Trong kỹ thuật xử lý nước người ta thường hay dùng các phương pháp sau:
- Phương pháp cơ học: ứng dụng các công trình và thiết bị thích hợp để loại bỏ các tạp chất thô trong nước bằng trọng lực : lắng, lọc,..sử dụng quá trình làm thoáng tự nhiên hoặc cưỡng bức để khử sắt trong nước ngầm.
- Phương pháp hoá học và hoá lý : sử dụng phèn để làm trong và khử màu (quá trình keo tụ) các nguồn nước có độđục và độ màu cao; sử dụng các tác nhân oxy hoá hoá học để khử sắt, mangan trong nước ngầm, sử dụng clo và các hợp chất của clo để khử trùng nước. Một phương pháp hoá lý khác hiện nay đang trở nên phổ biến là sử dụng các loại nhựa trao đổi ion để làm mềm nước và khử các chất khoáng trong nước.
- Phương pháp vật lý: điện phân NaCl để khử muối, dùng các tia tử ngoại để khử trùng, sử dụng các màng lọc chuyên dụng để loại bỏ các ion trong nước.
Đối với nước mặt mục đích xử lý chủ yếu là giảm độđục, độ màu và loại bỏ các vi sinh vật gây bệnh trong nước, do đó công nghệ xử lý nước mặt thường ứng dụng quá trình keo tụ –tạo bông với việc sử dụng phèn nhôm hay phèn sắt để kết tụ các hạt cặn lơ lửng trong nước tạo nên các bông có kích thước lớn hơn, sau đó lắng lọc và khử trùng trước khi phân phối vào mạng cấp nước (sử dụng).
Đối với nước ngầm mục đích xử lý chủ yếu là khử sắt và mangan công nghệ xử lý thường là làm thoáng tự nhiên (dàn mưa) hoặc nhân tạo (quạt gió) để oxy hoá các nguyên tố Fe2+, Mn2+ở dạng hoà tan trong nước thành Fe3+, Mn4+ở dạng kết tủa sau đó tách ra bằng quá trình lắng lọc và khử trùng.
1.2.2.1. Quá trình keo tụ
1.2.2.1.1. Cơ chế
Trong quá trình lắng cơ học chỉ tách được các chất rắn huyền phù có kích thước lớn ( ), còn các hạt nhỏ hơn ở dạng keo không thể lắng được. Ta có thể tăng kích của các hạt nhờ tác dụng tương hỗ giữa các hạt phân tán liên kết vào các tập hợp hạt để có thể lắng được. Muốn vậy, trước hết cần trung hoà điện tích của chúng, thứđến là liên kết chúng lại với nhau.
2 10 δδδδ≥ −
Xử lí bằng phương pháp keo tụ là cho vào trong nước các chất keo tụ có tác dụng làm cho những hạt rất nhỏ biến thành những hạt lớn lắng xuống. Thông thường quá trình keo tụ tạo bông sảy ra qua hai giai đoạn:
- Bản thân chất keo tụ phát sinh thuỷ phân, quá trình hình thành dung dịch keo, và ngưng tụ.
- Trung hòa hấp phụ lọc các tạp chất trong nước
Kết quả của quá trình trên là hình thành các hạt lớn lắng xuống.
Những hạt rắn lơ lửng mang điện tích âm trong nước (keo sét, protein …) sẽ hút các ion dương tạo ra hai lớp điện tích dương bên trong và bên ngoài. Lớp ion dương bên ngoài liên kết lỏng lẻo nên có thể dể dàng bị trợt ra. Như vậy điện tích âm của hạt bị giảm xuống. Thếđiện động hay thế zeta bị giảm xuống.
