Chương 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
4.3. xuất sơ đồ ESMS làm việc liên tục
Hình 4.22 Đề xuất sơ đồ ESMS làm việc liên tục
1 – Thùng trích ly; 2- Mô đun màng 1; 3 – Thùng hoàn nguyên; 4 – Mô đun màng 2; 5 – Thiết bị phân riêng dầu – nước 1 (Decanter 1); 6 – Bể điện phân; 7 – Thiết bị phân riêng dầu – nước 2 (Decanter 2).
Sơ đồ ESMS được đề xuất trên hình 4.22. Nước thải được đưa vào liên tục với lưu lượng F L/phút; nước thải sau xử lý được lấy ra liên tục với lưu lượng F L/phút. Lưu lượng dòng hữu cơ qua màng 1 và màng 2 đều là Q L/phút. Các mô đun màng cho phép phân riêng hiệu quả pha dầu – nước. Pha dầu qua màng là pha dầu sạch (do nước thải thường chứa các tạp không đi qua màng), vì thể dung dịch muối Indium thu được có độ tinh khiết cao. Mặc dù trong sơ đồ vẫn cần sử dụng thiết bị phân riêng 1,2 để tách nước thải sau khi xử lý và muối InCl3 để đưa sang bể điện phân nhưng hai Decanter này chỉ yêu cầu năng suất rất nhỏ ứng với thiết bị nhỏ gọn.
94
4.4. Kết luận
Các sơ đồ ESMS với màng kỵ nước được sử dụng để phân riêng hiệu quả pha nước và pha hữu cơ đã được phát triển một cách có hệ thống để từng bước tăng hiệu quả quá trình. Trong đó, công nghệ ESMS – C với chế độ hồi lưu pha hữu cơ liên tục cho phép thu hồi Indium từ nước thải với hiệu suất thu hồi có thể đạt được là90,6% ở lưu lượng dòng qua màng là Q = 250 mL/phút. Đồng thời 99,5% Indium có thể được tách ra khỏi dung dịch ban đầu trong khoảng 30 phút.
Mô hình cho ESMS – C đã được xây dựng dựa trên phương trình cân bằng vật liệu và giải trong trường hợp tổng quát. Đã xác định được các thông số của mô hình tương ứng như sau:
k.A = 0,21 L/phút
H = 0,25 khi nồng độ In3+ trong dung dịch đầu nhỏ hơn 200 mg/L H = 0,78 khi nồng độ In3+ trong dung dịch đầu bằng 2000 mg/L Mô hình thu được cho phép đánh giá ảnh hưởng lưu lượng dòng qua màng Q đến hiệu quả trích ly và thu hồi. Khi Q tăng, tốc độ trích ly và thu hồi đều tăng. Từ mô hình có thể xác định lưu lượng Q thích hợp là 315 mL/phút.
Có thể ứng dụng mô hình để định hướng tính toán thiết kế hệ ESMS làm việc liên tục.
95
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1.Việc sử dụng màng kỵ nước để tiến hành quá trình hoàn nguyên dung môi đồng thời với quá trình trích ly đã nâng cao được hiệu suất thu hồi Indium từ dung dịch chứa axit oxalic.
Các mô đun màng đóng vai trò như thiết bị tiếp xúc dầu – nước hoặc thiết bị phân riêng dầu – nước. Với lợi thế có thể tạo ra diện tích tiếp xúc pha dầu – nước lớn hơn một cách dễ dàng bằng việc phân tán pha nước trong pha hữu cơ, sơ đồ quá trình với việc sử dụng màng làm thiết bị phân riêng dầu – nước (ESMS) cho hiệu quả thu hồi ion cao hơn sơ đồ sử dụng màng tạo bề mặt tiếp xúc pha (SLMSD) trong cùng điều kiện diện tích màng và nồng độ chất trích ly.
Ngoài ra, đối với các màng kỵ nước đóng vai trò thiết bị phân riêng dầu – nước, sự tái sinh dung môi trích ly được tăng lên nhờ dòng đối lưu qua màng, do đó hiệu quả thu hồi ion cũng tăng.
