Nước đá có vai trò rất quan trọng trong đời sống và trong công nghiệp. Trong công nghiệp người ta sử dụng nước đá để ướp lạnh bảo quản thực phẩm, rau
quả chống hư hỏng. Trong đời sống vai trò nước đá càng quan trọng hơn như phục vụ giải khát, giải trí. Nước đá còn có vai trò quan trọng như tạo sân băng trược băng nghệ thuật.
Trong công nghiệp chế biến thực phẩm nước đá thường được sử dụng dưới nhiều dạng: đá cây, đá vảy, đá tấm,… Chúng đều được sử dụng để ướp đá thực phẩm trong quá trình chế biến.
Chất lượng nước đá chịu tác động của nhiều yếu tố: các thành phần trong nước, phương pháp làm lạnh. Thông thường, nước đá được lấy từ mạng lưới thủy cục, các tạp chất và vi sinh vật trong nước không được vượt quá các giá trị qui định.
Bảng 1.4 Hàm lượng tạp chất trong nước đá công nghiệp[3]
STT Tạp chất Hàm lượng
1 Số lượng vi khuẩn 100/con
2 Vi khuẩn đường ruột 3con/L
3 Chất khô 1g/L
4 Độ cứng 7mg/L
5 Độ đục 1,5mg/L
6 Hàm lượng sắt 0,3mg/L
7 pH 6,5 – 9,5
Tạp chất hoà tan trong nước làm cho chất lượng và thẩm mỹ của đá bị biến đổi. Các tạp chất có thể tạo ra màu sắc, màu đục không trong suốt. Một số tạp chất làm cho đá dễ bị nứt nẻ. Một số tạp chất tách ra được khi đông đá tạo thành cặn bẩn nằm ở đáy, nhưng một số tạp chất lại không tách ra được trong quá trình đóng băng, có tạp chất khi hoà tan trong nước làm cho đá khó đông hơn, do nhiệt độ đóng băng giảm.
Bảng 1.5 Ảnh hưởng một số tạp chất đến chất lượng nước đá[3]
TT Tạp chất Ảnh hưởng Kết quả sau
chế biến
1 Cacbonat canxi CaCO3
Tạo thành chất lắng bẩn ở dưới hoặc ở giữa cây. Tách ra được 2 Cacbonat magiê MgCO3 Tạo thành chất lắng bẩn và bọt khí, làm nứt đá ở nhiệt độ thấp. Tách ra được
3 Ôxit sắt Tạo chất lắng màu vàng hay nâu và nhuộm màu chất lắng canxi và magiê.
Tách ra được
4 Ôxit silic và ôxit nhôm
Tạo chất lắng bẩn. Tách ra được
5 Chất lơ lửng Tạo cặn bẩn. Tách ra được
6 Sunfat natri clorua va sunfat canxi
Tạo các vết trắng ở lõi, làm đục lõi và tăng thời gian đóng băng. Không tạo chất lắng.
Không thay đổi
7 Clorua canxi và sunfat magiê
Tạo chất lắng xanh nhạt hay xám nhạt ở lõi, kéo dài thời gian đông và tạo lõi không trong suốt.
Biến đổi thành sunfua canxi
8 Clorua magiê Tạo vết trắng, không có cặn. Biến đổi thành clorua canxi
9 Cacbonat natri Chỉ cần một lượng nhỏ cũng làm nứt đá ở nhiệt độ dưới -90C. Tạo vết màu trắng ở lõi, kéo dài thời gian đóng băng. Tạo đục cao và không có cặn. Biến đổi thành cacbonat natri 1.3. TỔNG QUAN VỀ NƯỚC CỨNG [1] 1.3.1. Khái niệm chung về nước cứng
Ion canxi và magiê là nguyên nhân chính gây nên độ cứng trong nước. Ngoài ra, sự hiện diện của các cation kim loại của sắt, natri, mangan và stronti có thể là
nguyên nhân gây nên độ cứng. Các cation này hiện diện với các anion như là HCO3- , SO42-, Cl-, NO3- và SiO42-.
