CHƯƠNG 6 LÀM THOÁNG - ĐUỔI KHÍ ppt

Trong quá trình làm thoáng nước ngầm, nước được bão hoà ôxi, các khí khác CO2 sẽ thoát ra, khi đó ôxi sẽ thực hiện các quá trình ôxi hoá, ví dụ ôxi hoá FeII hoặc MnII.. Làm thoáng cũng đ

CHƯƠNG 6 LÀM THOÁNG - ĐUỔI KHÍ

Làm thoáng để đuổi các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (volatile organic compounds = VOCs) trong trường hợp nước bị ô nhiễm, bổ sung/bão hoà ôxi vào nước Trong quá trình làm thoáng nước ngầm, nước được bão hoà ôxi, các khí khác (CO2) sẽ thoát ra, khi đó ôxi sẽ thực hiện các quá trình ôxi hoá,

ví dụ ôxi hoá Fe(II) hoặc Mn(II) Làm thoáng cũng để đưa ôxi vào nước trong các quá trình ôxi hoá vi sinh, đuổi khí amôniac hoà tan

Độ tan của mỗi chất khí trong nước tuân theo định luật Henry, ở nhiệt độ là

Ngoài ra, áp suất riêng phần tuân theo định luật Dalton theo đó áp suất tổng

(Pt) của hỗn hợp khí bằng tổng các áp suất riêng phần của mỗi khí trong hỗn hợp khí đó (Pi):

P =n(RT/V) Pt= (RT/V)(n1 + n2 + + ni) P1 = n1 / (n1 + n2 + + ni) (6.16)Kết hợp định luật Henry và Dalton, ta có:

Trong đó Yi = phần mol của khí i trong hỗn hợp khí (không khí)

xi = phần mol của khí i ở pha dung dịch (nước)

Hi = hằng số Henry của khí i

Pt = áp suất tổng, atm Như vậy, hằng số Henry càng lớn, Pt càng nhỏ nghĩa là khí hoà tan càng dễ được kéo ra khỏi dung dịch Khi tăng nhiệt độ, nói chung áp suất riêng phần

của một chất khí sẽ tăng Mối quan hệ hằng số Henry và nhiệt độ được thể hiện qua phương trình (J.M Montgomery Consulting Engineering, 1985; Am Soc of Civil Engineers & AWWA, 1990):

J RT

Bảng 6.1 Hằng số Henry, ∆H và hệ số hiệu chỉnh nhiệt độ J

Khí Hằng số Henry ở 20 o C, atm ∆H, 103 cal/mol J

1,29 x 10 3

585 54 170 515 3,8 x 10 4

8,6 x 10 4

4,3 x 10 4

5,0 x 10 3

38 550 1,21x10 3

3,75 3,68 - 2,07 4,05 1,74 2,93 4,00 1,85 1,54 1,12 1,45 2,52 2,40 3,41 -

6,31 8,68 - 6,73 10,06 5,75 6,76 9,10 5,88 7,22 6,85 7,11 8,05 5,68 8,59 -

bồn chứa nước kín Hãy tính nồng độ cân bằng của cloroform trong nước ở áp suất khí quyển, coi dung dịch và hỗn hợp khí là lí tưởng Các giá trị H, ∆H, và

Áp suất riêng phần của CHCl3, p, bằng

Số mol trong 1 L nước = 1000/18 mol/L = 55,6 mol/L

Vậy: x = n / (n + n w)

n w = số mol của nước

10.41,16,55

Chú ý: Đây là con số rất lớn Trong thực tế, nước sau xử lý thường tiếp xúc

với không khí Khi đó nồng độ hay áp suất riêng phần của cloroform trong không khí là không đáng kể Vậy, nồng độ cloroform trong nước gần zero hoặc rất thấp

VÍ DỤ 2: Nước sau xử lý có nồng độ ôxi hòa tan bằng 6,0mg/L Giả thiết đây

là nồng độ cân bằng Hãy tính nồng độ ôxi ở bề mặt tiếp xúc ở 17oC

Lời giải:

Bước 1 Tính hằng số Henry ở 17oC (290 K)

Từ bảng 6.1 và Pt (6.18)

J RT

kmole kcal

kmole kcal

= 0,174 g/L

= 174 mg/L

6.1 Phương trình chuyển pha khí/lỏng

Có ba mô hình chuyển pha khí/lỏng Đó là: mô hình hai lớp màng, mô hình

xuyên thấm, và mô hình tái tạo bề mặt Dưới đây là mô hình hai lớp màng,

các mô hình còn lại xem ở (Schroeder, 1977)

H 6.1 Sơ đồ mô hình hai lớp cho trường hợp (a) hấp thụ khí vào lỏng; (b) đuổi khí

Mô hình hai lớp màng là mô hình cổ điển nhất và đơn giản Các khái niệm chính trong mô hình được trình bày trên H 6.1 Dòng được định nghĩa là khối

lượng chất được chuyển qua một bề mặt nào đó (vuông góc với dòng) trong 1 đơn vị thời gian Dòng sẽ phụ thuộc vào động lực gây ra nó Động lực gây ra quá trình chuyển khối này chính là sự chênh lệch nồng độ khí trên bề mặt phân cách hai pha khí/lỏng và trong thể tích chất lỏng hoặc khí Dòng khí vận chuyển qua màng khí tương tự như qua màng lỏng Với mỗi màng ta có

phương trình tính dòng F:

( g i) l( i l)

k Adt

dW

Trong đó F = dòng

W = khối lượng khí được vận chuyển qua

A = thiết diện mà dòng khí qua, vuông góc với dòng khí

t = thời gian

kg = hệ số chuyển khối của khí trong màng khí

Pg = áp suất khí (nồng độ) trong pha khí

Pi = áp suất (nồng độ) khí trên bề mặt phân pha

kl = hệ số chuyển khối của khí trong màng lỏng

Ci = nồng độ khí trên bề mặt phân pha ở cân bằng

Cl = nồng độ khí trong pha lỏng

Do Pi và Ci không đo được ta cần sử dụng khái niệm các hệ số chuyển khối thể tích trong đó các hệ số chuyển khối nói trên được quy về bề mặt phân

cách pha tính cho 1 đơn vị thể tích của hệ khảo sát

Gọi P* và C* là áp suất và nồng độ khí ở cân bằng khi áp suất và nồng độ

trong pha khí và pha lỏng là Pg và Cl tương ứng, ta có:

F = KG (Pg − P*) = KL (C* − Cl) (6.20)Đối chiếu: k g(P g P i) k l(C i C l)

Adt

dW

Quan hệ nồng độ của khí trong pha khí và lỏng được mô tả trên H 6.2

H 6.2 Quan hệ nồng độ khí trong pha khí và pha lỏng (s1 và s 2 là độ dốc)

Trên cơ sở H.6.2 và Pt (6.19), ta dẫn được:

l g

F s k

F K

s k K

1

1 1

+

=

Tương tự, ta có:

l g

K

1 1 1

2 +

=

Trong điều kiện dung dịch loãng có thể áp dụng định luật Henry (pi ~ Ci), khi

đó đồ thị (H 6.2) có dạng đường thẳng với độ dốc là hằng số Henry:

s1 = s2 = H

Khi đó hệ số chuyển khối qua màng khí được xác định từ:

l l

H k

Còn hệ số chuyển khối qua màng lỏng

g l

K

1 1 1

+

Trong đó 1/kl và 1/kg được coi là trở lực màng lỏng và màng khí tương ứng

Đối với quá trình chuyển khối của oxi thường gặp trong xử lý nước, trở lực

qua màng lỏng 1/kl lớn hơn nhiều so với 1/kg, vì vậy quá trình chuyển khối qua màng lỏng quyết định toàn bộ quá trình chuyển khối Khi đó dòng F sẽ được tính bằng (C = mg/L):

( s t)

L C C K

A

V dt

dC

tốc độ chuyển khối:

( s t)

