6. Ý nghĩa của đề tài
1.5.2. Đặc tính của than hoạt tính
Ưu điểm:
Diện tích các lỗ rỗng lớn (600 – 1700 m2/g). Bề mặt hiệu quả lên đến 105 – 106 m2/kg. Có khả năng phục hồi. (nguồn: [1]) Nhược điểm: Giá thành cao Dễ cháy 1.6. Tổng quan về công nghệ lọc màng 1.6.1. Định nghĩa
Màng lọc là một lớp vật liệu mỏng có khả năng phân tách vật chất theo đặc tính vật lý và hóa học của chúng khi chịu một áp lực nhất định. Màng lọc ngăn cách giữa hai pha, có khả năng tạo ra sức cản để tách một số phân tử có trong nước như cặn lơ lửng, ion, vi sinh vật…khi cho dung dịch đi qua màng. Màng lọc có thể phân loại theo kích thước của vật chất và áp lực trên màng.
Các ưu điểm của màng lọc
Quá trình màng lọc xảy ra ở nhiệt độ bình thường và các dung dịch tham gia không có sự thay đổi về pha, đây là ưu điểm so với phương pháp tách bằng chưng cất.
Quá trình phân tách vật chất qua màng không cần có hóa chất phụ gia như một số quá trình khác trong xử lý nước, ví dụ lắng và lọc.
Nguyên lý lọc màng dựa trên sự phân tách các phân tử trong nước qua lớp vách ngăn nhờ lực tác dụng. Lực tác dụng có thể là chênh lệch áp suất điện thế, nồng độ dung dịch, nhiệt độ…các thông số cơ bản của quá trình lọc màng: áp lực, cơ chế phân tách, cấu trúc màng, pha dung dịch.
Hình 1.2: Mô tả màng lọc
1.6.2. Phân loại
Màng lọc có thể phân chia theo kích cỡ lọc và mức độ áp lực. Ngoài ra màng lọc còn có thể phân loại theo vật liệu cấu tạo màng, hình dáng hình lọc…
Một số loại màng được sử dụng trong công nghệ xử lý nước cấp và nước thải như: màng vi lọc (microfiltration MF), màng siêu lọc (ultrafiltration UF), màng lọc thẩm thấu ngược (RO) và màng lọc nano (NF).
Hình 1.3: Kích thước lỗ rỗng của một số loại màng
Vi lọc (microfiltration MF)
Các màng lọc loại này có các lỗ rỗng 0.1 – 1 micromet, hoạt động dưới áp suất thông thường từ 10-100 psi, nó có thể loại bỏ các phần tử lơ lửng, huyền phù, chất keo, men, phân tử protein có trong sữa hay ngũ cốc, vi khuẩn hoạc chất rắn hòa tan có kích thước lớn hơn kích thước lỗ rỗng. Nó làm thay đổi thàng phần dung dịch lọc, chỉ có các phần tử nêu trên được lọc đi.
Dòng hỗn hợp đầu vào Dung dịch sau màng lọc Phần tử giữ lại trước màng lọc R O N F UF MF 0.0001 0.001 0.01 0.1 1
Có 2 loại vi lọc:
Lọc chặn : Trong đó nước bị cưỡng bức chuyển qua màng lọc, các phần tử bị giữ lại tích tụ dưới dạng bánh lọc. Chiều dày của nó tăng dần theo thời gian lọc, còn tính xốp giảm dần làm giảm lưu lượng thàng phần, hiện tượng này gọi là sự bịt kín màng lọc. Lọc chặn trong vi lọc được ứng dụng trong màng lọc phẳng trong phòng thí nghiệm dùng để đo chất huyền phù. Đối với lọc chặn trong vi lọc, ống lọc bọc bên ngoài màng lọc phẳng được bỏ đi khi màng lọc bị bịt kín lỗ, nó rất khó thực hiện khi rửa ngược để tái sử dụng lại màng lọc.