Hình 1.3. Cơ chế keo tụ tạo bông
Mục tiêu đề ra là giảm thế zeta, tức là giảm chiều cao của hàng rào năng lượng đến giá trị giới hạn, sao cho các hạt rắn không đẩy lẫn nhau bằng cách cho thêm vào các ion có điện tích dương để phá vỡ sự ổn định của trang thái keo của các hạt nhờ trung hoà điện tích. Khả năng dính kết tạo bông keo tụ tăng lên khi điện tích của hạt giảm xuống và keo tụ tốt nhất khi điện tích của hạt bằng không. Chính vì vậy lực tác
Điện thế Khoảng cách Mặt trượt Hạt keo mang điện âm (ion tạo thế) Lớp ion đối cốđịnh Lớp ion đối khuếch tán Thế zetaζζζζ
dung lẫn nhau giữa các hạt mang điện tích khác nhau giữ vai trò chủ yếu trong keo tụ. Lực hút phân tử tăng nhanh khi giảm khoảng cách giữa các hạt bằng các tạo nên những chuyển động khác nhau được tạo ra do quá trình khuấy trộn. [18]
1.2.2.1.2. Các yếu tốảnh hưởng đến quá trình keo tụ
Quá trình keo tụ phụ thuộc vào hai cơ chế chính là trung hoà điện tích và hấp phụ tạo cầu nối. Vì thế các yếu tố nào ảnh hưởng đến hai quá trình trên điền gây ảnh hưởng đến quá trình keo tụ tạo bông.
- Ảnh hưởng của pH - Nhiệt độ nước
- Liều lượng chất keo tụ và chất trợ keo tụ - Các tạp chất có trong nước
- Tốc độ khuấy trộn
- Môi chất tiếp xúc: nếu trong nước duy trì một lớp cặn bùn nhất định, khiến cho quá trình kết tủa càng hoàn toàn, tốc độ kết tủa tăng.
Ảnh hưởng của pH (quyết định quá trình thuỷ phân của chất keo tụ trong dung dịch) đến quá trình keo tụ là ảnh hưởng quan trọng nhất quyết định hiệu suất của việc xử lý.
1.2.2.2. Quá trình lắng
Lắng nước là giai đoạn làm sạch nước sơ bộ trước khi đưa vào bể lọc. Lắng là quá trình tách khỏi nước cặn lơ lửng hoặc bông cặn hình thành trong giai đoạn keo tụ, tạo bông.
Trong công nghệ xử lí nước cấp quá trình lắng được ứng dụng: - Lắng cặn phù sa khi nước mặt có hàm lượng phù sa lớn.
- Lắng bông cặn phèn/ polyme trong công nghệ khửđục và màu nước mặt. - Lắng bông cặn vôi – magie trong công nghệ khử cứng bằng hoá chất. - Lắng bông cặn sắt và mangan trong công nghệ khử sắt và mangan.
Hiệu quả lắng phụ thuộc rất nhiều vào kết quả làm việc của bể tạo bông cặn, để bông cặn tạo ra những hạt cặn to, bền chắc, và càng nặng thì hiệu quả lắng càng cao. Nhiệt độ của nước càng cao, độ nhớt của nước càng nhỏ, sức cản của nước đối với hạt cặn càng giảm làm tăng hiệu quả các quá trình lắng nước. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Thời gian lưu nước trong bể lắng là chỉ tiêu quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả của bể lắng. Để đảm bảo lắng tốt thời gian lưu nước trung bình của các phân tử nước trong bể lắng phải đạt từ 70 – 80% thời gian lưu nước trong bể theo tính toán, nếu để cho bể lắng có vùng nước chết, vùng chảy quá nhanh hiệu quả lắng sẽ giảm đi nhiều.
1.2.2.3. Quá trình lọc nước
Trong dây chuyền xử lý nước ăn uống và sinh hoạt lọc là giai đoạn cuối cùng để làm cho nước sạch triệt để. Hàm lượng cặn còn lại trong nước sau khi qua bể lọc phải đạt tiêu chuẩn cho phép ( nhỏ hơn hoặc bằng 3 mg/l ).
