6. Ý nghĩa của đề tài
1.4. Tổng quan về hấp phụ
1.4.1. Lý thuyết về hấp phụ
Hấp phụ là sự tích lũy chất trên bề mặt phân cách các pha (khí - rắn, lỏng - rắn, khí - lỏng, lỏng - lỏng). Chất có bề mặt, trên đó xảy ra sự hấp phụ được gọi là chất hấp phụ, còn chất được tích lũy trên bề mặt chất hấp phụ gọi là chất bị hấp phụ. Ngược lại với quá trình hấp phụ là quá trình giải hấp phụ. Đó là quá trình đi ra của chất bị hấp phụ khỏi lớp bề mặt chất hấp phụ.
Hấp phụ là quá trình ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất, thực phẩm và nhiều lĩnh vực chế biến khác, từ việc tách triệt để các chất khí có hàm lượng thấp, tẩy màu, tẩy mùi các dung dịch đến hấp phụ các chất độc hại có trong nước và khí thải. Ngày nay các chất hấp phụ đã được chế tạo để tách các đồng phân paraffin, tách nhiều phân tử hửu cơ phân tử thấp thay cho quá trình chưng luyện trong những trường hợp khó khăn, tách không khí thành 2 phần: một phần giàu ôxi (95%) và một phần giàu N2 (99%). Chất hấp phụ còn giữ vai trò quan trọng trong việc sản xuất các chất xúc tác.
Hấp phụ xảy ra do lực hút tồn tại ở trên và gần sát bề mặt trong các mao quản. Mạnh nhất là các lực hóa trị, gây nên hấp phụ hóa học, tạo ra các chất khá bền trên bề mặt, khó nhã hoặc chuyển phân tử thành các nguyên tử gọi là hấp phụ hóa học. Lực hấp phụ do lực hút Van Der Waals tác dụng trong khoảng không gian gần sát bề mặt gọi là hấp phụ vật lý. Một hiện tượng thường xảy ra trong hấp phụ từ pha khí là ngưng tụ thành chất lỏng trong các mao quản nhỏ. Nó xảy ra dưới tác dụng của lực mao quản.
Mỗi phần tử đã bị hấp phụ (dù ở pha khí hay pha lỏng) đều giảm độ tự do. Nên hấp phụ luôn kèm theo sự tỏa nhiệt. Nếu hấp phụ một chất khí có nhiệt hấp phụ bằng nhiệt ngưng tụ gọi là hấp phụ vật lý. Còn hấp phụ hóa học, nhiệt hấp phụ lớn hơn, có thể bằng nhiệt phản ứng. Do đó trong quá trình hấp phụ việc tách nhiệt luôn được đặt ra.
Quá trình chuyển chất trong hấp phụ được xem như gồm 3 giai đoạn. Giai đoạn thứ nhất là khuếch tán từ môi trường lỏng đến bề mặt hạt chất hấp phụ. Giai đoạn này phụ thuộc vào tính chất vật lý và thủy động lực của chất lỏng. Giai đoạn thứ hai là khuếch tán theo các mao quản đến bề mặt và giai đoạn cuối cùng là tương tác hấp phụ. Hai giai đoạn sau phụ thuộc vào các tính chất và cấu trúc hấp phụ.
(nguồn: [2])
1.4.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ
Ảnh hưởng của môi trường: giữa môi trường và chất tan thường có sự cạnh tranh về sự hấp phụ lên bề mặt vật rắn. Về mặt nhiệt động học, cấu tử nào có sức căng bề mặt bé hơn sẽ bị hấp phụ mạnh hơn lên bề mặt vật rắn. Tuy nhiên, trong thực tế còn có sự tác động của các yếu tố khác.
Ảnh hưởng của bản chất chất hấp phụ: Bản chất và độ xốp của chất hấp phụ ảnh hưởng lớn đến sự hấp phụ. Chất hấp phụ không phân cực thì hấp phụ chất không phân cực tốt, vật hấp phụ phân cực hấp phụ tốt với chất phân cực.
Tính chất của chất bị hấp phụ: quá trình hấp phụ diễn ra theo chiều hướng làm san bằng sự phân cực giữa các pha. Độ chênh lệch của sự phân cực càng lớn thì sự hấp phụ diễn ra càng mạnh. Quy tắc này cho phép xác định cấu trúc lớp bề mặt và chỉ ra điều kiện chọn chất hấp phụ thích hợp nhất trong từng trường hợp cụ thể.
Quy tắc phân tử tương đối với sự hấp phụ chất tan từ dung dịch: chất hấp phụ có phân tử lượng càng lớn thì sự hấp phụ càng tăng nhanh.
Ảnh hưởng của thời gian, nhiệt độ, áp suất, độ ẩm.
Sự hấp phụ trong dung dịch xảy ra chậm hơn trong pha khí vì sự thay đổi nồng độ trên bề mặt phân chia pha được thực hiện bởi quá trình khuếch tán. Tốc độ khuếch tán trong pha khí diễn ra nhanh hơn trong pha lỏng.
Khi nhiệt độ tăng lên khả năng khuếch tán vật chất vào dung dịch giảm xuống dần đến giảm sự hấp phụ.
Áp suất: áp suất càng cao khả năng hấp phụ càng tốt. Độ ẩm: độ ẩm càng thấp, khả năng hấp phụ càng tốt.
1.5. Tổng quan về than hoạt tính (PAC: Powdered Activated Carbon)
Trong điều kiện Việt Nam, hầu hết các nhà máy nước với nguồn nước mặt áp dụng công nghệ xử lý truyền thống: keo tụ - lắng - lọc - khử trùng.
Để tránh việc đầu tư xây mới một nhà máy nước với công nghệ hiện đại, giải pháp cải tạo, nâng cao chất lượng xử lý của các nhà máy nước, sử dụng chất hấp phụ là than hoạt tính trên cơ sở dây chuyền công nghệ và các công trình xử lý nước hiện có là một hướng đi khả thi.
Than hoạt tính được chế tạo từ nhiều nguồn vật liệu như gỗ, gáo dừa, nhựa than đá, ... Những nguyên liệu này được hóa than từ từ ở nhiệt độ cao trong chân không, sau đó được hoạt hóa ở nhiệt độ 700-1200oC (tùy thuộc vào vật liệu) trong điều kiện không có oxy. Quá trình này tạo nên loại vật liệu hấp phụ xốp, với rất nhiều lỗ nhỏ li ti, bề mặt gồ ghề, với diện tích bề mặt tiếp xúc lớn, có tác dụng hấp phụ và giữ các tạp chất trong nước.
1.5.1. Cơ chế hấp phụ của than hoạt tính
Động học quá trình hấp phụ: gồm 3 giai đoạn
Chuyển chất từ trong pha lỏng đến bề mặt ngoài của hạt chất hấp phụ. Khuếch tán vào các mao quản của hạt.
Hấp phụ: quá trình hấp phụ làm bão hòa dần từng phần không gian hấp phụ, đồng thời làm giảm độ tự do của các phân tử bị hấp phụ, nên kèm theo sự tỏa nhiệt.
Than hoạt tính lọc nước nhờ 2 cơ chế chính:
Lọc cơ học, giữ lại các hạt cặn trong những lỗ rỗng nhỏ.
Hấp phụ các tạp chất hòa tan trong nước bằng cơ chế hấp phụ bề mặt hoặc trao đổi ion.
Sau một thời gian sử dụng (thời gian này tùy thuộc vào loại và lượng chất ô nhiễm), than hoạt tính được hoàn nguyên bằng nhiệt hay hóa chất (quá trình oxy hóa hay điện hóa).
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.