Nồng độ asen(III) nước nguồn (mg/l) 6,6
Nồng độ asen(III) sau xử lý (mg/l) 0,49
Hiệu suất (%) 92,57
Từ kết quả thực nghiệm ta thấy, tại pH cao thì tăng hiệu suất hấp phụ asen(III) của vật liệu. Có thể là do tại pH = 9 trong điều kiện oxy hóa khử, asen(III) hầu như tồn tại ở dạng ion âm H2AsO3- có khả năng bị hấp phụ ngay trên bề mặt vật liêu do bề mặt vật liệu tích điện dương. Thay vào đó, tại pH = 4,5 asen(III) tồn tại chủ yếu ở dạng trung hịa H3AsO3, nó sẽ thực hiện phản ứng với Mn2+ hoặc Fe3+ trước để chuyển lên As(V) ở dạng H2AsO4- sau đó As(V) mới được hấp phụ trên bề mặt của vật liêu. Do đó, ta thấy trong cùng một thời gian tại pH = 9, phản ứng xảy ra nhanh hơn và có khả năng loại bỏ asen(III) tốt hơn. Cơ chế phản ứng diễn ra như sau:
2MnO2 + H3AsO3 + H2O → 2MnOOH + H2AsO4- + H+ (4.1) 2MnOOH + H3AsO3 + 3H+ → 2Mn2+ + H2AsO4- + 2H2O (4.2) Mn2+ + As(V) → Mn3(AsO4)2 ↓ (4.3)
4.2.2. Ảnh hưởng của cation
Khảo sát với nguồn nước giả lập nhiễm asen(III) có nồng đợ 6,6 ppm kết hợp với cation Fe2+. Thí nghiệm được tiến hành tại pH = 7,5 ± 0,1. Dẫn dung dịch chảy liên tục qua cột với tốc độ 330 ml/phút. Ảnh hưởng của cation đến khả năng hấp phụ của vật liệu thể hiện ở Bảng 4.3.
Bảng 4.3. Ảnh hưởng của hàm lượng Fe2+đến hiệu quả xử lý As(III).
Hàm lượng Fe2+ (mg/l) 0,15
Nồng độ asen(III) sau xử lý (mg/l) 0,53
Hiệu suất (%) 91,97
Trong một khoảng pH từ 0-9, asen(III) tồn tại trong nước nguồn hầu như ở dạng H3AsO3 theo Hình 1.5, do đó có thể thấy trong khoảng pH này khả năng hấp phụ asen(III) sẽ khơng có sự chênh lệch đáng kể. Nhưng dựa vào kết quả ở Bảng 4.1 và Bảng 4.3 ta thấy khi có mặt thêm ion Fe2+ trong dung dịch thì hiệu suất loại bỏ asen(III) tăng lên
61 đáng kể khoảng 92% so với chỉ khoảng 85% khi khơng có ion Fe2+. Do ion Fe2+ cũng có khả năng loại bỏ asen(III) như mangan. Cơ chế phản ứng diễn ra như sau:
Fe(II) + oxy khơng khí Fe(III) (4.4) Fe(III) + As(III) Fe(II) + As(V) (4.5) Fe(III) + As(V) FeAsO4 ↓ (4.6) Trong q trình xử lý, Fe(II) ở dạng hịa tan trong nước sẽ bị oxy hóa bởi oxy của khơng khí để tạo thành Fe(III). Hydroxit Fe(III) sẽ được hấp phụ trên bề mặt các hạt cát và tạo thành một lớp hấp phụ mỏng. Asen trong nước sẽ hấp phụ vào lớp Fe(OH)3 đó và bị giữ lại ở lớp vật liệu lọc theo cơ chế đồng kết tủa.
4.3. Kết quả nghiên cứu quá trình hấp phụ asen(III) của bộ lọc siêu hấp thu CDI 4.3.1. Ảnh hưởng của pH
Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ asen(III) của bộ lọc siêu hấp thu CDI được khảo sát ở cùng tốc đợ dịng chảy 330 ml/phút, điện áp 3,52 V. Chúng tôi thu được các bảng số liệu sau.
Bảng 4.4. Hiệu suất hấp phụ asen(III) của bộ lọc siêu hấp thu CDI tại pH = 4,5 ± 0,1.
Nồng độ asen(III) nước nguồn (mg/l) 6,1
Nồng độ asen(III) sau xử lý (mg/l) 2
Hiệu suất (%) 67,21
Bảng 4.5. Hiệu suất hấp phụ asen(III) của bộ lọc siêu hấp thu CDI tại pH = 9 ± 0,1.
