II.2. Phương phỏp chu yn húa sinh ểọ
II.2.3 .u nhƯ ượ để c im ca phủ ương phỏp
* Ưu điểm
+Giống như cỏc phương phỏp sinh học khỏc thỡ phương phỏp sử dụng lau sậy cú ưu điểm là thõn thiện với mụi trường.
+Việc thiết kế hệ thống bói lau sậy hợp lý sẽ tạo ra một mụi trường tốt cho cỏc loài chim cư trỳ, tạo một khu vực xanh cho nhà mỏy.
+Chi phớ thực hiện thấp, khụng phải sử dụng điện năng hoặc húa chất. +Hệ thống này khụng sản sinh ra mựi hụi và tiếng ồn.
+Xử lý kim loại nặng hiệu quả. +Cú thể xử lý nước thải cú lưu lượng lớn.
* Nhược điểm
+ Yờu cầu diện tớch xử lý lớn, do vậy khụng phự hợp với đối với cỏc nhà mỏy nhỏ.
II.3.3. Triển vọng ứng dụng phương phỏp lau sậy ở Việt Nam
Triển vọng ứng dụng phương phỏp lau sậy ở Việt Nam là rất lớn. Với ưu thế là cú điều kiện khớ hậu và địa hỡnh phự hợp để lau sậy cú khả năng phỏt triển mạnh. Như đó nờu ở trờn thỡ phương phỏp này tương đối hiệu quả mà chi phớ thực hiện lại thấp, đõy là một điểm quan trọng đối với một nước đang phỏt triển và cũn nghốo như Việt Nam chỳng ta. Hơn nữa phương phỏp này cũn rất thõn thiện với mụi trường cú thể tạo ra một mụi trường xanh xung quanh cỏc nhà mỏy, nhờ đú làm mụi trường khụng những của nhà mỏy mà cũn cả cỏc vựng lõn cận xung quanh nhà mỏy trong sạch hơn. Với tỡnh hỡnh hiện nay đối với cỏc nhà mỏy cú mặt bằng rộng, khi xử lý nước thải núi chung và nước thải chứa kim loại nặng núi riờng thường phải sử dụng những phương phỏp húa lý vừa đắt tiền lại vừa phải xử lý cỏc chất thải thứ cấp sinh ra sau quỏ trỡnh xử lý, do vậy phương phỏp lau sậy là một phương phỏp thay thế khỏ hiệu quả và thớch hợp.
CHƯƠNG III : PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ VÀ TRAO ĐỔI ION
III.1. Phương phỏp hấp phụ
Hấp phụ là quỏ trỡnh hỳt khớ bay hơi hoặc chất hũa tan trong chất lỏng lờn bề mặt chất rắn xốp gọi là quỏ trỡnh hấp phụ.
Phương phỏp hấp phụ là một trong những phương phỏp phổ biến nhất trong xử lý nước thải núi chung và nước thải chứa kim loại nặng núi riờng. Phương phỏp hấp phụ được sử dụng khi xử lý nước thải chứa cỏc hàm lượng chất độc hại khụng cao. Quỏ trỡnh hấp phụ kim loại nặng xảy ra giữa bề mặt lỏng của dung dịch chứa kim loại nặng và bề mặt rắn.
Hiện nay người ta đó tỡm ra nhiều loại vật liệu cú khả năng hấp phụ kim loại nặng như: than hoạt tớnh, than bựn, cỏc loại vật liệu vụ cơ như oxit sắt, oxit mangan, tro bay, xỉ than, bằng cỏc vật liệu polyme húa học hay polyme sinh học.
III.1.1. Cơ chế quỏ trỡnh hấp phụ
Trong hấp phụ thường diễn ra 2 kiểu hấp phụ:
+ Hấp phụ vật lý: được thực hiện bởi cỏc tương tỏc yếu và thuận nghịch giữa cỏc phõn tử và cỏc tõm hấp phụ trờn bề mặt than hoạt tớnh.
+ Hấp phụ húa học: được thực hiện bởi cỏc liờn kết húa học.
