Cho một dịng khí hay dung dịch chứa chất bị hấp phụ qua cột hấp phụ. Sau một thời gian thì cột hấp phụ chia làm 3 vùng:
Vùng 1 (Đầu vào vùng xử lý): chất hấp phụ đã bão hòa và đạt trạng thái cân bằng. Nồng độ chất hấp phụ ở đây bằng nồng độ của nó ở lối vào.
Vùng 2 (Vùng chuyển khối): Nồng độ chất bị hấp phụ thay đổi tùy giá trị nồng độ ban đầu tới không.
Vùng 3 (Vùng lối ra của cột hấp phụ): Vùng mà quá trình hấp phụ chưa xảy ra nồng độ chất bị hấp phụ bằng 0.
Khi thời gian thực hiện quá trình hấp phụ tăng lên thì vùng hấp phụ dịch chuyển theo chiều dài của cột hấp phụ. Chất hấp phụ sẽ xuất hiện ở lối ra khi vùng chuyển khối chạm tới đáy cột. Đây là thời điểm cần dừng quá trình hấp phụ để nồng độ của chất bị hấp phụ ở lối ra không vượt quá giới hạn cho phép. Tiếp theo cột hấp phụ được thải bỏ hoặc giải hấp để tiếp tục thực hiện quá trình hấp phụ.
Chiều dài vùng chuyển khối là một yếu tố quan trọng trong nghiên cứu sự hấp phụ động trên cột. Khi tỷ lệ giữa chiều dài cột hấp phụ với chiều dài vùng chuyển khối giảm đi thì việc sử dụng cột cho một chu trình cũng giảm, lúc đó lượng chất hấp phụ cần thiết tăng lên. Vùng chuyển khối đặc biệt dài hơn trong trường hợp hấp phụ chất lỏng so với trường hợp hấp phụ chất khí vì độ nhớt của chất lỏng cao hơn. Độ nhớt làm
Vùng hấp phụ bão Vùng chuyển khối
Đầu ra Lối vào
chậm quá trình chuyển khối trên bề mặt chất rắn cũng như sự khuếch tán bên trong hạt chất rắn. Các yếu tố ảnh hưởng tới chiều dài vùng chuyển khối và phương pháp hạn chế được trình bày ở Bảng 1.3.
Bảng 1.3: Các yếu tố ảnh hưởng tới chiều dài vùng chuyển khối và phương pháp hạn chế
Yếu tố ảnh hưởng Phương pháp hạn chế
Tốc độ khuếch tán hạn chế bên trong phần tử hấp phụ
Giảm khuếch tán bên trong hạt bằng cách giảm kích cỡ hạt.
Sử dụng vật liệu có mạng lưới lỗ xốp lớn để dễ khuếch tán.
Sự giới hạn về diện tích bề mặt của chất hấp phụ
Giảm kích cỡ hạt để tăng thêm diện tích bề mặt trên một đơn vị thể tích chất hấp phụ sử dụng các hạt có diện tích bề mặt lớn trên một đơn vị thể tích.
Tốc độ dịng phân bố khơng đều khi chạy qua cột
Giảm thiểu các lỗ trống, đây là nguyên nhân chính gây nên dịng khơng đều khi chảy qua cột.
Điều kiện dịng cố định ở lối vào và ra cột.
Nếu theo dõi sự biến đổi của nồng độ chất hấp phụ theo thời gian, tức là theo dõi dải nồng độ theo thời gian sẽ nhận được đường cong thốt (Hình 1.8).
Dung lượng hấp phụ cực đại được tính theo cơng thức [20]
Qe = ∑(Ci − Ck) ∗ (𝑇𝑘 − 𝑇(𝑘 − 1)) ∗ 𝑄
𝑚 ∗ 1000
𝑛
𝑘=0
Qe: Dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g) Q: Tốc độ dòng (ml/min)
m: Khối lượng chất hấp phụ (g) Ci: Nồng độ asen ban đầu Ck: Nồng độ asen đầu ra T: Thời gian (min)
Mục tiêu thực tiễn của nghiên cứu động lực hấp phụ là xác định (thiết kế) được thời gian hoạt động của một cột hấp phụ từ các số liệu thực nghiệm, đánh giá sự hao hụt dung lượng hấp phụ khi sử dụng phương pháp dòng chảy. Hấp phụ động là quá trình được ứng dụng rộng rãi nhất trong nghiên cứu về hấp phụ, tuy nhiên do sự phức tạp của hệ thống cột hấp phụ và sự thiếu hụt của lý thuyết chất rắn nên các mơ hình tốn học mơ tả điều này khó khăn và phức tạp hơn so với hấp phụ tĩnh.
