tiểu luận về tuyển nổi

Quá trình tuyển nổi cũng được sử dụng rộng rãi trong việc xử lý chất thải công nghiệp, các nhà máy xử lý nước để loại các chất béo, dầu mỡ và các chất rắn phân tán trong nước thải.. Nhữn

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-o0o -TIỂU LUẬN MÔN: KỸ THUẬT XỬ LÝ NƯỚC THẢI

TUYỂN NỔI

Học viên: Trịnh Thị Thủy

Mã học viên: 19812025 Lớp: Kỹ thuật Môi trường 2020A Khoa: Công nghệ Môi trường

Hà Nội, năm 2021

MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển kinh tế xã hội ngày càng mạnh mẽ, tình trạng ô nhiễm nước đặc biệt là nước thải công nghiệp, nước thải sinh hoạt đang trở nên đáng báo động Trước tình trạng nguồn nước đang bị ô nhiễm do nước thải, công nghệ xử lý nước thải hiệu quả, đảm bảo vệ sinh là vấn đề mà tất cả mọi người đều quan tâm Nguyên nhân gây ra tình trạng ô nhiễm nguồn nước chính là do chủ yếu lượng nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp Chính vì thế,khoa học đang không ngừng nghiên cứu các công nghệ xử lý nước thải hiện đại nhất, mang đến hiệu quả xử lý nước thải công nghiệp, nước thải sinh hoạt nhanh chóng và phù hợp Công nghệ xử lý nước thải luôn đóng một vai trò đặc biệt quan trọng và ảnh hưởng tới hiệu xuất của hệ thống

xử lý nước thải Đó là điều hiển nhiên, không phải trong lĩnh vực xử lý nước thải, mà bất kỳ lĩnh vực nào khác công nghệ cũng luôn đóng vai trò quan trọng Việc lựa chọn được công nghệ xử lý là một khâu quan trọng, lựa chọn công nghệ phù hợp với điều kiện tự nhiên, quy mô, đặc điểm đô thị và điều kiện kinh tế giúp hệ thống vận hành tốt hơn với hiệu suất tối ưu hơn Hiện nay, công nghệ xử lý nước thải khá đa dạng với nhiều phương pháp, trong đó kỹ thuật xử lý nước thải bằng phương pháp tuyển nổi đang được áp dụng khá phổ biến Vậy, tuyển nổi là gì? Có những phương pháp tuyển nổi nào đang được ứng dụng rộng rãi?

I KHÁI NIỆM, MỤC ĐÍCH, NGUYÊN TẮC CỦA PHƯƠNG PHÁP TUYỂN NỔI

1.1 Khái niệm

Tuyển nổi là quá trình tách các tạp chất rắn không tan hoặc tan có tỉ trọng nhỏ hơn tỉ trọng của chất lỏng làm nền bằng cách sử dụng các chất hoạt động bề mặt hoặc các chất thấm ướt Nếu sự khác nhau về tỉ trọng đủ để tách gọi là tuyển nổi tự nhiên

Tuyển nổi là một quá trình tách chọn lọc các khoáng sản từ hỗn hợp bùn quặng bằng cách sử dụng các chất hoạt động bề mặt hoặc các chất thấm ướt

1.2 Mục đích

Tuyển nổi được sử dụng chủ yếu để tách các loại quặng sunfua, cacbonat và các ôxit Quặng photphat, apatit, và than cũng được tách bằng công nghệ tuyển nổi

Quá trình tuyển nổi cũng được sử dụng rộng rãi trong việc xử lý chất thải công nghiệp, các nhà máy xử lý nước để loại các chất béo, dầu mỡ và các chất rắn phân tán trong nước thải Các quá trình này được gọi là quá trình tuyển nổi khí hòa tan (Dissolved Air Flotation, DAF) Thực chất, quá trình DAF được sử dụng để loại bỏ dầu mỡ trong nước thải của các nhà máy lọc dầu, hóa dầu, các nhà máy hóa chất, các nhà máy xử lý khí thiên nhiên và các cơ sở công nghiệp khác

Phương pháp tuyển nổi thường được sử dụng để tách các tạp chất (ở dạng hạt rắn hoặc lỏng) phân tán không tan, khả năng tự lắng kém ra khỏi pha lỏng Trong một số trường hợp quá trình này cũng dùng tách các chất hòa tan như các chất hoạt động bề mặt Quá trình như vậy được gọi là quá trình tách hay làm đặc bọt Trong xử lý nước thải về nguyên tắc dùng để loại bỏ chất rắn lơ lửng hoặc dầu mỡ ra khỏi hỗn hợp nước thải và cô đặc bùn sinh học

