CHƯƠNG III: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
3.1. Nghiên cứu sơ đồ công nghệ điều chế dung dịch siêu ôxy hóa từ nước muối sử dụng nhiều buồng điện hóa
Trong phạm vi đề tài này, chúng tôi sử dụng thiết bị HHĐH gồm 8 môđun điện hóa MB-11 được thiết kế và chế tạo tại viện CNMT. Trước khi nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số vận hành đến chất lượng của sản phẩm dung dịch Anolit, chúng tôi nghiên cứu và giới thiệu sơ đồ công nghệ của thiết bị HHĐH này.
3.1.1. Sơ đồ cấp điện cho các buồng điện hóa
Hình 3.1. Sơ đồ cấp điện cho 8 buồng điện hóa
Trong sơ đồ này 8 buồng điện hóa được chia là hai dãy, mỗi dãy gồm 4 buồng mắc nối tiếp nhau. Hai dãy này lại được mắc song song để tạo thuận lợi cho việc thiết kế nguồn cấp điện: khoảng điện áp và cường độ dòng điện không quá cao, thuận lợi cho việc thiết kế nguồn cấp điện.
Nguồn điện một chiều dùng để cấp cho các buồng điện hóa (hình 3.2) là nguồn vạn năng BK PRECISION Model VSP 4030 (Mỹ) có điện áp cấp max là 40V, dòng max là 30A. Thiết bị có khả năng đặt được dòng và thế vận hành theo yêu cầu và có đồng hồ hiển thị số với độ phân giải tới 0,1V.
Hình 3.2. Nguồn điện một chiều dùng cho thí nghiệm 3.1.2. Nghiên cứu cấu tạo cơ khí và các môđun liên quan của thiết bị
Để thuận tiện cho lắp đặt, vận hành cũng như bảo dưỡng mô hình thiết bị sản xuất dung dịch siêu ôxy hóa bao gồm hai khối chính: Khối thiết bị điện hoá và khối nguồn DC, tủ điện điều khiển. Ngoài ra, còn có phần môđun phụ trợ cho thiết bị.
Khối thiết bị điện hoá (Hình 3.3): Bao gồm điện cực, các bơm nước mềm, bơm nước muối, bơm axít và các van điều khiển. Các bộ phận này được lắp đặt trên một giá đỡ inox - khung máy.
Khối nguồn DC và tủ điện điều khiển (Hình 3.4): Hệ thống điện điều khiển của thiết bị được lắp đặt bên trong tủ điện, có nhiệm vụ điều khiển hoạt động của toàn bộ hệ thiết bị. Nó bao gồm bộ phận cấp nguồn điện một chiều DC, bộ phận điều khiển và bảo vệ. Bộ phận hiển thị được đặt trước mặt máy gồm các công tắc, đồng hồ và đèn báo hiển thị chế độ hoạt động của máy
Phần môđun phụ trợ cho thiết bị: Gồm có cột lọc thô, thiết bị trao đổi ion và bơm nước muối.
+ Cột lọc thụ: Dựng để lọc cỏc cặn lơ lửng cú kớch thước >5àm thường cú trong nguồn nước để đảm bảo độ tinh khiết của nước đầu vào.
+ Thiết bị trao đổi ion: Dùng để loại bỏ các ion kim loại Ca2+ và Mg2+ (gây ra độ cứng của nước) và một số kim loại khác. Thiết bị này làm giảm đáng kể lượng muối khó tan bám lên bề mặt điện cực.
+ Bơm nước muối: Là loại bơm chuyên dụng (TYP-2600) để bơm hóa chất, không bị ăn mòn bởi các loại hóa chất thông thường. Bơm có công suất tối đa 120 lít/giờ và cho áp lực tối đa là 6at.
Hình 3.3. Cụm buồng điện hóa bao
gồm 8 môđun MB-11 Hình 3.4. Nguồn một chiều và tủ điều khiển Để người vận hành có thể dễ dàng sử dụng thì các núm, công tắc và các đồng hồ, đèn báo được thiết kế trên mặt tủ điện (hình 3.5).
