 20 L
3.2.2. Thiết kế máng chảy
ể đảm bảo cặn bẩn không bị lắng đọng, dòng chảy đồng nhất, quá trình trao đổi chất và trao đổi nhiệt tốt hơn thì hệ số Reynolds ≥ 104
Hệ pilot có sử dụng máng xúc tác nên công thức Reynolds [80, 85] cho máng hở sẽ là: H Q.D Re ν.A (3. 2) V i Q: L u l ợng dòng chảy DH: ng kính thủy lực A: iện tích mặt cắt t ν: ộ nh t động học mà DH 4.A p (3. 3) v i p: chu vi t của phần mặt cắt => Re 4.Q ν.p (3. 4)
Vì máng hình chữ nhật nên chu vi t đ ợc tính theo công thức [105] p= b + 2.h (3. 5)
V i b: chiều rộng máng
h: chiều sâu mực n c (chiều cao của máng)
Vì thiết kế pilot phù hợp v i thể tích thùng khuấy và độ chảy rối của thiết bị nên chúng tôi chọn thể tích máng v i chiều dài 1 m, chiều rộng 0,5 m và chiều cao 0,05 m . ối v i chất lỏng đ ợc sử dụng trong nghiên cứu là n c ở khoảng 30o
C, có nồng độ chất ô nhiễm và nồng độ xúc tác bé nên có thể xem độ nh t động học bằng 1,004.10-6 (m2/s ), từ đó xác định l u l ợng dòng chảy theo công thức (3.6) là 1,5 L/s.
e
ν.(b+2h).R Q=
4 (3. 6)
Ngoài ra để khảo sát đ ợc cả 2 yếu tố cố định và phân tác xúc tác nên máng đ ợc chia làm 2 v i một bên đ ợc phủ xúc tác trên pha nền là xi măng trắng, còn một bên giữ nguyên không phủ xúc tác theo Hình 3.1
a)
b)
Hình 3. 1. Phủ vật liệu composite BiOI/TiO2 trên pha nền a) Khi phủ xúc tác b) Sau khi phủ xúc tác
3.2.3. Sản phẩm hệ pilot
Dựa trên cơ sở thiết kế thùng khuấy và máng chảy ở Mục 3.2.1 và Mục 3.2.2 chúng tôi đã xây dựng đ ợc hệ pilot xử lý n c thải hồ nuôi tôm sử dụng xúc tác quang trên cơ sở thực nghiệm nh Hình 3.2 và Hình 3.3.
a) b)
Hình 3. 2. Thiết bị pilot: a) sử dụng ánh sáng MT; b) sử dụng ánh sáng đèn LED
a) b)
Hình 3. 3. Thiết bị pilot: a) khảo sát ánh sáng MT; b) khảo sát ánh sáng đèn LED
3.3. Khảo sát khả năng xử lý nước thải nuôi tôm của vật liệu composite
BiOI/TiO2
3.3.1. ánh giá chất lượng nước thải ban đầu
N c thải hồ nuôi tôm lấy từ đầm Thị Nại, thành phố Quy Nhơn, tỉnh ình ịnh sau khi phân tích thu đ ợc kết quả theo Bảng 3.1.
Bảng 3. 1. Kết quả phân tích nước thải hồ nuôi tôm
Chỉ tiêu Giá trị
Quy chuẩn Việt Nam (QCVN) về chất lượng nước thải vào môi
trường Cột B+ Cột A++ pH 6,39 ± 0,01 5,50 - 9,00* COD (mg/L) 383,25 ± 4,93 150,00* 75,00** BOD5 (mg/L) 270,5 ± 1,00 50,00* 30,00** TSS (mg/L) 681 ± 1,81 100,00* 50,00** NH4 + (mg/L) 6,15 ± 0,63 10,00** 5,00** N-tổng (mg/L) 53,00 ± 0,98 40,00** 20,00** PO4 3- (mg/L) 5,0 ± 0,52 6,00** 4,00** Tetracyclin (µg/L) 538 ± 0,00 100,00*** 100,00*** Ciprofloxacin(µg/L) KPH 100,00*** 100,00***
* Theo QCVN 02-19:2014/BNNPTNT do Tổng cục Thủy sản biên soạn và trình ban hành về cơ sở nuôi tôm n c lợ - điều kiện đảm bảo vệ sinh thú y, bảo vệ môi tr ng và an toàn thực phẩm.
** Theo QCVN 40:2011/BTNMT do Ban soạn thảo quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất l ợng n c thải công nghiệp.
*** Theo Thông t số 15/2009/TT-BNN ngày 17/3/2009 của Bộ tr ởng Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn ban hành anh mục thuốc, hoá chất, kháng sinh cấm sử dụng, hạn chế sử dụng.