2. Công nghệ SLMSD cho phép loại bỏ đến hơn 99% Indium trong dung dịch chứa axit oxalic với hiệu suất thu hồi lên đến hơn 90%. Tuy nhiên, so với phương pháp trích ly truyền thống, công nghệ SLMSD yêu cầu diện tích màng lớn, làm tăng chi phí vận hành quá trình.
3. Các sơ đồ công nghệ ESMS với màng kỵ nước được sử dụng làm thiết bị phân riêng dầu nước đã được nghiên cứu và phát triển một cách hệ thống: ESMS cân bằng (ESMS - E), ESMS dao động (ESMS - O) và ESMS tuần hoàn (ESMS - C). Công nghệ ESMS đã cải thiện được tốc độ chuyển khối so với công nghệ SLMSD với các đặc điểm như sau:
- Tăng diện tích tiếp xúc pha dầu – nước nhờ phân tán dung dịch đầu trong dung môi trích ly (ESMS - E).
- ESMS – O có tốc độ hoàn nguyên cao hơn so với ESMS – E nhờ thay dòng khuếch tán bằng dòng đối lưu bằng cách cho phép dung môi trích ly chuyển động qua lại giữa hai phía của màng: từ dung dịch đầu sang dung dịch hoàn nguyên và ngược lại.
- ESMS - C có thể tăng tốc độ hoàn nguyên hơn nữa bằng cách cho dung môi trích ly được tuần hoàn trong hệ thống nhờ sử dụng thêm một mô đun màng kỵ nước. Với sơ đồ này, dung môi trích ly được hoàn nguyên liên tục.
4. Công nghệ ESMS - C cho phép loại bỏ gần như hoàn toàn Indium trong dung dịch chứa axit oxalic (nồng độ dung dịch đầu sau xử lý chỉ còn dưới 1 mg/L) với tốc độ trích ly cao hơn SLMSD ở cùng điều kiện và đạt được hiệu suất thu hồi tương đương. 90,6% In3+ từ nước thải có thể được thu hồi ở lưu lượng dòng qua màng 250 mL/phút và thời gian 30 phút.
5. Mô hình toán quá trình ESMS với chế độ hồi lưu pha hữu cơ liên tục đã được xây dựng gồm hệ phương trình mô tả các quá trình chuyển khối trong pha nước, pha hữu cơ, pha hoàn nguyên cùng các điều kiện biên. Đã xác định được các tham số kA - tích của tốc độ chuyển khối và diện tích tiếp xúc pha và H - hệ số cân bằng và giải mô hình trong trường hợp tổng quát. Từ đó mô hình được áp dụng cho trường hợp cụ thể ở quy mô phòng thí nghiệm. Dựa vào mô hình có thể đánh giá được ảnh hưởng của lưu lượng dòng qua màng và dự đoán thời gian lưu cần thiết để đạt được hiệu quả mong muốn.
96
Từ mô hình cho thấy trong khoảng từ nồng độ dung dịch đầu rất thấp (10 mg/L) đến rất cao (2000 mg/L), kA có thể coi như không đổi (k.A = 0,21 L/phút); trong khi đó H thay đổi rất ít ở khoảng nồng độ thấp (từ 10 mg/L đến 200 mg/L) nhưng thay đổi đáng kể (khoảng 3 lần) ở nồng độ cao. Khi dòng hữu cơ hoàn nguyên càng lớn, hiệu quả trích ly In3+ càng cao. Lưu lượng Q thích hợp được xác định tại điều kiện
𝜏1 = 𝜏2 với 𝜏1 =𝑉𝑓
𝑘𝐴 (đặc trưng cho tốc độ trích ly) và 𝜏2 =𝑉𝑜𝑖𝑙
𝑄 (đặc trưng cho tốc độ hoàn nguyên).
Mô hình đưa ra không chỉ áp dụng cho trường hợp thu hồi Indium mà còn có thể áp dụng đối với các kim loại khác khi xác định được các tham số kA và H.
