Biểu đồ thể hiện mối quan hệ FeII và hiệu suất xử lý ở từng pH khác nhauNhận xét: Trước khi thêm NaOH để chỉnh pH nồng độ TFe dao động từ 8.959 đến 12.172 mg/l TFe tương đương với 10ppm
Giới thiệu chung
Nước thiên nhiên, bao gồm cả nước mặt và nước ngầm, đều chứa sắt Hàm lượng và dạng tồn tại của sắt phụ thuộc vào loại nguồn nước, điều kiện môi trường và nguồn gốc hình thành.
Sắt trong nước mặt chủ yếu tồn tại dưới dạng hợp chất Fe 3+, thường là Fe(OH)3 không tan, có thể ở dạng keo hoặc huyền phù, hoặc dưới dạng hợp chất hữu cơ phức tạp ít tan.
Trong nước ngầm, sắt tồn tại chủ yếu ở dạng ion do pH thấp và nồng độ oxy hòa tan (DO) thấp hoặc gần như không có Sắt hóa trị 2 là thành phần của các muối tan như Fe(HCO3)2 và FeSO4 Hàm lượng sắt trong các nguồn nước ngầm thường cao và phân bố không đồng đều trong các lớp trầm tích sâu.
Hiện nay, có nhiều phương pháp khử sắt của nước ngầm, có thể chia làm ba nhóm chính như sau:
- Phương pháp làm thoáng: làm thoáng tự nhiên, làm thoáng cưỡng bức, dàn lọc
- Phương pháp dùng hóa chất: vôi; chất oxi hóa mạnh KMnO4, Cl2, O3,…
Phương pháp khử sắt khác bao gồm keo tụ, UF, và trao đổi ion Một trong những phương pháp hiệu quả là khử sắt bằng làm thoáng, trong đó oxy được làm giàu cho nước, giúp oxy hóa Fe 2+ thành Fe 3+ Quá trình này dẫn đến thủy phân và tạo thành hợp chất ít tan Fe(OH)3, sau đó sử dụng bể lắng hoặc lọc để giữ lại Trong nước ngầm, sắt (II) bicacbonat là muối không bền vững và thường phân ly.
Fe(HCO3)2 = 2HCO3 2- + Fe 2+ (1) Trong nước có oxy hòa tan:
➔ Đồng thời xảy ra phản ứng phụ H +
Quá trình chuyển hoá Fe 2+ thành Fe 3+ chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm pH, nồng độ O 2, hàm lượng sắt trong nước ngầm, CO 2, độ kiềm, nhiệt độ và thời gian phản ứng.
Khi tất cả ion Fe 2+ trong nước đã chuyển hóa thành bông cặn Fe(OH)3, việc loại bỏ các bông cặn này được thực hiện thông qua bể lắng/lọc bằng cơ chế giữ cặn cơ học Ngoài ra, phương pháp sử dụng hóa chất cũng có thể được áp dụng để xử lý.
Khử sắt bằng các chất oxi hóa mạnh như Cl₂, KMnO₄ và O₃ là một phương pháp hiệu quả Khi các chất oxi hóa này được thêm vào nước, chúng sẽ kích hoạt các phản ứng hóa học để loại bỏ sắt.
2 Fe 2+ + Cl2 + 6 H2O = 2 Fe(OH)3 + 2 Cl - + 6 H + (4)
3 Fe 2+ + KMnO 4 + 7 H 2 O = 3 Fe(OH) 3 + MnO 2 + K + +5 H + (5)
So với phương pháp khử sắt bằng làm thoáng, việc sử dụng chất oxi hóa cho phản ứng diễn ra nhanh hơn và pH môi trường thấp hơn (pH < 6) Tuy nhiên, nếu trong nước có các hợp chất như H2S và NH3, chúng sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình khử sắt.
Khử sắt bằng vôi là phương pháp hiệu quả thường được áp dụng trong quá trình làm ổn định hoặc làm mềm nước Khi vôi được thêm vào nước, quá trình khử sắt diễn ra theo hai trường hợp, trong đó trường hợp nước có oxy hòa tan, vôi đóng vai trò như một chất xúc tác.
O 2 + 2H 2 O + 4Ca(OH) 2 → Fe(OH) 3 + 4Ca(HCO 3 ) 2 (6) o Trường hợp nước không có oxi hòa tan:
Fe(HCO 3 ) 2 + Ca(OH) 2 → FeCO 3 + CaCO 3 + H 2 O (7)
Thực hành
Lập đường chuẩn
Sử dụng dung dịch lưu trữ sắt 200 ppm pha thành dung dịch chuẩn có nồng độ 10 ppm Pha loạt chuẩn sắt như sau:
V HCl đậm đặc(mL) 0.5mL
V NH2OH.HCl(mL) 0.25mL Đun sôi cho đến khi còn khoảng 7-8mL
V phenanthroline(mL) 1mL Định mức thành 25mL Lắc đều và đợi khoảng 15’ đo độ hấp thu ở bước sóng
Thí nghiệm 1: Loại bỏ sắt bằng phương pháp thổi khí
1.2.2.1 Xác định pH tối ưu o Pha dung dịch lưu trữ sắt 300 ppm sang nồng độ khoảng 10 ppm (166.67 mL 300ppm vào 4833.33mL nước máy thành 5L có nồng độ 10ppm).
Chuẩn bị cốc cho 1 lít nước chứa Fe 2+ 10ppm Lấy 50mL lọc bằng giấy lọc, rồi xác định Sắt ban đầu(TFe và 2+ )
Thêm vài giọt NaOH, khuấy Bỏ đầu dò vào(Khuấy rồi mới bỏ đầu dò vào)
Cho đến khi pH trong khoảng 5 Ghi lại thể tích NaOH
Tiếp tục thêm NaOH và khuấy đều, sau đó đo pH cho đến khi đạt được các giá trị pH là 6, 7 và 8 Ghi lại thể tích NaOH tương ứng với mỗi giá trị pH Sau khi xác định được thể tích NaOH cho từng pH, tiến hành các bước tiếp theo.
1.2.2.2 Xác định thời gian tối ưu Pha dung dịch lưu trữ sắt 300 ppm sang nồng độ khoảng 10 ppm (33.33 mL
300ppm định mức lên 1L trở thành cốc 1L có nồng độ 10ppm).