+ Quy định giá trị của các thông số ô nhiễm trong n c thải công nghiệp khi xả vào nguồn n c không dùng cho mục đích cấp n c sinh hoạt.
++
Quy định giá trị của các thông số ô nhiễm trong n c thải công nghiệp khi xả vào nguồn n c đ ợc dùng cho mục đích cấp n c sinh hoạt.
Kết quả phân tích chất l ợng đầu vào của n c thải nuôi tôm cho thấy, hầu hết các chỉ tiêu (trừ pH), đều v ợt mức cho phép so v i QCVN về chất l ợng n c thải vào môi tr ng theo cột B từ 2 - 3 lần, trong đó đặc biệt 2 chỉ tiêu kháng sinh tetracyclin và chất thải rắn TSS v ợt mức cho phép hơn 5-6 lần Nh vậy có thể kết luận rằng, n c thải từ hô nuôi tôm là một nguồn n c ô nhiễm nghiêm trọng, nếu nguồn n c này đ ợc thải trực tiếp vào môi tr ng thì nguy cơ gây ra ô nhiễm môi tr ng, lây lan dịch bệnh rất cao, đồng th i nó còn tạo điều kiện cho sự phát triển của các loài vi khuẩn kháng kháng sinh. Vì vậy việc xử lý nguồn n c thải để đảm bảo các chỉ tiêu chất l ợng n c thải này tr c khi thải vào môi tr ng là cần thiết.
3.3.2. Khảo sát yếu tố thể tích nước xử lý
Theo Mục 3.2.1 và 3.2.2 thể tích thùng khuấy đ ợc xác định là 20 L, chiều rộng máng 0,5 m, chiều cao là 0,05 m húng tôi đã tiến hành khảo sát v i 3 thể tích n c xử lý là 5 L, 10 L và 15 L v i điều kiện: cố định xúc tác, ánh sáng MT, góc chiếu 3,7o, l u l ợng dòng chảy 2 L/s, l ợng xúc tác 0,6 g.
3.3.2.1. Kết quả khảo sát COD
Tiến hành lấy m u và phân tích giá trị COD theo thể tích n c xử lý kết quả đ ợc biểu diễn qua biểu đồ Hình 3.4.
Hình 3. 4. Sự thay đổi hàm lượng COD theo thể tích dung dịch xử lý (Điều kiện: cố định xúc tác, ánh sáng MT, góc chiếu 3,7o
, lưu lượng dòng chảy 2 L/s, lượng xúc tác 0,6 g)
Dựa vào kết quả khảo sát giá trị COD theo thể tích dung dịch n c xử lý, nhận thấy COD tăng theo chiều tăng của thể tích. Cụ thể sau 3 h tiến hành khảo sát ở thể tích 5 L hàm l ợng COD giảm xuống 119,25 mg/L (65,21%), ở 10 L giảm 125,22 mg/L (63,47%) và tại thể tích 15 L giảm 153,55 mg/L (55,20%). Các nghiên cứu tr c đây đã báo cáo sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng quang xúc tác TiO2 vào nồng độ chất gây ô nhiễm trong n c [38, 39, 76, 95] Trong các điều kiện vận hành giống nhau, sự thay đổi nồng độ ban đầu của chất ô nhiễm n c sẽ d n đến cần th i gian chiếu xạ khác nhau để đạt đ ợc sự khoáng hóa hoặc khử trùng hoàn toàn. Do bản chất quang tử của phản ứng quang, nồng độ quá cao của chất hữu cơ sẽ bão hòa bề mặt TiO2 và giảm hiệu suất quang tử d n đến vô hiệu hóa chất xúc tác quang [89]. Vì vậy,
muốn tăng khả năng xử lý cần tăng l ợng chất xúc tác Nh vậy xét về mặt kinh tể thì sẽ giảm tính khả thi.
3.3.2.2. Kết quả khảo sát NH4+ +
Tiến hành lấy m u và phân tích giá trị NH4+ theo thể tích n c xử lý đ ợc biểu diễn qua biểu đồ Hình 3.5.