Vật liệu lọc là bộ phận cơ bản của bể lọc, nó mang lại hiệu quả làm việc và tính kinh tế của quá trình lọc. Vật liệu lọc hiện nay được dùng phổ biến nhất là cát thạch anh tự nhiên. Ngoài ra còn có thể sử dụng một số vật liệu khác như cát thạch anh nghiền, đá hoa nghiền, than antraxit, polymer,… các vật liệu lọc nước cần phải thoả mãn các yêu cầu sau: có thành phần cấp phối thích hợp, đảm bảo đồng nhất, có độ bền cơ học cao, ổn định về hoá học.
Trong quá trình lọc người ta có thể dùng thêm than hoạt tính như là một hoặc nhiều lớp vật liệu lọc để hấp thu chất mùi và màu của nước. Các bột than hoạt tính có bề mặt hoạt tính rất lớn chúng có khả năng hấp thụ các chất ở dạng lỏng hoà tan trong nước.
1.2.2.4. Làm mềm nước
Có nhiều phương pháp làm mềm nước, vì thế phải căn cứ vào mức độ làm mềm cần thiết (độ cứng cho phép còn lại của nước), chất lượng nước nguồn và các chỉ tiêu kinh tế khác để chọn ra phương pháp làm mềm thích hợp nhất.
Để làm mềm nước, người ta dùng các phương pháp sau:
- Làm mềm nước bằng hóa chất: 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
- Phương pháp nhiệt: đun nóng hoặc chưng cất nước.
- Phương pháp trao đổi ion: lọc nước cần làm mềm qua lớp lọc cationit có khả năng trao đổi 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 2 trong 3 phương pháp trên. - Lọc qua màng bán thấm, thẩm thấu ngược (RO)
Phương pháp nhiệt
Cơ sở lý thuyết của phương pháp này là dùng nhiệt để bốc hơi khí cacbonic hòa tan trong nước. Trạng thái cân bằng của các hợp chất cacbonic sẽ chuyển dịch theo phương trình phản ứng sau:
2HCO3- → CO32- + H2O + CO2 Ca2+ + CO32-→ CaCO3 ↓
Nên Ca(HCO3)2→ CaCO3 ↓ + CO2 + H2O
Tuy nhiên, khi đun nóng nước chỉ khử được hết khí CO2 và giảm độ cứng cacbonat của nước, còn lượng CaCO3 hòa tan vẫn còn tồn tại trong nước.
Riêng đối với Mg, quá trình khử xảy ra qua hai bước. Ở nhiệt độ thấp (đến 180C) ta có phản ứng:
Mg(HCO3)2→ MgCO3 + CO2 + H2O
Khi tiếp tục tăng nhiệt độ, MgCO3 bị thủy phân theo phản ứng: MgCO3 + H2O → Mg(OH)2 ↓ + CO2
Phương pháp hóa chất
Trong thực tế áp dụng hàng loạt phương pháp xử lý nước bằng hóa chất với mục đích kệt hợp các ion Ca2+ và Mg2+ hòa tan trong nước thành các hợp chất không tan dễ lắng và lọc. Các hóa chất thường dùng để làm mềm nước là vôi, sođa Na2CO3, xút NaOH, hyđrôxit bari Ba(OH)2, photphat natri Na3PO4.
Chọn phương án làm mềm nước bằng hóa chất cần phải dựa vào chất lượng nước nguồn và mức độ làm mềm cần thiết. Trong một vài trường hợp có thể kết hợp làm mềm nước với khử sắt, khử silic, khử photphat…
Ngoài ra trong mỗi trường hợp cụ thể phải dựa trên cơ sở so sánh kinh tế kỹ thuật giữa các phương pháp, đặc biệt là với phương pháp làm mềm bằng cationit.
- Khửđộ cứng cacbonat của nước bằng vôi
Khửđộ cứng cacbonat của nước bằng vôi có thể áp dụng trong trường hợp ngoài yêu cầu giảm độ cứng cần phải giảm cảđộ kiềm của nước.