• Mơ hình Thomas
Mơ hình Thomas dựa trên giả thiết cho rằng quá trình hấp phụ tn theo mơ hình động học bậc hai và mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir, đồng thời Thomas cũng bỏ qua quá trình chuyển khối bên trong và bên ngồi của chất hấp phụ. Do đó tốc độ q trình khuếch tán được quyết định bởi phản ứng trên bề mặt giữa chất hấp phụ và dung lượng chưa bị sử dụng của chất hấp phụ. Phương trình có dạng như sau:
Dạng tuyến tính của phương trình:
Hoặc:
(với t = V/Q) Trong đó:
Co, Ce: nồng độ đầu vào và đầu ra của dung dịch hấp phụ (mg/L) qo: dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g)
M: khối lượng chất hấp phụ (g) Q: tốc độ dòng chảy (mL/phút)
V: lượng thể tích chảy qua cột hấp phụ (mL) KT: hằng số tốc độ Thomas (mL/phút/mg)
Xây dựng đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của ln(Co/Ct – 1) vào V hoặc ln(Co/Ct – 1) vào (t) có dạng như hình 1.9, từ đó sẽ xác định được các hệ số trong phương trình:
• Mơ hình Yoon – Nelson
Mơ hình này dựa trên giả thiết cho rằng độ giảm tốc độ của quá trình hấp phụ tỉ lệ với tỉ số giữa nồng độ sau khi hấp phụ và nồng độ ban đầu của chất chưa hấp phụ. Phương trình Yoon – Nelson có dạng:
Dạng tuyến tính của phương trình:
Trong đó:
Co, Ce: nồng độ đầu vào và đầu ra của dung dịch hấp phụ (mg/L) KYN: hệ số tốc độ (phút-1)
τ: Thời gian để hấp phụ 50% chất bị hấp phụ (phút) t: thời gian (phút)
Mơ hình Yoon – Nelson khơng chỉ đơn giản hơn các mơ hình khác mà các tham số trong mơ hình cũng khơng địi hỏi chi tiết về các tính chất của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, cũng như các tham số của mơ hình hấp phụ dạng tĩnh. Từ phương trình dạng đường tuyến tính, xây dựng đồ thị phụ thuộc ln(Ce/(Co – Ce)) vào (t) có dạng như Hình 1.10, từ đó xác định được các hệ số trong phương trình động học Yoon – Nelson:
Hình 1.10: Đồ thị sự phụ thuộc ln(Ce/(Co – Ce)) vào thời gian theo mơ hình Yoon-Nelson Yoon-Nelson
1.5. Chất lượng nước và hiện trạng cấp nước của làng Cự Đà, Hà Nội
Huyện Thanh Oai là một huyện bị ô nhiễm As nặng, theo khảo sát của Trung tâm Quốc gia nước sạch và vệ sinh an tồn nơng thơn năm 2016, trong 2864 mẫu, có 46,46% vượt mức nồng độ As cho phép (≥ 50ppb), trong đó có 16,13% tương đương 462 mẫu có nồng độ As lớn hơn 100 ppb. Trong đó, điển hình với các xã Cự Khê cùng với Xuân Dương và Cao Dương là các xã có tỉ lệ nhiễm asen trong nước ngầm vượt mức cho phép rất cao (đều lớn hơn 80%), trong đó hầu hết các mẫu được lấy đều có hàm lượng asen vượt quá giới hạn cho phép của nước sinh hoạt theo QCVN 02: 2009/BYT, và có trên 50% các mẫu được lấy có lượng As lớn hơn 100ppb.