Với các kết luận trên đây, điểm nổi bật của luận án là đã nghiên cứu và phát triển được công nghệ trích ly hoàn nguyên đồng thời liên tục sử dụng màng kỵ nước để phân riêng hệ dầu – nước, thực hiện ba công đoạn trong một thiết bị cho hiệu suất thu hồi In3+ trên 90%, hiệu suất tách trên 99%, giảm đáng kể thời gian thực hiện quá trình so với phương pháp trích ly truyền thống, kích thước hệ thống nhỏ gọn, dễ vận hành và tiêu tốn ít dung môi.
Tuy nhiên, các kết quả của luận án mới chỉ dừng lại ở những nghiên cứu bước đầu nhằm thiết kế quá trình ESMS và xây dựng mô hình tính cho quá trình gián đoạn. Để có thể áp dụng những kết quả này vào thực tế sản xuất, cần phải có những nghiên cứu tiếp theo, hướng đến những vấn đề cụ thể sau:
- Tiếp tục nghiên cứu, phát triển hệ ESMS liên tục;
- Phát triển mô hình đã xây dựng trong luận án đối với hệ ESMS liên tục; - Thiết kế hệ ESMS liên tục quy mô phòng thí nghiệm;
- Tính toán, chuyển từ quy mô phòng thí nghiệm lên quy mô công nghiệp và nghiên cứu tối ưu hóa các thông số vận hành
97
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
1. Ngan Thi Tuyet Dang, Da-Ming Wang, Kien Trung Tran (2019), “Recovery of Indium from waste streams by using supported liquid membranes with strip dispersion”, (Proceeding) The 5th International Conference on Low Carbon Asia & Beyond - ICLCA 2019 jointly held with the 4th international conference on chemical engineering, food and biotechnology - ICCFB 2019, Oct 15 - 17, 2019, Ho Chi Minh, Vietnam, ISBN: 978-604-67-1372-2.
2. Ngan Thi Tuyet Dang, Da-Ming Wang, Shih-Yu Huang, Kien Trung Tran (2020), “Indium Recovery from Aqueous Solution Containing Oxalic Acid – Enhancement by Using Hydrophobic Membranes”, Separation and Purification Technology, Volume 235 (ISI, Q1).
3. Dang Thi Tuyet Ngan, Tran Trung Kien, Da – Ming Wang (2021), “Supported liquid membrane with strip dispersion for recovering Indium from etching solution of LCD industry: influence of factors on performance”, Vietnam Journal of Science and Technology 59 (1) 90-95.
98
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Lê Huy Việt (2017), "Nghiên cứu thu hồi đất hiếm trong bột huỳnh quang thải", Luận văn Thạc sỹ, ĐHBK Hà Nội.
[2] K. Bilyk et al. (2011), "Nutrient recovery: State of the Knowledge", Water Enviroment Research Foundation, US.
[3] Chen, T.-C., Huang, G.-H., Chen, C.-S., Huang, Y.-H. (2013), "Reducing industrial wastewater and recovery of gold by direct contact membrane distillation with electrolytic system", Sustain. Environ. Res. , vol. 23, no. 3, pp. 209 - 214.
[4] Heming Wang, Zhiyong Jason Ren (2014), "Bioelectrochemical metal recovery from wastewater: A review" Water research, vol. 66, pp. 219-232. [5] W. Chou, Y. Shen, S. Yang, T. Hsiao, L. Huang (2006), "Recovery of Indium
from the Etching Solution of Indium Tin Oxide by Solvent Extraction", AIChE 35, vol. 35, no. 3, pp. 20–22.
[6] S. R. Taylor, S. M. McLennan (1985), "The Continental Crust: Its Composition and Evolution", pp. 1-312.
[7] K. Zhang, Y. Wu, W. Wang, B. Li, Y. Zhang, T. Zuo (2015), "Recycling indium from waste LCDs : A review", “Resources, Conservation & Recycling,” Vol.104, pp. 276–290.