1.2.2.3 Xác định khả năng khử sắt với hàm lượng sắt cao o Pha loãng 100 ml Fe 2+ có nồng độ 300ppm với 1L nước thành mẫu nước chứa Fe 2+ có nồng độ 30ppm. o Chỉnh lại hóa chất ở nồng độ 30ppm để đạt pH tối ưu
10ppm V’NaOH , t’ pH, thời gian tối ưu Đo lại pH tối ưu sau khi thêm V’’,t’’
30ppm V’’~3x V’NaOH ,t’’=t’ pH, thời gian tối ưu 30ppm
Loại bỏ sắt bằng phương pháp hóa chất
Pha loãng 200 ml Fe 2+ với nồng độ 300 ppm bằng cách thêm 1800 mL nước máy để tạo ra mẫu nước chứa sắt có nồng độ 30 ppm Chúng ta đã xác định được pH tối ưu và thời gian tối ưu từ thí nghiệm 1 và 2, sau đó sử dụng V NaOH để điều chỉnh về pH tối ưu tương tự như thí nghiệm 1 Tiến hành lấy 50 mL từ mỗi bể để đo pH ban đầu, lọc mẫu và xác định nồng độ TFe và Fe 2+ trước khi điều chỉnh pH.
Kết quả
Đường chuẩn sắt
Bảng 1.1: Độ hấp thu đo được ở mỗi mẫu tương ứng với nồng độ Fe
Nồng độ Fe(mg/l) 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 Độ hấp thụ A(Abs) 0.014 0.111 0.206 0.305 0.379 0.487 Đường chuẩn sắt Đ ộ hấ p th u A (A bs ) 0.6 y = 0.2334x + 0.0169
Hình 1.1: Đồ thị thể hiện mối tương quan giữa độ hấp thu và nồng độ Fe
Thí nghiệm 1: Xác định giá trị pH tối ưu- Phương pháp sục khí
o Phương trình đường chuẩn: y = 0.2334x + 0.0169 o Hệ số pha loãng: 25/2.5=10 lần pH 5 6 7 8
NaOH 0.1N(mL) 6,4mL 7,4mL 8,35mL 8,45mL
Nồng độ (mg/l) TFe thêm
Fe 3+ sau sục khí 1.628 1.799 2.271 2.014 pH=5 pH=6 pH=7 pH=8
Hiệu suất xử Fe 2+ 78 89 96 99 lý(%) Fe 3+ 42.42 61.47 69.54 69.68
Biểu đồ thể hiện mối quan hệ Fe(II) và hiệu suất xử lý ở từng pH khác nhau
Hình 1.2 Biểu đồ thể hiện mối quan hệ Fe(II) và hiệu suất xử lý ở từng pH khác nhau
Nhận xét: Trước khi thêm NaOH để chỉnh pH nồng độ TFe dao động từ 8.959 đến
Nồng độ TFe là 12.172 mg/l, tương đương với 10 ppm sắt đã được tính toán để pha chế Sai số có thể phát sinh từ quá trình pha hóa chất và đo độ hấp thu TFe bao gồm cả Fe 2+ và Fe 3+.
Fe 2+ ban đầu ta có thể thấy chúng khác nhau tức là sắt tồn tại trong đó nhiều Fe 2+ hoặc ít Fe 2+ hơn so với Fe 3+ trong nguồn nước.
Sau khi thêm NaOH, nồng độ Fe 2+ giảm so với ban đầu, tuy nhiên sự giảm này không đồng đều từ pH=5 đến pH=8, mặc dù pH cao hơn thường giúp xử lý Fe 2+ hiệu quả hơn Biểu đồ cho thấy sự biến động không ổn định của nồng độ, nguyên nhân có thể do sai số trong quá trình thao tác khi thêm hóa chất để điều chỉnh pH và xác định nồng độ Fe 2+.
Sau sục khí ta thấy Fe 2+ đã giảm đi rất nhiều do oxi hóa với O 2 và tạo kết tủa tạo thành Fe(OH)3 và lắng xuống đáy cốc.
Biểu đồ thể hiện mối quan hệ TFe và hiệu suất xử lý ở từng pH khác nhau
TFe ban đầu 70.00 TFe thêm NaOH
Hình 1.3:Biểu đồ thể hiện mối quan hệ TFe và hiệu suất xử lý ở từng pH khác nhau
Nhận xét: Trước khi thêm NaOH ta thấy TFe dao động trong khoảng 10ppm(lớn hơn, bé hơn 10ppm do sai số người pha mẫu)
Sau khi thêm NaOH, nồng độ TFe giảm so với ban đầu, tuy nhiên sự giảm này không đồng đều từ pH=5 đến pH=8, mặc dù pH cao hơn thường giúp xử lý TFe hiệu quả hơn Biểu đồ cho thấy sự biến động không ổn định của nồng độ TFe, nguyên nhân có thể do sai số trong quá trình thao tác khi điều chỉnh pH và xác định nồng độ TFe.
Sau sục khí ta thấy TFe đã giảm đi rất nhiều do oxi hóa với O2 và tạo kết tủa tạo thành Fe(OH)3 và lắng xuống đáy cốc.
Biểu đồ thể hiện mối quan hệ Fe(III) và hiệu suất xử lý ở từng pH khác nhau
Fe3+ ban đầu Fe3+ thêm NaOH Fe3+ sau sục khí
Hình 1.4 Biểu đồ thể hiện mối quan hệ Fe 3+ và hiệu suất xử lý ở từng pH khác nhau
Nhận xét: Trước khi thêm NaOH ta thấy Fe 3+ tăng vì TFe = Fe 2+ + Fe 3+ mà Fe 2+ tăng so với TFe ở từng pH nên Fe 3+ sẽ tăng.
Sau khi thêm NaOH, nồng độ Fe 3+ giảm dần từ pH=5 đến pH=8, cho thấy rằng việc tăng pH cải thiện khả năng xử lý Fe 3+.
Sau khi sục khí, nồng độ Fe 3+ đã giảm đáng kể so với ban đầu do quá trình oxi hóa với O 2, dẫn đến sự hình thành kết tủa Fe(OH) 3 lắng xuống đáy cốc Tuy nhiên, sự giảm này không đồng đều do ảnh hưởng của thao tác của người thí nghiệm.
