VI. Cấu trỳc của luận văn
2.3.2 Tớnh chất chung
Vật liệu Nano cú 3 tớnh chất như sau:
- Chuyển tiếp từ tớnh chất cổ điển đến tớnh chất lượng tử:
Đối với vật liệu vĩ mụ gồm rất nhiều nguyờn tử, cỏc hiệu ứng lượng tử được trung bỡnh húa với rất nhiều nguyờn tử (1àm3 cú khoảng 1012nguyờn tử)và cú thể bỏ qua cỏc thăng giỏng ngẫu nhiờn. Nhưng cỏc cấu trỳc Nano cú ớt nguyờn tử hơn
thỡ cỏc tớnh chất lượng tử thể hiện rừ ràng hơn. Vớ dụ một chấm lượng tử cú thể được coi như một đại nguyờn tử, nú cú cỏc mức năng lượng giống như một nguyờn tử.
- Hiệu ứng bề mặt:
Khi vật liệu cú kớch thước nm, cỏc số nguyờn tử nằm trờn bề mặt sẽ chiếm tỷ lệ đỏng kể so với tổng số nguyờn tử. Chớnh vỡ vậy cỏc hiệu ứng cú liờn quan đến bề mặt (gọi tắt là hiệu ứng bề mặt) sẽ trở nờn quan trọng làm cho tớnh chất của vật liệu cú kớch thước nm khỏc biệt so với vật liệu ở dạng khối.
- Kớch thước tới hạn:
Mỗi loại vật liệu cú kớch thước hạt khỏc nhau, hạt vật liệu cú kớch thước tới hạn thỡ cỏc tớnh chất vật lý, húa học chưa bị thay đổi. Nếu vật liệu cú kớch thước nhỏ hơn giỏ trị tới hạn này thỡ cỏc tớnh chất lý, húa học của nú bị thay đổi. Vật liệu lọc
Nano cú tớnh chất đặc biệt là do kớch thước của nú cú thể so sỏnh được với kớch thước tới hạn của vật liệu. Vớ dụ điện trở của một kim loại tuõn theo định luật Ohm ở kớch thước vĩ mụ mà ta thấy hàng ngày. Nếu ta giảm kớch thước của vật liệu xuống nhỏ hơn quóng đường tự do trung bỡnh của điện tử trong kim loại, mà thường cú giỏ trị từ vài đến vài trăm nm, thỡ định luật Ohm khụng cũn đỳng nữa. Lỳc đú điện trở của vật liệu cú kớch thước Nano sẽ tuõn theo quy tắc lượng tử. Khụng phải bất cứ vật liệu nào cú kớch thước Nano đều cú tớch chất khỏc biệt mà nú phụ thuộc vào tớnh chất mà nú được nghiờn cứu.
Cỏc tớnh chất khỏc như tớnh chất điện, tớnh chất từ, tớnh chất quang và cỏc tớnh chất húa học khỏc đều cú độ dài tới hạn trong khoảng nm. Chớnh vỡ thế mà người ta gọi ngành khoa học và cụng nghệ liờn quan là khoa học Nano và cụng nghệ Nano.
2.3.3 Đặc điểm của vật liệu lọc Nano
Vật liệu lọc Nano được tạo thành ở mức độ tinh tế cao nhất của một nguyờn tử trong một đơn vị thời gian và hoàn thiện ở cấp độ phõn tử. Vỡ vậy, cỏc nhà cụng nghệ Nano đó nghĩ tới việc xõy dựng cỏc cấu trỳc và vật chất mới bằng cỏch điều khiển và sử dụng cỏc phõn tử và nguyờn tử cú kớch thước Nano, làm cho nú cú thể tạo ra vật chất với những đặc tớnh được hoàn thiện hơn, vừa cú trọng lượng riờng nhỏ, độ cứng siờu lớn và cú tớnh dẫn điện, dẫn nhiệt tốt hơn. Một hướng nghiờn cứu khỏc được quan tõm đến là cơ sở của Nano nhõn tạo, cú liờn quan tới sự làm việc của cỏc vật liệu cú kớch thước lớn và được thu nhỏ tới kớch thước Nano.