[8] Y. Li, Z. Liu, Q. Li, Z. Liu, L. Zeng (2011), "Recovery of indium from used indium – tin oxide ( ITO ) targets", Hydrometallurgy, Vol.105, pp. 207–212. [9] Huỳnh Trung Hải, Hà Vĩnh Hưng, Nguyễn Đức Quảng (2015), "An overview
of electronic waste recycling in Vietnam", J. Mater. Cycles Waste Manag., vol. 19, p. 536–544.
[10] D.-M. Wang (2018), "Recovery and Separation of Metal Ions by Using Supported Liquid Membranes", Taipei, Taiwan.
[11] F. Yen, T. Chang, S. Laohaprapanon (2016), "Recovery of Indium from LCD waste by solvent extraction and the SLMSD using D2EHPA as the extractant", Solvent Extraction Research and Development, Japan, Vol.23, pp. 63–73. [12] R.W. Peters, Y. Ku (1985), "Evaluation of recent treatment techniques for
removal of heavy metals from industrial wastewaters", AIChE Symposium Series, Vol.81, pp. 165–203.
[13] Trần Văn Nhân, Ngô Thị Nga (1999), "Giáo trình công nghệ xử lý nước thải", Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.
[14] S. Y. Kang, J. U. Lee, S. H. Moon, K.W. Kim (2004), " Competitive adsoroption characteristics of Co2+, Ni2+, and Cr3+ by IRN-77 cation exchange resin in synthesized wastewater," Chemosphere, vol. 56, pp. 141- 147.
[15] B. Alyuez, S. Veli (2009), "Kinetics and equilibrium studies for the removal of nickel and zinc from aqueous solutions by ion exchange resins" J. Hazard. Mater. , vol. 167, p. 482 – 488.
99
[16] S. Chiarle, M. Ratto, M. Rovatti (2000), "Mercury removal from water by ion exchange resins adsorption", Water Res., vol. 34, no. 11, pp. 2971-2978. [17] Nguyễn Bin (2009),"Các quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực
phẩm", Tập 4, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật, 2009.
[18] J. Rydberg, M. Cox, C. Musikas, G.R. Choppin (2004), "Solvent Extraction Principles and Practice", Marcel Dekker.
[19] Hà Vĩnh Hưng (2017), “Nghiên cứu công nghệ thu hồi Yttrium và Europium trong đèn huỳnh quang thải sau sử dụng”, mã số B2017-BKA-43 do Bộ giáo dục và Đào tạo cấp kinh phí.
[20] T.A.Kurniawan, G.Y.S.Chan, W.H. Lo, S. Babel (2006), "Physico – chemical treatment techniques for wastewater laden with heavy metals", Chem. Eng. J. ,
vol. 118, p. 83 – 98.
[21] J. Narbutt (2020), "Fundamentals of Solvent Extraction of metal ions" in
Liquid-Phase Extraction, Elsevier Inc., pp. 121-155.
[22] "Design of Large Scale Mixer Settlers in SX Solvent Extraction Circuits"
(2020). [Online]. Available: https://www.911metallurgist.com/design-large- scale-mixer-settlers/. [Accessed 12/2020].
[23] T. Sato, K. Sato (1992), "Liquid-liquid extraction of indium ( III ) from aqueous acid solutions by acid organophosphorus compounds", Hydrometallurgy, vol. 30, pp. 367–383.
[24] Guerriero, R., Meregalli, L., Zhang, X. (1988), "Indium recovery from sulphuric solutions by supported liquid membranes", Hydrometallurgy, 20, pp. 109 - 120.
[25] Katsutoshi Inoue, Yoshinari Baba, Kazuharu Yoshizuka (1988), "Equilibria in the Solvent Extraction of Indium (III) from Nitric Acid with Acidic Organophosphorous Compounds ", Hydrometallurgy, 19, pp. 393 - 399. [26] M.C.B. Fortes và J.S. Benedetto (1998), "Technical note: Separation of Indium
and Iron by Solevent Extraction", Minerals Engineering, Vol. 11, No. 5, pp. 447 - 451.
[27] Mandar T. Naik và Purshottam M. Dhadke (1999), "Short communication: Solvent Extraction of Indium (III) with Bis (2-Ethylhexyl) Phosphinic Acid in Toluene", Journal of Chemical Engineering of Japan, Vol. 32, No. 3, pp. 366 - 369.