Lọc trượt : Quá trình lọc được thực hiện sao cho mặt tiếp xúc được quét bằng phân tử lượng được đưa vào để hạn chế việc tích tụ các bả lọc phát sinh trong quá trình lọc và dễ dàng đưa chúng ra ngoài hệ thống, tránh được hiện tượng bịt kín lỗ rỗng của màng lọc trước khi đến chu kì rửa lọc. Quá trình lọc dạng này có thể thay cho giai đoạn keo tụ, kết bông và tách loại được 2 pha rắn – lỏng. Công nghệ này được ứng dụng phổ biến để lọc tinh các sản phẩm khác nhau trong công nghệ xử lý nước cấp, nước thải, nước uống đóng chai.
Siêu lọc (ultrafiltration UF)
Các màng siêu lọc có cấu trúc mềm không đối xứng, kích thước lỗ từ 0.001- 0.1 micromet, hoạt động dưới áp suất thông thường từ 70-200 psi. cho phép lọc được các chất keo, chất rắn hòa tan có kích thước nhỏ và các phân tử như vi khuẩn, vi rút, protein có khối lượng mol nhỏ, carbohydrates, enzymes…
Lưu lượng trong quá trình diễn ra ở màng UF phụ thuộc nhiều vào hàm lượng chất keo bởi 2 lý do cơ bản sự phân cực và sự bịt kín lỗ rỗng, các chất keo là nguyên nhân chính làm giảm lưu lượng và tạo nên áp lực truyền qua màng tăng cao. Sự vượt quá nồng độ của các chất hòa tan ở gần màng lọc gây nên hiệu ứng làm tăng đáng kể áp suất thẩm thấu và sức kháng lại việc vận chuyển của các phân tử. Để tăng lưu lượng qua màng nên áp dụng phương pháp lọc tiếp tuyến và chú ý thời gian rửa lọc thích hợp.
Đối với hiện tượng bịt kín lỗ rỗng của màng UF do hình thành lớp cặn keo trên bề mặt màng, hay do sự hấp phụ các chất hòa tan khác và các hạt keo quá nhỏ
trong các lỗ rỗng, hiện tượng này cần xử lý bằng các hóa chất phù hợp. Do vậy đối với các ứng dụng ta cần chọn một vật liệu chất tạo màng thích hợp, sao cho chúng ít nhạy cảm với sự lắng đọng các chất hòa tan và để loại bỏ chúng bằng thủy lực.
Lọc nano ( nanofiltrafiltration NF)
Màng lọc nano có kích thước lỗ rỗng khoản 0.001 micromet, hoạt động dưới áp suất thông thường từ 100-600 psi. Là màng trung gian giữa 2 hình thức lọc màng là RO và UF. Nó có thể lọc được các phần tử muối có hóa trị thấp và các khoáng, được ứng dụng trong lọc cặn các protein, gelatin, công nghệ chế biến nước hoa quả, phân ly chất rắn hòa tan trong dung dịch và sản xuất nước sạch phục vụ sinh hoạt.
Lọc thẩm thấu ngược ( Reverse osmosis- RO)
Màng lọc RO có kích thước lỗ rỗng nhỏ hơn 0.001 micromet, chúng được hoạt động dưới áp suất cao, thông thường từ 400-1000 psi. Cho phép loại bỏ hết các thành phần có trong nước như: cacbuahydrat, phân tử chất, cặn lơ lửng, các chất khoáng, ion, amino acid…gần như chỉ còn nước nguyên chất khi qua màng lọc.
Cơ chế hoạt động của lọc RO sử dụng tính chất của màng bán thấm, tất cả các chất hòa tan bị giữ lại, trừ một và phần tử hữu cơ rất gần với nước có khối lượng mol nhỏ, phân cực mạnh. Khi có sự chênh lệch về thế năng hóa học thì xu hướng làm nước chuyển từ ngăn có thế năng hóa học thấp sang ngăn có thế năng cao để pha loãng, đó là hiện tượng thẩm thấn tự nhiên. Nếu muốn cản lại sự khuyêch tán này, cần phải đạt một áp suất lên dung dịch có thế năng hóa học thấp, sự chênh lệch áp suất được tạo ra gọi là áp suất thẩm thấu ngược của hệ thống.