Quy trình Dissolved Air Flotation được áp dụng phổ biến trong việc loại bỏ cặn mỡ, cặn dầu từ nước thải của các nhà máy

1.3 Nguyên tắc tuyển nổi

Quá trình tuyển nổi được xây dựng dựa trên nguyên tắc cơ bản: tạo ra bọt khí sao cho có thể “thu hút” được dầu/chất bẩn sau đó gom bọt lại để lấy dầu/chất bẩn đó Do

đó, quá trình tuyển nổi được thực hiện bằng cách sục dòng khí phân tán vào nước để tạo ra các bọt khí li ti Để tạo cho các tạp chất bẩn có khả năng dễ nổi, người ta cho vào nước chất tuyển nổi (tác nhân tuyển nổi) để thu hút và kéo các chất bẩn nổi lên mặt nước Những hạt chất bẩn sẽ bám dính vào các bọt khí và cùng nổi lên bề mặt nước, sau đó chúng tập hợp lại với nhau thành các lớp bọt và cuối cùng hỗn hợp chất bẩn và chất tuyển nổi được loại ra khỏi nước Bản chất của quá trình tuyển nổi là dính kết phân tử của chất bẩn với bề mặt phân chia giữa khí và nước Sự dính kết diễn ra được là do có năng lượng tự do trên bề mặt phân chia đó và nhờ hiện tượng bề mặt đặc biệt gọi là hiện tượng tẩm ướt Hiện tượng này xuất hiện ở những nơi tiếp xúc giữa ba pha ( lỏng- rắn – khí), tức là xuất hiện theo chu vi tẩm ướt Sơ đồ nguyên lý tuyển nổi:

1.4 Cơ sở khoa học

Những cơ sở lý thuyết cơ bản về tuyển nổi dựa trên thành tựu nghiên cứu hóa lý hiện đại Ngày nay, người ta dựa trên cơ sở lý thuyết để điều khiển quá trình công nghệ tuyển nổi cũng như có thể điều chỉnh tỷ lệ thành phần các cấu tử tạo ra chất tuyển nổi phù hợp với tính chất của từng hỗn hợp cần tuyển

Ðể giải thích sự bám dính của thành phần cần tuyển nổi lên bề mặt bọt khí tạo ra bởi chất tuyển nổi và nổi lên bề mặt hỗn hợp, người ta đưa ra nhiều giả thuyết giải thích bằng hoá học lượng tử giữa mức năng lượng của các orbital đầy điện tử của tác nhân tuyển nổi với orbital trống của thành phần cần tuyển nổi, hoặc là giải thích bằng

mô hình orbital phân tử Tóm lại, ngày nay người ta phân biệt ba loại cơ chế cơ bản về

sự bám dính của các tác nhân tuyển nổi lên bề mặt thành phần tuyển nổi: Sự hấp phụ

do lực tĩnh điện, sự hấp phụ hoá học, sự hấp phụ vật lý Trong đó sự hấp phụ hoá học

là quan trọng hơn cả vì nó quyết định tính chọn riêng và tính tập hợp của chất tuyển nổi với một thành phần cần tuyển nổi nhất định mà những tính chất này được quyết định bởi độ dài, cấu trúc của hidrocabon, cấu tạo của nhóm chức và thành phần tỉ lệ của các cấu tử có mặt trong hệ thống chất tuyển nổi

Sự hấp phụ hoá học được xảy ra do sự hình thành có liên kết phối trí giữa chất tuyển nổi và thành phần cần tuyển nổi Mối liên kết phối trí này được tạo nên trong phần lớn các trường hợp có sự tác dụng của tác nhân chất tuyển nổi (trong thành phần

có chứa những nguyên tử có đôi điện tử tự do như N, S, O, P hoặc là các liên kết đôi) với thành phần cần tuyển nổi, mà nó chứa các cation có số lượng tử chính n ≥2