Cụng nghệ Nano cú bản chất khoa học và kỹ thuật cũn nhiều điểm cần phải làm rừ. Gần đõy, nhà vật lý học đạt giải Nobel, Richard Smalley ở trường đại học Rice đó phỏt hiện ra rằng cỏc ống cacbon cú kớch thước Nano và sự đan xen cỏc hạt
cacbon cấp Nano, thường đặc trưng như graphit, vận động khụng giống với graphit (theo Smalley và Yakobsonb 1998, Zhou et al. 2005).
Cỏc nhà khoa học liờn bang Nga đó nghiờn cứu thành cụng một hỗn hợp cacbon cú tờn gọi là USVR - một hợp chất cacbon phản ứng cao. Năm 1997 phỏt minh này đó được đăng ký bản quyền, năm 2001 đó chớnh thức được cỏc nhà khoa học quốc tế cụng nhận. Phỏt minh này cựng với những thành tựu tư duy khoa học thế kỷ XX như phỏt minh phõn tử mới cacbon – fullerene phỏt hiện năm 1993 được giải Nobel là hai phỏt minh đúng vai trũ cụng nghệ cơ bản trong nền văn minh của thiờn niờn kỷ III. USVR là sản phẩm mới, khụng giống với bất cứ một chất nào trong thiờn nhiờn về tớnh chất vật lý, húa học và thõn thiện với mụi trường, phạm vi sử dụng rộng rói. USVR là tổ hợp cacbon cấu trỳc Nano, về bản chất, quy mụ khỏc với cỏc biến thể cacbon khỏc. Vật liệu cấu trỳc Nano – USVR cú bề mặt đơn vị khụng dưới 2000m2/g.
USVR là một chất hấp phụ cú cỏc tớnh chất đặc biệt như sau:
-Nhờ khả năng phản ứng nhanh so với bất kỳ hydrocacbon lỏng và khớ,
USVR cú thể liờn kết với tỷ lệ trọng lượng từ 1 đến 80 đối với chất lỏng và 1 đến 40 đối với trạng thỏi khớ.
-Khả năng vắt đơn giản (ộp, ly tõm, …) phục hồi trạng thỏi liờn kết để tỏi sử dụng, đặt biệt cú thể sử dụng nhiều lần cho cỏc mục đớch như trờn sau khi vắt.
-USVR khụng đũi hỏi tỏi sinh như trong cỏc trường hợp thụng thường, vỡ sau nhiều lần sử dụng cú thể làm nguyờn liệu để sản xuất than hoạt tớnh, chất phụ gia cho dầu động cơ hoặc cỏc loại dầu mỡ, vũng đệm chịu nhiệt; cũng cú thể ộp thành viờn làm chất đốt nhiệt lượng cao, tương ứng với nhiệt lượng của than đỏ.
-USVR hoàn toàn kỵ nước (gúc ướt trờn 90 độ), điều đú cú nghĩa là nú dễ xuyờn qua nước sạch, chỉ bị giữ cỏc tạp chất cũng như cỏc hợp chất hũa tan húa chất.
-Điều quan trọng của USVR là một chất trơ húa học, khụng tham gia vào cỏc phản ứng húa học với cỏc chất liờn kết và khụng tạo thành chất mới, do đú cú tớnh bền vững trong mụi trường ăn mũn và thuần tỳy sạch sinh thỏi.
-USVR là một chất hấp phụ hoàn chỉnh nhất và khi sử dụng làm vật liệu thấm lọc sẽ khụng phải thay đổi kết cấu cơ bản nguồn nước và cỏc cụng trỡnh làm sạch, đảm bảo tin cậy tương ứng với cỏc quy tắc và tiờu chuẩn, cũn nước uống theo tớnh chất tương ứng với nước tinh khiết.
-USVR đó được thử nghiệm qua nhiều giai đoạn (ở cỏc nước khỏc nhau trờn
thế giới) do cỏc nhà thẩm định cú uy tớn Quốc tế thực hiện. Kết quả nghiờn cứu đó được ủy ban kinh tế nhà nước Nga và Bộ tài nguyờn liờn bang Nga khuyến nghị “đưa USVR vào ứng dụng rộng rói làm chất làm sạch mụi trường và sử dụng trong hệ thống cấp nước ăn uống”.