Bảng 1.2: Đặc tính một số loại màng và cơ chế tách lọc
Loại màng Động lực
điều khiển Cơ chế tách lọc Cấu trúc màng
Vi lọc Áp suất Sàng lọc Lỗ rỗng lớna)
Siêu lọc Áp suất Sàng lọc Lỗ rổng lớn
Lọc nano Áp suất Sàng lọc+khuếch tán+chọn lọc Lỗ rổng nhỏb) Thẩm thấu
ngược Áp suất Sàng lọc+khuếch tán+chọn lọc Màng chặt sít
c)
Điện phân tách Áp suất Trao đổi ion Trao đổi ion
Ghi chú: a) lỗ rỗng lớn: kích thước lỗ rỗng > 0.05 micron b) lỗ rỗng nhỏ: kích thước lỗ rỗng < 0.002 micron c) màng không có lỗ rỗng Bảng 1.3: Bảng tổng kết các công nghệ lọc màng TT Tên Kích thước lỗ rỗng(µm) Áp suất làm
việc (bar) Khả năng xử lý
Chi phí sản xuất
1 MF 0,1-1,0 1 - 8,6
Độ đục, chất lơ lửng, huyền phù, chất keo, men, phân tử, vi khuẩn hoạc các chất rắn hòa tan có kích thước lớn hơn kích thước lỗ rỗng.
Thấp
2 UF 0,01-0,1 4,8 - 13,8
Như MF, ngoài ra còn giữ được vi rút, protein có khối lượng mol nhỏ, enzymes, carbohydrates.
Trung bình
3 NF 0,01-0,001 6,9 - 41,4
Như UF, ngoài ra còn giữ được phân tử muối, các chất khoáng, protein, gelatin.
Cao
4 RO <0,001 27,6 - 68,9 Gần như hoàn toàn, chỉ còn
1.6.3. Cơ sở lựa chọn công nghệ MF
Cơ sở để lựa chọn công nghệ MF chính là dựa vào cơ chế hoạt động và những ưu điểm của màng loc MF. Phù hợp với đặc điểm và tính chất của nguồn nước mặt cần xử lý.
1.6.3.1. Cơ chế lọc của MF
Hình 1.4: Sự vận chuyển các chất qua màng vi lọc
Cơ chế lọc của MF là lọc tách, theo đó khi hỗn hợp nước đi qua màng lọc MF sẽ bị giữ lại những phân tử có kích thước lớn hơn kích thước lỗ rỗng màng.
Theo hình nhận thấy rằng màng MF chỉ cho phép nước, ion hóa trị I và ion hóa trị cao đi qua. Còn virus, vi khuẩn và chất lơ lửng bị giữ lại trên màng. Vì vậy rất phù hợp với thành phần và tính chất nguồn nước mặt cần xử lý.
1.6.3.2. Ưu điểm:
Độ bền hóa học – độ bền oxy hóa: Màng lọc MF chịu được hàm lượng Clo ở nồng độ 5.000 mg/l trong quá trình làm sạch. Sự bền vững với Clo cho phép tẩy trùng dễ dàng màng lọc và những yêu cầu của hệ thống.
Màng lọc với kết cấu mô-đun bền vững: Những mô-đun vi lọc sử dụng công nghệ màng lọc sợi rỗng và công nghệ kết dính tiên tiến. Điều đó tạo một màng lọc bền vững và kết cấu vững chắc.
Thiết bị phụ trợ: Toàn bộ các thiết bị không phụ thuộc vào việc tháo bỏ, thay thế hoặc bảo trì thiết bị.
Mức độ vận hành đơn giản: Quá trình vi lọc vận hành dễ dàng và chi phí thấp cho các hoạt động bảo trì và nhân công vận hành.
Vi lọc (MF)
Nước Ion hóa trị I Chất lơ lửng Ion hóa trị cao Vi khuẩn
Thiết kế gọn nhẹ: Hệ thống vi lọc có kết cấu hợp lý, gọn nhẹ. Điều này cho phép nhà đầu tư tiết kiệm diện tích lắp đặt và chi phí xây dựng.