Hình 3.5. Mặt tủ điện của thiết bị
1. Đồng hồ vôn
2. Bộ hiển thị và khống chế nhiệt độ điện cực
3. Đồng hồ Ampe 4. Đèn bảo trì 5. Đèn báo sự cố
6. Đèn báo thiết bị đang hoạt động
7. Aptomat nguồn AC 8. Công tắc chuyển chế độ 9. Công tắc vận hành
Thiết kế này đảm bảo máy hoạt động trong 2 chế độ: Làm việc và bảo trì Ở chế độ làm việc: Trước hết bật công tắc “khởi động” máy rồi chuyển sang chế độ “chạy máy”. Trong chế độ này bơm nước mềm và bơm nước muối phải hoạt động đồng bộ và đều có đèn báo sáng. Khi làm việc nếu xảy ra các trường hợp quá tải, cạn nước nguyên liệu, đầy sản phẩm, quá nhiệt buồng điện hóa… thì đều được bảo vệ và báo “sự cố”, máy dừng chạy.
Chế độ bảo trì: Rửa lại buồng điện phân bằng axit-máy tự động bơm axit sục vào buồng điện phân. Trong thời gian bảo trì, nguồn DC, bơm nước mềm và bơm nước muối được tự động ngắt.
3.1.3. Sơ đồ điều chế dung dịch siêu ôxy hóa của hệ thí nghiệm
Sơ đồ tổng thể của hệ thí nghiệm điều chế dung dịch siêu ôxy hóa dùng 8 môđun MB-11 được trình bày trên hình 3.6
Hình 3.6. Sơ đồ điều chế dung dịch Anolit dùng 8 môđun MB-11 Hệ thí nghiệm bao gồm các linh kiện sau:
1. Van điều áp đường nước vào có Pmax = 2 at 2. Đồng hồ chỉ thị áp suất nước P = 0 - 1,5 at
3. Lưu lượng kế có van điều chỉnh khoảng 0 – 240 l/h 4. Lưu lượng kế có van điều chỉnh khoảng 0 – 60 l/h 5. Bơm định lượng 0 – 10 l/h
6. Buồng trộn catolit
7. Buồng trộn dung dịch siêu ôxy hóa
8. Van điều chỉnh pH dung dịch siêu ôxy hóa 9, 10,11. Van xả
Vận hành: Nước đã được làm mềm và lọc cặn có áp suất lớn hơn 1 at được đưa qua van giảm áp (1) để giảm xuống 0,5 at được chỉ thị bằng đồng hồ đo áp suất (2). Sau đó, đường nước được chia thành 2 đường nhánh.
Đường nước thứ nhất đi qua lưu tốc kế có van điều chỉnh (4) vào buồng catốt của các môđun phản ứng điện hóa. Dòng chất lỏng sau khi ra khỏi catốt, ra ngoài và vào buồng trộn; đồng thời tạo áp lực đẩy dòng catolit ra ngoài và hồi lưu trở lại. Ở đây một phần catolit ra ngoài trộn với Anolit đầu ra để thu nhận dung dịch ANK.
Đường nước thứ 2 được điều chỉnh bằng lưu tốc kế (3) đi trực tiếp vào buồng trộn anolit (7).
Mặt khác, dung dịch muối có nồng độ 150 g/l cũng được bơm định lượng (5) đưa vào buồng Anốt của môđun phản ứng điện hóa MB-11. Nước trong buồng catốt sẽ được xử lý bằng dòng điện và đưa qua bộ tách khí (6) để ra ngoài. Tại buồng anốt của môđun phản ứng điện hóa, do phản ứng điện phân xảy ra mãnh liệt nên một hỗn hợp sol khí được tạo thành và được trộn với đường nước thứ 2 thành hỗn hợp dung dịch siêu ôxy hóa rồi qua buồng trộn (7) trước khi đi ra ngoài.