- Làm mềm nước bằng vôi và sođa (Na2CO3)
Làm mềm nước bằng vôi và sođa là phương pháp có hiệu quả đối với thành phần ion bất kỳ của nước. Khi cho vôi vào nước khửđược độ cứng canxi và magiê ở mức tương đương với hàm lượng của ion hyđrôcacbonat trong nước.
- Làm mềm nước làm phốt phát và bari:
Khi làm mềm nước bằng vôi và sođa do độ cứng của nước sau khi làm mềm còn tương đối lớn, người ta bổ sung phương pháp làm mềm triệt để bằng photphat. Hóa chất thường dùng là trinatri photphat hay dinatri photphat. Khi cho các hóa chất này vào nước chúng sẽ phản ứng với ion canxi và magiê tạo ra muối photphat của canxi và magiê không tan trong nước. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Để khử độ cứng sunfat có thể dùng cacbonat bari BaCO3, hyđrôxit bari Ba(OH)2 hay aluminat bari Ba(AlO2)2.
Phương pháp trao đổi ion
Làm mềm nước bằng cationit dựa trên tính chất của một số chất không tan hoặc hầu như không tan trong nước – cationit, nhưng có khả năng trao đổi, khi ngâm trong nước, các chất này hấp thụ cation của muối hòa tan lên bề mặt hạt và nhả vào nước một số lượng tương đương cation đã được cấy lên bề mặt hạt từ trước.
1.2.2.5. Khử trùng nước
Các quá trình xử lý cơ học không thể loại trừđược toàn bộ vi sinh vật và vi trùng có trong nước. Để tiêu diệt được toàn bộ vi sinh vật, cần tiến hành các biện pháp. khử trùng nước.
Theo nguyên lý, các quá trình khử trùng có thể là lý học hoặc hóa học.
- Các phương pháp lý học bao gồm: phương pháp nhiệt, khử trùng bằng tia cực tím, siêu âm, phương pháp lọc,...
- Các phương pháp hóa học: Cơ sở của phương pháp là sử dụng các chất oxy hóa mạnh để oxy hóa men của tế bào vi sinh và tiêu diệt chúng. Các hóa chất thường dùng là: Clo, brom, iod, clo dioxit, axit hypoclorit và muối của nó, ozone, kali permanganate, hydro peroxit. Do hiệu suất cao nên ngày nay khử trùng bằng hóa chất đang được áp dụng rộng rãi ở mọi qui mô.
1.2.2.6. Khử sắt và mangan
Trong nước mặt sắt tồn tại ở dạng hợp chất Fe3+, thường là Fe(OH)3 không tan ở dạng keo hoặc dạng huyền phù. Hàm lượng sắt trong nước mặt thường không lớn và sẽđược khử trong quá trình làm trong nước. Trong nước ngầm , sắt tồn ở dạng ion, sắt có hoá trị 2 (Fe2+) là thành phần của các muối hoà tan như :bicacbonat Fe(HCO3)2, sunphat FeSO4. Hàm lượng sắt có trong nguồn nước ngầm thường cao. Các phương pháp khử sắt trong nước ngầm:
- Khử sắt bằng phương pháp làm thoáng.
- Khử sắt bằng phương pháp dùng hoá chất.
- Các phương pháp khử sắt khác.
Mangan trong nước ngầm thường tồn tại ở dạng Mn2+ hoà tan hoặc có thể ở dạng keo không tan. Khi Mn2+ bị oxy hoá sẽ chuyển sang dạng Mn3+ và Mn4+ ở dạng hydroxit kết tủa.
2Mn(HCO3)2 + O2 + H2O → 2Mn(OH)4 +4H+ + 4HCO3-
Trong thực tế việc khử sắt trong nước ngầm thường được tiến hành đồng thời với khử mangan.