• Quỏ trỡnh hấp phụ vật lý đối với chất hấp phụ và cỏc ion kim loại nặng trong nước thường xảy ra nhờ lực hỳt tĩnh điện giữa cỏc ion kim loại này với cỏc tõm hấp phụ. Mối liờn kết này thường là yếu và khụng bền. Tuy nhiờn chớnh vỡ yếu do vậy quỏ trỡnh giải hấp phụ để hoàn nguyờn vật liệu hấp phụ và thu hồi cỏc kim loại diễn ra thuận lợi.
• Quỏ trỡnh hấp phụ húa học xảy ra nhờ cỏc phản ứng tạo liờn kết húa học giữa ion kim loại nặng và cỏc nhúm chức của tõm hấp phụ, thường là cỏc ion kim loại nặng phản ứng tạo phức đối với cỏc nhúm chức trong chất hấp phụ. Mối liờn kết này thường là rất bền và khú bị phỏ vỡ, do vậy rất khú cho quỏ trỡnh giải hấp phụ.
Sau khi thực hiện hấp phụ để xử lý cỏc chất độc trong nước núi chung và kim loại nặng núi riờng thỡ người ta thường tiến hành nhả hấp phụ để hoàn nguyờn, tỏi sinh (đối với cỏc loại vật liệu hấp phụ cú giỏ trị, và nhất thiết phải cú kớch thước đủ lớn để cú thể hoàn nguyờn được) chất hấp phụ và trong nhiều trường hợp cú thể thu hồi những cấu tử quý.
• Tỏi sinh chất hấp phụ: Khi chất hấp phụ đó bóo hũa người ta tiến hành nhả hấp thụ để tỏi sinh vật liệu hấp phụ và đụi khi cú thể thu hồi cỏc chất cú giỏ trị.
* Tỏi sinh bằng phương phỏp vật lý:
+ Nhờ nhiệt độ: người ta thường dựng hơi nước bóo hũa hay hơi quỏ nhiệt, hoặc bằng khớ trơ núng.
+ Nhờ phương phỏp trớch ly (nhả pha lỏng) bằng cỏc chất hữu cơ cú nhiệt độ sụi thấp và dễ chưng bằng hơi nước như metanol, benzen, toluen...
* Tỏi sinh bằng phương phỏp húa học: Trong một số trường hợp, trước khi tỏi sinh cỏc chất bị hấp phụ được chuyển húa húa học thành dạng dễ tỏch từ chất hấp phụ hơn. Tỏi sinh bằng phương phỏp húa học thường phải phỏ vỡ cấu trỳc của chất bị hấp phụ đụi khi là cả chất hấp phụ.
III.1.2. Giới thiệu một số chất hấp phụ kim loại nặng
Hiện nay người ta đó phỏt hiện ra nhiều chất hấp phụ cú khả năng hấp phụ kim loại nặng. Cỏc chất hấp phụ này cú nguồn gốc rất đa dạng nú cú thể là những hợp chất vụ cơ, vật liệu bắt nguồn từ sinh học...
Chất hấp phụ là những vật liệu rắn dạng hạt cú cấu trỳc rất xốp và diện tớch bề mặt riờng lớn.
Một chất hấp phụ được đặc trưng bởi cỏc thụng số: Thành phần húa học, cấu trỳc xốp, diện tớch bề mặt, nhúm chức bề mặt .
+ Chất hấp phụ oxit sắt: Chất hấp phụ oxit sắt cú cụng thức húa học là Fe2O3. Đối với Oxit sắt ở dạng bột mịn, cỡ hạt vào khoảng nhỏ hơn 100àm, người ta đó đo được bằng phương phỏp BET diện tớch bề mặt của nú là 3,07 m2/g.
Một điểm thuận lợi khi sử dụng Fe2O3 là chất này chớnh là chất thải của quỏ trỡnh đốt quặng pyrit (FeS) là chất thải của cụng ty Super phụtphỏt Lõm Thao. Do vậy nếu Fe2O3 được sử dụng làm chất hấp phụ sẽ giải quyết được phần nào chất thải rắn được tớch tụ lại trong nhà mỏy.