Các thông số của hệ thí nghiệm được khảo sát
- Chế độ bơm muối: Lượng dung dịch muối đưa vào buồng Anốt của các môđun phản ứng điện hóa được điều chỉnh nhờ bơm định lượng (5). Việc điều chỉnh cho phép thay đổi lưu lượng bơm dung dịch muối từ 1,5 đến 8,6 l/h. Trên cơ sở phân tích các thông số pH, nồng độ Clo hoạt tính và lưu lượng Anolit ta có thể chọn được chế độ bơm dung dịch muối thích hợp: Không quá thừa vì sẽ làm tăng nồng độ khoáng trong sản phẩm Anolit. Nếu thiếu sẽ dẫn đến nồng độ Clo hoạt tính trong Anolit thấp so với mục tiêu cần đạt là ~ 500mg/l.
- Thay đổi lưu lượng catolit: Việc thay đổi lưu lượng catolit hay thay đổi lưu lượng nước đưa vào buồng catốt của các môđun phản ứng điện hóa sẽ làm thay đổi chế độ phản ứng điện hóa. Lưu lượng nước đưa vào buồng catốt ảnh hưởng tới nhiệt độ của các môđun phản ứng điện hóa, mật độ các phần tử dẫn điện trong buồng catốt ảnh hưởng tới chế độ điện và làm thay đổi nồng độ clo hoạt tính của dung dịch siêu ôxy hóa.
- Điều chỉnh pH: Việc điều chỉnh pH của Anolit được thực hiện nhờ van điều chỉnh (8). Thông thường, khi van (8) đóng, pH của Anolit có giá trị hơi axit (từ 5-6). Để nâng giá trị pH xấp xỉ trung tính (~7) cần trộn thêm Catolit có pH ~ 11 vào đường nước trộn anolit. Liều lượng trộn được xác định bằng thực nghiệm.
3.2. Khảo sát ảnh hưởng của các thông số kỹ thuật đến chất lượng anolit 3.2.1. Chế độ điện áp
Khi thay đổi điện áp (UDC) đặt vào cụm 8 buồng điện hóa từ 24 V (điện áp trên mỗi môđun MB-11 là 6 V) đến giá trị cực đại là 32 V (điện áp trên mỗi môđun MB-11 là 8 V), các thông số thí nghiệm và kết quả được nêu trong bảng 3.1.
Bảng 3.1. Ảnh hưởng của điện áp đặt giữa 2 điện cực lên các thông số của dung dịch
Thông số TN1 TN2 TN3 TN4 TN5
QA 120 L/h
QCa 20 L/h
UDC (V) 24 26 28 30 32
pH 6 6,02 5,91 5,85 3,24
ORP (mV) 956 958 966 991 1156
[Cl] (mg/l) 330 420 515 586 632
TDS (mg/l) 961 878 851 728 708
T (0C) 31 33 35 38 42
Kết quả thu được cho thấy khi tăng điện áp đặt vào hai đầu điện cực (UDC) thì đặc tính của sản phẩm anolit thu được cũng thay đổi đáng kể. Cụ thể:
Nồng độ clo hoạt tính tăng khi tăng UDC, nguyên nhân là do khi UDC tăng, sự điện phân ở các điện cực diễn ra mạnh mẽ hơn và kết quả là lượng clo hoạt tính sinh ra nhiều.
Khi tăng dần UDC thì pH của sản phẩm cũng giảm về môi trường axit. Điều này là hợp lý vì khi tăng UDC lượng H+ sinh ra do điện phân tăng lên.
Cũng do nồng độ clo hoạt tính tăng khi UDC tăng nên thế oxy hóa- khử của dung dịch đo được tăng, vì ORP của dung dịch Anolit tỉ lệ thuận với nồng độ chất ôxy hóa có trong dung dịch. Tuy nhiên giá trị này thay đổi khá nhỏ như quan sát thấy trong bảng 3.1.
Cũng trong bảng 3.1 ta thấy tổng chất rắn hòa tan (TDS) giảm mạnh khi tăng UDC, điều này là do khi tăng điện áp thì cường độ điện trường giữa hai điện cực tăng, do đó lượng ion Na+ di chuyển về catốt cũng tăng lên, lượng Na+ trong anốt giảm đi. Kết quả là độ khoáng TDS giảm như đã thấy.