Làng Cự Đà nằm ở phía Đơng của xã Cự Khê, phía Bắc giáp xã Hữu Hịa, huyện Thanh Trì, Hà Nội; phía Đơng giáp sơng Nhuệ và xã Tả Thanh Oai. Làng nghề Cự Đà hiện có gần 450 hộ gia đình với 1600 nhân khẩu, ngồi việc sản xuất nơng nghiệp ra thì có tới 150 hộ sản xuất miến dong (sản lượng 1000 kg/ngày/hộ) và 100 hộ làm tương gạo nếp Cự Đà (150 lít/ngày/hộ).
Với vị trí địa lý của xã hiện nay, nước thải của các nhà máy sơn Hà Nội, khu dân cư Đại Từ, Linh Đàm, …, nước thải sinh hoạt của Hà Nội hàng ngày chảy vào sông Nhuệ, đi qua xã Cự Đà đã gây ô nhiễm nghiêm trọng cho khu vực này trong nhiều năm qua. Các kết quả điều tra khảo sát đều cho thấy các mẫu nước ở Cự Đà hầu hết đều vượt
quá ngưỡng cho phép theo QCVN 01: 2009 và QCVN 02:2009 của Bộ Y Tế. Vấn đề này nếu không được giải quyết sớm, không những ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe và hoạt động sản xuất của người dân trong vùng mà còn gây mất làng nghề Cự Đà.
Hiện nay, tuy đã có một nhà máy nước tại xã Cự Khê, tuy nhiên không đủ cung cấp cho tồn xã. Các hộ gia đình trong xã vẫn sử dụng nguồn nước từ các giếng khoan thủ công, nhỏ, sâu khoảng 20 – 30 mét trong khn viên gia đình. Nước bơm lên sử dụng ngay để tưới cây hoặc vệ sinh nhà cửa, hoặc chỉ được xử lý theo cách đơn giản: lọc qua 1 bể có lớp cát vàng, đá xanh hoặc sỏi rồi đưa ngay vào bể để sử dụng.
Hình 1.11: Bản đồ địa chính xã Cự Đà
Nguồn nước từ quá trình tự xử lý của người dân chưa đảm bảo cho sử dụng trong ăn uống và chế biến thực phẩm của làng nghề Cự Đà, gây lo lắng cho cư dân nơi đây. Vấn đề này cần sớm được giải quyết nếu không sẽ làm ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe và hoạt động sản xuất cũng như sinh hoạt của người dân, đồng thời gây mất an toàn thực phẩn cho những người tiêu dùng đang sử dụng sản phẩm của làng nghề Cự Đà.
Mầm non xã Cự Khê, thuộc thôn Khúc Thủy, là một trong các cơng trình cơng cộng của xã, với hơn 200 học sinh và 30 giáo viên đang học tập và công tác. Nguồn nước sử dụng chính tại đây vẫn là nước từ các giếng khoan sau khi tự xử lý, tuy nhiên phần lớn không đạt theo cả 2 quy chuẩn QCVN 01:2009/BYT và QCVN 02:2009/BYT về chỉ tiêu asen. Hiện tai, nguồn nước ăn uống tại trường là các bình nước lọc thương phẩm trên thị trường, rất tốn kém trong sử dụng, và vận chuyển; ngồi ra, nước sau xử lý khơng đạt quy chuẩn còn được sử dụng để tưới rau và phục vụ một số sinh hoạt khác của cán bộ và học sinh trong trường, điều này gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe của các học sinh, có thể gây nhiễm độc asen mãn tính.
Hình 1.12: Vị trí trường mầm non Cự Khê
Từ tình hình thực tiễn này, việc triển khai thử nghiệm hệ xử lý nước tập trung cho các hộ gia đình, với mục đích nhằm cung cấp đủ nước sạch đạt tiêu chuẩn phục vụ cho sinh hoạt và học tập của học sinh và giáo viên trường mầm non Cự Khê, cũng như phục vụ các hoạt động sản xuất và sinh hoạt của làng nghề là vấn đề cấp thiết đáp ứng nguyện vọng và yêu cầu thực tế hiện nay của lãnh đạo và nhân dân trong xã Cự Khê,
sau đó có thể nhân rộng ra để áp dụng xử lý cho các khu vực bị ơ nhiễm As trên tồn địa bàn Hà Nội.