Đặc điểm lọc nước của vật liệu dạng màng Nano alumina
Đõy là bộ lọc tương tự như tờ giấy mỏng làm từ cỏc vật liệu sợi Nano đan lại với nhau. Khi nước chảy qua vật liệu này, cỏc sợi Nano alumina sẽ hỳt và giữ cỏc hạt vật chất (virus, vi khuẩngõy bệnh như E.coli, Salmonella, …) và cỏc hạt rất nhỏ
khỏc.
Nguyờn lý của quỏ trỡnh này là khi nước chảy qua lớp vật liệu sẽ tạo cho cỏc sợi Nano mang điện tớch dương, cú thể hỳt cỏc hạt mang điện tớch trỏi dấu. Cỏc sợi
Nano alumina cú kớch thước 2x250nm, được ghộp với cỏc sợi thủy tinh tạo thành vật liệu giống như giấy cú thể gấp lại thành bộ lọc với nhiều hỡnh dạng khỏc nhau và đó xuất hiện trờn thị trường và ứng dụng nhiều trong lĩnh vực lọc nước. Bộ lọc này được xem là phương phỏp lọc siờu hiệu quả để loại cỏc mầm bệnh cú trong nước.
Cỏc nhà khoa học đó nghiờn cứu và phỏt hiện nú cú thể loại bỏ được cỏc chất hữu cơ, cỏc sản phẩm phụ từ quỏ trỡnh khử trựng, clo, iốt và cỏc chất làm thay đổi nội tiết. Quy trỡnh cũn loại bỏ được cả chỡ, thủy ngõn và asen.Bộ lọc hoạt động tốt ở pH = 5ữ9 và trong cỏc điều kiện độ mặn thay đổi. Khả năng hỳt tĩnh điện của bộ
lọc mất đi khi bị đưa ra khỏi nước, nhưng cỏc hạt đó bị giữ lại vẫn cũn khả năng hỳt bỏm. Tuy cỏc nghiờn cứu trờn cho thấy cỏc mầm bệnh bị giữ lại và khụng cú khả năng thoỏt ra, việc loại bỏ Nano alumina phải được nghiờn cứu. Do vậy, nếu vứt bỏ bộ lọc một cỏch tựy tiện cú thể gõy ra cỏc tỏc động tiềm tàng tới mụi trường.
Trong quỏ trỡnh nghiờn cứu cỏc ứng dụng vật liệu Nano, nhiều nhà khoa học đó chọn lựa ứng dụng vật liệu Nano cú nguồn gốc cỏcbon để tiến hành chế tạo thử
nghiệm thiết bị lọc nước. Cỏc bon là nguyờn tố rất phổ biến trong vỏ trỏi đất. Nhưng sự khỏc nhau giữa than - kim cương và Nano cỏc bon chủ yếu là do cấu trỳc bờn trong khỏc hẳn nhau giữachỳng. Bỡnh thường cấu trỳc của than chỡ (một dạng cỏc bon) gồm cỏc lớp than mỏng với chiều dày nguyờn tử, gọi là graphen. Mối liờn kết giữa cỏc lớp graphen thỡ lại rất yếu, cho nờn ta mới dựng bỳt chỡ để viết được. Cũn cấu trỳc của cỏc nguyờn tử trong graphen là lục giỏc và chỳng liờn kết với nhau rất mạnh, thậm chớ cỏc nhà khoa học khụng tin là cỏc biện phỏp thụng thường cú thể tỏch nú ra. Cỏc nhà khoa học đó tổng hợp được 1 hợp chất mà cho nú thấm vào chỡ giữa cỏc lớp graphen, cú thể nằm ở đú rất lõu, nhưng khụng gõy phản ứng. Khi cú một tỏc động mạnh nào đú: đập cơ học, húa chất, đun núng tới 150 ữ 200oC thỡ cỏc
lớp graphen tỏch ra và phản ứng dõy chuyền nổ lạnh khụng điều khiển xảy ra. Kết quả tạo nờn một khối xốp mà thể tớch của nú gấp 500 lần khối ban đầu. Cục than chỡ biến thành bụng xốp đen nhẹ, chứa đến 20% cấu trỳc Nano. Trong cấu trỳc mới của chỡ cú cả graphen, Nano ống, Nano nhỏnh, Nano vũng, Nano đoạn. Sự nổ lạnh này làm bứt phỏ khụngnhững mối liờn kết yếu giữa cỏc lớp graphen, mà cũn bứt phỏ từng phần liờn kết húa trị giữa cỏc nguyờn tử cỏc bon trong graphen, kết quả là tạo thành một lượng lớn cỏc nguyờn tử gốc tự do mà mối liờn hệ nguyờn tử khụng no. Hỗn hợp cỏcbon dạng này người ta gọi là USVR,những tớnh ưu việt của nú, người ta đang ứng dụng vào trong lĩnh vực lọc nước, xử lý nước thải của cỏc khu dõn cư, của cỏc nhà mỏy cụng nghiệp. Những tớnh chất ưu việt của nú là:
- Cú khả năng lọc những hạt rất nhỏ cỡ Nanomột, giống như màng. Sự khỏc nhau ở đõy là: màng lọc theo diện cũn USVR lọc theo thể tớch.
