Khảo sát ảnh hưởng của kích thước vật liệu đến hiệu quả hấp phụ asen trong

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.2. Phương pháp nghiên cứu

2.2.4. Khảo sát ảnh hưởng của kích thước vật liệu đến hiệu quả hấp phụ asen trong

điều kiện hấp phụ động bằng thí nghiệm cột hấp phụ dịng chảy liên tục

a) Thiết kế cột hấp phụ

Hệ thống cột lọc được mơ tả trong Hình 2.2:

- Cột lọc được sử dụng là ống thủy tinh có đường kính d=2cm. Chiều cao cột lọc là 35cm. Có van điều chỉnh tốc độ nước đầu ra ở dưới

- Kích thước hạt của vật liệu được ổn định và điều chỉnh đồng đều

- Cột lọc được thiết kế là hệ chảy gián đoạn tức là khi hệ không hoạt động chúng có thể khóa van nước đầu ra phía dưới cột, tuy nhiên không được để khô vật liệu lọc nên trong cột lúc nào cũng phải chứa nước

- Cân khối lượng vật liệu được nhồi vào trong 15 cm cột hấp phụ đã chuẩn bị - Chiều cao cột nước được giữ ổn định ở 5 cm

Hình 2.2: Mơ hình thí nghiệm cột hấp phụ

b) Nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước vật liệu đến khả năng hấp phụ As

Kích thước hạt của 2 vật liệu theo nguồn gốc và kích cỡ được chia thành 3 kích cỡ: cỡ nhỏ (1÷2 mm), cỡ trung bình (3,75÷4,75 mm) và cỡ lớn (8÷9 mm). Như vậy kí hiệu của các vật liệu trong luận văn là:

 O550 – S: Vật liệu có nguồn gốc từ oxit sắt với kích thước nhỏ

 O550 – M: Vật liệu có nguồn gốc từ oxit sắt với kích thước trung bình  O550 – L: Vật liệu có nguồn gốc từ oxit sắt với kích thước lớn

 H550 – S: Vật liệu có nguồn gốc từ sắt (III) hydroxit với kích thước nhỏ

 H550 – M: Vật liệu có nguồn gốc từ sắt (III) hydroxit với kích thước trung bình  H550 – L: Vật liệu có nguồn gốc từ sắt (III) hydroxit với kích thước lớn

Chú thích:

1: Lớp vật liệu hấp phụ

2: Bông thủy tinh

3: Van điều chỉnh D: Đường kính 2cm

L1: chiều dày lớp vật liệu lọc (15cm)

Để nghiên cứu ảnh hưởng của chiều cao lớp vật liệu hấp thụ trên 2 loại vật liệu biến tính mơ phỏng bùn đỏ với 3 kích cỡ khác nhau như Bảng trên cột hấp được chuẩn bị phụ như Hình 2.2.

 Cách tiến hành:

- Chuẩn bị 6 cột hấp phụ như nhau về kích thước và các thơng số như phần thiết kế hệ thống đã nêu gắn lên giá đỡ chắc chắn tại phịng thí nghiệm bộ mơn cơng nghệ mơi trường.

- Cân vật liệu tương ứng với chiều cao 15 cm bằng cân phân tích.

- Vật liệu được sấy khô tại 105oC trong 2h trước khi được đưa vào cột hấp phụ. - Pha dung dịch As (V) với nồng độ 1 ppm, điều chỉnh pH tối ưu cho mỗi loại vật

liệu như kết quả của nghiên cứu khảo sát pH tối ưu. - Cho chảy đều qua cột với tốc độ 2 ml/phút.

- Lấy mẫu theo dõi tại các khoảng thời gian liên tiếp từ 5 phút cho đến 25h. - Mẫu được gửi đi phân tích nồng độ asen (V) đầu ra theo phương pháp ICP-MS

tại Viện Khoa học Địa chất và Khoáng sản Việt Nam.

- Tiến hành thí nghiệm tương tự với mẫu vật liệu cịn lại thu được kết quả, từ đó xây dựng đồ thị đường cong thốt và đánh giá ảnh hưởng của việc thay đổi kích thước lớp vật liệu đến quá trình hấp phụ. Kết quả được sử dụng cho thí nghiệm tiếp theo.

2.2.5. Chế tạo và lắp đặt mơ hình pilot a) Thiết kế mơ hình pilot

 Sơ đồ cơng nghệ có thể tóm tắt như Hình 2.3:

- Nước ngầm nhiễm As được bơm lên bể sục khí, tại đây, q trình sục diễn ra liên tục với lượng khí được đưa vào từ máy nén khí đa năng. Trên đường ống lắp đặt sẵn các thiết bị và đường ống phục vụ quá trình bơm chất trợ lắng khi cần thiết.