Nồng độ asen(III) nước nguồn (mg/l) 7,4
Nồng độ asen(III) sau xử lý (mg/l) 2,4
Hiệu suất (%) 67,57
Từ các bảng kết quả trên, có thể thấy pH hầu như khơng có tác đợng đến hiệu suất xử lý asen(III) và khả năng loại bỏ asen(III) trong nguồn nước nguồn của bộ lọc siêu hấp thu CDI không cao chỉ khoảng 67% so với khoảng 88% khi xử lý bằng cột lọc hạt Zeomangan, kết quả nước sau khi lọc chỉ tiêu asen vẫn còn cao hơn chỉ tiêu nước uống cho phép khoảng 200 lần.
4.3.2. Ảnh hưởng của cation
Khảo sát với nước nguồn giả lập nhiễm asen(III) có nồng đợ 6,6 ppm kết hợp với cation Fe2+. Thí nghiệm được tiến hành tại pH = 7,5 ± 0,1. Dẫn dung dịch chảy liên tục
62 qua bộ lọc siêu hấp thu CDI với tốc độ 330 ml/phút, điện áp 3,52 V. Ảnh hưởng của cation đến khả năng hấp phụ của vật liệu thể hiện ở Bảng 4.6.
Bảng 4.6. Ảnh hưởng của hàm lượng Fe2+đến hiệu quả xử lý As(III).
Hàm lượng Fe2+ (mg/l) 0,15
Nồng độ asen(III) sau xử lý (mg/l) 2,4
Hiệu suất (%) 63,64
Kết hợp với Bảng số liệu 4.4 và 4.5, thấy khi có thêm hàm lượng Fe2+ thì hiệu suất xử lý asen(III) của bộ lọc siêu hấp thu CDI có sự giảm đáng kể từ khoảng 67% xuống 63%. Vì vậy, để tối ưu hơn trong việc xử lý asen(III) chúng tôi sẽ kết hợp giữa vật liệu lọc Zeomangan với bộ lọc siêu hấp thu CDI.
4.4. Kết quả nghiên cứu quá trình hấp phụ asen(III) khi kết hợp vật liệu theo phương pháp cột với bộ lọc siêu hấp thu CDI
4.4.1. Ảnh hưởng của pH
Để khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ As(III) của vật liệu hạt Zeomangan kết hợp với bộ lọc siêu hấp thu CDI, chúng tơi khảo sát tại cùng tốc đợ dịng chảy 330 ml/phút, điện áp 3,52 V. Kết quả được trình bày trong các Bảng 4.7 – 4.9 và Hình 4.4.
Bảng 4.7. Hiệu suất hấp phụ asen(III) của vật liệu Zeomangan kết hợp với bộ lọc siêu
hấp thu CDI tại pH = 4,5 ± 0,1.
Nồng độ asen(III) nước nguồn (mg/l) 6,1
Nồng độ asen(III) sau xử lý (mg/l) 0,026
Hiệu suất (%) 99,57
Bảng 4.8. Hiệu suất hấp phụ asen(III) của vật liệu Zeomangan kết hợp với bộ lọc siêu
hấp thu CDI tại pH = 7,5 ± 0,1.
Nồng độ asen(III) nước nguồn (mg/l) 6,6
Nồng độ asen(III) sau xử lý (mg/l) 0,021
63
Bảng 4.9. Hiệu suất hấp phụ asen(III) của vật liệu Zeomangan kết hợp với bộ lọc siêu
hấp thu CDI tại pH = 9 ± 0,1.
Nồng độ asen(III) nước nguồn (mg/l) 7,4
Nồng độ asen(III) sau xử lý (mg/l) 0,004
Hiệu suất (%) 99,95
Hình 4.4. Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ asen.
Dựa vào kết quả ở các Bảng 4.7 – 4.9 và Hình 4.4, có thể thấy rõ khi kết hợp giữa vật liệu Zeomangan với bợ lọc siêu hấp thu CDI thì hiệu quả xử lý asen(III) trong nước nguồn đã tăng lên một cách rõ rệt lên, hiệu suất đạt tới hơn 99%. Vật liệu lọc hạt Zeomangan sẽ đóng vai trị là cợt lọc thơ vừa để hấp phụ asen một phần vừa để chuyển hóa asen(III) lên asen(V) ở dạng các anion H2AsO4- và HAsO42- do ở trong khoảng pH = 4,5÷9 khi đó sẽ tạo tiền đề giúp cho bợ lọc siêu hấp thu CDI có thể loại bỏ các anion nàymột cách hiệu quả hơn nhờ cơ chế loại bỏ ion của bộ lọc CDI. Tại pH = 9, có hiệu suất xử lý asen(III) cao nhất, nước sau khi lọc đạt chỉ tiêu asen dưới giới hạn nồng độ asen trong nước uống cho phép là nhỏ hơn 0,01 ppm.