- Cú khả năng hấp thụ, nú giữ những hạt nhỏ bờn trong thể tớch của nú, đú là tớnh hấp thụ.
- Cú khả năng lọc sạch nước khỏi vi khuẩn và vi rỳt.
Và trong khả năng thứ ba này USVR phải kết hợp với Nano bạc, đú là chất cú khả năng khử trựng, ngăn cản sự phỏt triển của cỏc loại khuẩn.
Vật liệu Nano cỏc bon được nghiờn cứu ứng dụng dưới hai dạng sau:
Vật liệu cacbon Nano dạng bột mịn: cú kớch thước dạng bột, rất nhỏ, màu đen, trọng lượng siờu nhẹ, cú độ nộn ộp cao.
- Vật liệu cacbon Nano dạng hạt: kớch thước hạt cỡ 0,5ữ1mm, màu nõu đất, độ nộn ộp nhỏ hơn dạng bột vỡ bột cacbon Nano đó được nộn ộp lại dưới dạng hạt, vỡ thế kớch thước mao quản hấpphụ vẫn tồn tại ở kớch thước Nano. Vật liệu dạng hạt dễ vận chuyển, dễ đưa vào cỏc lừi lọc hơn dạng bột.
2.4 Nghiờn cứu lựa chọn dõy chuyền cụng nghệ và khả năng xử lý
2.4.1Sơ đồ dõy chuyền cụng nghệ xử lý nước sử dụng thiết bị lọc Nano kết hợp với cỏc phương phỏp lắng, lọc truyền thống
- Đối với nguồn nước ngầm, nước giếng khơi, giếng đào (khi khụng ngập lũ)
Do chất lượng nguồn nước đầu vào tương đối tốt, hàm lượng cặn ớt nờn nước được khai thỏc,qua thiết bị lắngrồi bơm trực tiếp vào thiết bị lọc thụ và tự chảy vào
thiết bị xử lý tinh. Nguồn nước sau xử lý qua hệ thống xử lý tinh đa cấp lọc. Sau xử lý tinh, nước được khử trựng, nước sau xử lý đạt tiờu chuẩn nước sinh hoạt.
- Đối với nguồn nước lũ (khi bị ngập)
Đối với nguồn nước lũ, cỏc cụng đoạn trong quỏ trỡnh xử lý thụ cần bổ sung thờm húa chất giỳp keo tụ cỏc bụng cặn, làm giảm hàm lượng cặn đỏng kể (đặc điểm nước trong nước lũ khỏ lớn). Nước sau xử lý thụ được dẫn qua hệ thống xử lý
tinh. Sau khi xử lý tinh, nước được khử trựng, nước sau xử lý đạt tiờu chuẩn nước sinh hoạt.
2.4.2Quy trỡnh cụng nghệ thiết bị lọc Nano lưu động
Hệ thống xử lý nước đặt trờn thuyền được tớnh toỏn, thiết kế cú thể xử lý trực tiếp nước lũ thành nước cấp sinh hoạt trong điều kiện ngập lũ. Hệ thống bao gồm:
- Bộ phận phỏt điện và mỏy bơm cấp nước đầu vào
- Khoang thiết bị phản ứng và keo tụ, lắng để làm giảm đỏng kể hàm lượng cặn lơ lửng cú trong nước lũ.