Hình 3.7. Sự phụ thuộc nồng độ clo hoạt tính và TDS của anolit vào điện áp Như vậy, để tăng hiệu suất điện phân ta phải tăng điện áp đặt vào hai đầu điện cực. Do đó, để đạt được thông số nồng độ clo hoạt tính của dung dịch Anolit ≥ 500 mg/l thì điện áp đặt vào cụm điện cực phải ≥ 28V. Tuy nhiên, khi tăng UDC lên cao quá thì sẽ không tốt cho khả năng điện phân cũng như ảnh hưởng đến tuổi thọ của điện cực. Một cách khác để tăng hiệu suất điện phân mà không cần phải sử dụng điện áp quá cao là thay đổi chế độ bơm muối, chúng tôi sẽ trình bày trong phần kế tiếp.
3.2.2. Chế độ bơm muối
Để tăng hiệu suất điện phân mà chỉ cần điện áp thấp đó là tăng độ dẫn của nước qua các khoang điện cực bằng cách tăng lưu lượng muối bơm vào khoang anốt của buồng điện hóa, làm tăng nồng độ các ion trong nước. Khi đó chỉ cần với điện áp thấp thì ta vẫn thu được dòng đủ lớn để quá trình điện phân đạt hiệu suất cao nhất. Do đó chúng tôi khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng muối đầu vào đến chất lượng Anolit khi cố định các thông số như trong bảng 3.2 và chỉ thay đổi lượng muối bơm vào anốt.
Bảng 3.2. Kết quả thí nghiệm thay đổi lượng muối cấp cho buồng điện hóa
Thông số TN1 TN2 TN3 TN4 TN5 TN6 TN7
Điện áp (V) 29 29 29 29 29 29 29
Lưu lượng Anolit QA (l/h) 120 120 120 120 120 120 120 Lưu lượng Catolit QCa (L/h) 20 20 20 20 20 20 20
Muối tiêu hao (g/h) 75 78 96 126 159 274 432
Nhiệt đô (°C) 37 39 40 40 40 39 39
pH 2,81 2,88 3,29 5,55 5,80 6,01 6,09
ORP (mV) 1149 1156 1136 100
0 964 947 942
[Cl] (mg/l) 266 419 550 621 710 730 760
TDS (mg/l) 483 528 536 728 101
0
172
0 2380 Năng suất Clo (g/h) 31,9 50,3 66 74,5 85,2 87,6 91,2
(a) (b)
Hình 3.8. Sự phụ thuộc các thông số đặc trưng anolit vào lượng muối bơm vào Hình 3.8(a): Sự phụ thuộc nồng độ clo hoạt tính và TDS
Hình 3.8(b): Sự phụ thuộc lượng clo thu hồi
Kết quả trên bảng 3.2 và đồ thị hình 3.8(a) cho thấy khi tăng lưu lượng muối đầu vào anốt, TDS của dung dịch anolit tăng nguyên nhân là do ion Na+ trong dung dịch tăng. pH của dung dịch anolit cũng tăng dần, mất dần tính axit, điều này có thể giải thích là khi tăng lưu lượng muối, cùng với việc tăng nồng độ H+ ở anốt do điện phân thì nồng độ OH- trong catolit cũng tăng, kéo theo đó là lượng OH- trộn với anolit tăng, kết quả là pH của Anolit tăng.
Cũng trong bảng 3.2 quan sát thấy, nồng độ clo hoạt tính tỉ lệ thuận với lưu lượng muối đưa vào. Tuy nhiên, nồng độ Cl- cũng tăng nên giá trị ORP không tăng mà giảm nhẹ.