4.4.2. Ảnh hưởng của cation
Khảo sát với nước nguồn giả lập nhiễm asen(III) có nồng đợ 6,6 ppm kết hợp với cation Fe2+. Thí nghiệm được tiến hành tại pH = 7,5 ± 0,1. Dẫn dung dịch chảy liên tục với tốc độ 330 ml/phút, điện áp 3,52 V. Ảnh hưởng của cation đến khả năng hấp phụ thể hiện ở Bảng 4.10. 99.55 99.6 99.65 99.7 99.75 99.8 99.85 99.9 99.95 100 4 5 6 7 8 9 10 Hiệu suất (% ) pH
64
Bảng 4.10. Ảnh hưởng của hàm lượng Fe2+đến hiệu quả xử lý As(III).
Hàm lượng Fe2+ (mg/l) 0,15
Nồng độ asen(III) sau xử lý (mg/l) 0,058
Hiệu suất (%) 99,12
So sánh với kết quả ở Bảng 4.8, khi có mặt hàm lượng Fe2+ thì hiệu suất xử lý asen(III) giảm từ 99,68% xuống 99,12%. Do khi Fe(II) được bổ sung dưới dạng FeCl2 đồng thời sẽ làm tăng hàm lượng clorua trong nước, khi đó có thể do ion Cl- cùng điện tích với anion HAsO42- cho nên sẽ hình thành sự cạnh tranh hấp phụ của các anion này với nhau ngồi ra có thể do Fe3+ có điện tích lớn hơn nên nó sẽ ưu tiên hấp phụ ion Fe3+ trước cho nên những điều này sẽ dẫn đến việc hấp phụ As giảm nhưng không đáng kể.
Ngoài việc loại bỏ được asen(III) xuống dưới chỉ tiêu nước uống cho phép, thì chỉ tiêu khác cũng quan trọng để xác định chất lượng nguồn nước có đảm bảo chất lượng tốt cho sức khỏe khi uống hay khơng, thì chúng tơi đã khảo sát đến chỉ số TDS.
4.5. Kết quả nghiên cứu sự ảnh hưởng của điện áp và tốc độ dòng chảy tới bộ lọc siêu hấp thu CDI
Chúng tôi khảo sát trên ba mẫu nước nguồn với ba mức TDS khác nhau sau đó tiến hành thay đổi lần lượt điện áp và tốc đợ dịng chảy nước nguồn đầu vào để xem sự ảnh hưởng đến mức TDS ở nước lọc như thế nào, dưới đây là các kết quả thu được:
Bảng 4.11. Các thông số chỉ tiêu ở mỗi nguồn nước khi qua trực tiếp bộ lọc siêu hấp thu
CDI tại tốc độ dòng chảy 330 ml/phút, điện áp 3,52 V.
STT Chỉ tiêu Thông số Nguồn Lọc Xả 1 TDS (ppm) 55 1 335 Lưu lượng/chu kỳ (ml) 695 340 2 TDS (ppm) 105 2 300 Lưu lượng/chu kỳ (ml) 715 325 3 TDS (ppm) 275 4 580 Lưu lượng/chu kỳ (ml) 715 365
65 Ta thấy, khi TDS của nguồn nước đầu vào càng lớn nó sẽ ảnh hưởng đến chất lượng nguồn nước lọc, TDS càng lớn thì nguồn nước lọc càng kém tinh khiết hơn. Do khi TDS cao nghĩa là hàm lượng ion khoáng chất và kim loại nặng có trong nước nhiều, khi qua bợ lọc siêu hấp thu CDI trong cùng mợt khoảng thời gian như nhau thì nguồn nước mà có ít ion (TDS thấp) sẽ bị hút, giữ trên các lớp điện cực của CDI triệt để hơn. Và khi chỉ số TDS xả càng lớn chứng tỏ khả năng lọc càng tốt khiến chỉ số TDS lọc sẽ thấp.
Bảng 4.12. Các thông số chỉ tiêu ở mỗi nguồn nước khi qua trực tiếp bộ lọc siêu hấp thu
CDI tại tốc độ dòng chảy 1080 ml/phút, điện áp 3,52 V.