Chương 2 Thực nghiệm 2.1. Hoá chất và dụng cụ thí nghiệm
2.1.1. Pha chế và bảo quản các hóa chất dùng trong thí nghiệm
2.1.1.1. Chỉ thị Phenolphtalein 0,1%
- Cân chính xác 0,01 gam bột phenolphtalein hòa tan trong 10 ml dung dịch rượu etylic 95%, khuấy đều dung dịch.
- Bảo quản trong chai nhựa hoặc thủy tinh màu tối, đậy kín nắp. 2.1.1.2. Chỉ thị Metyl da cam
- Cân 0,1g metyl da cam trong cốc 100 ml, thêm nước cất đến vạch để được 100ml chỉ thị. Khuấy đều dung dịch.
- Bảo quản trong chai nhựa hoặc thủy tinh có nắp đậy kín. 2.1.1.3. Chỉ thị Eriocrom đen T (ETOO)
- Pha chỉ thị ETOO có thể bằng etanol 96% ( 0,05% ÷ 0,5%) , KCl hoặc bằng saccharose. Chọn KCl để pha chỉ thị ETOO vì nó bảo quản được lâu hơn.
- Cân 0.025g ETOO ở dạng rắn, đem nghiền mịn trong cối sạch. Cân 10g KCl rắn trong chén nung sạch. Đem sấy ở nhiệt độ 105oC trong 30 phút. Để nguội trong bình hút ẩm đến nhiệt độ phòng.
- Trộn hỗn hợp trong cối sứ thành bột mịn, bảo quản trong chai nâu. 2.1.1.4. Dung dịch chuẩn EDTA 0,01 M
- Hòa tan 3,723g EDTA trong nước cất rồi định mức thành 1 lít. - Bảo quản trong chai thủy tinh trung tính hay bình nhựa polyethylene. 2.1.1.5. Dung dịch chuẩn NaOH 0, 1M
- Dung dịch NaOH 1M: cân 40g NaOH hòa tan với nước cất sau đó định mức thành 1 lít.
- Dung dịch NaOH 0,01M: Lấy 10ml dung dịch NaOH 1M định mức thành 1 lít. 2.1.1.6.Dung dịch đệm pH 10
- Hòa tan 25g NH4Cl trong 100ml nước cất. Thêm vào 200ml NH4OH 20%, sau đó thêm nước cất đến 1 lít. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Bảo quản tromg chai nhựa.
2.1.1.7. Dung dịch 1,10-phenanthroline
- Cân chính xác 0,025g (1,10-phenantrolin) sau đó hòa tan trong 25 ml nước cất. Dung dịch thuốc thửđược đựng trong chai nhựa.
2.1.1.8. Dung dịch Natri axetat
- Cân 10 gam natri axetat, hòa tan trong 100 ml nước cất. - Bảo quản trong chai nhựa hoặc thủy tinh
2.1.1.9. Dung dịch hydroxyl amoni clorua
- Hòa tan 10 gam hydroxyl amoni clorua trong 100 ml nước cất. - Bảo quản trong chai nhựa hoặc thủy tinh
2.1.2. Các dụng cụ và thiết bị dùng trong thí nghiệm
- Pipet thẳng 0.5 ml - Cân phân tích - Pipet thẳng 2 ml - Cối, chày sứ - Pipet thẳng 5 ml - Lò nung - Pipet thẳng 10 ml - Đũa thủy tinh - Pipet bầu 10 ml - Thìa cân - Ống đong 500 ml - Giấy lọc - Bình tam giác 250 ml - Phễu thủy tinh
- Buret - Cuves thạch anh
- Lưới sàng hạt 0.8 và 1.2 mm - Cuves thủy tinh
- Bình định mức 25 ml - Máy đo quang phổ UV - Vis - Bình định mức 50 ml - Máy đo độđục cầm tay - Bình định mức 100 ml - Máy đo pH