1.6. Tổng quan bùn đỏ từ q trình sản xuất nhơm
1.6.1. Cơng nghệ thải bùn đỏ và đặc tính của bùn đỏ
Bùn đỏ là bã thải của q trình sản xuất nhơm từ quặng bauxit theo phương pháp Bayer. Do tính kiềm cao và lượng bùn thải lớn, bùn đỏ sẽ là tác nhân gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng nếu không được quản lý tốt. Bùn đỏ bao gồm các thành phần chính như: hematit, natri-silicat, natri-alumosilicat, canxi-titanat, monohydrate nhôm,… và một lượng xút dư thừa do quá trình hịa tan và tách quặng bauxit.
Theo dự án ATF–06–03 (2006-2011) về cơ sở dữ liệu bùn đỏ và hồ chứa bùn đỏ (Bauxite Residue and Disposal Database – BraDD, [49]) do 7 nước hợp tác tiến hành, bao gồm Mỹ, Canada, Úc, Trung Quốc, Ấn Độ, Nhật Bản, Hàn Quốc mới công bố vào tháng 12 năm 2008 cho thấy [49]: Trên thế giới hiện nay có khoảng 73 nhà máy sản xuất Alumina phân bố ở các châu lục trên thế giới, trong đó: 1 ở Guine (Châu Phi); 3 ở Canada, 5 ở Mỹ (Bắc Mỹ); 6 ở Brazil, 4 ở Jamaica, 1 ở Suriname, 1 ở Venezuela (Nam Mỹ); 5 ở Trung Quốc, 3 ở Nhật bản, 8 ở Ấn Độ, 1 ở Khazakhstan, 1 ở Thổ Nhĩ Kỳ, 1 ở Iran (Châu Á); 4 ở Pháp, 2 ở Đức, 1 ở Hy Lạp, 1 ở Ireland, 1 ở Ý, 1 ở Tây ban Nha (Tây Âu); 7 ở Nga, 2 ở Ukraina, 1 ở Montenegro, 2 ở Hungary, 1 ở Bosnia Herzegovina, 1 ở Romania, 1 ở Slovakia (Đông và Trung Âu); 7 ở Úc, 1 ở Bahrain (Châu Đại dương) đều sử dụng cả 2 phương pháp thải bùn đỏ là thải khơ và thải ướt, trong đó khoảng 20 nhà máy Alumina (chiếm 27%) áp dụng thải khô, chủ yếu tập trung ở châu Âu và Úc; còn khoảng 53 nhà máy Alumina (chiếm 73%) áp dụng thải ướt, chủ yếu tập trung ở Trung Quốc, Ấn Độ và các nước đang phát triển trong đó có cả dự án đang được tiến hành tại Việt Nam.
Thải bùn đỏ trên đất có 2 phương pháp là thải khơ hoặc thải ướt:
- Thải khô là bơm bùn ra bãi thải với hàm lượng chất rắn rất cao, tiết kiệm diện tích nhưng tốn kém và phức tạp hơn, thích hợp với những vùng có lượng bốc lớn
- Thải ướt là bơm bùn ra bãi thải với hàm lượng chất rắn thấp hơn, đỡ tốn kém, thích hợp với các vùng có các thung lũng dễ tạo thành hồ chứa.
Theo tính tốn của nhà thầu Chalieco-Trung Quốc: Với Dự án Nhân Cơ công suất 600.000 tấn alumin/năm, lượng bùn đỏ khô sẽ là 566.000 tấn/năm, dung dịch bám theo bùn đỏ (được bơm tuần hoàn về nhà máy khoảng 70%) là 610.000 tấn/năm. Với Dự án Lâm Đồng công suất 600.000 tấn alumin/năm, lượng bùn đỏ khô sẽ là 636.720 tấn/năm, dung dịch bám theo bùn đỏ (được bơm tuần hoàn về nhà máy khoảng 70%) là 687.720 tấn/năm. Cả 2 nhà máy Nhân Cơ và Lâm Đồng lượng bùn đỏ thải ra khoảng 1,2- 1,3 triệu tấn/năm.