STT Chỉ tiêu Thông số Nguồn Lọc Xả 1 TDS (ppm) 55 5 405 Lưu lượng/chu kỳ (ml) 1825 575 2 TDS (ppm) 105 10 670 Lưu lượng/chu kỳ (ml) 1840 575 3 TDS (ppm) 275 25 895 Lưu lượng/chu kỳ (ml) 1840 585
Khi tăng tốc đợ dịng chảy từ 330 lên 1080 ml/ phút và giữ nguyên ở cùng mợt mức điên áp là 3,52 V thì có sự thay đổi rõ rệt đến mức TDS trong nước uống. Cụ thể là mức TDS tăng khi tăng tốc đợ dịng chảy nguồn nước đầu vào. Do nếu xét ở cùng một điều kiện nước đầu vào, trong cùng mợt khoảng thời gian. Ở tốc đợ dịng chảy nước đầu vào thấp hơn thì khả năng các ion bị bắt giữ trên các lớp điện cực sẽ nhiều hơn do thời gian tiếp xúc với các lớp điện cực lâu hơn so với tốc đợ dịng chảy lớn. Ngồi ra lượng nước lọc được cũng tăng đáng kể so với trường hợp có tốc đợ dịng chảy thấp.
66
Bảng 4.13. Các thông số chỉ tiêu ở mỗi nguồn nước khi qua trực tiếp bộ lọc siêu hấp thu
CDI tại tốc độ dòng chảy 330 ml/phút, điện áp 1,46 V.
STT Chỉ tiêu Thông số Nguồn Lọc Xả 1 TDS (ppm) 55 2 180 Lưu lượng/chu kỳ (ml) 905 405 2 TDS (ppm) 105 4 280 Lưu lượng/chu kỳ (ml) 895 410 3 TDS (ppm) 275 8 560 Lưu lượng/chu kỳ (ml) 875 440
Khi giữ ngun tốc đợ dịng chảy 330 ml/phút nhưng thay đổi điện áp giảm xuống còn 1,46 V thì TDS lọc thấp hơn so với ở mức điện áp 3,52 V. Điều này do khi ở điện áp thấp khả năng hút và bắt giữ ion ở trên các lớp điện cực sẽ kém hơn khi ở điện áp cao. Nhưng nếu điện áp quá cao sẽ có khả năng xảy ra hiện tượng điện phân nước ở hai điện cực ở chu kỳ lọc làm sinh ra khí và ảnh hưởng đến nguồn nước uống.
Dựa vào kết quả ở các Bảng 4.11 – 4.13, ta biểu diễn sự ảnh hưởng tốc đợ dịng chảy và điện áp tới mức TDS lọc lần lượt ở các Hình 4.5 và 4.6.
67
Hình 4.5. Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của tốc độ dòng chảy tới mức TDS lọc ở cùng
điện áp 3,52 V.
Hình 4.6. Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của điện áp tới mức TDS lọc ở cùng tốc độ
68 Ở Hình 4.5 và 4.6, ta thấy rõ hơn tốc đợ dịng chảy và điện áp ảnh hưởng lớn đến TDS lọc. Khi tốc đợ dịng chảy lớn sẽ kéo theo TDS lọc lớn, cịn đối với điện áp thì ngược lại, TDS lọc ở mức điện áp thấp sẽ cao hơn ở mức điện áp cao.
Đánh giá tỷ lệ thu hồi nước của bộ lọc siêu hấp thu CDI
Dựa vào số liệu ở Bảng 4.11 – 4.13, kết quả được tính tốn và lần lượt trình bày ở các Bảng 4.14 – 4.16 và Hình 4.7.
Bảng 4.14. Tỷ lệ thu hồi nước của bộ lọc siêu hấp thu CDI tại tốc độ dòng chảy 330 ml/phút, điện áp 3,52 V.
STT Nguồn nước (ppm) Tỷ lệ thu hồi nước (%)
1 55 67,1
2 105 68,7
3 275 66,2
Bảng 4.15. Tỷ lệ thu hồi nước của bộ lọc siêu hấp thu CDI tại tốc độ dòng chảy 1080
ml/phút, điện áp 3,52 V.
STT Nguồn nước (ppm) Tỷ lệ thu hồi nước (%)
1 55 76,1
2 105 76,2
3 275 75,9
Bảng 4.16. Tỷ lệ thu hồi nước của bộ lọc siêu hấp thu CDI tại tốc độ dòng chảy 330 ml/phút, điện áp 1,46 V.