L C C K

V

A dt

trong đó KL = hệ số chuyển khối chung, cm/h

A = bề mặt chuyển khối (phân pha), cm2

V = thể tích chứa bề mặt A, cm3

Ct = nồng độ khí trong thể tích ở thời điểm t, mg/L C* = nồng độ khí cân bằng ở thời điểm t khi Pt = HCs, mg/L

a = bề mặt riêng, tính cho một đơn vị thể tích = A/V, cm− 1

KLa = hệ số chuyển khối pha lỏng chung, g mol/(h.cm3.atm)

Tốc độ chuyển khối thể tích M bằng:

M = (1 / V) N = KLa (C* − C) (6.24)

Trong đó N = tốc độ vận chuyển khí giữa hai pha, g mol/h

thực hiện với nước sạch ở 20oC Tốc độ chuyển khối của ôxi = 18,7kg/h Xác định hệ số chuyển khối thể tích trong nước

Lời giải:

Bước 1 Xác định độ tan của ôxi ở 20oC và 1atm:

Biết 1 atm = 10,345m cột nước, vậy:

p b = 1 atm + 4m*(1atm / 10,345m) = (1 + 0,386)atm

khỏi nước, giả thiết là nồng độ ôxi trong bọt khí còn là 19% Vậy:

K L

−

L mol m

L m

h mol

/10

925,2/

1000200

/584

4 3

ở đây dC/dt = tốc độ thay đổi nồng độ khí trong dung dịch, mg/(L.s)

KLa = hệ số chuyển khối tổng, s−1

Cs = nồng độ khí bão hòa trong dung dịch, mg/L

C = nồng độ khí trong dung dịch, mg/L

Giá trị Cs được tính từ định luật Henry Biểu thức Cs − C chính là gradient

nồng độ Tách biến số ở Pt (6.23d) và lấy tích phân từ 0 đến t, khi đó nồng độ

C s

dt a K C C

C C

L o s

t

s e L

C C

(6.24c)Tương tự, có thể lấy tích phân pt.(6.25) và thu được:

aRTt K p p

p p

Giá trị KLa thường được xác định trên các hệ đang làm việc hoặc pilot Nhiệt

độ và chất tan sẽ ảnh hưởng đến đại lượng này Với nhiệt độ có thể áp dụng dạng phương trình như đối với BOD, ta có:

trong đó KLaT = hệ số chuyển khối tổng ở T o C, s− 1

KLa(20) = hệ số chuyển khối tổng ở 20 o C, s− 1

Giá trị θ nằm trong khoảng 1,015−1.040, thường lấy 1,024.

Để tính đến ảnh hưởng của chất tan trong nước thải thường dùng hệ số hiệu chỉnh α (Tchobanoglous & Schroeder, 1985):

α = KLa (nước thải) / KLa (nước sạch) (6.27)Giá trị α nằm trong khoảng 0,3−1,2 Các giá trị của α khi sử dụng hệ phân tán

khí bọt nhỏ và máy phân tán khí cơ khí nằm trong khoảng 0,4−0,8 và 0,6−1,2

ở đây AOTR = tốc độ chuyển khối ôxi thực (actual oxygen transfer rate) ở

điều kiện thực của một hệ sục khí, đơn vị (kgO2/kWh)

SOTR = tốc độ chuyển khối ôxi tiêu chuẩn (standard oxygen transfer

rate) ở điều kiện thử nghiệm ở 20oC và nồng độ ôxi hòa tan ban đầu bằng zero, kgO2/kWh

α, β,θ = ý nghĩa ở trên

Cs = nồng độ ôxi bão hòa trong nước sạch ở điều kiện thực, g/m3

Cw = nồng độ ôxi trong nước thải ở điều kiện làm việc, g/m3

Cs20 = nồng độ ôxi bão hòa trong nước sạch ở 20oC, g/m3

VÍ DỤ 2: Thí nghiệm bão hòa không khí vào nước sạch và nước thải được

tiến hành ở 16oC trong cùng một bồn Các kết quả thí nghiệm được ghi trong

sạch Hãy xác định K L a cho nước sạch và nước thải và giá trị α ở 20oC Lấy θ

= 1,024.