Hình 3. 5. Sự thay đổi hàm lượng NH4+ theo thể tích nước xử lý (Điều kiện: cố định xúc tác, ánh sáng MT, góc chiếu 3,7o
, lưu lượng dòng chảy 2 L/s, lượng xúc tác 0,6 g)
Kết quả khảo sát giá trị NH4+theo thể tích n c xử lý ở biểu đồ Hình 3.5 cũng giống v i chiều h ng thay đổi COD khi tăng thể tích n c xử lý. Cụ thể sau 3 h ở 5 L hàm l ợng NH4
+
còn 2,25 mg/L (90,44%), ở 10 L giảm 3,35 mg/L (85,73%) và tại thể tích 15 L còn 10,16 mg/L (56,78%). Nh ng ở NH4
+
sự chênh lệch về sự suy giảm hàm l ợng l n hơn nhiều so v i COD nguyên nhân trong phản ứng quang xúc tác, vật liệu xúc tác nhận đ ợc ít hay nhiều photon ánh sáng đóng vai trò quyết định đến hiệu suất oxy hóa các tác nhân ô nhiễm [53]. Nguồn n c thải v i hàm l ợng chất rắn lơ lửng càng cao sẽ cản trở ánh sáng truyền t i bề mặt vật liệu, đồng th i diện tích bề mặt vật liệu cũng sẽ
giảm đáng kể do bị bao phủ bởi các chất rắn lơ lửng và do đó làm giảm hiệu quả quang xúc tác.
Từ thực nghiệm đó chúng tôi chọn thể tích n c xử lý 10 L là thể tích phù hợp để tiếp tục khảo sát các yếu tố ảnh h ởng đến hoạt tính quang xúc tác.
3.3.3. Khảo sát các yếu tố thực nghiệm ảnh hưởng đến hoạt tính quang
xúc tác vật liệu composite BiOI/TiO2 trong xử lý nước thải nuôi tôm
3.3.3.1.Khảo sát ảnh hưởng của cách thức phân tác xúc tác (cố định hoặc di động xúc tác)
a. Kết quả khảo sát COD
Tiến hành lấy m u và phân tích giá trị O theo quy trình ở Hình 2.14, sự thay đổi hàm l ợng O theo th i gian đ ợc biểu diễn qua biểu đồ Hình 3.6.
Hình 3. 6. Sự thay đổi hàm lượng COD theo thời gian xử lý bằng vật liệu composite BiOI/TiO2 trong điều kiện xúc tác cố định và di động
(Điều kiện: ánh sáng MT, góc chiếu 3,7o
, lưu lượng dòng chảy 2 L/s, lượng xúc tác 0,6 g, thể tích nước xử lý 10 L)
Hàm l ợng COD giảm theo th i gian xử lý, trong đó giảm mạnh tại th i điểm 2 h. Cụ thể hiệu suất ở th i điểm này đối v i hệ xúc tác cố định là 52,91% còn đối v i hệ xúc tác di động là 56,15%, sau đó giá trị O giảm ổn định từ 2,5 đến 3 h. Sau 3 h xử lý nhận thấy ở cả 2 yếu tố cố định và di động xúc tác, hàm l ợng O đều giảm về mức đạt theo quy chuẩn chất l ợng n c thải đầu ra. Vì vậy để xử lý n c thải về quy chuẩn ở Bảng 3 1, thí nghiệm nên đ ợc tiến hành trong th i gian là 3h
Từ sơ đồ Hình 3.6 cũng nhận thấy rằng hàm l ợng O ở quá trình khảo sát xúc tác di động cao hơn ở quá trình khảo sát xúc tác cố định nh ng sự chênh lệch này không l n
b. Kết quả khảo sát NH4
+
Tiến hành lấy m u và phân tích giá trị NH4+ theo quy trình ở Hình 2.14. Sự thay đổi hàm l ợng NH4+theo th i gian đ ợc biểu diễn qua biểu đồ Hình 3.7.
Hình 3. 7. Sự thay đổi hàm lượng NH4+ theo thời gian xử lý bằng vật liệu composite BiOI/TiO2 trong điều kiện xúc tác cố định và di động.
(Điều kiện: ánh sáng MT, góc chiếu 3,7o , lưu lượng dòng chảy 2 L/s, lượng xúc tác 0,6 g, thể tích nước xử lý 10 L)
i tác dụng của ánh sáng MT, vật liệu composite đ ợc hoạt hóa và trở thành chất xúc tác quang, thúc đẩy quá trình phân hủy NH4+
do nó tạo ra các gốc tự do có khả năng oxi hóa mạnh tạo ra các phân tử đơn giản thứ cấp Khi c ng độ ánh sáng tăng sẽ tạo đ ợc nhiều gốc tự do có khả năng oxi hóa mạnh làm cho ion NH4+
bị phân hủy nhiều hơn ơ chế phản ứng nh sau [4, 22, 23] : NH4+ + 3H2O NO3 - + 10H+ + 8e- NO3 - + hν NO2 - + ½ O. ½ O. + O2 O3 NO2 - + hν NO + O. O. + H2O 2OH NO + OH HNO2 NO2 - + O3 NO3 - + O2
Từ kết quả thực nghiệm (Hình 3.7) nhận thấy: Hàm l ợng NH4+
giảm theo th i gian xử lý, trong đó giảm mạnh tại 0,5 h (hiệu suất xử lý: + xúc tác cố định: 21,27%; + xúc tác di động: 22,97%)
và tại 3 h (hiệu suất xử lý: + xúc tác cố định: 68,25%; + xúc tác di động: 72,5 %). Sau 3 h xử lý hàm l ợng NH4
+
khảo sát trên 2 yếu tố đều giảm về mức đạt quy chuẩn chất l ợng n c thải đầu ra
So sánh sự thay đổi hàm l ợng NH4+
trong 2 quá trình cố định và di động xúc tác nhận thấy rằng hàm l ợng NH4+
đều giảm và sự chênh lệch không quá l n.
