BÁO cáo kết QUẢ THÍ NGHIỆM kỹ THUẬT xử lý nước cấp bài 1 KHỬ sắt TRONG nước NGẦM

Trong nước ngầm, sắt II bicacbonat là muối không bền vững, thưꢂng phân lytheo dạng sau:Tốc độ phản ứng được biểu diễn theo phưong trình phương trình của Just Trong đó: V: vꢁn tốc oxi hoá

KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN

KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN

hꢃi bài thí nghiệm 1

BÀI 1: KHỬ SẮT TRONG NƯỚC NGẦM 6

Nội dung thí nghiệm _10

6 Trả lꢂi câu hꢃi 16

BÀI 2: TRAO ĐỔI ION _27

Nguyên lý _271

4 Chuẩn bị _28

4

4

.1 Mô hình thí nghiệm _28 2 Tính toán mẫu nước ban đầu _29

4

5

Quy trình thí nghiệm _444

4

4

.1 Các quy trình _44.2 Tiến hành thí nghiệm _47.3 Kết quả thí nghiệm _48

Nhꢁn xét _52

1 Nguyên lý hoạt động của hệ thống lọc nước RO _54

1

1

.1 Cơ sở lý thuyết 54 2 Nguyên lý hoạt động 55

Trong nước ngầm, sắt (II) bicacbonat là muối không bền vững, thưꢂng phân lytheo dạng sau:

Tốc độ phản ứng được biểu diễn theo phưong trình (phương trình của Just)

Trong đó: V: vꢁn tốc oxi hoá

Fe2+]; [H+]; [O2]: nồng độ của các ion Fe, H và oxi

[K: hằng số tốc độ phản ứng, phụ thuộc vào nhiệt độ và chất xúc tácKhi tất cả ion Fe2+ hoà tan trong nước đã chuyển hóa thành bông cặn Fe(OH)3,việc loại bꢃ các bông cặn ra khꢃi nước được thực hiện ở bể lọc chủ yếu theo cơ chếgiữ cặn cơ học

3

4 Fe(HCO ) + O + 2 H O + 4 Ca(OH) → Fe(OH)  + 4 Ca(HCO )

Fe(HCO ) + Ca(OH) → FeCO + CaCO + 2H O3 2 2 3 3 2

Sắt được khử dưới dạng FeCO3 chứ không phải hydroxit sắt

- Tꢀnh toán lượng phèn sắt 10 g/L cho vào giếng (V = 72 L) để đạt nồng

độ phèn sắt là 5 mg/L trong giếng

푥 10−3 × 725

= 0,36 L = 36 mL10

- Tꢀnh toán lượng clorine 70% cần dùng để khử hết lượng phèn sắt cónồng độ A = 30 mg/L có trong giếng Biết 1 mg Fe bi

Dd đệm NH C H -O

2

3 2 3

PhenanthrolineClorine 70% (bột)

5 Nội dung thí nghiệm

.1 Quy trình chạy mẫu của 2 phương pháp.

5

Thí nghiệm 1: Xác định giá trị pH tối ưu, thꢂi gian tối ưu

Nước cấp trong bể chứa nước thô có hàm lượng sắt khoảng 5ppm, ở các giá trị

Thí nghiệm 2: Xác định khả năng khử sắt bằng phương pháp làm thoáng

Nước cấp có hàm lượng sắt khoảng 30ppm, ở các giá trị pH = 7

Nước cấp được bơm lên giàn mưa và sục khí làm thoáng

Thꢂi gian phản ứng 15 phút để quá trình chuyển hóa Fe2+ thành Fe3+ xảy ra Tiếptục bơm nước qua cột lọc Xác định hàm lượng sắt tổng trong mẫu nước cấp đã xửlý

Nước cấp có hàm lượng sắt khoảng 30ppm, ở giá trị pH = 7.

Cho dung dịch Clorine 5% vào ở liều lượng cần thiết để chuyển hóa hoàn toàn

Fe2+ thành Fe3+ Thꢂi gian phản ứng 15 phút để quá trình chuyển hóa Fe2+ thành Fe3+

xảy ra Tiếp tục bơm nước qua cột lọc Xác định hàm lượng sắt trong mẫu nước cấp

Tꢀnh toán lượng clorine 70% cần dùng để khử hết lượng phèn sắt có nồng độ

A = 5 mg/L có trong giếng Biết 1 mg Fe bi khử bởi 0,64 mg Clorine 5%

-Xác định khả năng khử sắt bằng phương pháp làm thoáng

.4 Phương pháp dùng hóa chất (dùng Clorine 70%)

Vꢁn hành mô hình:

5

Xác định khả năng khử sắt bằng phương pháp dùng hóa chất

.5 Rửa ngược cột lọc 5

5.6 Số liệu và kết quả tính toán

Xác định pH tối ưu và thꢂi gian tối ưu

Mẫu 15 phút

80

,009.941

Hiệu suất TN3: x 100 (%)

độ xử lý của Cl xảy ra nhanh hơn và lớn hơn tốc độ oxi hoá của O nên hiệu quả khử2 2

sắt của phương pháp dùng hoá chất cáo hơn so với phương pháp làm thoáng

6 Trả lời câu hỏi

6.1 Nêu các nguyên nhân tạo ra sắt trong nước ngầm

Cây nước mặn: chứa nhiều sulfat, trong quá trình phân hủy yếm khí sulfat bị

chuyển thành hydrosulfua - HS Sản phẩm này khử oxít sắt (có rất nhiều phù sa bồitụ) tạo thành sunfua sắt (FeS) Sau đó FeS chuyển hóa dần thành khoáng FeS2, pyritedần dần bồi tụ lại thành tầng dày

Sự h ꢁ nh thành H SO do oxy hóa pyrite: nguyên nhân trực tiếp làm đất và 2 4

nước nhiễm phèn Có nhiều nguyên nhân khác nhau làm cho oxy không khí xâm

nhꢁp sâu vào đất như: mực nước biển hạ thấp xuống, oxy hòa tan vào nước mưarồi thấm vào đất, cây cối bề mặt chuyển từ phía trên thân lá xuống rễ và vào đất,con ngưꢂi khai phá đất…Đây là cơ hội để vi sinh vꢁt (Thiobacillusferrooxydants ) trong đất oxy hóa pyrite làm nguồn năng lượng cho chúng hoạtđộng

Đây là nguyên nhân hình thành ion Fe2+ trong nước phèn Quá trình oxy hóa

và phân hủy pyrite làm đất phèn hoạt động tích tụ H+ , SO42-, Fe2+, Al3+, pH thấp

và tính khử cao cũng là nguyên nhân hòa tan nhiều kim loại khác như mangan

Chất hữu cơ trong nước ngầm: nguyên nhân chꢀnh dẫn đến nước ngầm

nhiễm phèn sắt.Fe2+ tan trong nước ngầm, khi tiếp xúc với không khꢀ lại bị oxy

hóa thành hidroxit sắt(III)

pH: Thꢂi gian oxy hóa thủy phân Fe trên công trình phụ thuộc vào trị số pH củanước

Sắt (II) thành sắt (III)

Thời gian tối ưu của quá tr ꢁ nh keo tụ.

Tốc độ lọc qua bể tiếp xúc: có thể lấy 5 – 20 m/h tùy thuộc vào thꢂi gian lưunước cần thiết và lượng cặn cần giữ lại sao cho bể lọc đợt I hàm lượng cặn còn lại điqua bể lọc trong (lọc đợt II) < 15 mg/L

Tốc độ lọc qua bể lọc trong: lấy 3 – 9 m/h tùy thuộc vào chiều dày và cỡ hạt của

lớp vꢁt liệu lọc và thꢂi gian lưu nước cần thiết

Hàm lượng sắt cao gây kết tủa.

6.3Các thông số nào cần chú ý khi vận hành mô hình khử sắt? Giải

thích từng thông số.

Độ nhớt của nước thô:

Khi độ nhớt của nước cần xử lý giảm thì trở lực thủy lực cũng giảm và hiệusuất tách rắn – lꢃng có xu hướng tốt lên Trong thực tế vꢁn hành cột lọc vào mùa

hè tốt hơn mùa đông vì độ nhớt tỷ lệ nghịch với nhiệt độ

Kích thước của các hạt vật liệu lọc:

Kích thước hạt vꢁt liệu lọc là một trong các thông số có ảnh hưởng lớn đến quátrình lọc Khi kꢀch thước hạt vꢁt liệu nhꢃ thì hiệu suất tách tăng lên vì tăng bề mặt lọcnhưng đồng thꢂi cũng làm tăng trở lực lọc

Kích thước của các hạt lơ lửng trong nước:

Do cơ chế vꢁn chuyển các hạt tới tiếp xúc với bề mặt lọc phụ thuộc trực tiếp vào

kꢀch thước của các hạt keo cần tách Vì vꢁy, khi kꢀch thước hạt tăng lên (với các hạtlớn hơn 1µm) thì khả năng cọ sát của các hạt với bề mặt lọc cũng tăng lên và các hạt

dễ được giữ lại trên bề mặt lọc

Các thông số hóa học:

Hiệu suất lọc phụ thuộc vào khả năng hấp thụ các hạt lơ lửng trong nước lên bềmặt lọc, đó là cơ chế chính của quá trình lọc Khả năng đó giảm dần theo thꢂi gianlọc nên hiệu suất lọc cũng phụ thuộc vào chu kỳ rửa hoàn nguyên vꢁt liệu lọc

ꢂ nh hưởng của độ pH, Lượng oxy hóa cần thiết để oxy hóa sắt:

Điện thế bề mặt của các hạt vꢁt liệu lọc phụ thuộc vào độ pH Vꢁt liệu lọc

thưꢂng dùng là cát, than,… các vꢁt liệu này đều có điện thế bề mặt âm với giá

trị pH từ 7 đến 9 và đó là giá trị pH thưꢂng dùng trong xử lý nước Để tách cáchạt bông keo của sắt bằng quá trình lọc, hiệu quả cao nhất ở pH bằng 7.

6.4Nêu phương pháp xác định sắt theo Standard methods for the Examination of Water and Wastewater, AWWA_APHA (2005)? Vẽ lưu đồ phương pháp xác định sắt (sử dụng phần mềm microsoft visio) Sắt được xác định bằng phương pháp Phenantrolin (3500 – Fe B - Phenantrolin Method)

Nguyên tắc:

Đun cách thủy với hydroxyamin trong môi trưꢂng acid để chuyển Fe (III) cómặt về Fe (II) và lên màu với thuốc thử 1,10 – phenantrolin ở pH từ 3,2 đến 3,3 Mộtion Fe (II) sẽ kết hợp với 3 phân tử 1,10 – phenantrolin để hình thành phức có màu

đꢃ cam Đo mꢁt độ quang của dung dịch phức ở bước sóng 510nm cho phép xác địnhđược nồng độ sắt trong mâu

Yếu tố ảnh hưởng:

Các chất oxi hóa mạnh: có thể loại trừ bằng cách thêm dư chấtkhử hydroxyamin.Xyanua, nitrit, photphat (poly photphat ảnh hưởng nhiềuhơnocto- photphat): loại trừ bằng cách đun sôi với acid

Các ion kim loại crom, kẽm (khi nồng độ của chúng gấp 10 lần nồng độ sắt);coban, đồng (khi nồng độ chúng gấp 5 lần nồng độ sắt); niken (khi nồng độ của nógấp 2 lần sắt); bimut, cadimi, thủy ngân molypdat tạo kết tủa với phenantrolin Loạitrừ bằng cách thêm dư phenantrolin, trong đó vẫn không loại trừ được ảnh hưởng củacác ion kim loại thì phải sử dụng phương pháp chiết tách các ion kim loại cản trở

Sơ đồ:

Đun cách thủy với hydroxiamin trong môi trư ꢂ ng axit

Thêm thuốc thử 1,10-phenantrolin

Một số loại vi sinh có khả năng oxy hoá sắt trong điều kiện mà quá trìnhoxy hoá hoá học xảy ra rất khó khăn Chúng ta cấy các mầm khuẩn sắt trong lớpcát lọc của bể lọc, thông qua hoạt động của các vi khuẩn sắt được loại ra khꢃinước Thưꢂng sử dụng thiết bị bể lọc chꢁm để khử sắt.

Biện pháp khử sắt bằng cách lọc qua lớp vật liệu đặc biệt

Các vꢁt liệu đặc biệt có khả năng xúc tác, đẩy nhanh quá trình ôxy hoá khử

Fe2+ thành Fe3+ và giữ lại trong tầng lọc Quá trình diễn ra rất nhanh chóng và

có hiệu quả cao Cát đen là một trong những chất có đặc tꢀnh như thế

Biện pháp khử sắt bằng phương pháp trao đổi ion

Phương pháp trao đổi ion được sử dụng khi kết hợp với quá trình khử cứng.Khi sử dụng thiết bị trao đổi ion để khử sắt, nước ngầm không được tiếp xúc vớikhông khí vì Fe3+ sẽ làm giảm khả năng trao đổi của các ionic Chꢄ có hiệu quảkhi khử nước ngầm có hàm lượng sắt thấp

Biện pháp khử sắt bằng Kali Permanganat (KMnO4)

Khi dùng KMnO4 để khử sắt, qua trình xảy ra rất nhanh vì cặn mangan (IV)hyđroxyt vừa được tạo thành sẽ là nhân tố xúc tác cho quá trình khử Phản ứngxảy ra theo phương trình sau:

- + 3+ 2+

5Fe2+ + MnO4 + 8H →5Fe + Mn + 4H O

2

Biện pháp khử sắt bằng cách lọc qua lớp vật liệu đặc biệt

Các vꢁt liệu đặc biệt có khả năng xúc tác, đẩy nhanh quá trình ôxy hoá khử

Fe2+ thành Fe3+ và giữ lại trong tầng lọc Quá trình diễn ra rất nhanh chóng và

có hiệu quả cao Cát đen là một trong những chất có đặc tꢀnh như thế

Biện pháp khử sắt bằng Clo

Quá trình khử sắt bằng clo được thực hiện nhꢂ phản ứng sau:

-Khử sắt bằng hóa chất

Khi trong nước nguồn có hàm lượng tạp chất hữu cơ cao,các chất hữu cơ

sẽ tạo ra dạng keo bảo vệ các ion sắt, như vꢁy muốn khử sắt phải phá vỡ đượcmàng hữu cơ bảo vệ bằng tác dụng của các chất oxy hoá mạnh Đối với nướcngầm, khi làm lượng sắt quá cao đồng thꢂi tồn tại cả H2S thì lượng oxy thu

dễ dàng chuyển hoá thành sắt (III) Sắt (III) hyđroxyt kết tụ thành bông cặn, lắngtrong bể lắng và có thể dễ dàng tách ra khꢃi nước Phương pháp này có thể ápdụng cho cả nước mặt và nước ngầm Nhược điểm của phương pháp này là phảidùng đến các thiết bị pha chế cồng kềnh, quản lý phức tạp, cho nên thưꢂng kếthợp khử sắt với quá trình xử lý khác như xử lý ổn định nước bằng kiềm, làmmềm nước bằng vôi kết hợp với sôđa

Làm thoáng cưỡng bức

Cũng có thể dùng tháp làm thoáng cưỡng bức với lưu lượng tưới từ 30 đến

40 m3/h Lượng không khꢀ tiếp xúc lấy từ 4 đến 6 m3 cho 1m3 nước Lượng oxyhoà tan sau làm thoáng bằng 70% hàm lượng oxy hoà tan bão hoà Hàm lượngCO2 sau làm thoáng giảm 75%

Làm thoáng bằng giàn mưa tự nhiên

Nước cần làm thoáng được tưới lên giàn làm thoáng một bꢁc hay nhiều bꢁcvới các sàn rải xꢄ hoặc tre gỗ Lưu lượng tưới và chiều cao thấp cũng lấy nhưtrưꢂng hợp trên Lượng oxy hoà tan sau làm thoáng bằng 55% lượng oxy hoàtan bão hoà Hàm lượng CO2 sau làm thoáng giảm 50%

Phương pháp oxy hoá sắt

Nguyên lý của phương pháp này là oxy hoá (II) thành sắt (III) và tách

chúng

ra khꢃi nước dưới dạng hyđroxyt sắt (III) Trong nước ngầm, sắt (II) bicacbonat

là một muối không bền, nó dễ dàng thuỷ phân thành sắt (II)hyđroxyt theo phảnứng:

4Fe2+ + 8HCO + O + H O →4Fe(OH) + 8H+ + 8HCO3

Nước ngầm thưꢂng không chứa oxy hoà tan hoặc có hàm lượng oxy hoà tan

rất thấp Để tăng nồng độ oxy hoà tan trong nước ngầm, biện pháp đơn giản nhất

là làm thoáng Hiệu quả của bước làm thoáng được xác định theo nhu cầu oxycho quá trình khử sắt

Làm thoáng đơn giản bề mặt lọc

Nước cần khử sắt được làm thoáng bằng giàn phun mưa ngay trên bề mặtlọc Chiều cao giàn phun thưꢂng lấy cao khoảng 0.7m, lỗ phun có đưꢂng kính từ

kỹ thuật quản lý trạm xử lý nước.

Nhận biết nguồn nước ngầm đã b ꢀ nhiễm sắt:

Nước có mùi tanh, sau khi để nước ngoài không khí, sẽ thấy có màu vàngxanh Sử dụng nước chè khô hoặc cây chuối cho vào nguồn nước, nếu nướcchuyển sang màu tím thì chứng tꢃ đã nhiễm bẩn

Chưa có một định nghĩa chꢀnh xác về nguồn nước phèn, nhưng có thể nhꢁnbiết qua quan sát bên ngoài

Nước có vị chua, có mùi tanh; làm ố vàng quần áo, vòi nước và dụng cụ chứa

Kiểm tra định kỳ, đảm bảo các công trình thiết bị trong nhà máy luôn hoạt độngbình thưꢂng.