Thời gian tiếp

s t s

0,0 2,1 3,5 4,7 5,6 6,4 7,1

0 0,36 0,65 1,05 1,32 1,69 2,01

0 0,24 0,44 0,65 0,84 1,05 1,28

Lời giải:

C s = 9,82mg/L Bước 2 Tính –ln(Cs – C t) / (Cs – C 0) với C0 = 0

Ghi các giá trị của –ln(Cs – C t) / (Cs – C 0) tính được trên bảng.

Bước 3 Vẽ đồ thị như Hình 6.3

Hình 6.3 Diễn biến giá trị tính theo thời gian

Bước 4 Tính KL a ở 16oC cho nước sạch:

K L a (T) = K L a (20)θT-20

hoặc K L a (20) = K L a (T)θT-20

= 1,00h-1*(1,024) 20-16

= 1,10h−1Cho nước thải:

6.2 Phân tán khí vào nước để đuổi khí khỏi nước

Đây là trường hợp phân tán khí dưới dạng bọt nhỏ đều khắp thể tích chất lỏng Ta thường sử dụng phân tán khí trong các quá trình xử lý như ozon hoá, hấp thụ, bùn hoạt tính, đuổi THM, tái làm thoáng nước sông hay hồ Để đuổi VOC ra khỏi nước thì phân tán khí có chi phí cao hơn sử dụng cột tiếp xúc thổi khí

Mô hình hai lớp đã nêu cũng được áp dụng để mô tả trường hợp này Mô hình

này được Mattee-Müller et al (1981) đề xuất để mô tả quá trình chuyển khối

khi các bóng khí chuyển động từ dưới lên trong bồn khuấy trộn hoàn toàn Tốc độ chuyển khối ở đây bằng:

L e

u

aV K C

H Q

Trong đó F = tốc độ chuyển khối

QG = lưu lượng khí (không khí), m3/s hoặc ft3/s

QL = lưu lượng lỏng (nước), m3/s hoặc ft3/s

Hu = hằng số Henry không thứ nguyên

Ce = nồng độ khí đầu ra

KLa = hệ số chuyển khối chung, t-1

V = thể tích phản ứng (nước), m3 hoặc ft3

Chấp nhận là chất lỏng được khuấy trộn hoàn toàn và bóng khí chuyển động nổi lên kiểu như trạng thái ống dòng ổn định (steady state plug flow), khi đó phương trình cân bằng chất được viết như sau:

L G u i

e

Q H aV K Q

Q H C

C

/ exp

1 / 1

1

−

− +

hoặc =1 + / [1 − exp( )− θ ]

1

L G u i

e

Q Q H C

C

(6-31b)

trong đó

G u

L Q H

aV K

= θ

Nếu θ >> 1, đây là trường hợp chuyển khối của các hợp chất có hằng số Henry rất nhỏ kiểu như amoniac Các bóng khí thoát khỏi bề mặt chất lỏng sẽ bão hoà amoniac trong quá trình thổi khí Để tăng hiệu quả đuổi amoniac ta cần tăng lượng khí thổi qua tháp đuổi khí

Tới θ < 4, số hạng exponent tiến tới 0 Khi exponent = 0, hỗn hợp khí nước sẽ đạt trạng thái cân bằng mà ở đó động lực của quá trình giảm tới không trong một điểm nào đó trong bồn phản ứng Như vậy thể tích phản ứng đã không được sử dụng hoàn toàn Khi đó phải tăng tỷ lệ khí:nước để tăng hiệu quả đuổi khí

Trường hợp ngược lại, khi θ << 1, hiệu quả chuyển khối có thể tăng bằng cách tăng khuấy trộn, tăng diện tích phân pha, ví dụ như tăng khuấy trộn hoặc

sử dụng hệ phân tán khí tinh Trong phản ứng ôxi hoá bằng ôxi (oxygenation), nếu θ < 0,1 thì cần các giải pháp tăng cường

thoáng bằng cách sử dụng hệ phân tán khí để đuổi tricloetylen với hiệu suất thiết kế là 90% Thời gian lưu nước trong bồn phân tán khí là 30 min Hãy tính các thông số và đánh giá hệ phân tán khí này với các dữ liệu sau:

T = 20oC

Ci = 131 µg/L (Ce = 13,1 µg/L)

Hu = 0,412

KLa = 44h− l

L Q H

aV K

1

L G u i

e

Q Q H C

C

→ =1 + u G / L[1 − exp( )− θ ]

i e

Q Q H

C C

=1 0 , 412 30[1 exp( 3 , 56) ]

/ 131

−

−

× +

L g

là vật liệu dễ chế tạo với các hình dạng khác nhau, bền, nhẹ và rẻ nhất Vật liệu tiếp xúc có thể được sử dụng dưới dạng đổ đống hoặc dưới dạng các khối vật liệu tiền chế

Hình 6.4 mô tả một tháp đuổi khí với nước nhiễm bẩn xối từ trên xuống với

cường độ L chứa nồng độ khí Cl cần xử lý Không khí được quạt thổi từ dưới lên Cường độ không khí là G sẽ đi qua lớp vật liệu với nồng độ đầu vào là p1

và đầu ra là p2 Ở đây sẽ có nhiều kiểu khuấy, mỗi kiểu sẽ có một tốc độ chuyển khối tương ứng Hệ tiếp xúc có chiều cao z và cần một tốc độ khí nào

đó để giảm nồng độ khí từ C1 đến C2 Nếu trong hệ không có phản ứng hoá

học tiêu thụ khí thì lượng khí tạp mà nước bị mất = lượng lượng khí đó chuyển vào pha không khí

Nếu nồng độ khí rất loãng, ta có cân bằng:

trong đó L = cường độ chất lỏng, m/s, m3/(m2 s), hoặc mol/(m2s)

G = cường độ không khí, đơn vị như trên

∆C = thay đổi nồng độ khí trong chất lỏng (nước)

∆p = thay đổi nồng độ khí (phần mol) trong pha khí

Áp dụng Pt (6.23d) cho quá trình đuổi khí (với C và Cs cho trước):

ở đây dz là vi phân chiều cao cột sục khí (H.6.4).

Số hạng (C – Cs) là động lực của quá trình (driving force = DF), nó sẽ thay đổi khi chiều cao z đổi vì C thay đổi dọc cột Lấy tích phân (6.34) thu được:

dC a

K

L dz

e i aDF K

C C L

(6-36)

i e lm

DF DF

DF DF DF

/ ln

DFlm = log trung bình của DFi và DFe

VÍ DỤ 1: Tiến hành đuổi TCE trong nước bằng tháp đuổi khí ở các điều kiện

sau:

C i = 131 µg/L tricloetylen trong nước đầu vào

Hãy tính chiều cao z của tháp thổi khí để xử lý được 90% tricloetylen.

Lời giải:

Cho nồng độ CCHCl3 trong không khí đầu vào = 0, ta có:

(2) Chuyển đơn vị pe thành mol khí/mol không khí

Đặt V = thể tích không khí ứng với 1 mol không khí

V = nRT = (1 mol)(0,08206 L atm/mol K) x (293 K) / 1atm

(3) Tính động lực, DF, đối với khí vào và ra:

Với khí vào (đáy tháp):

p i = 0

C e = 13,1 µg/L = 0,0131 mg/L

C = 0

DF DF

DF DF DF

/ ln

−

= ln(0 , 1215 / 0 , 0131)

0131 , 0 1215 ,

e i aDF K

C C L

L mg h

L mg h

m

/ 0487 , 0 44

/ 0131 , 0 131 , 0 / 80

Thiết kế tháp thổi - đuổi khí có nhồi vật liệu tiếp xúc

Để thiết kế tháp loại này ta cần hai khái niệm: chiều cao cột nhồi, z, cần có để

đạt hiệu suất xử lý cho trước là tích của chiều cao một đơn vị chuyển khối

(height of a transfer unit = HTU) và số đơn vị chuyển khối (number of

transfer unit = NTU) (Treybal, 1968):