Hiệu suất xử lý sắt
▪ Chọn pH tối ưu= 6 Nhận xét:
pH có tác động lớn đến hiệu suất xử lý khử sắt trong nước Khi nồng độ sắt đầu vào không đổi, mức pH cao hơn sẽ dẫn đến hiệu suất xử lý tốt hơn, giúp chuyển đổi Fe 2+ thành Fe 3+.
Khi pH tăng, nồng độ ion [Fe^{3+}] giảm, dẫn đến phản ứng diễn ra theo chiều thuận và tạo ra nhiều kết tủa Fe(OH)_{3} Điều này làm giảm lượng sắt (II) do kết tủa lắng đọng.
Sau khi thực hiện quá trình sục khí, lượng sắt tổng và sắt(II) đã giảm đáng kể do phản ứng oxi hóa với O2, dẫn đến sự hình thành kết tủa Fe(OH)3 và lắng xuống đáy cốc.
Tại pH=6, hiệu suất loại bỏ Fe(II) đạt 89% và Fe(III) đạt 61% Khi thêm hóa chất để nâng pH, hiệu suất có thể tăng lên đến 99% Tuy nhiên, để đạt được mức 99%, cần phải bổ sung hóa chất nâng pH, trong khi mẫu nước sau xử lý đã đạt nồng độ TFe là 2.275 mg/l, mức này không ảnh hưởng nhiều đến chất lượng nguồn nước.
Xác định thời gian tối ưu
o Phương trình đường chuẩn: y = 0.2334x + 0.0169 o Hệ số pha loãng: 25/2.5 lần Độ hấp thu A Ban đầu Thêm
V=1L,VNaOH=7.4mL, pH đầu vào= 6
TFe 0.132 0.129 0.112 0.089 0.066 0.052 0.043 0.033 pH=6.1 pH=6.7 pH=5.9 pH=5.9 pH=5.5 pH=5.2 pH=5.2
Nồng độ FeII Nồng độ Fe(III) H% Fe(II) H% Fe(III)
Hình 1.5: Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa hiệu suất xử lý sắt & thời gian
pH có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất xử lý khử sắt trong nước Việc thêm NaOH để nâng pH mẫu nước lên mức tối ưu sẽ làm tăng hiệu suất xử lý, đồng nghĩa với việc khả năng xử lý Fe(II) và Sắt(III) giảm Tuy nhiên, trong thí nghiệm này, tổng lượng sắt (TFe) lại tăng.
Khi pH tăng, nồng độ ion [Fe^{2+}] giảm, dẫn đến phản ứng diễn ra theo chiều thuận và tạo ra nhiều kết tủa Fe(OH)_{3} Sự chuyển đổi này làm giảm lượng sắt (II) do nó chuyển thành kết tủa Fe^{3+}.
• Có thể do chưa lắng hết xuống mà ta đã đo độ hấp thu gây ra sai số
• Do sai số khi lấy hóa chất
Sau khi thực hiện quá trình sục khí, nồng độ Fe(II) và TFe giảm dần theo thời gian do sự hình thành kết tủa và lắng xuống đáy cốc Nhìn chung, sau các mốc thời gian sục khí, hiện tượng này trở nên rõ rệt.
Lượng Fe(II) và TFe giảm mạnh trong 12 phút đầu, nhưng từ phút thứ 20 trở đi, sự giảm này chậm lại và tốn nhiều thời gian hơn Do đó, thời gian tối ưu cho quá trình sục khí được xác định là 20 phút.
Thí nghiệm 3: Xác định khả năng khử sắt với hàm lượng sắt cao
Phương trình đường chuẩn: y = 0.2334x + 0.0169; Hệ số pha loãng:25/1% lần o pH bđ =2.6 (pha loãng 300ppm về 30ppm)
Ban đầu Sau thêm NaOH Sau sục khí
V= 1L, Thời gian tối ưu ' ,pH tối ưu=6, VNaOH.2 pH ban Độ hấp đầu.2mL thu A Fe 2+ 0.043 0.018 0.028
Fe 3+ pH tối ưu=6 , Thời gian tối ưu '
So sánh khử sắt bằng phương pháp sục khí ở 10ppm và
Hình 1.6: So sánh khử sắt bằng phương pháp sục khí 10ppm với phương pháp hàm lượng sắt cao 30ppm
Nhận xét:Với cùng thời gian và pH tối ưu thì hiệu suất xử lý Fe(II) và TFe ở TN2
Nồng độ sắt thấp (10 ppm) cho hiệu quả cao hơn so với nồng độ sắt cao (30 ppm) trong TN3 Khi nồng độ sắt cao, cần thời gian sục khí lâu hơn để cung cấp oxy, giúp quá trình khử sắt diễn ra hiệu quả hơn.
Thí nghiệm 4: Loại bỏ sắt bằng phương pháp hóa chất
o Phương trình đường chuẩn: y = 0.2334x + 0.0169 o Hệ số pha loãng: 25/1% lần
V KMnO 4 2.5mL 5mL 7.5mL 10mL
VNaOH 8.3mL-6.3 8.2mL-6.3 8mL-6.5 7.9mL-6.1
Hình 1.7: Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa nồng độ sắt trước và sau xử lí của Fe 2+ , Fe 3+ so với lượng KMnO 4 thêm vào
2.5mL KMnO4 5mL KMnO4 7.5mL KMnO4 10mL KMnO4
Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa lượng KMnO4 thêm vào và hiệu suất xử lí
2.5mL KMnO4 5mL KMnO4 7.5mL KMnO4 10mL KMnO4
Hình 1.8: Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa hiệu suất xử lí sắt so với KMnO 4 thêm vào
Khi sử dụng KMnO4 để khử sắt, quá trình diễn ra nhanh chóng do Mn 4+ hydroxit được hình thành sẽ đóng vai trò là chất xúc tác cho quá trình khử.