- Sau q trình sục khí, nước được đưa sang bể lắng lamen. Nước sau bể lắng, được điều chỉnh lưu lượng đầu vào bể lọc thông qua một van và lưu lượng kế.

- Trong bể lọc chính, nước chảy ngược từ dưới lên ngược chiều trọng lực, đi qua các lớp lọc cát, lớp vật liệu hấp phụ chính và lớp than hoạt tính, sau đó đi ra bể chứa nước sạch.

Hình 2.3: Sơ đồ cơng nghệ tóm tắt của hệ pilot xử lý asen

b) Các thơng số mơ hình cột lọc xử lý asen trong nước ngầm

- Bể lọc tiếp xúc áp dụng để xử lý nước ở các trạm có cơng suất nhỏ, thời gian làm việc 24h/ngày, cho phép vận tốc lọc trong bể v < 5m/h.

- Lưu lượng nước vào: Qvào = 5m3/ 24h = 0,208 m3/h. - Nồng độ As tính tốn trong nước đầu vào = 500 µg/L. - Tính tốn thiết kế hệ thống:

 Bể sục khí:

- Chọn bể sục khí là bình inox loại 304, có khả năng chịu ảnh hưởng của thời tiết, với đường kính và chiều dài lần lượt là d = 50 cm, l = 120 cm để đảm bảo q trình sục khí được đều và ổn định.

 Bể lắng

- Bể lắng mô phỏng lắng lamen với kết cấu lắng nghiêng chế tạo từ các ống nhỏ, xếp nghiêng 60o [13].

- Chiều dài mặt lắng là 40 cm.

 Bể lọc hấp phụ : Kích thước chung của bể

- Lấy kích thước bể hình trụ có D = 760 mm. Diện tích tiết diện F = 0,453 m2 - Chiều nước chuyển động trong bình hình trụ : Nước từ dưới đi lên trên với vận

tốc V= 0,459 m/h

 Hệ thống ống phân phối nước :

- Chọn khoảng cách giữa các ống nhanh khoan lỗ là 100mm, dàn ống cấu tạo hình xương cá, ống chính ở giữa có chiều dài 700mm

- Số ống nhánh trên một bên ống chính n = 700 :100 = 7 ống - Lưu lượng nước qua một ống nhánh :

qnhánh = 0,208/ (7*2) = 0,015 m3/h

 Cát thạch anh (chiều dày 300mm), sỏi (100 mm)

- Cát thạch anh, thành phần hạt: dmin ≥ 0,6mm, dtrung bình = 0,9 ÷ 1mm, dmax ≤ 2mm. - Chọn chiều dày lớp cát 300 mm.

 Lớp vật liệu hấp phụ chính:

- Vật liệu giàu sắt có khả năng hấp phụ asen

- Chọn chiều cao lớp vật liệu hấp phụ chính là 120 mm

 Than hoạt tính: chọn chiều dày lớp than hoạt tính là 300 mm, than hoạt tính

sử dụng là loại than gáo dừa Việt Nam sản xuất bởi công ty Cổ phần Trà Bắc theo ISO 9001:2008, với các cỡ hạt tiêu chuẩn có kích thước d = 0.85 ÷ 2.38 cm.

Sử dụng than hoạt tính vừa nhằm nâng cao chất lượng nước, vừa tăng cường khả năng xử lý của hệ nếu có sự cố xảy ra ở các bước xử lý trước, diệt khuẩn, khử mùi.

 Bể chứa nước sau xử lý:

- Bể chứa có dung tích (Vbể) = 20% lượng cấp nước trong ngày đêm, sơ bộ tính như sau:

Vbể = 0,2 * Q = 0,2 * 5 = 1 m3

(Lưu ý: thêm khoảng lưu không cho bể chứa. Vậy chọn bể chứa có dung tích 1,5 m3) - Vậy tổng chiều cao lớp vật liệu lọc ước tính:

H = 100 + 300 + 120 + 300 = 820 mm

- Lựa chọn khoảng cách từ mặt than hoạt tính đến bề mặt thống của bể lọc là 150 mm, khoảng cách từ đáy bể lọc đến lớp sỏi đỡ là 230 mm. Vậy chiều cao tổng của bể lọc là:

Hbể lọc = 820 + 150 + 230 = 1200 mm = 1,2 m.

b) Sơ đồ hệ thống:

Hệ thống và các vị trí van lấy mẫu được lắp đặt theo sơ đồ Hình 2.4, thông số yêu cầu của các thiết bị được liệt kê theo Bảng 2.2.