1.6.2. Thành phần và tính chất của bùn đỏ
Thực chất bùn đỏ là cặn (các thành phần có trong bauxit) khơng hồ tan trong kiềm và thu được trong q trình hồ tách bauxit với dung dịch kiềm NaOH. Thành phần khoáng vật của bùn đỏ là các ôxyt - chủ yếu là ôxyt sắt nên có màu đỏ, các hợp chất mới tạo thành như Na-Aluminium-Hydrosilicat, Ca- Aluminium-Hydrosilicat... Do chúng có liên kết hố học với kiềm (hoặc kiềm bám theo) nên bùn đỏ có độ bám dính rất lớn (nhất là sau khi nó đã lắng tốt hoặc đã khơ) đặc tính lý-hố của bùn đỏ khơng như bùn đất thông thường. Mặt khác khi thải bùn đỏ ở dạng ướt sẽ có 54,4% chất thải ở dạng lỏng, chủ yếu là NaOH còn dư, muối Aluminat và nước. Pha rắn chiếm 45,6% có thành phần chủ yếu là oxit kim loại.
Do trong thành phần bùn đỏ có chứa nhiều loại oxit khác nhau nên điện tích bề mặt phụ thuộc vào loại oxit có trong thành phần, dựa vào đặc điểm đó xác định điểm đẳng điện của bùn đỏ có pH = 8,5.
Thành phần bùn đỏ là những hạt tạp chất rất nhỏ do bauxit đã được nghiền trước khi đem xử lý với natri hydroxide nên nó có khả năng thẩm thấu rất cao. Tất cả các chất trên dù tồn tại dưới dạng ướt hay bụi đều ảnh hưởng rất xấu đến sức khỏe con người nếu tiếp xúc với nó.
CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tượng nghiên cứu 2.1. Đối tượng nghiên cứu
Vật liệu giàu sắt hấp phụ asen có nguồn gốc từ bùn đỏ nhân tạo, sắt oxit và một số phụ gia khác.
Mơ hình xử lý loại bỏ asen trong nước ngầm quy mô 5m3/ngày đặt tại thôn Khúc Thủy, làng Cự Đà, Cự Khê, huyện Thanh Oai, Hà Nội.
Nước ngầm có nhiễm As tại địa điểm đặt mơ hình.
2.2. Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ asen có nguồn gốc từ các vật liệu giàu sắt như bùn đỏ, sắt oxit và một số phụ gia khác.
Đánh giá các đặc điểm của vật liệu cũng như tìm ra các điều kiện tối ưu và các thông số đặc trưng cho quá trình xử lý As.
Áp dụng thử nghiệm và đánh giá hiệu quả trên mơ hình pilot quy mơ 5m3/ngày đặt tại thôn Khúc Thủy, làng Cự Đà, Cự Khê, huyện Thanh Oai, Hà Nội để xử lý nước ngầm nhiễm asen nồng độ cao.
2.2. Phương pháp nghiên cứu
2.2.1. Phương pháp kế thừa tài liệu thứ cấp
Thu thập số liệu, tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu bao gồm các thông tin đại chúng về asen, tình hình ơ nhiễm asen, phế thải giàu sắt như là bùn đỏ, bùn nhà máy nước cấp có sử dụng nước ngầm,…
Tham khảo tài liệu, liên hệ địa phương nơi nghiên cứu, thu thập tài liệu thứ cấp. Kế thừa các kết quả đã có trong nước và trên thế giới.
2.2.2. Phương pháp chế tạo vật liệu hấp phụ As a) Chuẩn bị mẫu a) Chuẩn bị mẫu
Sắt (III) hydroxit được chế tạo nhằm mô phỏng thành phần sắt hydroxit trong bùn đỏ, được điều chế trong phịng thí nghiệm dựa trên phản ứng của muối FeCl3 với NaOH theo phương trình:
FeCl3 + 3 NaOH ―> Fe(OH)3 + 3 NaCl