3 Fe 2+ + KMnO4 + 7 H2O = 3 Fe(OH)3 + MnO2 + K + +5 H + (5)
Khi tăng nồng độ hóa chất KMnO4, hiệu quả xử lý TFe và Fe(II) sẽ tăng lên Cụ thể, khi hàm lượng KMnO4 được tăng từ 2.5 mL lên 7.5 mL, hiệu quả xử lý tăng đáng kể Tuy nhiên, khi vượt quá 7.5 mL, mức độ tăng hiệu quả trở nên chậm lại Do đó, lựa chọn VKMnO4 = 7.5 mL là tối ưu, mang lại hiệu suất xử lý cao và tiết kiệm hóa chất.
Hình 1.9: So sánh hai phương pháp làm thoáng cưỡng bức và hóa chất 30ppm
Phương pháp xử lý sắt bằng hóa chất cho hiệu quả cao hơn so với phương pháp làm thoáng Khi nồng độ sắt cao, thời gian sục khí cần thiết để cung cấp oxy cho quá trình khử sắt sẽ kéo dài Do đó, để xử lý sắt với nồng độ cao, việc sử dụng hóa chất là lựa chọn tối ưu.
Trả lời câu hỏi
Câu 1: Nêu các dạng tồn tại của sắt trong nước ngầm và nước mặt?
Sắt trong nước ngầm thường tồn tại dưới dạng ion sắt hai và hòa tan trong nước Khi sắt(II) trong nước mặt tiếp xúc với không khí, nó sẽ chuyển hóa thành sắt(III) và kết tủa dưới dạng hydroxit Đặc biệt, trong các nguồn nước có nhiều chất hữu cơ, sắt có thể tồn tại dưới dạng keo (phức hữu cơ), gây khó khăn trong quá trình xử lý.
Câu 2: Nêu nguyên tắc của các phương pháp xử lý sắt:
Có 2 phương pháp xử lý sắt cơ bản: khử sắt bằng phương pháp làm thoáng và khử sắt bằng hóa chất
Phương pháp khử sắt bằng làm thoáng là quá trình làm giàu oxy cho nước, giúp oxy hóa ion Fe 2+ thành Fe 3+ Quá trình này dẫn đến thủy phân và hình thành hợp chất ít tan Fe(OH)3, sau đó sử dụng bể lắng hoặc lọc để loại bỏ hợp chất này.
Phương pháp khử sắt bằng hóa chất bao gồm hai cách chính Thứ nhất, sử dụng vôi, thường kết hợp với quá trình ổn định hoặc làm mềm nước, nhằm chuyển hóa sắt hòa tan trong nước thành dạng tủa như Fe(OH)3 hoặc FeCO3, giúp dễ dàng lắng lại và loại bỏ trong bể lọc Thứ hai, áp dụng các chất oxy hóa mạnh để oxy hóa Fe 2+ thành Fe 3+, tạo ra hợp chất ít tan Fe(OH)3, sau đó sử dụng bể lắng hoặc lọc để giữ lại.
Để xác định nồng độ sắt, trước tiên cần lập đường chuẩn và có phương trình tương ứng Sau đó, đo độ hấp thu A của các mẫu sắt đã phân tích và thay vào phương trình đường chuẩn để suy ra nồng độ C Cuối cùng, nhân với hệ số pha loãng để tính nồng độ Fe với đơn vị mg/L.
Xác định Fe 2+ và TFe như sau: Fe 3+ =TFe- Fe 2+
Mẫu nước phân tích(TN1
Mẫu nước phân tích(TN3
V HCl đậm đặc(mL) x 0.5mL
V NH2OH.HCl(mL) x 0.25mL Đun sôi cho tới V~7-8mL
Vphenanthroline (mL) 1mL Định mức thành 25mL Lắc đều và đợi khoảng 15’ đo độ hấp thu ở bước sóng
BÀI THỰC HÀNH SỐ 2: HẤP PHỤ BẰNG THAN HOẠT TÍNH
Giới thiệu chung
Hấp phụ là quá trình mà khí hoặc lỏng được hút lên bề mặt của vật liệu xốp nhờ vào các lực bề mặt Các vật liệu xốp này được gọi là chất hấp thụ, trong khi chất khí, hơi hoặc chất tan trong dung dịch có khả năng được làm giàu trên bề mặt chất hấp thụ được gọi là chất hấp phụ Khi chất bị hấp phụ đã được "gắn" lên bề mặt của vật liệu xốp, nó được xem là chất đã bị hấp phụ.
Phương pháp hấp phụ là một kỹ thuật hiệu quả để làm sạch nước thải, đặc biệt là đối với các chất hữu cơ hòa tan sau khi xử lý sinh học, khi nồng độ chất ô nhiễm không cao hoặc khi chúng không phân hủy sinh học và có tính độc hại Phương pháp này có ưu điểm nổi bật với hiệu suất cao từ 80-95%, khả năng xử lý nước thải chứa nhiều loại ô nhiễm và khả năng thu hồi các chất này.
Quá trình hấp phụ có thể diễn ra ở một hoặc nhiều bậc, trong đó hấp phụ một bậc thường được áp dụng cho các chất thải hoặc giá rẻ Hấp phụ nhiều bậc mang lại hiệu quả cao hơn Một trong những phương trình mô tả quá trình này là phương trình Freundlich.
Quá trình hấp phụ đẳng nhiệt có thể được mô tả theo biêu thức thực nghiệm
Trong đó: q: Độ hấp phụ cân bằng, q = V(Cd – Ccb)/M V: Thể tích dung dịch, lít
Cd: Nồng độ dung dịch ban đầu, g/l
M: Lượng chất hấp phụ sử dụng, g
Chúng ta có thể xác định các hằng số trong phương trình Langmuir bằng cách chuyển đổi nó về dạng tuyến tính, cụ thể là: \$\log C = \log K + n \cdot \log q\$
Dung dịch và chất hấp phụ cần được khuấy trộn trong thời gian phù hợp để đạt được sự cân bằng Thời gian này chủ yếu phụ thuộc vào nồng độ dung dịch, kích thước hạt rắn, độ nhớt của chất lỏng và cường độ khuấy trộn.
Dựa trên đồ thị đường cân bằng đẳng nhiệt hấp phụ, có thể xác định tỷ số hấp phụ tương ứng với sự biến đổi nồng độ trong dung dịch Phương trình này cho phép phân tích mối quan hệ giữa nồng độ và khả năng hấp phụ.