+ Chất hấp phụ tro bay, xỉ than: Trong quỏ trỡnh đốt than, một lượng bụi mịn bay lờn và tớch tụ lại ở trong ống khúi được gọi là tro cũn phần than bị thiờu kết và nằm lại phớa dưới (đỏy lũ) gọi là xỉ than. Do vậy tro bay và xỉ than chớnh là thành phần tro của than đỏ.
Diện tớch bề mặt đo được theo phương phỏp BET là 5,39 m2/g đối với xỉ than, cũn đối với tro bay là 10,15 m2/g.
+ Chất hấp phụ dioxit Mangan: cú cụng thức húa học là MnO2. Lượng quặng Mangan ở nước ta cú trữ lượng khỏ cao và cú loại quặng hàm lượng Mangan đạt tới 76%.
• Cỏc chất polyme : Người ta sử dụng nhiều chất polyme làm chất hấp phụ. Cỏc chất polyme thường cú cỏc nhúm chức cú khả năng hỳt hoặc giữ cỏc kim loại vào trong thành phần liờn kết.
• Chất hấp phụ sinh học: chất hấp phụ sinh học là những chất cú bắt nguồn từ sinh học do vậy nú rất đa dạng và phong phỳ. Cỏc chất sinh học được sử dụng để làm chất hấp phụ sinh học thường là cỏc polyme sinh học.
III.1.3. Ưu nhược điểm của phương phỏp hấp phụ
*Ưu điểm
+ Xử lý hiệu quả kim loại nặng ở nồng độ thấp + Đơn giản, dễ sử dụng
+ Cú thể tận dụng một số vật liệu là chất thải của cỏc nghành khỏc như Fe2O3
+ Cú thể nhả hấp phụ để tỏi sinh vật liệu hấp phụ *Nhược điểm
+ Thường chỉ ỏp dụng cho xử lý kim loại nặng ở nồng độ thấp + Chi phớ xử lý vẫn cũn cao
III.2. Phương phỏp trao đổi ion
Phương phỏp trao đổi ion là một trong những phương phỏp phổ biến để xử lý cỏc ion kim loại nặng trong nước thải như Ni2+, Fe2+, Fe3+, Cu2+, Zn2+... Phương phỏp này khỏ hiệu quả trong việc xử lý kim loại nặng đặc biệt là cú thể thu hồi hiệu quả một số kim loại cú giỏ trị. Quỏ trỡnh trao đổi ion diễn ra giữa 2 pha lỏng- rắn, giữa cỏc ion cú trong dung dịch và cỏc ion cú trong pha rắn.
III.2.1. Cơ chế của phương phỏp trao đổi ion
Thực chất phương phỏp trao đổi ion cũng là một phần của phương phỏp hấp phụ, nhưng là quỏ trỡnh hấp phụ cú kốm theo trao đổi ion giữa chất hấp phụ với ion của dung dịch. Cú thể núi trao đổi ion là một quỏ trỡnh trong đú cỏc ion trờn bề mặt của chất rắn trao đổi với ion cú cựng điện tớch trong dung dịch khi tiếp xỳc với nhau. Cỏc chất này gọi là cỏc ionit (chất trao đổi ion), chỳng hoàn toàn khụng tan trong nước.
* Cơ chế trao đổi ion: Trao đổi cation
RA + B+ = RB + A+
Đối với trao đổi kim loại thỡ B+ là cỏc ion kim loại như: Ni2+, Cu2+, Zn2+, Cr3+, Fe2+...
Trao đổi anion
RA + B- = RB + A-
Đối với trao đổi kim loại nặng thỡ B- cú thể là : Cr2O72- , MoO42- ....
Khi kim loại nặng tiếp xỳc với chất trao đổi ion thỡ sẽ xảy ra quỏ trỡnh trao đổi ion giữa dung dịch và chất trao đổi ion.
Cú thể mụ tả động học của quỏ trỡnh trao đổi ion qua cỏc quỏ trỡnh như sau:
+ Khuyếch tỏn ion kim loại từ dung dịch tới lớp màng bao quanh hạt trao đổi ion.