1.3.2. Phân loại
1.3.2.1. Độ cứng tạm thời (độ cứng có cacbonat)
Các cacbonat và bicacbonat của canxi, magiê và natri được gọi là độ cứng có cacbonat hoặc độ cứng tạm thời, nó có thể được loại bỏ bằng cách đun sôi nước.
1.3.2.2. Độ cứng vĩnh cửu (độ cứng không có cacbonat)
Độ cứng không có cacbonat hay độ cứng vĩnh cửu được tạo bởi chloride và sunfat kết hợp với các cation hóa trị 2. Chính độ cứng này là nguyên nhân gây đóng cặn và ăn mòn đường ống và các nồi nấu, nồi chưng cất.
1.3.3. Độ cứng toàn phần
Bảng 1.6 Phân loại nước cứng [1]
Phân loại độ cứng mg/LCaCO3
US Quốc tế Mềm Tương đối mềm Hơi cứng Tương đối cứng Cứng Rất cứng 0 – 60 61 – 120 121 – 180 > 180 0 – 50 51 – 100 101 -150 151 – 200 201 – 300 > 300
Độ cứng toàn phần của nước bằng tổng hàm lượng của ion canxi và magiê có trong nước. Người ta chia độ cứng toàn phần ra: độ cứng cacbonat (độ cứng tạm thời) tính bằng tổng hàm lượng ion Ca2+ và Mg2+ trong muối cacbonat và hydrocacbonat canxi, hydrocacbonat magiê. Độ cứng không cacbonat (độ cứng vĩnh cửu) tính bằng tổng hàm lượng ion Ca2+ và Mg2+ trong các muối acid mạnh của canxi và magiê.
Nếu như trong nước hàm lượng của ion HCO3- < Ca2+ + Mg2+ (mgđl/L) thì trị số của độ cứng cacbonat bằng tổng hàm lượng của ion canxi và magiê. Lượng dư HCO3- là cacbonat natri (Na2CO3) và cacbonat kali (K2CO3).
Nếu như trong nước hàm lượng của ion HCO3- < Ca2+ + Mg2+ (mgđl/L) thì trị số của độ cứng cacbonat bằng tổng nồng độ ion HCO3-.
Nếu biểu thị nồng độ ion Ca2+, Mg2+ và HCO3- bằng mg/L thì độ cứng tổng và các độ cứng thành phần được tính theo công thức sau (tính bằng mgđl trong một lít nước, mgđl/L). Độ cứng toàn phần : C0 C0 = , + , Độ cứng cacbonat: Ck Khi , + , , ⇨ Ck = , Khi , + , , ⇨ Ck = , + ,
Độ cứng phi cacbonat (độ cứng vĩnh cửu)
Cv = C0 - Ck Độ cứng canxi: CCa = , Độ cứng Magiê CMg = ,
Giới hạn cho phép của độ cứng trong nước ăn uống, sinh hoạt theo QCVN 02:2009/BYT [phụ lục 1] không vượt quá 7 mgđl/L.
1.3.4. Các đơn vị đo độ cứng
Độ Đức: 0dH = 10mg CaO hoặc 7,14 mg MgO hòa tan trong 1 lít nước. Độ Pháp: 0f = 10 mg CaO hòa tan trong 1 lít nước.
Độ Anh: 0e = 10 mg CaO hòa tan trong 0,7 lít nước.
Việt Nam dùng đơn vị đo độ cứng mili đương lượng trong 1 lít (mgđl/L). 1mgđl/l = 2,8 0dH.
1.3.5. Các vấn đề trong nước cứng
Mặc dù nước cứng không ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Nhưng khi sử dụng, nước cứng thường gây ra nhiều tác hại cho người sử dụng: làm tốn nhiều xà phòng và chất tẩy, tạo ra cặn kết bám vững chắc bên trong đường ống, thiết bị công nghiệp làm giảm khả năng hoạt động và tuổi thọ của chúng. Khử cứng (làm mềm nước) thực chất là quá trình xử lý giảm hàm lượng canxi và magiê nhằm hạ độ cứng của nước tới mức cho phép.