Viết lại dạng tuyển tính
Dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng được ký hiệu là \$q\$ (mg/g), trong khi \$qm\$ đại diện cho dung lượng hấp phụ cực đại khi tất cả các tâm trên bề mặt chất hấp phụ đã bị chiếm (mg/g) Hằng số hấp phụ Langmuir được ký hiệu là \$kL\$ (L/mg).
: Nồng độ chất bị hấp phụ trong pha lỏng tại thời điểm cân bằng (mg/L)
19 c Quá trình hấp phụ theo mẻ
Quá trình hấp phụ theo mẻ diễn ra trong thiết bị khuấy trộn hoàn toàn và hoạt động theo phương thức gián đoạn Các đại lượng đặc trưng cho quá trình hấp phụ được xác định bằng công thức: \$C = (C_0 - C_t)\$
Trong đó: q:Đại lượng hấp phụ, g chất ô nhiễm/g chất hấp phụ
V: Thể tích chất ô nhiễm trong thiết bị hấp phụ, m3
Cd: Nồng độ chất ô nhiễm trong nước ban đầu, g/l
Ccb: Nồng độ chất ô nhiễm sau hấp phụ, g chất ô nhiễm/l nước
Hệ số phân phối ô nhiễm trong các pha k = q/Cc d Quá trình hấp phụ dạng cột
Nước cần được xử lý được bơm liên tục qua cột để loại bỏ chất ô nhiễm
Thời gian tiếp xúc (EBCT): là thời gian mà nước chảy qua cột rỗng
Lbed: Chiều dày lớp carbon (m) A: Diện tích bề mặt cột (m 2 )
Thực hành
Thí nghiệm 1: Xác định quan hệ nồng độ màu và độ hấp thu
Cho 0.1g thuốc nhuộm vào 8l nước ,lắc đều-> Mẫu nước mẫu phẩm màu methyl blue có nồng độ 12.5ppm
• Quét bước sóng bằng máy UV-Vis
• Khảo sát bước sóng của phẩm màu:
Ta có mẫu có độ màu 12.5 ppm, sau đó pha loãng thành các dung dịch có nồng độ 2,4,6,8,10ppm
Dựng đường thẳng mối quan hệ giữa nồng độ(C) phẩm màu và độ hấp thu(A) Xác định tuyến tính của C theo A
Quá trình hấp phụ theo mẻ
Lấy mẫu nước phẩm màu methyl blue có nồng độ 12.5ppm Đo độ hấp thu ban đầu ĐƠN BẬC
Thí nghiệm 3: Hấp phụ dạng cột
Nguyên tắc: Thực hiện thí nghiệm trên mô hình hấp phụ dạng cột mô phỏng quá trình hấp phụ liên tục
• Chuẩn bị mô hình cột
Chuẩn bị 2 bình với dung tích 2l, cho 2 mẫu nước phẩm màu 12,5ppm với mỗi bình, điều chỉnh lưu lượng bình 1 là Q=0,5L/h, bình 2 là Q=1L/h.
• Cách chỉnh lưu lượng của cột hấp phụ:
Sử dụng ống đong để đo thể tích nước đầu ra của cột trong một khoảng thời gian, với Q = 0.5L/h tương ứng với Vnước = 8.33ml trong 1 phút, và Q = 1L/h tương ứng với Vnước = 16.67ml trong 1 phút Tiến hành rửa than hạt nhiều lần và cho than vào cột hấp phụ với chiều cao tương ứng H cm Chuẩn bị 2 cột hấp phụ than hạt.
Cho mẫu nước trong bình vào đầy cột than (không để có bọt khí trong cột).
Nước chảy liên tục qua cột theo lưu lượng đã chỉnh.
Theo thời gian 5,10,15,30,60,90,120 phút lấy lần lượt mẫu nước theo từng khoảng thời gian ở mỗi cột hấp phụ tiến hành lọc qua giấy lọc và đo độ hấp thu
Kết quả
Thí nghiệm 1: Xác định quan hệ nồng độ màu và độ hấp thu
Sau khi quét bước sóng ta xác định được =
Nồng độ chất ô nhiễm C(mg/l) 0 2 4 6 8 10
Thể tích nước mL Định mức 100mL Độ hấp thu 0 0.05 0.1 0.157 0.196 0.242
Nồng độ chất ô nhiễm (mg/l)
Hình 2.1: Đồ thị thể hiện mối tương quan giữa độ hấp thu và nồng độ chất ô nhiễm
Thí nghiệm 2: Quá trình hấp phụ theo mẻ
Hình 2.2: Đồ thị hiệu suất hấp phụ của than hoạt tính theo thời gian
Mẫu nước ban đầu có nồng độ 12.5 ppm đã giảm sau khi xử lý bằng than hoạt tính dạng bột, nhờ vào khả năng hấp phụ độ đục và độ màu có trong nước Kết quả cho thấy khi thêm 4 lượng than với các khối lượng 0.2g, 0.4g, 0.6g và 1g vào 4 cốc và khuấy trong 120 phút, độ đục và độ màu trong nước giảm đáng kể, làm cho nước trở nên trong suốt và có tính thẩm mỹ cao hơn.
▪ Chọn thời gian tối ưu là 15 phút vì khoảng thời gian đầu từ 0-15 phút nồng độ ở 4 cốc giảm tương đối mạnh, than ở đây hấp phụ tương đối rõ Từ 15-
120 phút nồng độ tiếp tục giảm ở mỗi cốc, ở 120 phút ta thấy nó vẫn còn xu hướng đang giảm, tức là than vẫn còn khả năng hấp phụ.
Từ biểu đồ hình 2.2, lượng than tối ưu được xác định là 0.6g, giúp tiết kiệm than nhưng vẫn đảm bảo khả năng hấp phụ màu, nâng cao hiệu quả xử lý nước ô nhiễm Lượng than này cũng dễ dàng chia thành ba phần để thực hiện thí nghiệm đa bậc.
Khối lượng than mỗi lần thêm 0.2g; Thời gian tối ưu mỗi lần (phút) 5’
Hiệu suất 0 17 44 51 Đồ thị so sánh hiệu suất xử lý ở từng bậc
Cốc Nồng độ C(mg/l) Hiệu suất
Hình 2.3: Đồ thị so sánh hiệu suất xử lý ở từng bậc
Nhận xét: Kết quả cho thấy ở từng bậc khác nhau hiệu suất xử lý sẽ khác nhau.