Nồng độ clo hoạt tính tăng khi tăng lưu lượng muối. Tuy nhiên, khi lượng muối bơm vào quá lớn (trên 150g/h), nồng độ clo hoạt tính và năng suất clo tăng không đáng kể. Do đó, để nồng độ clo hoạt tính ≥ 500mg/l, năng suất clo đạt ≥ 50 g/h thì lưu lượng muối bơm vào anốt nên nằm trong khoảng 126 ÷ 159 g/h.
3.2.3. Ảnh hưởng của lưu lượng anolit
Trong nghiên cứu này, chúng tôi giữ nguyên lưu lượng của catolit là 20 l/h và thay đổi lưu lượng của anolit trên cơ sở điều chỉnh lưu tốc kế 3 (trong sơ đồ hình 3.6) từ 75 đến 150 l/h. Điện áp đặt giữa 2 điện cực luôn là 29V. Kết quả thu được thể hiện trên hình 3.9 cho thấy rằng nồng độ clo hoạt tính và độ khoáng hóa TDS của anolit giảm dần khi lưu lượng anolit tăng. Điều này là hợp lý vì ở đây lưu lượng anolit tăng thực chất là do ta tăng thêm lượng nước pha loãng dung dịch Anolit, còn lượng muối đầu vào anốt là không đổi. Khi lưu lượng anolit là 75 L/h nồng độ clo hoạt tính ~ 800 mg/l và tổng chất rắn hòa tan là rất cao. Vì vậy, để thu được anolit có nồng độ clo hoạt tính đạt mức ~ 500 mg/l và tổng chất rắn hòa tan dưới 1000 mg/l, lưu lượng anolit thích hợp nằm trong khoảng 120 - 150 l/h.
Hình 3.9. Sự phụ thuộc nồng độ clo hoạt tính và TDS vào lưu lượng của anolit 3.3. Độ ổn định chất lượng dung dịch anolit theo thời gian
Chất lượng của dung dịch anolit được kiểm soát qua các thông số lí – hóa cơ bản như: pH, thế ôxy hóa khử ORP,… được thể hiện ở bảng 3.1.
Bảng 3.3. Mức ổn định các thông số của anolit Thời gian lấy
mẫu 1 giờ 2 giờ 3 giờ 4 giờ 7 giờ 8
giờ Trung bình
pH 6,75 6,88 7,01 6,92 6,97 7,12 6,94 ± 0,13
ORP ( mV) 906 902 890 890 887 885 893,33 ± 8,57
TDS ( mg/l) 943 912 915 858 840 846 885,67 ± 43,05
[Cl] ( mg/l) 510 510 500 495 492 492 499,83 ± 8,40
T0C 37 38 37 37 37 38
Theo khảo sát ta nhận thấy, trong 8 giờ đầu nồng độ clo hoạt tính giảm ít (xấp xỉ 4%). Lượng clo hoạt tính mất đi trong trường hợp này một phần liên quan đến sự mất Cl2 do bay hơi:
HOCl + Cl- + Na+ → Cl2↑ + NaOH (3.1)
Chính sự mất Cl2 đã gây ra hiện tượng giảm nhẹ mật độ khoáng TDS của dung dịch. Cũng do xảy ra phương trình phản ứng (3.1) nên nồng độ ion H+ giảm theo thời gian, dẫn tới pH tăng như quan sát thấy trong bảng 3.3. Tuy nhiên, mức tăng không đáng kể trong 8 giờ đầu sau khi sản xuất (xấp xỉ 6%) do nồng độ clo hoạt tính giảm ít. Thế ôxy hóa khử của dung dịch cũng giảm rất ít trong 8 giờ đầu (xấp xỉ 2%). Có thể thấy các thông số dung dịch anolit bị biến đổi không đáng kể trong 8 giờ đầu; tốt nhất nên sử dụng ngay sau khi điều chế.
Như vậy, với cụm buồng điện hóa dùng 8 môđun MB-11 có thể điều chế được dung dịch anolit có nồng độ clo hoạt tính xấp xỉ 500 mg/l, và có thể đạt năng suất clo hoạt tính tới 60 gam/giờ.
3.4. Xác định khả năng khử khuẩn của anolit trong phòng thí nghiệm