Sự bám dính của các phân tử tác nhân chất tuyển nổi có chứa các nguyên tử cho điện tử có thể xảy ra trên bất kỳ vị trí nào của bề mặt thành phần tuyển mà ở đó có chứa các orbital trống được hình thành trong quá trình đập vỡ hoặc nghiền quặng Ðiều kiện cần thiết để có sự tác dụng giữa thành phần tuyển và tác nhân chất tuyển nổi dạng ion (Y-) (ngoại trừ trường hợp xảy ra phản ứng dị thể) là sự thủy phân hoặc oxi hoá thành phần tuyểntạo nên liên kết phân cực trên lớp bề mặt Kết quả sự tách và đẩy hạt tích điện âm xảy ra dễ dàng Dạng liên kết phối trí này có tính đối xứng δ và π Như vậy, sự bám dính giữa các tác nhân chất tuyển nổi và bề mặt thành phần tuyển nổi xảy ra chặt chẽ hơn và chọn lọc hơn khi mối liên kết của chúng có những tính chất cơ bản (như: độ dài, năng lượng, số phối trí) gần với liên kết trong mạng tinh thể của thành phần tuyển nổi Hạn chế của quan điểm này là không xem xét về bản chất liên kết tác nhân - thành phần tuyển nổi Không có sự nhìn nhận nhất quán về sự tác dụng của tác nhân ion và non - ion

Trong quá trình hấp phụ phần lớn các chất tuyển nổi trong phân tử của nó có chứa O, N, P biểu hiện các tính chất theo những quy luật sau: tính axit của các chất tuyển nổi càng yếu thì nó càng bám chặt lên bề mặt hạt khoáng, phù hợp với quy luật của sự hình thành phức chất trong dung dịch

Khi có sự hình thành liên kết π hoặc có sự tác dụng tĩnh điện thì xảy ra quy luật ngược lại Giá trị hằng số phức của chất tuyển nổi với các cation kim loại có trong mạng tinh thể của các thành phần tuyển nổi cần tách càng lớn thì chất tuyển nổi càng

có tính chọn lọc cao Giá trị hằng số tạo phức K và tính hoạt hoá Khh đặc trưng cho sự bám dính của chất tuyển nổi ion liên hệ với nhau theo phương trình sau:

 Khh = S/K Trong đó:

- Khh: hằng số hoạt hóa

- S: nồng độ phân tử của các hợp chất ít tan

- K: hằng số tạo phức

Dựa vào đây người ta có thể đánh giá được ảnh hưởng về tính chất axit bazơ của chất tuyển nổi, kim loại và pH của dung dịch lên sự hấp phụ tối đa của chất tuyển nổi

Sự hấp phụ tối đa của chất tuyển nổi bị dịch chuyển vào vùng pH thấp hơn khi ta tăng tính axit của chất tuyển nổi và các cation trong mạng tinh thể

1.5 Cơ chế động học và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của quá trình tuyển nổi

 Cơ chế, động học của quá trình tuyển nổi

Sự lôi cuốn các hạt lơ lửng lên bề mặt các bọt khí phân tán nhỏ, các bọt khí kết dính với các hạt lơ lửng trong nước Khi lực nổi của tập hợp này đủ lớn sẽ cùng nhau nổi lên mặt nước

 Các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu suất quá trình tuyển nổi

• Tỷ lệ khí rắn: Tỷ lệ khí-rắn là tham số thiết kế chính cho một hệ thống tuyển nổi khí hòa tan Nó là thước đo tiêu chuẩn của trọng lượng không khí hòa tan trong nước trên trọnglượng chất rắn được loại bỏ khỏi nước Giá trị thông thường 0.015 – 0.05 ml/mg

• Keo tụ và tạo bông: Keo tụ là quá trình gây mất ổn định các hạt keo nhằm tăng

sự va chạm của các hạt để xuất hiện các hạt keo lớn hơn Chất keo tụ là một hóa chất được thêm vào để làm mất đi độ bền của các hạt keo và hỗ trợ sự hình thành bông cặn.Tạo bông là quá trình mang lại những va chạm giữa các hạt lơ lủng mất ổn địnhvà chất keo tạo thành các hạt lớn hơn có thể loại bỏ dễ dàng Keo tụ và tạo bông là cơ chế mà các hạt lơ lửng và vật liệu dạng keo được loại

bỏ khỏi nước trong quá trình tuyển nổi Tối ưu hóa keo tụ-tạo bông là cần thiết cho hiệu suất tối ưu của hệ thống tuyển nổi Định lượng loại và lượng hóa chất, cường độ khuấy trộn, thời gian lưu trong vùng trộn, vùng tạo bông và kích thước bông cặn là thông số đóng vai trò quan trọng trong việc thực hiện của hệ thống tuyển nổi