+ Khuyếch tỏn cỏc ion qua lớp màng + Khuyếch tỏn cỏc ion tới vị trớ trao đổi ion + Quỏ trỡnh trao đổi ion
+ Khuyếch tỏn của cỏc ion được giải phúng từ vị trớ trao đổi ion đến bề mặt hạt.
+ Khuyếch tỏn cỏc ion được giải phúng qua màng + Khuyếch tỏn cỏc ion đú vào dung dịch
Quỏ trỡnh động học của một quỏ trỡnh được quyết định bởi bước chậm nhất. Trong hầu hết cỏc quỏ trỡnh thỡ quỏ trỡnh phản ứng trao đổi ion là quỏ trỡnh nhanh nhất. Núi chung là chỉ cú hai quỏ trỡnh ảnh hưởng mạnh mẽ đến động học trao đổi ion là:
+ Khuyếch tỏn ion qua màng
+ Khuếch tỏn ion vào hạt trao đổi ion.
- Cỏc chất cú khả năng hỳt và trao đổi ion dương từ dung dịch điện ly gọi là cationit. Những chất này mang tớnh axit.
- Cỏc chất cú khả năng hỳt cỏc ion õm gọi là anionit và chỳng cú tớnh kiềm. - Cỏc ionit mà cú khả năng trao đổi cả ion dương lẫn ion õm thỡ gọi là ionit lưỡng tớnh.
Khả năng trao đổi ion của một chất trao đổi ion được đặc trưng bởi dung lượng thể tớch, là dung lượng được đo bằng số ion được hỳt bởi một đơn vị thể tớch hay khối lượng.
Dung lượng thể tớch tổng được đặc trưng bởi nồng độ của cỏc ion cố định khụng tham gia trao đổi ion (cú điện tớch ngược với ion trao đổi) trong chất trao đổi ion. Dung lượng thể tớch tổng mụ tả lượng tối đa cỏc ion cú thể trao đổi được khi cỏc ion cố định được lấp đầy bởi cỏc ion trao đổi.
Nhưng trờn thực tế thỡ hầu như là khụng cú khả năng toàn bộ cỏc ion trao đổi lấp đầy được. Và do vậy dung lượng trao đổi ion thực tế được gọi là dung lượng trao đổi ion thực. Nú phụ thuộc vào cỏc điều kiện vật lý, phản ứng trao đổi, thiết bị sử dụng, khả năng tỏi sinh ...
Dung lượng của chất trao đổi ion được tớnh bằng số mili đương lượng gam của ion kim loại được trao đổi bởi một mililớt chất trao đổi ion (ionit) cú đơn vị là meq/ml .
+ Cỏc cationit thỡ thường được tỏi sinh bằng cỏc dung dịch axit cú nồng độ từ 2-8%. Sau đú cỏc cation sẽ được nạp điện tớch bằng cỏc muối ăn (NaCl) và lỳc này cỏc ion Na+ sẽ vào chiếm chỗ, đẩy cỏc ion H+ vào dung dịch.
+ Cỏc anionit thỡ được tỏi sinh bằng dung dịch kiềm, và sau đú cũng được nạp điện tớch bằng muối ăn NaCl, lỳc đú cỏc ion Cl- sẽ thay thế cỏc ion OH- đẩy cỏc ion OH- vào dung dịch.
III.2.2. Giới thiệu một số chất trao đổi ion :
Cỏc chất trao đổi ion rất phong phỳ và đa dạng, tựy vào yờu cầu xử lý và điều kiện sử dụng mà người ta cú thể lựa chọn cỏc loại chất trao đổi khỏc nhau.
Núi chung, người ta phõn ra 2 loại chất trao đổi ion là:
1) Cỏc ionit cú nguồn gốc vụ cơ
+ Tự nhiờn: Cỏc loại zeolit (thường là người ta sử dụng zeolit A và X) cú cụng thức dưới dạng Na2O. Al2O3. nSiO2.mH2O, cỏc kim loại khoỏng, đất sột, fenspat, cỏc chất mica khỏc nhau ...
+ Tổng hợp: Silicagen, pecmutit, cỏc oxit khú tanvà hiđroxit của một số kim loại như crụm, nhụm, ziriconi...