1.3.6. Các phương pháp khử cứng (làm mềm nước)
Có 4 phương pháp khử cứng - Phương pháp hóa học
Làm mềm nước bằng hóa chất bằng cách pha các hóa chất khác nhau vào nước để kết hợp với ion Ca2+ và Mg2+tạo thành các hợp chất không tan trong nước dễ lắng và lọc. Các hóa chất để làm mềm nước là: vôi CaO, sôđa Na2CO3, xút NaOH, hydroxit bari Ba(OH)2, photphat natri Na3PO4.
- Phương pháp nhiệt: đun nóng hoặc chưng cất.
- Phương pháp trao đổi ion: lọc nước cần làm mềm qua lớp cation có khả năng trao đổi ion Na+ hoặc H+ có trong thành phần của hạt cationit với ion Ca2+ và Mg2+ hòa tan trong nước và giữ chúng lại trên bề mặt của các hạt lớp vật liệu lọc.
- Phương pháp tổng hợp: là phương pháp phối hợp hai trong ba phương pháp kể trên (phương pháp thứ nhất và thứ hai, hoặc thứ nhất và thứ ba...).
- Lọc qua màng bán thấm, thẩm thấu ngược (RO).
1.4. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM [2] NGHIỆM [2]
Giả sử ảnh hưởng của k yếu tố vào thông số tối ưu hóa y, quan hệ giữa hai hàm mục tiêu y và các nhân tố x được mô tả theo phương trình bậc 2 có dạng:
Để xác định trong phương trình hồi quy, số thí nghiệm N trong phương án thực nghiệm không nhỏ hơn số hệ số cần xác định trong phương trình.
Để xác định các hệ số trong phương trình hồi quy, số thí nghiệm N trong phương án thực nghiệm không nhỏ hơn số hệ số cần xác định trong phương trình. Vì vậy để ước lượng tất các hệ số của đa thức bậc hai, mỗi yếu tố trong phương án có số mức không nhỏ hơn ba. Nhưng khi dùng phương án thực nghiệm yếu tố toàn phần (tức là thực nghiệm mà mọi tổ hợp các mức của các yếu tố đều phải thực hiện để nghiên cứu) ta phải thực hiện một số thí nghiệm khá lớn khi k > 2.
Số thí nghiệm giảm xuống một cách đáng kể nếu dùng phương pháp cấu trúc có tâm do Box và Wilson đề ra.
Phương án cấu trúc có tâm cấp hai của hai yếu tố nhận được từ phương án thực nghiệm yếu tố toàn phần nhân gồm các điểm 1, 2, 3, 4 bổ sung no thí nghiệm ở tâm phương án, điểm 9 và 4 điểm (*) 5, 6, 7, 8 với các tọa độ (0,0); (+, 0; (-α,0); (0;+; (0,-α) α là khoảng cách từ tâm của phương án tới các điểm * được gọi là cánh tay đòn sao.
Số thí nghiệm của phương án cấu trúc có tâm cấp hai, k yếu tố được tính như sau:
! " # 2" # 2, % 2& % '% 2& % ' &() & * 5
&() & * 5
Cánh tay đòn theo phương án trực giao cấp 2 được tính từ biểu thức:
! % 2% 2,- 2- 2,,.& % 0,5'.& % 0,5' &() & / 5
&() & * 5
Xét yếu tố được ki hiệu là Xj, để thuận tiện cho việc tính toán ta chuyển từ hệ trục tự nhiên sang hệ trục không thức nguyên (hệ mã hóa) bằng cách sau:
- Tính 0 =12345612378
(j=1,k) trong đó 09:, 09; <à 0 lần lượt là
mức cao, mức thấp và mức cơ sở của yếu tố 0 trong hệ trục tự nhiên. - Tính =0 =12345,12378
, =0 là khoảng biến thiên của yếu tố 0 tính từ mức cơ sở trong hệ trục tự nhiên.