• Tỷ số tuần hoàn: Tỷ số tuần hoàn là phần cuối cùng của nước thải được trả về

và bão hòa với không khí chịu áp lực trước khi vào bể tuyển nổi nơi áp suất giảm đột ngột gây ra sự xuất hiện của các bọt khí nhỏ Phạm vi tỷ số tuần hoàn

là từ 8% đến 150% dựa trênchất lượng nước thô được xử lý

Theo định luật Henry: ở nhiệt độ không đổi, tỷ lệ không khí hòa tan trong chất lỏng tỷ lệ thuận với áp suất riêng phần của các khí tiếp xúc với chất lỏng

Do đó, cao hơn áp suất vận hành của máy bơm DAF hoặc bình không khí/ độ bão hòa nước, tăng khả năng hòa tan không khí, do đó hạ thấp yêu cầu tỷ số tuần hoàn

• Tốc độ tải trọng thủy lực: Tốc độ tải trọng thủy lực là một phép đo khối lượng của nước thải được áp dụng hiệu quả trên một đơn vị diện tích bề mặt trên một đơn vị thời gian Kết quả là con số quá trình thiết kế thể hiện như vận tốc dâng lên tương đương với các đơn vịm/giờ Tốc độ tải trọng thủy lực tùy thuộc các yếu tố khác nhau, tuy nhiên nó dao động từ 4 đến 12 m/giờ Tốc độ tải trọng thủy lực tối đa phải nhỏ hơn tốc độ tăng tốit hiểu của các hạt rắn-khí để đảm bảo rằng tất cả các hạt sẽ nổi lên mặt nước trước khi đi đến chỗ tháo nước cuối cùng của bể Tốc độ tải trọng thủy lực được kiểm tra dựa trên tốc độ dòng chảy đến và tổng số tốc độ dòng chảy (dòng chảy đến+ tuần hoàn)

• Tỷ lệ tải trọng chất rắn:Tỷ lệ tải trọng chất rắn là tốc độ của tổng các chất rắn

và dầu mỡ trong dòng chảy ảnh hưởng đến diện tích bề mặt trong bể tuyển nổi Đơn vị là khối lượng trên một đơn vị diện tích trên một đơn vị thời gian.Tỷ lệ tải trọng chất rắn thiết kế trung bình khoảng từ 4 kg/m2.h lên đến 18 kg/m2h với hóa chất Nhìn chung, tăng tỷ lệ tải trọng chất rắn sẽ làm giảm nồng độ nổi

• Nhiệt độ: Ảnh hưởng đến tính ổn định bọt của chất hoạt động bề mặt Nhiệt độ tăng làm đường kính bọt tăng và làm thay đổi độ hòa tan của chất hoạt động bề mặt Để đạt hiệu suất cao trong quá trình tuyển nổi, nhiệt độ bị giới hạn dưới

40oC

II CÁC PHƯƠNG PHÁP TUYỂN NỔI

2.1 Tuyển nổi với sự tách không khí từ dung dịch

Phương pháp này sử dụng rộng rãi với chất bẩn chứa chất thải có kích thước nhỏ

vì nó cho phép tạo bọt khí rất nhỏ Thực chất của phương pháp này là tạo ra dung dịch quá bão hòa không khí, khi giảm áp suất các bọt không khí sẽ tách ra khỏi dung dịch ở dạng các bọt khí cực nhỏ Khi các bọt khí này nổi lên bề mặt sẽ kéo theo các chất bẩn Tùy thuộc vào biện pháp tạo ra dung dịch quá bão hòa người ta chia ra các loại tuyển nổi sau:

- Tuyển nổi chân không: Trong tuyển nổi chân không, nước thải được bão hòa không khí ở áp suất khí quyển trong buồng thông khí, sau đó cho vào buồng tuyển nổi trong

đó áp suất giữ ở khoảng 225-300 mmHg bằng bơm chân không Trong buồng tuyển

nổi, các bong bóng khí rất nhỏ thoát ra làm nổi một phần chất bẩn Quá trình tuyển nổi kéo dài khoảng 20 phút

Ưu điểm: sự tạo bọt khí và sự dính kết với các hạt bẩn diễn ra trong môi trường yên

tĩnh, ít tiêu hao năng lượng

Nhược điểm: độ bão hòa của nước không lớn, vì vậy không áp dụng được khi hàm

lượng chất lơ lửng cao hơn 300mg/l, cần phải chế tạo thiết bị tuyển nổi kín và bố trí cào cơ khí trong đó, không áp dụng cho nhiệt độ nước thải cao, vì độ hòa tan của không khí sẽ giảm khi nhiệt độ cao