STT Nguồn nước (ppm) Tỷ lệ thu hồi nước (%)
1 55 69,1
2 105 68,6
3 275 66,5
69
Hình 4.7. Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của tốc độ dòng chảy tới tỷ lệ thu hồi nước
tại cùng điện áp 3,52 V.
Tỷ lệ thu hồi nước phụ tḥc phần lớn vào tốc đợ dịng chảy của nguồn nước đầu vào, kết quả ở Bảng 4.15 và Hình 4.7 cho thấy rõ lưu lượng dịng chảy ở tốc đợ 1080 ml/phút có tỷ lệ nước thu hồi cao nhất trung bình khoảng 76% so với chỉ khoảng 67% khi ở tốc đợ dịng chảy 330 ml/phút. Điện áp cấp vào cho bộ lọc CDI không ảnh hưởng nhiều đến tỷ lệ thu hồi nước mà nó chỉ ảnh hưởng đến mức TDS của nguồn nước. Vì vậy, mặc dù có tỷ lệ thu hồi nước cao nhất nhưng chỉ số TDS của nguồn nước cũng rất cao. Tuy vậy TDS cao chưa chắc nguồn nước khơng đảm bảo, mà TDS cao sẽ có thể cung cấp nhiều khống có lợi (Na+, Mg2+, Ca2+, K+) cho sức khỏe hơn là nước uống tinh khiết có mức TDS rất thấp, do đó tùy theo nhu cầu sử dụng của người dùng mà có thể điều chỉnh được chất lượng nước khác nhau.
4.6. Kết quả nghiên cứu khả năng xử lý nước cứng bằng bộ lọc siêu hấp thu CDI
Chúng tôi khảo sát khả năng xử lý nước cứng của bộ lọc siêu hấp thu CDI bằng cách pha CaCl2 vào nước nguồn. Dẫn nguồn nước nhiễm có TDS 530 ppm chảy liên tục qua bộ lọc siêu hấp thu CDI với tốc đợ dịng chảy 330 ml/phút, điện áp 3,2 V. Hàm lượng độ cứng trong nước được xác định bằng phương pháp chuẩn độ EDTA. Kết quả thu được thể hiện ở Bảng 4.17.
70
Bảng 4.17. Khả năng xử lý nước cứng của bộ lọc siêu hấp thu CDI.
Nồng độ độ cứng trong nguồn nước giả lập (mg/l) 195
TDS lọc (mg/l) 20
Nồng độ độ cứng sau xử lý (mg/l) 4,5
Hiệu suất (%) 97,69
Chúng tôi cũng khảo sát nguồn nước ngầm nhiễm mặn tại tỉnh Khánh Hịa có TDS 5030 ppm. Chúng tôi đã pha lỗng nguồn nước nhiễm xuống TDS cịn 2440 ppm. Dẫn nguồn nước nhiễm chảy liên tục qua bộ lọc siêu hấp thu CDI với tốc đợ dịng chảy 330 ml/phút, điện áp 2,8 V. Hàm lượng độ cứng trong nước được xác định bằng phương pháp chuẩn độ EDTA. Kết quả thu được thể hiện ở Bảng 4.18.
Bảng 4.18. Khả năng xử lý nước cứng tại tỉnh Khánh Hòa của bộ lọc siêu hấp thu CDI.
Nồng độ độ cứng trong nước ngầm (mg/l) 1440
TDS lọc (mg/l) 540
Nồng độ độ cứng sau xử lý (mg/l) 276
Hiệu suất (%) 80,83
Từ kết quả ở các bảng trên, bợ lọc siêu hấp thu CDI có khả năng xử lý nguồn nước cứng rất tốt, xử lý xuống dưới mức chỉ tiêu nước uống cho phép là nhỏ hơn 300 mg/l. Ngay cả khi nguồn nước có đợ cứng rất cao khoảng 1440 ppm.
4.7. Kết quả khảo sát sự thay đổi pH của nước nguồn khi sử dụng hạt nâng pH Corosex Clack
Để tăng khả năng hiệu quả xử lý asen(III) trong nguồn nước ngầm thực tế, thì chúng tơi đã khảo sát sự thay đổi pH của vật liệu hạt Corosex Clack. Kết quả thu được như sau.
Bảng 4.19. Sự thay đổi pH của vật liệu hạt Corosex Clack.
pH nguồn nước vào pH nguồn nước ra