[28] F.J. Alguacil (1999), "Solvent Extraction of Indium (III) by LIX 973N", Hydrometallurgy 51, pp. 97 - 102.
[29] Sami Virolainen, Don Ibana, Errikki Paatero (2011), "Recovery of Indium from Indium Tin Oxide by Solvent Extraction", Hydrometallurgy 107, pp. 56 - 61. [30] Hung - Yu Wang (2020), "Development of Extraction-Stripping Systems with
Hydrophobic Hollow Fiber as Oil-Water Separators", Master thesis, National Taiwan University.
[31] M. F. San Román, E. Bringas, R. Iba, I. Ortiz (2010), "Liquid membrane technology: fundamentals and reviews of its applications", J Chem Technol Biotechnol, vol. 85, pp. 2 - 10.
100
[32] M. Mulder (1996), "Basic principles of membrane technology", The Netherlands: Kluwer Academic Publishers.
[33] R. W. Baker (2000), "Membrane Technology and Applications", NewYork: McGraw-Hill.
[34] Urtiaga AM, Ortiz I, Salazar E and Irabien JA (1992), "Supported liquid membranes for the separation - concentration of phenol. 1. Viability and mass - transfer evaluation", Ind Eng Chem Res, vol. 31, pp. 877 - 886.
[35] Scholander PF (1960), "Oxygen transport through hemoglobin solutions", Science,vol. 131, pp. 585-590.
[36] V.S. Kislik (2010), "Liquid membranes", Elsevier B.V.
[37] Ho, W.S.W. (2003), "Removal and recovery of metals and other materials by supported liquid membranes with strip dispersion", Ann. N. Y. Acad. Sci. 984, pp. 97 - 122.
[38] E. L. Cussler (1971), "Membranes which pump", AIChE J 17,pp. 1300 - 1303. [39] Jerome S. Schultz, Joe D. Goddard, Shyam R. Suchdeo (1974), "Facilitated Transport via Carrier-Mediated Diffusion in Membranes", Vol.20, pp. 417– 445.
[40] M. M. Kreevoy, A. T. Kotchevar, C. W. Aften (1987), "Decontamination of nitrate polluted water", Sep. Sci. & Techn.,vol. 22, pp. 361.
[41] N.J. Norman N. Li, Somerset (1968), "Separating hydrocarbons with liquid membranes", Patent US3410794A.
[42] A. M. Neplenbroek (1989), "Stability of Supported Liquid Membrane", Dissertation, University of Twente, Netherland.
[43] A.J.B. Kemperman (1995), "Stabilization of Supported Liquid Membranes", Dissertation, University of Twente, Netherland.
[44] Dreher, T.M. và G.W. Stevens (1998), "Instability mechanisms of Supported Liquid Membranes", Sep. Sci. Technol. 33, pp: 835 - 853.
[45] Fortunato, R., C. A. M. Afonso, J. Benavente, E. Rodriguez - Castellon, J. G. Crespo. (2005), "Stability of supported ionic liquid membranes as studied by X - ray photoelectron spectroscopy", J. Membr. Sci. 256, pp. 216 - 223.
[46] Teramoto, M., Y. Sakaida, S. S. Fu, N. Ohnishi, H. Matsuyama, T. Maki, T. Fukui, K. Arai. (2000), "An attempt for the stabilization of supported liquid membrane", Sep. Purif. Techol. 21, pp. 137 - 144.
[47] Wijers, M. C., M. Jin, M. Wessling, H. Strathmann (1998), "Supported Liquid Membranes modification with sulfonated poly(ether ether ketone) - Permeability, selectivity and stability", J. Membr. Sci. 147, pp. 117 - 130. [48] He, T., L. A. M. Vesteeg, M. H. V. Mulder, M. Wessling (2004), "Composite
hollow fiber membranes for organic solvent - based liquid - liquid extraction", J. Membr. Sci.234, pp. 1 - 10.