HTU phụ thuộc vào loại (cấu hình) vật liệu nhồi cột NTU là thước đo động

lực chuyển khối và được đo bằng hiệu giữa nồng độ thực và nồng độ cân bằng Chiều cao của đơn vị chuyển khối là phần cố định trong Pt (6.35):

L

Như vậy, NTU chính là phần tích phân trong Pt.(6.35) Với dung dịch loãng

sẽ áp dụng định luật Henry Thay tích phân tính NTU với p1 = 0, khi đó:

R

R C C R

ln 1

= hệ số thổi khí (stripping factor), không đơn vị nếu Hu không thứ

nguyên

C1, C2 = nồng độ phân số mol của khí ở đầu vào và đầu ra

Chuyển đổi đơn vị hằng số Henry từ atm thành không thứ nguyên:

kkhi L atm T

kkhi mol nuoc

mol khi mol

kkhi mol khi mol atm

H

6 , 55

_ 1 _

*

* 082 , 0

_ 1 _

/ _

_ / _

(6.42)

= H / 4,56 T

Khi T = 20oC = 293 K

Hu = H / 4,56*293 = 7,49.10−4 H (6-42a)

G = tải bề mặt của dòng không khí tính theo mol (kmol/s m2)

L = tải bề mặt của dòng nước tính theo mol (kmol/s m2)

Hình 6.5 Số đơn vị chuyển khối (NTU) của cột hấp thụ hoặc thổi đuổi khí với hệ số hấp thụ hoặc đuổi khí và hiệu suất xử lý không đổi (D.A Cornwell, Air Stripping and aeration In: AWWA,

Water Quality and Treatment Copyright 1990, McGraw-Hill, New York, reprinted with permission of McGraw-Hill}.

NTU phụ thuộc vào hiệu suất xử lý thiết kế, tỷ lệ khí:nước, và hằng số Henry Treybal (1968) đã dựng đồ thị biểu diễn phần tích phân (NTU) của Pt.(6.35)

trên H.6.5 Khi biết hiệu suất xử lý cần đạt, hệ số thổi khí, và hằng số Henry,

giá trị NTU của cột nhồi có thể được xác định cho hệ số thổi khí (tỷ lệ

khí:nước) cho trước Trên H.6.5 có thể thấy khi hệ số thổi khí lớn hơn 3, NTU không giảm được nhiều

VÍ DỤ 2: Sử dụng H.6.5 để giải Ví dụ 1 với các điều kiện sau:

L = 80 m3 nước/(m2 mặt cắt cột nhồi ở chiều cao h)

L

G H

Hiện nay trên thị trường có một số đầu phun chế sẵn Đầu phun và các máng tràn là một kiểu tiếp xúc khí nước Chúng có thể được sử dụng để xử lý sắt, mangan, đuổi CO2, H2S ra khỏi nước, đuổi những tác nhân gây mùi vị trong

nước cấp Có thể tìm các giá trị của KL và a từ tài liệu giới thiệu sản phẩm của

các nhà sản xuất

Khi phun nước, diện tích tiếp xúc riêng của một thể tích nước a theo

(Calderbrook & Moo-Young, 1961) bằng:

trong đó d là đường kính giọt nước nằm trong khoảng 2 đến 10,000 µm

Trong không khí Cs là hằng số vì tỷ lệ khí : nuớc là hằng số và ta có thể dùng phương trình Lewis & Whitman để tính chuyển khối cho đầu phun (Fair et al., 1968; Cornwell, 1990):

Ce − Ci = (Cs − Ci) [1 − exp(−KLat] (6.44)trong đó t = thời gian tiếp xúc của giọt nước với không khí

= hai lần thời gian bay lên (twice the rise time), tr

trong đó φ = góc giữa mặt đất và tia nước

V = tốc độ của giọt nước từ đầu phun