Nh vậy, từ thực nghiệm khảo sát hàm l ợng O và NH4+ đều nhận thấy rằng hiệu suất xử lý ở điều kiện xúc tác di động tốt hơn ở điều kiện xúc tác cố định nh ng sự chênh lệch về hiệu suất không cao. Do đó để thuận tiện cho việc thu hồi xúc tác thì ph ơng pháp xúc tác cố định v n nên đ ợc sử dụng
3.3.3.2.Khảo sát ảnh hưởng của nguồn chiếu sáng
Thí nghiệm đ ợc tiến hành khảo sát ở điều kiện chiếu sáng bằng ánh sáng MT hoặc ánh sáng đèn LE (220 V- 60 W) theo quy trình Hình 2.15. Kết quả thu đ ợc theo biểu đồ Hình 3.8 và Hình 3.9.
Hình 3. 8. Sự thay đổi hàm lượng COD theo điều kiện chiếu sáng
(Điều kiện: cố định xúc tác, góc chiếu 3,7o, lưu lượng dòng chảy 2 L/s, lượng xúc tác 0,6 g, thể tích nước xử lý 10 L)
Hình 3. 9. Sự thay đổi hàm lượng NH4+ theo điều kiện chiếu sáng (Điều kiện: cố định xúc tác, góc chiếu 3,7o
, lưu lượng dòng chảy 2 L/s, lượng xúc tác 0,6 g, thể tích nước xử lý 10 L)
Từ kết quả khảo sát O và NH4+
nhận thấy việc sử dụng ánh sáng MT cho hiệu quả cao hơn so v i ánh sáng đèn LE iều này mở ra một h ng khả thi về việc sử dụng ánh sáng tự nhiên trong xử lý n c thải hồ nuôi tôm
3.3.3.3. Khảo sát ảnh hưởng của góc chiếu sáng
Theo một số công bố [105] để hấp thụ c ng độ ánh sáng MT l n nhất thì cần bố trí máng nghiêng sao cho vuông góc v i ph ơng chiếu của ánh sáng MT hay nói cách khác theo v độ nơi đặt mô hình thí nghiệm. Dựa vào thực nghiệm nghiên cứu này và việc bố trí thí nghiệm tại khu thí nghiệm thực hành tr ng H Quy Nhơn, thành phố Quy Nhơn, v độ của thành phố là 13,7o nên chúng tôi chọn góc chiếu là 13,7o. Tùy thuộc vào mùa trong năm MT sẽ di chuyển gần hoặc xa xích đạo làm c ng độ chiếu sáng của MT thay đổi, vì vậy góc chiếu cũng thay đổi ối v i mùa hè thì góc chiếu sáng -10o
, mùa xuân và mùa thu giữ nguyên góc chiếu còn mùa đông +10o-15o. Từ đó giá trị góc chiếu đ ợc khảo sát ở 3 góc độ: 3,7o; 13,7o và 23,7o.
a. Kết quả khảo sát COD
Tiến hành lấy m u và phân tích giá trị O theo quy trình ở Hình 2.16, sự thay đổi hàm l ợng O theo th i gian đ ợc biểu diễn qua biểu đồ Hình 3.10.
Hình 3. 10. Sự thay đổi hàm lượng COD theo góc chiếu của ánh sáng MT (Điều kiện: cố định xúc tác, ánh sáng MT, góc chiếu 3,7o, lượng xúc tác 0,6 g, thể tích
Từ kết quả khảo sát thu đ ợc ở Hình 3.10 nhận thấy đối v i góc chiếu 23,7o sau 3h tiến hành xử lý cho hiệu quả thấp nhất 45,85%, hàm l ợng O là 185,61mg/L ch a đạt chuẩn n c thải đầu ra. Trong khi đó đối v i góc chiếu 3,7o
sau 3 h tiến hành xử lý hiệu quả thu đ ợc lên đến 63,47%, hàm l ợng O đo đ ợc 125,22 mg/L đạt chuẩn n c thải đầu ra iều này có thể