2) Cỏc ionit cú nguồn gốc hữu cơ
+ Tự nhiờn: gồm axit humic của đất mựn và than đỏ, chỳng mang tớnh axit yếu, để tăng tớnh axit và dung lượng trao đổi người ta nghiền nhỏ than và lưu húa ở điều kiện dư oleum. Than sunfo là cỏc chất điện ly cao phõn tử rẻ và chứa cả cỏc nhúm axit mạnh và axit yếu. Cỏc chất trao đổi ion này cú nhược điểm là độ bền húa học và độ bền cơ học thấp, dung lượng thể tớch khụng lớn đặc biệt là trong mụi trường trung tớnh.
+ Tổng hợp: là cỏc nhựa cú bề mặt trao đổi lớn, chỳng là những hợp chất cao phõn tử. Cỏc gốc hyđrocacbon của chỳng tạo nờn lưới khụng gian với cỏc nhúm chức năng trao đổi ion cố định. Lưới khụng gian đú được gọi là ma trận và thường được kớ hiệu là R nối với cỏc nhúm chức vớ dụ như RSO3H, RCOOH ....
III.2.3. Ưu nhược điểm của phương phỏp hấp phụ trao đổi ion
*Ưu điểm
+ Khả năng trao đổi ion lớn, do vậy xử lý rất hiệu quả đối với kim loại nặng. Đõy là một trong những phương phỏp tốt nhất trong xử lý kim loại nặng.
+ Đơn giản, dễ sử dụng.
+ Thớch hợp để xử lý nước thải cú chứa nhiều hơn một kim loại. + Khụng gian xử lý nhỏ.
+ Cú khả năng thu hồi cỏc kim loại cú giỏ trị. + Khụng tạo ra chất thải thứ cấp.
*Nhược điểm
+ Đắt tiền, đặc biệt là đối với cỏc nhà mỏy cú quy mụ lớn, lượng nước thải nhiều thỡ phương phỏp này đũi hỏi chi phớ khỏ lớn.
CHƯƠNG IV: PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HểA
Nguyờn tắc chung của phương phỏp điện húa trong xử lý nước thải núi chung và nước thải chứa kim loại nặng núi riờng là sử dụng cỏc quỏ trỡnh oxi húa ở anot và khử ở catot, đụng tụ điện, kết tủa... khi cho dũng điện một chiều đi qua 2 cực anot và catot.
IV.1. Cơ chế chung của quỏ trỡnh điện húa:
Cơ chế chung của quỏ trỡnh điện húa như ta đó biết là sử dụng dũng điện một chiều, quỏ trỡnh oxi húa và khử sẽ xảy ra ở catot và anot.
- Ở anot: Trờn anot xảy ra quỏ trỡnh oxi húa anion hoặc OH- hoặc chất làm anot.
+ Nếu thế phúng điện của anion và OH- (cặp OH-/O2) lớn hơn thế cõn bằng của kim loại làm anot thỡ anot sẽ tan ra (quỏ trỡnh này sẽ được ứng dụng trong phương phỏp đụng tụ điện húa).
Mr – ne = Mn+
+ Trong trường hợp ngược lại thỡ anot khụng tan và khi đú ở anot sẽ xảy ra quỏ trỡnh oxi húa của anion hoặc OH-
+ Thường thỡ thứ tự phúng điện của cỏc anion như sau: đầu tiờn là cỏc anion khụng chứa oxi S2-, I-, Br-, Cl- ... sau đú mới đến OH- và cuối cựng mới đến cỏc anion chứa oxi.
+ Anot thường làm bằng cỏc vật liệu khụng hũa tan, và cú tớnh chất điện phõn như: graphit, macnetit, dioxyt chỡ, dioxyt mangan ...
+ Khi cho dũng điện đi qua dung dịch thỡ cation và H+ sẽ tiến về bề mặt catot. Nếu thế phúng điện của cation lớn hơn của H+ thỡ cation sẽ thu electron của catot chuyển thành cỏc ion ớt độc hơn hoặc tạo thành kim loại bỏm vào