Nồng độ có xu hướng giảm sau mỗi bậc do than đã hấp phụ độ màu ở trong nước. Hiệu suất tăng dần
Hình 2.4: So sánh khả năng hấp phụ thí nghiệm đơn bậc và đa bậc
Hiệu suất xử lý của quá trình hấp phụ dạng đơn bậc cao hơn so với đa bậc, như thể hiện trong đồ thị hình 2.4 Mặc dù hấp phụ đa bậc được kỳ vọng sẽ hiệu quả hơn do việc chia nhỏ khối lượng trong cùng một khoảng thời gian, nhưng thực tế cho thấy rằng lượng than nhỏ hấp phụ từ từ lại không đạt hiệu suất xử lý tốt hơn.
Nguyên nhân: Do thao tác người thí nghiệm, cân than sai, khi khuấy vẫn còn than ở trên bề mặt, lọc nước chưa sạch, Đồ thị Phương trình Langmuir:
Do tham số qmax=-1.6234 tính toán từ phương trình âm do:
Thời gian xác định ở từng khối lượng than là sai.
Khi tiến hành thí nghiệm có thể do không lọc kĩ mẫu làm mẫu bị nhiễm than dẫn đến sai số hoặc thao tác thực hiện có vấn đề.
28 Đồ thị Phương trình Freundlich:
Phương trình Freundlich: logC cb = lgK + n*logq
Đồ thị minh họa mối quan hệ giữa dung lượng hấp phụ và nồng độ cân bằng của chất ô nhiễm Kết quả từ đường đẳng nhiệt hấp phụ cho thấy dung lượng hấp phụ có xu hướng tăng dần Cụ thể, khi nồng độ chất ô nhiễm tăng, dung lượng hấp phụ cũng sẽ tăng theo.
R 2 gần đến 1 Có thể áp dụng phương trình Freundlich cho quá trình hấp phụ than hoạt tính
Thí nghiệm 3: Hấp phụ dạng cột
Độ pha loãng%/10=2.5 Phương trình đường chuẩn: y=0.0244x+0.0024
Thời gian Độ hấp thu
A Nồng độ C Độ hấp thu A Nồng độ C
Hình 2.5: Đồ thị biến thiên nồng độ đầu ra theo thời gian ở 2 lưu lượng
Lưu lượng là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý của than hoạt tính Khi sử dụng cùng một lượng than và thời gian, lưu lượng khác nhau sẽ dẫn đến kết quả xử lý khác nhau Cụ thể, ở lưu lượng Q=0.5 L/h, nồng độ chất ô nhiễm giảm nhiều hơn so với Q=1 L/h, cho thấy nước ở Q=0.5 L/h sạch hơn Điều này xảy ra vì ở Q=0.5 L/h, thể tích mẫu qua than ít hơn, cho phép than hấp phụ hiệu quả hơn so với Q=1 L/h, nơi cần phải xử lý thể tích mẫu lớn hơn trong cùng một khoảng thời gian.
Trong khoảng thời gian từ 0-5 phút, nồng độ giảm mạnh do than hấp phụ, sau đó có sự tăng nhẹ từ 5-35 phút so với nồng độ ban đầu Tiếp theo, nồng độ tiếp tục tăng dần cho đến khi trở về mức ban đầu, đồng thời độ đục và độ màu cũng gia tăng Khi than đã hết khả năng hấp phụ, việc để lâu sẽ làm tăng độ đục và độ màu của nước đầu ra Do đó, cần phải hoàn nguyên hoặc thay than để tránh hiện tượng bão hòa.
Trả lời câu hỏi
Câu 1: Thế nào là than hoạt tính?
Than hoạt tính là một dạng thù hình của carbon, được sản xuất từ nguyên liệu tự nhiên như xơ dừa, tre và gỗ thông qua quá trình hoạt hóa hóa lý Quá trình này diễn ra ở nhiệt độ từ 900 – 1000°C trong môi trường chân không, tạo ra vật chất với cấu trúc mao mạch, diện tích bề mặt lớn và khối lượng riêng thấp Thành phần chính của than hoạt tính bao gồm 85-90% carbon, 6-7% oxy, 1% lưu huỳnh, 0.5% nitơ và 0.5% hydro.
Than hoạt tính có bề mặt riêng lớn từ 500 đến 2500 m²/g, với cấu trúc nhiều lỗ rỗng và ngóc ngách giống như một hang động nhỏ Nó có khả năng hấp phụ các loại khí có liên kết ion hoặc cộng hóa trị phân cực Nguyên liệu sản xuất than hoạt tính bao gồm than đá, gỗ, gáo dừa, vỏ trấu và tre.
Tác dụng chính của than hoạt tính là hấp thu cặn bẩn, hóa chất, lọc khí, nước nên được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành, lĩnh vực.
Câu 2: Những ảnh hưởng đối với quá trình hấp phụ bằng than hoạt tính?
Nồng độ chất bị hấp phụ có ảnh hưởng lớn đến khả năng hấp phụ; khi độ tan của chất bị hấp phụ tăng, khả năng hấp phụ sẽ giảm Đối với các chất hấp phụ hữu cơ, khả năng hấp phụ sẽ tăng lên khi pH giảm.
pH có ảnh hưởng đáng kể đến diện tích bề mặt của vật liệu hấp phụ và chất bị hấp phụ Đối với các chất hữu cơ, khi pH giảm, quá trình hấp phụ sẽ tăng lên.
- Phương pháp xử lý như hấp phụ theo mẻ (đơn bậc hay đa bậc) hoặc hấp phụ dạng cột thì hiệu qua sẽ khác nhau rõ rệt
- Nhiệt độ: Khi nhiệt độ tăng, khả năng hấp phụ giảm.
Câu 3: Ý nghĩa của phương trình Langmuir và Freundlich
Phương pháp Langmuir được áp dụng để dự đoán sự hấp phụ tuyến tính trong điều kiện mật độ hấp phụ thấp, đồng thời xác định độ che phủ bề mặt tối đa khi nồng độ kim loại tan cao.