- 02 Cột lọc thụ với vật liệu lọc hoạt tớnh, cỏt thạch anhloạibỏ phần lớn BOD5,
Nguồn
nước vào Thiết bị
lọc tinh Thiếtbị lọc thụ Thiết bị lắng Ống phản ứng Bộ lọc Nano Nước ăn, uống Nước sinh hoạt
thụngthường Bơm tăng ỏp Bơm Nguồn nước vào Thiết bị lọc tinh Thiết bị lọc thụ Thiết bị lắng Ống phản ứng Bộ lọc Nano Nước ăn, uống Nước sinh hoạt thụng thường Bơm tăng ỏp Bơm nguồn Húa chất keo tụ, phốn
COD, cặn lắng và cỏc chất ụ nhiễm khỏc.
- Hệ thống lọc tinh (phin lọc) với vật liệu lọc PP 5 ữ 10 àm tỏch triệt để chất lơ lửng trong nước.
- Cuối cựng của hệ thống lọc sử dụng vật liệu màng Nano.
- Cỏc thiết bị phụ trợ: đường ống, phụ kiện, mỏy bơm, thựng húa chất…
- Thiết bị vận chuyển: bỏnh xe di chuyển.
Hỡnh 2.13: Cỏc module thiết bị xử lý nước lưu động cụng suất lớn
2.1.62.4.3 Quản lý vận hành
a. Vận hành hệ thống trong trường hợp nước lũ
Thứ tự vận hành cụ thể như sau:
- Bước 1: Kiểm tra hệ thống trước khi vận hành;
- Bước 2: Chuẩn bị húa chất;
- Bước 3: Bật cụng tắc tổng;
- Bước 4: Đúng van vàocột lọc thụ, mở van xả trợ lắng;
Formatted: Normal, Justified, Inde
Left: 0 cm, Hanging: 1 cm, Space Before: 6 pt, After: 6 pt, Outline numbered + Level: 3 + Numbering Style: 1, 2, 3, … + Start at: 1 + Alignment: Left + Aligned at: 0 cm Indent at: 1,27 cm
- Bước 5: Lấy nước tại đầu ra hệ thống theo mục đớch sử dụng;
- Bước 6: Dừng hệ thống khi khụng cú nhu cầu sửdụng.
b. Vận hành hệ thống trong điều kiện thường
Thứ tự vận hành cụ thể như sau:
- Bước 1: Kiểm tra hệ thống trước khi vận hành;
- Bước 2: Bật cụng tắc tổng;
- Bước 3: Van xả trợ lắng đúng. Mở van vào cột lọc thụ
- Bước 4: Lấy nước tại đầu ra hệ thống theo mục đớch sử dụng
- Bước 5: Dừng hệ thống khi khụng cú nhu cầu sử dụng
c. Rửa lọc hệ thống
Cột lọc cỏt thạch anh: Được rửa tự động theo cài đặt của Auto van theo thời
gian (7 ngày/lần hoặc theo thực tế) phự hợp với chất lượng nước đầu vào cụ thể. Nước rửa lọc cỏt được sử dụng nguồn nước đầu vào.
Cột lọc than hoạt tớnh: Được rửa lọc bằng cỏch điều khiển van tay theo cỏc chế độcố định.Nước rửa lọc than sử dụng nước sau lọc cỏt…
Hướng dẫn sử dụng Van tay và Auto van
Van tay: Được sử dụng cho cột lọc thụ Than hoạt tớnh
Van tay cú 3 chế độ hoạt động theo cỏc yờu cầu và trạng thỏi của hệ thống thiết bị:
- Trạng thỏi lọc: Lọc nước theo chế độbỡnh thường và đỳng quy trỡnh. Tay van gạt sang bờn trỏi theo hướng người điều khiển.
- Trạng thỏi rửa lọc: Sau một thời gian lọc, cặn bẩn bị giữ lại trong lớp vật liệu lọc làm cụng suất và khả năng lọc bị giảm. Khi đú rửa lọc để loại bỏ cặn bẩn
ra ngoài. Tay van để ở giữa, đối diện với người điều khiển.Thời điểm rửa lọc:
Sau 5ữ7 lần rửa lọc cỏt sẽ tiến hành rửa lọc than một lần. Thời gian rửa lọc: 7