Kiểm tra chất lượng nước định kỳ cả trước và sau khi xử lý

Lꢁp kế hoạch kiểm tra và sửa chữa định kỳ Phát hiện kịp thꢂi và giải quyết

6.8Nêu phương pháp rửa lọc bể lọc nhanh, trình tự rửa bể lọc nhanh.

So sánh phương pháp làm thoáng để xử lý nước ngầm có chứa sắt cao Nêu điều kiện cơ bản áp dụng các thông số công nghệ để thiết kế.

Rửa bể lọc nhanh bằng phương pháp rửa ngược:

So sánh phương pháp làm thoáng để xử lý nước ngầm có chứa sắt cao:

Làm thoáng bằng giàn mưa tự nhiên: Lượng oxy hoà tan sau làm thoángbằng 55% lượng oxy hoà tan bão hoà Hàm lượng CO2 sau làm thoáng giảm50%

Làm thoáng cưỡng bức: Lượng oxy hoà tan sau làm thoáng bằng 70% hàmlượng oxy hoà tan bão hoà Hàm lượng CO2 sau làm thoáng giảm 75%

Làm thoáng đơn giản bề mặt lọc: Lượng oxy hoà tan trong nước sau khi

đưꢂng chuẩn Fe.

Nắm được quy trình phân

tꢀch chꢄ tiêu

Vꢁn hành hệthống

Biết được nguyên lꢀ vꢁnTrần Phương Mai

Trương Quốc Dũng

hành

Tꢀnh toán lượnghóa chất cho vào

Biết cách thức tꢀnh toán đểthêm vào hệ thống vꢁn hành

2 Mục đích bài thí nghiệm

- Giúp sinh viên nắm vững kiến thức học môn lý thuyết các quá trình hóa học

về quá trình trao đổi và khử các ion

- Phân tích sự biến đổi pH trong quá trình trao đổi ion

Nghiên cứu quá trình trao đổi ion theo chiều dày lớp nhựa trao đổi ion

Xác định dung lượng trao đổi làm việc của nhựa trao đổi ion

Xác định hiệu quả ion của nhựa anion, cation và hỗn hợp nhựa

Ngưꢂi ta sử dụng nhựa trao đổi ion trong xử lý nước cấp chủ yếu nhằm 2 mục

đꢀch: khử cứng và khử khoáng Khử cứng nhằm loại bꢃ các ion Mg2+, Ca2+ Khửkhoáng nhằm loại bꢃ hầu hết tất cả các ion có trong nước

Khử cứng: cho nước cần xử lý chảy qua cột nhưa cation ở dạng RNa

R2Mg + 2NaCl  2RNa + MgCl2

Khử khoáng: cho nước cần xử lý chảy qua cột nhựa cation và nhựa anion

riêng rẽ hay qua một cột kết hợp cả nhựa cation và nhựa anion

RSO H + NaCl  RSO Na + HCl3 3

4.2 Tính toán mẫu nước ban đầu

0.142 0.298 0.384 0.504 0.637

Đồ thị đưꢂng chuẩn giữa độ hấp thu Abs và nồng độ SO2 − (mg/L) của dãymàu chuẩn có dạng y = ax + b, với y là độ hấp thu, x là nồng độ SO2 − tương ứng.

Phương trình đưꢂng chuẩn: y = 0,0156x + 0,0163

5.3 Kết quả thí nghiệm

15 phút

15 phút 30 phút 60 phút 120 phút 180 phútMẫu

Cột Cột Cột Cột Cột Cột Cột Cột Cột Cột

38.89 19.66 31.97 39.85 27.54 40.11 22.93 36.65 25.43 34.21(mg/L)

- Hàm lượng Chlorine

(V − V ) × 0.0141 × 35.5 × 10001 0Chlorine (mg/L) = V

6 Trả lời câu hỏi

6.1 Giải thích sự chênh lệch pH giữa các cột và sự thay đổi pH trong

quá trình trao đổi ion.

Ta có giá trị pH ban đầu là 7

-Từ số liệu thực nghiệm ta thấy được hiệu suất trao đổi ion của các cột khá cao.Tuy nhiên, các số liệu về độ cứng tổng, độ cứng canxi, độ cứng magie không có xuhướng tăng (hoặc giảm) rõ rệt.

Ta thấy được cột A có hiệu suất xử lý cao hơn → ái lực trao đổi ion ở cột Acao Về ion SO42- và Cl- trong suốt quá trình xử lý không thay đổi đáng kể → ái lựctrao đổi ion thấp

6.3 Xác định dung lượng trao đổi làm việc của hệ trao đổi ion sau 3

giờ.

Ta có nồng độ các ion theo đơn vị mmol/L của:

Nước qua cột A (anion)

- Nước qua cột B (cation)