1.7. Các nghiên cứu về công nghệ PAC kết hợp lọc màng 1.7.1. Xử lý nước sông Tungkang tại Đài Loan 1.7.1. Xử lý nước sông Tungkang tại Đài Loan
Sông Tungkang là một trong những nguồn cung cấp nước uống chính cho khu vực thứ hai đô thị lớn nhất Đài Loan, với dân số 2.000.000 người. Tuy nhiên, do xuất thượng nguồn chất thải lớn, chất thải công nghiệp và chất thải trong nước, sông Tungkang bị ô nhiễm nặng. Đã sử dụng công nghệ keo tụ bởi phèn nhôm sulfate kết hợp than hoạt tính dạng bột mịn (PAC) để xử lý loại bỏ nitơ amoniac, độ đục, màu sắc, và các vi khuẩn, hiệu quả loại bỏ đối với các hợp chất hữu cơ hòa tan (DOC).
Hợp chất hữu cơ hòa tan là các tiền chất gây đột biến dẫn xuất halogen hóa hợp chất trong nước được hình thành sau khi khử trùng bằng clo. Sự hiểu biết về hiệu quả của loại bỏ các hợp chất hữu cơ hòa tan từ các nguồn nước bị ô nhiễm bằng kết tủa do keo tụ phèn nhôm và quá trình hấp phụ than hoạt tính dạng bột (PAC) là cần thiết để cải thiện quy trình hiện có và phát triển các quy trình mới cho việc loại bỏ các hợp chất hữu cơ phân hủy từ nguồn nước ô nhiễm.
Và kết quả sau khi nghiên cứu đạt được:
Nếu chỉ keo tụ bằng phèn nhôm sulfate thì kết quả chỉ loại bỏ những phần tử hữu cơ như axit humic và axit fulvic tại khoảng pH từ 4 đến 6(chiếm
khoảng 40% DOC trong nước sông).
Mặt khác, tại thời gian hấp phụ của than hoạt tính dạng bột mịn (PAC) từ 20– 30 phút thì kết quả đạt đến 60% việc loại bỏ các chất hữu cơ hòa tan trong nước (DOC).
Khi có sự kết hợp giữa keo tụ và hấp phụ của than hoạt tính dạng bột mịn (PAC) việc loại bỏ tăng đến 90% tổng của DOC từ nguồn nước ô nhiễm này.
1.7.2. Nghiên cứu tại Algeria
Xử lý nước sông với chất lượng nước đầu vào: pH = 7.5, COD = 46 mg/l, độ đục = 16 NTU, SS = 35mg/l, BOD5 = 30 mg/l. Đã ứng dụng công nghệ keo tụ phèn
sắt FeCl3, sau đó hấp phụ bởi than hoạt tính dạng bột mịn và qua màng lọc UF để xử lý. Các thông số đã nghiên cứu như sau:
Phèn FeCl3 nồng độ 20 mg/l ở pH = 6.
Than hoạt tính dạng bột mịn (PAC): 40 mg/l
Màng lọc UF có một áp lực xuyên màng ΔP = 1bar và dòng chảy một vận tốc xuyên U = 3 m/s, thời gian chu kỳ lọc: 180 phút.
CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Thiết bị và hóa chất.
2.1.1. Thiết bị.
− Máy đo pH.
− Pipet, buret, erlen, beaker, đĩa petri ... − Máy khuấy từ. − Cân phân tích. 2.1.2. Hóa chất − HCl 0.1N. − NaOH 0.1 N. − H2SO4 đặc 98%. − Cồn 960. − FAS 0.1 M. − Ferolin.
− Phèn FeCl3.6H2O, Al2(SO4)3, FeSO4.7H2O.