Phép đo Freundlich thể hiện sự biến thiên của lượng khí bị hấp phụ bởi một đơn vị khối lượng chất hấp phụ rắn khi áp suất thay đổi trong một nhiệt độ nhất định Trong trường hợp này, các biến số bao gồm lượng khí và áp suất, trong khi khối lượng chất hấp phụ rắn và nhiệt độ được giữ cố định.
Câu 4 : Ý nghĩa của quá trình thí nghiệm dạng mẻ và dạng cột
Hấp phụ dạng cột là quá trình hấp phụ diễn ra nhờ các lực liên kết vật lý, như lực liên kết Vander Waals, giữa chất bị hấp phụ và bề mặt chất hấp phụ Trong quá trình này, các hạt bị hấp phụ vật lý có khả năng di chuyển tự do trên bề mặt chất hấp phụ, dẫn đến sự hình thành nhiều lớp phân tử, tạo nên quá trình hấp phụ đa lớp.
Hấp phụ dạng mẻ là quá trình trong đó xảy ra phản ứng hoá học giữa chất bị hấp phụ và chất hấp phụ Trong xử lý nước thải, quá trình này thường kết hợp cả hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học.
Câu 5: Cách hoàn nguyên than hoạt tính
Phương pháp thu hồi các chất bị hấp phụ từ than hoạt tính có thể thực hiện qua nhiều cách khác nhau, bao gồm trích ly bằng dung môi hữu cơ, điều chỉnh mức độ phân ly của chất điện ly yếu trong dung dịch cân bằng, chưng bay hơi các chất bẩn, hoặc cho chất bẩn bay hơi cùng với các dòng khí trơ để vận chuyển nhiệt.
Đôi khi, cần thực hiện các phản ứng hóa học để chuyển đổi các chất bẩn đã bị hấp phụ thành sản phẩm, sau đó tiến hành khử hấp phụ bằng các biện pháp thích hợp.
Khi chọn dung môi trích ly các chất bẩn đã bị hấp phụ ở than phải tuân theo những yêu cầu sau:
• Độ hòa tan chất bẩn trong dung môi phải lớn hơn trong nước Hệ số phân bố của chất này khi trích ly phải sao cho lớn hơn 1.
Dung môi cần có khả năng thẩm thấu tốt vào bề mặt than, với độ nhớt và nhiệt độ sôi thấp, dễ bay hơi cùng với hơi nước Điều này giúp tách dung môi khỏi chất bẩn một cách hiệu quả mà không cần sử dụng nhiều nhiệt lượng Ngoài ra, dung môi không được là nhiên liệu dễ cháy hoặc phải có nhiệt độ tạo hơi cao, đồng thời không tạo ra hỗn hợp nổ với không khí trong điều kiện khử hấp phụ.
Trong nghiên cứu và sản xuất tại các trạm xử lý nước thải công nghiệp, để trích ly chất bẩn bị hấp phụ trên than, người ta thường sử dụng các chất như metylclorua ở dạng hơi bão hòa kết hợp với hỗn hợp ngưng lỏng cloetan, metanol, etanol, axeton và benzen Tuy nhiên, do tính dễ cháy của nhiều chất này, việc sử dụng chúng không phổ biến Gần đây, nghiên cứu đã chuyển hướng sang việc sử dụng cloroform cùng với rượu đơn chức và đa chức.
Phương pháp khử hấp phụ hiệu quả nhất là sử dụng các chất hữu cơ điện ly yếu, giúp chuyển đổi phân tử thành dạng phân ly Các ion từ hợp chất này sẽ thẩm thấu vào dung dịch trong lỗ hổng của than Để làm sạch than, có thể sử dụng nước nóng hoặc dung dịch axit (đối với hấp phụ kiềm) hoặc kiềm (đối với hấp phụ axit hoặc phenol) Đối với các chất không điện ly nhưng dễ thủy phân trong môi trường kiềm như cloral và đinitroclobenzen, việc phun kiềm lên than sẽ tạo ra phản ứng, dẫn đến sự phân ly thành ion như formiat và đinitrophenolat, từ đó có thể rửa sạch than bằng nước.
Khi bay hơi các chất đã bị hấp phụ trong than, áp suất toàn phần của hơi trong các lỗ hổng nhỏ của than giảm Kết quả là quá trình khử hấp phụ chủ yếu diễn ra ở bề mặt ngoài của hạt, dẫn đến hàm lượng chất bẩn hòa tan trong nước ngưng giảm đáng kể Do đó, điều kiện tối ưu để chưng cất chất bẩn ra khỏi than là duy trì áp suất dư từ 3 đến 6 at.
Lượng hơi toàn phần tiêu hao cho việc hoàn nguyên vật liệu hấp phụ bao gồm: hơi tiêu hao cho nước còn lại trong các lỗ hổng của than và trong khe hở của hạt sau khi xả nước khỏi tháp bay hơi, hơi tiêu hao cho việc đun nóng lớp vật liệu đến nhiệt độ cần thiết để các chất bẩn bay hơi khỏi lỗ hổng của than, và hơi tiêu hao cho việc vận chuyển hơi của chất bẩn từ tháp lọc sang thiết bị trao đổi nhiệt.
Giới thiệu chung
Nước cứng là nước có nồng độ cao các ion hóa trị 2, chủ yếu là canxi và magie, với độ cứng trên 120 mg/L CaCO₃ Độ cứng của nước được chia thành hai loại: độ cứng tạm thời (độ cứng carbonate) và độ cứng vĩnh cửu.
- Độ cứng tạm thời: tổng hàm lượng muối canxi,magie ở dạng bicarnonate
- Độ cứng vĩnh cữu: tổng hàm lượng muối canxi, magie ở dạng sufate,choride.
Nước cứng không gây hại cho sức khỏe nhưng làm giảm hiệu quả của xà phòng, tạo cặn bám trong ống dẫn và thiết bị công nghiệp, từ đó giảm khả năng hoạt động và tuổi thọ của chúng Ngoài ra, nước cứng còn ảnh hưởng đến thẩm mỹ của nguồn nước và làm tăng chi phí năng lượng khi đun nước.
Quá trình làm mềm nước nhằm loại bỏ độ cứng khỏi nước, với nhiều phương pháp xử lý như hóa chất, nhựa trao đổi ion và màng lọc NF Trong số đó, phương pháp hóa học và trao đổi ion là hai phương pháp phổ biến nhất được ứng dụng.