[49] Kemperman, A. J. B., H. H. M. Rolevink, T. Van Den Boomgaard, H. Strathmann (1998), "Stabilization of supported liquid membranes by interfacial polymerization top layers", 138, pp. 43 - 55.
101
[50] Yang, Q., T. - S. Chung, Y. Xiao, K. Wang (2007), "The development of chemically modified P84 Co - polyimide membranes as supported liquid membrane matrix for Cu (II) removal with prolonged stability", Chem. Eng. Sci. 62, pp. 1721 - 1729.
[51] W.S.W. Ho, T.K. Poddar (2001), "New Membrane Technology for Removal and Recovery of Chromium from Waste Water", Environmental Progress, Vol.20, pp. 44–52.
[52] Klaasen, R. P. H. M. Feron, A. E. Jansen (2005), "Membrane contactors in industrial applications", Chem. Eng. Res. Des. 83, pp. 234 - 246.
[53] M. Amini, M. Alipour, O. Vahidi (2018), "Supported Liquid Membrane in Metal Ion Separation : An Overview", Vol.4, pp. 121–135.
[54] Ortiz, I., M. Fresnedo San Roman, S. M. Corvalan, M. Eliceche (2003),
"Modelling and optimization of an emulsion pertraction process for removal and concentration of Cr(VI)", Ind. Eng. Chem. Res. 42, pp. 5891 - 5899. [55] Sonawane, J. V., A. K. Pabby, A. M. Sastre (2008), "Pseudo - emulsion based
hollow fiber strip dispersion: A novel methodology for gold recovery", AIChE J. 54, pp. 453 - 463.
[56] Alguacil F. J., M. Alonso, F. A. Lopez, A. Lopez-Delgado (2009), "Application of pseudo - emulsion based hollow fiber strip dispersion (PEHFSD) for recovery of Cr(III) from alkaline solutions", Sep. Purif. Technol. 66, pp. 586 - 590.
[57] Ho, W. S. W., B. Wang, T. E. Neumuller, J. Roller (2001), "Supported liquid membranes for removal and recovery of metals from waste waters and process streams", Environ. Prog. 20, pp. 117 - 121.
[58] Ho, W. S. W., T. K. Poddar, T. E. Neumuller (2002), "Removal and recovery of copper and zinc by supported liquid membranes with strip dispersion", J. Chin. Inst. Chem. Engrs. 33, pp. 67 - 76.
[59] Urtiaga, A., M. J. Abellan, J. A. Irabien, I. Ortiz (2006), "Use of membrane contactors as an efficient alternative to reduce effluent ecotoxicity", Desalination 191, pp. 71 - 87.
[60] Gu S., D. He, M. Ma. (2009), "Analysis of extraction of Cu (II) by strip dispersion hybrid liquid membrane (SDHLM) using PMBP as Carrier", Solvent Extr. Ion. Exch. 27, pp. 513 - 535.
[61] Carrera, J. A., E. Bringas., M. F. San Roman, I. Ortiz (2009), "Selective membrane alternative to the recovery of zinc from hot - dip galvanizing effluent", J. Membr. Sci. 326, pp. 672 - 680.
[62] Gu S., D. He, M. Ma. (2006), "Comparison of transport and separation of Cd(II) between strip dispersion hybrid liquid membrane (SDHLM) and supported liquid membrane (SLM) using tri-n-octylamine as carrier", Sep. Purif. Technol. 51, pp. 277 - 284.
[63] D. He, S. Gu, M. Ma. (2007), "Simultaneous removal and recovery of cadmium(II) and CN - from simulated electroplating rinse wastewater by a strip dispersion hybrid liquid membrane (SDHLM) containing double carrier", J. Membr. Sci. 305, pp. 36 - 47.
102
[64] Alguacil F. J., M. Alonso, F. A. Lopez, A. Lopez-Delgado, I. Padilla, H. Tayibi (2010), "Pseudo - emulsion hollow fiber with strip dispersion pertraction of iron (III) using (PJMTH+)2(SO42-) ionic liquid as carrier", Chem. Eng. J. 157, pp. 366 - 372.