2.2.Thành phần và tính chất nước mặt sử dụng nghiên cứu
Bảng 2.1: Thành phần nước mặt nghiên cứu
Đặc tính Nồng độ QCVN 02:2009/BYT Đơn vị pH 6.5 - 8 6 – 8.5 TSS 40 - mg/l Độ màu 56 - Pt - Co BOD5 5.5 - 6 - mg/l COD 68 - mg/l Tổng số coliform 9.2×102 50 MPN/100ml Escherichia coli 1.3×102 0 MPN/100ml (nguồn: PTN khoa CNSH – MT)
2.3.Nội dung thực hiện
2.3.1.Khảo sát quá trình keo tụ
Mô hình keo tụ gồm: Máy khuấy từ Beaker 1000 ml
Hình 2.1: Mô hình keo tụ
So sánh hiệu quả các loại phèn
So sánh 3 loại phèn (FeCl3.6H2O, Al2(SO4)3, FeSO4.7H2O). Tiến hành keo tụ nước với 3 loại phèn trên.
Thí nghiệm để xác định loại phèn tối ưu.
Lấy 1000ml nước sông cho vào beaker 1000ml.
Giữ ở pH thường của nước sông. Cho từ từ mỗi loại phèn vào 3 beaker cho tới khi keo tụ. Với thời gian lắng như nhau.
Đo độ màu từng beaker. Ghi nhận loại phèn keo tụ tốt nhất. Xác định giá trị pH tối ưu cho quá trình keo tụ
Cho nước vào beaker (1000ml), sử dụng 5 beaker.
Hiệu chỉnh pH: sử dụng NaOH hoặc HCl hiệu chỉnh pH trong khoảng pH (5, 6, 7, 8, 9).
Khuấy nhanh với tốc độ 80 vòng/phút (khuấy 1 phút). Khuấy chậm với vận tốc 40 vòng/phút (30 phút). Để lắng trong vòng 20 phút.
Đo độ màu từng beaker.
Mẫu nào cho giá trị độ màu thấp nhất ứng với giá trị pH tối ưu. Xác định liều lượng phèn tối ưu cho quá trình keo tụ
Cho nước vào beaker (1000ml), sử dụng 5 beaker. Chỉnh pH về tối ưu bằng HCl hoặc NaOH.
Cho chất keo tụ vào với liều lượng khác nhau (2, 3, 4, 5, 6ml/1000ml). Khuấy nhanh với tốc độ 80 vòng/phút ( khuấy 1 phút).
Khuấy chậm với vận tốc 40 vòng/phút (30 phút). Để yên trong vòng 20 phút.
Đo độ màu từng beaker.
Mẫu nào cho giá trị độ màu thấp nhất ứng với liều lượng phèn tối ưu. Xác định vận tốc khuấy tối ưu cho quá trình keo tụ
Cho nước sông vào beaker (1000ml), sử dụng 5 beaker. Cho vào liều lượng phèn tối ưu.
Chỉnh về pH tối ưu.
Khuấy nhanh với tốc độ 80 vòng/phút (khuấy 1 phút).
Khuấy chậm với vận tốc 20, 30, 40, 50, 60 vòng/phút (30 phút). Để lắng trong vòng 20 phút.
Đo độ màu từng beaker.
Mẫu nào cho giá trị độ màu thấp nhất ứng với vận tốc khuấy tối ưu. Xác định thời gian khuấy tối ưu cho quá trình keo tụ
Cho nước sông vào beaker (1000ml), sử dụng 5 beaker. Cho vào mỗi beaker lượng phèn tối ưu.
Dùng NaOH hay HCl chỉnh pH về giá trị pH tối ưu. Khuấy nhanh với tốc độ 80 vòng/phút (khuấy 1 phút).
Khuấy chậm với vận tốc tối ưu. Với thời gian khuấy 10, 20, 30, 40, 50 phút. Để lắng trong vòng 20 phút.
Đo độ màu từng beaker.
Mẫu nào cho giá trị độ màu thấp nhất ứng với thời gian khuấy tối ưu. Xác định thời gian lắng tối ưu cho quá trình keo tụ
Cho nước sông vào beaker (1000ml), sử dụng 5 beaker.