Hình 2.4: Hệ pilot xử lý As trong nước ngầm công suất 5m3/ngày

(V0 – van lấy mẫu trực tiếp tại bơm; V1 – van lấy mẫu sau khi qua sục khí, V2 – van lấy mẫu sau khi qua bể lắng; V3 – van lấy mẫu sau khi qua lớp lọc cát; V4 – van lấy mẫu sau khi qua lớp vật liệu lọc H550;

Bảng 2.2: Bảng thống số kĩ thuật các thiết bị của hệ thống xử lý

STT Tên bộ phận/thiết bị Yêu cầu kĩ thuật

1 01 Bơm đầu vào Pentax Lưu lượng tối đa 15 lít/phút Cơng suất 375W

2 01 Bộ dàn mưa Ống PVC được đục lỗ dạng tổ ong. Đường kính lỗ 5mm

3 01 Máy nén khí có chức năng sục khí

Cơng suất 373W, lượng khí cung cấp tối đa 6m3 khí/h

4 01 Bể chứa nước đầu vào đồng thời

là bể sục khí Chất liệu Inox 304, bền với thời tiết 5 01 Bể lắng lamen Chất liệu Inox 304, bền với thời tiết 6 Sỏi và hệ thống ống xương cá phân

phối nước Sỏi kích cỡ 4 – 6 mm

7 Lớp cát thạch anh Thành phần hạt dmin ≥ 0,6 mm, dtrung bình = 0,9 ÷ 1 mm, dmax ≤ 2 mm 8 Lớp vật liệu hấp phụ Vật liệu hấp phụ giàu sắt, kích cỡ được điều chỉnh phù hợp cho các khảo sát

9 Lớp than hoạt tính Than gáo dừa Việt Nam, dạng hạt 10 02 Lưu lượng kế Lưu lượng kế dạng ống, giới hạn

họat động từ 1,8 đến 18 lít/phút

Khác

06 van lấy mẫu và 04 van xả tại các vị trí như trên Hình 2.4

Ống nhựa PVC Tiền Phong Cút 90 độ

Tê

Ống nhựa

Giá đỡ hệ lọc Chế tạo từ sắt ống V, được sơn chống gỉ

2.2.6. Quy trình và kế hoạch vận hành

 Quy trình vận hành: Bơm đầu vào được bật khi hệ bắt đầu vận hành. Sau khi

bể sục khí đầy nước, bắt đầu mở máy nén khí để q trình sục diễn ra. Hai lưu lượng kế được điều chỉnh để dòng nước qua đạt tốc độ như yêu cầu thiết kế của hệ. Quá trình vận hành được giám sát trực tiếp đến khi bắt đầu có nước ra tại V5, sau đó có thể để hệ thống vận hành tự động.

 Kế hoạch vận hành: Hệ được vận hành hàng ngày trong 3 tuần, sau khi lấy mẫu

có lắp lưu lượng kế tại van đầu ra của bể lọc để kiểm tra lưu lượng cũng như tính ổn định của hệ, đồng thời có nhật kí vận hành theo dõi hiện tượng của hệ cũng như thời tiết trong ngày.

 Kế hoạch lấy mẫu: mẫu được lấy tại thời điểm 4h chiều hàng ngày. Các vị trí

lấy mẫu là các vị trí từ V0 đến V5 (xem Hình 2.4). - Thông số pH được đo ngay tại hiện trường khi lấy mẫu.

- Mẫu sau khi lấy được đưa về phịng thí nghiệm Bộ mơn Cơng nghệ Mơi Trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên để bảo quản bằng axit H2 SO4, sau đó phân tích các chỉ tiêu As (tổng), Fe (tổng), Mn, NH4+, PO43-.

2.2.7. Các phương pháp phân tích

 Phương pháp nhiễu xạ X-ray

Kỹ thuật nhiễu xạ X-ray cung cấp một số thông tin chủ yếu đối với mẫu vật liệu nghiên cứu như: sự tồn tại các pha tinh thể định tính, định lượng, hằng số mạng tinh thể, kích thước mạng tinh thể, biến dạng, sự kéo căng trong giới hạn mạng tinh thể do khuyết tật trong mạng tinh thể gây ra [6, 22]. Sự tồn tại pha định tính, định lượng được nhận dạng chủ yếu dựa vào vị trí, cường độ, diện tích thu được từ tín hiệu nhiễu xạ thu được [22].

Hằng số mạng của tinh thể: trên cơ sở các giá trị d (khoảng cách giữa các mặt mạng tinh thể liền kề) thu được từ giản đồ nhiễu xạ X-ray tính được hằng số mạng của hạt tinh thể thông qua các biểu thức cụ thể, ứng với từng hệ tinh thể.

Giản đồ nhiễu xạ tia X được ghi trên máy D5005 của hãng Siemens- Đức thuộc trung tâm khoa học vật liệu – Khoa vật lý – ĐH Khoa học tự nhiên.