- Việc mã hóa được thực hiện dễ dàng bằng nhờ chọn tâm của miền được nghiên cứu làm gốc hệ trục tọa độ : #12,12>
?@2 .
Trong hệ trục mã hóa, ta có mức trên là +1, mức dưới là -1, tọa độ của tâm phương án bằng 0, trùng với gốc hệ trục tọa độ.
*
* *
*
Hình 1.11 Sơ đồ thí nghiệm phương án cấu trúc có tâm cấp 2, hai yếu tố [2]
Nhờ sự trực giao của ma trận quy hoạch, các hệ số quy hồi trong mô hình được xác định độc lập với nhau và được tính toán theo công thức:
#∑ 1B2 72A2
∑B2CD172 ∑B2C>1712E2
∑B2CD.1712 =∑B2CD172, A2 ∑B2CD.172,
Việc kiểm định sự tương thích của mô hình thu được so với thực nghiệm sau khi trực giao hóa cấu trúc ở tâm giống như kiểm định sự tương thích của mô hình tuyến tính. Khi biết phương sai tái hiện, ta kiểm định tính ý nghĩa của các hệ số và sự tương thích của mô hình.
Sự tương thích của phương trình hồi quy với thực nghiệm được kiểm định theo tiêu chuẩn Fisher:
9(0,0) X2 X1 8(0,α) 7(0,α) 6(-α,0) 5(α,0) 1(1,1) 3(1,-1) 4(-1,-1) 2(-1,1)
F # FGG
FGH , tra bảng I,J.K, K), nếu F / I,J.K, K thì mô hình được xem là tương thích với thực nghiệm.Trong đó LMM <à LMN được tính theo công thức:
LMM = ∑ .AB 7,AO7 7CD
P,Q , yi và RO là giá trị hàm mục tiêu theo thực nghiệm và theo mô hình.
LMN =∑8> .AS>,AT>
SCD
;>, , RU là giá trị hàm mục tiêu tại tâm phương án, RTTTTgiá trị trung bình các: RTTT # ∑8> AS>
SCD ;>
Tính ý nghĩa của các hệ số trong mô hình được kiểm định theo tiêu chuẩn student:
V # WX7W
YZ7 , hệ số được xem là có ý nghĩa nếu V VJ.K, K là bậc tự do của phương sai tái hiện.
Các phương sai của các hệ số trong mô hình hồi quy nhận được nhờ các phương án trực giao được xác định như sau:
LX>= YGH √P
LX>= YGH
\]6^ &() & / 5._ # 1, &TTTTTT. LX>= YGH
\]D6^ khi k * 5 ( j = 1, &TTTTT).
LX>= YGH
\] khi k/ 5 và LX72 = YGH
\]D khi k* 5 . j =1, &TTTTT và i#j)
LX72 bGH
c]dD5eTTTTfdg5eTTTTf.]8>hd5eTTTTfi
khi / 5
LX72 bGH
c]DdD5eTTTTfdg5eTTTTf.]8>hd5eTTTTfi
CHƯƠNG 2
ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU, HÓA CHẤT, DỤNG CỤ 2.1.1. Đối tượng nghiên cứu 2.1.1. Đối tượng nghiên cứu
Nguồn nước ngầm tại nhà máy sản xuất đá cây tại phường Vĩnh Lương, thành phố Nha Trang, tỉnh Khánh Hòa.
2.1.2. Hóa chất sử dụng
Hóa chất cần phân tích các chỉ tiêu: K2CrO4, H2SO4 đậm đặc, NH4Cl, NH4OH, ET-OO, NaCl, AgNO30,1N, KAl(SO4).12H2O, phenolphthaline, H2O2 30%, MgCl2, CH3COOH, KNO3, BaCl2, NH4OH.HCl, HgSO4, HNO3 đậm đặc, C12H8N2.12H2O, Fe(NH4)2(SO4)2.6H2O, methyl da cam, methyl da cam đỏ, bromerezot xanh, dung dịch C2H5OH, EDTA, HgSO4, (NH4)2S2O8, KMnO4, Na2C2O4, NaNO2, NaHSO4.