- Tuyển nổi bơm dâng: Thiết bị bơm dâng được sử dụng để xử lý nước thải trong công nghiệp hóa học Phương pháp này có kết cấu đơn giản, năng lượng sử dụng ít hơn 2- 4 lần tuyển nổi áp lực nhưng buồng tuyển nổi phải được bố trí cao

- Tuyển nổi áp lực (tuyển nổi khí hòa tan): Phổ biến nhất, làm sạch nước với nồng độ chất lơ lửng cao (4-5 g/l), có thể tạo ra bọt khí mịn và đều, hiệu quả khử cặn lơ lửng cao (80- 85%) Tuy nhiên, phương pháp này bị giới hạn bởi nhiệt độ (< 40oC), nước,

áp suất làm thoáng và trình độ công nhân vận hành Tuyển nổi không khí hòa tan được

sử dụng rất rộng rãi trong việc xử lý nước thải công nghiệp từ các nhà máy lọc dầu, hóa dầu và hóa chất, nhà máy xử lý khí tự nhiên, nhà máy giấy, xử lý nước nói chung

và các cơ sở công nghiệp tương tự Một quá trình tương tự được gọi là tuyển nổi khí

cũng được sử dụng để xử lý nước thải Quá trình tuyển nổi bọt được sử dụng phổ biến trong quá trình chế biến quặng khoáng sản

Ưu điểm:

- Hiệu quả loại bỏ TSS và dầu mỡ cao 85-95%

- Giảm thời gian xử lý nước và diện tích so với các công trình khác

- Các hạt cặn hữu cơ khó lắng khi kết hợp với hóa chất đem lại hiệu suất tuyển nổi cao

- Bùn cặn thu được có độ ẩm thấp, có thể tái sử dụng

Nhược điểm:

- Chi phí đầu tư, bảo dưỡng thiết bị cao

- Đòi hỏi nhân viên vận hành phải có kỹ thuật cao do quá trình khiểm soát áp suất khó khăn

2.2 Tuyển nổi với sự phân tán không khí bằng cơ khí

Sự phân tán khí trong máy tuyển nổi kiểu này được thực hiện nhờ bơm tuabin cánh quạt, khi cánh quạt quay trong chất lỏng xuất hiện các dòng xoáy nhỏ và tạo ra

các bọt khí Bọt khí càng nhỏ thì quá trình càng hiệu quả Được sử dụng để xử lí nước

có nồng độ các hạt keo tụ cao (lớn hơn 2 g/l)

Ở thiết bị này thì mức độ phân tán khí quyết định hiệu suất tuyển nổi: khi mức độ phân tán khí cao thì bọt khí càng nhỏ Tuy nhiên, nếu vận tốc quay cao sẽ làm tăng đột ngột dòng chảy rối và làm phá vỡ tổ hợp hạt- khí dẫn đến giảm hiệu quả Để đạt hiệu quả thì độ bão hòa không khí của nước phải cao (10-50% thể tích)

Thông thường máy tuyển nổi gồm một số buồng mắc nối tiếp Đường kính cánh quạt 600-700mm.Thiết bị khí động được sử dụng khi xử lý nước thải chứa tạp chất hòa tan, có tính ăn mòn Sự phân tán bọt khí đạt được nhờ vòi phun gắn trên ống phân phối khí Vòi này thường có đường kính lỗ 1-1.2mm, áp suất làm việc 0.3- 0.5MPa Vận tốc tia khí ở đầu ra của vòi phun là 100-200 m/s Thời gian tuyển nổi khoảng 15-20 phút Hiện nay người ta dùng các máy tuyển nổi cơ khí được sản xuất đại trà trong tuyển nổi quặng để xử lý nước thải Như vậy thiết kế của các cánh khuấy và thông số hoạt động không tối ưu khi xử lý nước thải Để tuyển nổi nước thải cần đề xuất một thiết kế tuyển nổi mới có xét đến những tính đặc hiệu của quá trình: chất ô nhiễm bị phân tán, năng suất tạo bọt thấp (1-5%)và cần loại bỏ hoàn toàn các thành phần nhiễm bẩn Do khó tạo được bọt khí phân tán tốt trong lòng chất lỏng nên không xử lý triệt để các loại chất thải