 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét

Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM -Scanning Electron Microscopy) Phương pháp SEM được sử dụng để xác định hình dạng và cấu trúc bề mặt của vật liệu. Ưu điểm của phương pháp SEM là có thể thu được những bức ảnh lớp bề mặt vật liệu chất lượng cao và khơng địi hỏi phức tạp trong khâu chuẩn bị mẫu. Phương pháp SEM đặc biệt hữu dụng, bởi vì nó cho độ phóng đại có thể thay đổi từ 10 đến 100.000 lần với hình ảnh rõ nét, hiển thị hai chiều phù hợp cho việc phân tích hình dạng và cấu trúc bề mặt. Ảnh vi cấu trúc và hình thái học của vật liệu được chụp bằng kính hiển vi điện tử hiển vi điện tử quét Nova Nano SEM 450 tại khoa Vật Lý, Trường ĐHKH Tự Nhiên, ĐHQG Hà Nội.

 Phương pháp khối phổ cảm ứng cộng hưởng plasma (ICP-MS)

Hàm lượng asen trong mẫu được gửi đi phân tích theo phương pháp ICP-MS tại Viện địa chất khoáng sản Việt Nam. ICP-MS là một phương pháp hiện đại, có độ nhạy cao trong phân tích đồng thời các nguyên tố lượng vết. Dung dịch mẫu phân tích ở dạng sol khí được đưa vào vùng plasma agon có bức xạ nhiệt độ cao (khoảng 10000oK). Plasma nhiệt độ cao hóa hơi và ion hóa mẫu sau đó chuyển các ion vào thiết bị phổ khối để phát hiện các nguyên tố dựa vào tỉ lệ khối [15, 22].

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Đặc điểm của vật liệu 3.1. Đặc điểm của vật liệu

3.1.1. Đặc điểm bề mặt vật liệu

Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) được thực hiện để khảo sát kích thước và bề mặt vật liệu nghiên cứu. Kết quả chụp SEM được thể hiện ở Hình 3.1.

a) Vật liệu hấp phụ từ hydroxit sắt (III) b) Vật liệu hấp phụ từ quặng oxit sắt

Hình 3.1: Ảnh chụp SEM độ phóng đại 30.000 lần của các mẫu vật liệu hấp phụ sau khi biến tính

Kết quả chụp bề mặt của vật liệu (H550, O550) cho thấy bề mặt vật liệu O550 có các hốc khơng rõ ràng và không biến động lớn như 2 vật liệu trên. Bề mặt chủ yếu là các tấm lớn xếp sít nhau tạo độ xốp nhỏ cho vật liệu. Vật liệu H550 có bề mặt vật liệu với nhiều khối dạng tinh thể, các hốc lớn xen kẽ với các thành, các thành được cấu tạo bởi các tầng xếp chồng lên nhau bởi các tấm dài, đặc điểm bề mặt này cho thấy vật liệu H550 có độ xốp cao, và có diện tích bề mặt tiếp xúc lớn.

Vật liệu O550 bề mặt có dạng tấm, nhiều nếp gãy gấp, các tấm xếp chồng lên nhau, các hốc, lỗ trống nhỏ; vật liệu H550 nhiều hốc, lỗ trống lớn, độ xốp cao, xuất hiện nhiều nếp gấp và các tầng xếp chồng lên nhau, đặc trưng cho vật liệu có diện tích bề mặt và độ ma sát lớn hơn.

3.1.2. Cấu trúc pha của vật liệu

Kết quả xác định cấu trúc pha vật liệu của các mẫu vật liệu được thể hiện trên các Hình 3.2 và Hình 3.3.

Hình 3.2: Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu O550

(O550 – vật liệu hấp phụ từ quặng sắt oxit)

VNU-HN-SIEMENS D5005 - Mau O550

39-1346 (*) - Maghemite-C, syn - Fe2O3 - Y: 31.48 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 33-0664 (*) - Hematite, syn - Fe2O3 - Y: 28.24 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 46-1045 (*) - Quartz, syn - SiO2 - Y: 98.03 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056

File: Hien-Moitruong-O550.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 10.000 ° - End: 70.000 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1.0 s - Temp.: 25.0 °C (Room) - Anode: Cu - Creation: 05/25/17 13:57:35

L in ( C p s ) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 2-Theta - Scale 10 20 30 40 50 60 70 d = 4 .4 9 4 d=4 .2 6 7 d = 3 .6 8 7 d = 3 .3 4 1 d = 3 .2 2 0 d= 2 .6 9 8 5 d = 2 .5 1 9 3 d = 2 .4 5 8 7 d = 2 .2 3 3 3 d = 2 .1 2 8 7 d = 1 .8 4 0 2 d = 1 .8 1 6 5 d = 1 .6 9 2 8 d =