Hóa chất làm mềm nước:
Vôi (CaO): 98% - Trung Quốc.
Sô đa (NaSO4): 99,8% - Trung Quốc.
2.1.3. Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm
2.1.3.1 Thiết bị
- Mô hình dàn mưa - Việt Nam. - Mô hình bể lắng - Việt Nam. - Mô hình bể lọc - Việt Nam. - Mô hình bể điều hòa - Việt Nam. - Phổ uv vis được đo trên máy UV
- Mini 1240 - Nhật.
- Cân phân tích điện tử SATORIUS với độ chính xác 0,1mg - Nhật
- Máy đo quang DR2000 - Mỹ. - Tủ sấy Memmert - Đức.
- Bơm định lượng - Trung Quốc - Đo pH, nhiệt độ được đo trên
máy 744 pH Meter - hãng Metrohm.
- Bình hút ẩm loại D240 - Trung Quốc.
2.1.3.2. Dụng cụ - Cốc thủy tinh 250ml - Cốc thủy tinh 100ml - Bình định mức 100ml - Cốc thủy tinh 1000ml - Ống đong 250ml - Ống nhựa - Pipet 5ml - Pipet 1ml - Pipet 2ml - Đũa thủy tinh - Buret
- Bình định mức 1000ml - Phễu
- Giấy lọc
- Bình định mức 500ml
2.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
- Tối ưu hóa quá trình khử cứng trong nước ngầm. - Thử nghiệm và hoàn thiện quy trình trên mô hình.
- Phân tích các chỉ tiêu môi trường của nước cấp sau khi thử nghiệm trên mô hình và đánh giá hiệu quả của quá trình khử cứng.
2.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.3.1. Phân tích đo pH, nhiệt độ 2.3.1. Phân tích đo pH, nhiệt độ
Lắc đều mẫu trước khi đổ ra 100ml để đo.
Rửa sạch điện cực bằng nước cất đụng trong bình tia.
Đợi cho giá trị pH, nhiệt độ trên máy ổn định rồi đọc trực tiếp kết quả trên màn hình.
Rửa sạch điện cực bằng nước cất rồi ngâm vào dung dịch bảo quản điện cực.
2.3.2. Phân tích TSS
a. Tài liệu tham khảo
Quy trình này được biên dịch từ “Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater 20th Edition 1990-2540D”.
b. Tiến hành
Chuẩn bị giấy lọc:
- Sấy giấy lọc ban đầu ở 105j trong 1 giờ.
- Làm nguội trong bình hút ẩm 15 phút.
- Cân và ghi khối lượng m0(g). Thực hiện cân đến quá trình khối lượng không đổi.
Lọc mẫu:
- Lắc đều mẫu, đong một thể tích V (ml).
- Lọc mẫu qua giấy lọc đã chuẩn bị.
- Sấy lại giấy đã được lọc ở nhiệt độ 105C trong 1h.
- Làm nguội trong bình hút ẩm đến 15 phút.
- Cân và ghi trọng lượng m1 (g). Thực hiện quá trình cân đến trong lượng không đổi.
c. Tính kết quả
Hàm lượng chất rắn lơ lửng (mg/L) tính theo công thức: TSS(mg/L) = 9D,9
k l 1000
Hình 2.3 Cân phân tích điện tử SATORIUS
2.3.3. Phân tích độ đục
Sử dụng máy Spectrophotometer HACH-DR 2010.
Bật máy vào mã chương trình 750 – Enter, chỉnh bước sóng về 450nm. Lắc đều mẫu lấy 50ml mẫu vào cốc 100ml.
Cho nước cất vào curvet ngang đến vạch trắng (25ml), nhấn ZERO cho đến khi màn hình xuất hiện 0 FTU.
Cho mẫu vào curvet tương tự với mẫu nước cất, bấm READ đọc giá trị đo trực tiếp trên màn hình.
2.3.4. Đo độ màu
Sử dụng máy Spectrophotometer HACH-DR 2010.