Phương pháp trao đổi ion là một kỹ thuật phổ biến trong xử lý nước thải và nước cấp, giúp loại bỏ muối, cứng, khoáng, nitrat, màu sắc, kim loại nặng và các ion hóa học khác trong nước.
Khử cứng carbonate bằng vôi
Khi cho vôi vào nước, các phản ứng xảy xa
CO 2 + Ca(OH) 2 → CaCO 3 + H 2 O ( kết tủa khi pH = 8.3 )
Ca(HCO3 )2 + Ca(OH)2→ 2CaCO3 + 2H2O ( kết tủa khi pH=9.4)
Mg(HCO 3 ) 2 + Ca(OH) 2 →MgCO 3 + CaCO 3 +2H 2 O
Thêm vôi vào để loại bỏ MgCO 3
MgCO 3 + Ca(OH) 2 → CaCO 3 + Mg(OH) 2 ( kết tủa khi pH.6 )
Nước cứng được hòa trộn nhanh với hóa chất (hóa chất vôi, soda hay kết hợp với vôi - soda)
Sau khi hòa trộn, hỗn hợp sẽ được chuyển đến bể phản ứng để tạo kết tủa Trước khi vào bể lọc, nước sẽ được tái carbonic để hạ pH, giúp bể lọc hoạt động hiệu quả hơn, ngăn ngừa kết tủa bám dính lên bề mặt bể lọc và giảm độ nhớt của nước khi pH cao.
Phương pháp bể phản ứng tầng sôi (Pellet Reactor)
Pellet Reactor (PR) là một loại bể phản ứng tầng sôi hoặc bể phản ứng dòng trên, bao gồm một cột phản ứng tầng sôi Trong PR, nước được bơm vào cùng với hóa chất và cát xử lý Để khử cứng, hóa chất được sử dụng là vôi và soda.
PR tận dụng những lợi thế của các phương pháp sử dụng hóa chất vôi và soda, nhờ vào tính đơn giản, chi phí thấp và hiệu suất cao Đồng thời, PR cũng khắc phục những nhược điểm của các phương pháp khuấy trộn và bể lắng.
Các phản ứng xảy ra
CO3 2- + H2O Ưu điểm nổi trội của bể phản ứng tầng sôi so với quá trình khuấy trộn
- Loại bỏ Canxi hiệu quả cao
- Kích thước bể phản ứng tầng sôi nhỏ gọn, dễ lắp đặt, xử lý liên tục trong nhiều ngày
- Không tốn phí đầu tư, cát dễ tìm, giá thành rẻ
- Sử dụng bể phản ứng tầng sôi trước hệ thống trao đổi ion có thể giảm chi phí để đo độ cứng, đồng thời tăng tuổi thọ của nhựa
Nếu dùng cho mục đích loại bỏ độ cứng magie, bể phản ứng tầng sôi hoạt động không hiểu quả
Phương pháp trao đổi ion
Phương pháp trao đổi ion là một kỹ thuật quan trọng trong xử lý nước thải và nước cấp, giúp loại bỏ các muối, cứng, khoáng, nitrat, màu sắc, kim loại nặng và các ion kim loại khác Quá trình này diễn ra thông qua các phản ứng hóa học giữa các ion trong pha lỏng và pha rắn, cụ thể là nhựa trao đổi ion.
Nhựa trao đổi ion, hay còn gọi là ionit, được chia thành hai loại chính: cationit, có khả năng hấp thu các ion dương, và anionit, có khả năng hấp thu các ion âm.
Quá trình trao đổi với cationit:
Quá trình trao đổi với anionit: R-OH + HCl ↔ R-Cl + H 2 O
Phân loại : có 4 loại nhựa:
- Rửa chậm và nhanh a Xác định độ cứng Calci
Xác định độ kiềm: Chọn Metyl cam vì Metyl cam có phổ pH rộng
Thực hành
Thí nghiệm 1:Loại bỏ độ cứng bằng hóa chất theo mẻ
Pha mẫu: Chuẩn bị mẫu nước 300mg/l CaCO3 (120mg/l Ca 2+ ) × −
Xác định hóa chất để loại bỏ độ cứng vĩnh cữu
Cân 0.694g CaCl2+ 2L nước tạo thành dung dịch có nồng độ 120mg Ca 2+/ L Khối lượng hóa chất cần dùng để loại bỏ 400ml nước mẫu nước cứng có nồng độ Ca 2+ là 120ppm nNa 2 CO 3 = (0.4×120×10 −3 )/40 =1,2×10 -3 (mol) mNa2CO3 =1,2×10 -3 ×106= 0,1272(g) Khối lượng Na2CO3 lần lượt là 1 ; 1.2 ; 1.5 m1= 0,1272g m2 =0,15264g (1,2×m1) m3= 0,1908g (1,5×m1)
Thí nghiệm 4: Sử dụng nhựa cationit để làm mềm nước theo cột
Kết quả
Thí nghiệm 1:Loại bỏ độ cứng bằng hóa chất theo mẻ
Tỉ lệ hóa chất Ban đầu 1 1.2 1.5
Nồng độ Ca 2+ 111.022 13.6272 5.6112 3.2064 Độ kiềm 84 174 204 324 pH 7.2 10.04 10.33 10.39
350 300 250 200 150 100 50 0 Đồ thị mối quan hệ giữa tỉ lệ hóa chất Na 2 CO 3 và hiệu suất xử lí
Nồng độ Ca2+ Độ kiềm Hiệu suất Ca2+(%)
Hình 3.1: Đồ thị mối quan hệ giữa tỉ lệ hóa chất Na 2 CO 3 và hiệu suất xử lí Ca 2+
Khi tăng lượng hóa chất Na2CO3 từ 1 lên 1.5 lần, hiệu suất xử lý canxi tăng lên và pH cũng dần tăng, dẫn đến độ kiềm tăng Tại tỉ lệ 1.5x m 1, nồng độ Ca 2+ sau xử lý là thấp nhất và độ kiềm trong nước cao nhất so với các tỉ lệ khác, cho thấy đây là tỉ lệ mang lại hiệu quả xử lý tốt nhất.
Thí nghiệm 2: Sử dụng nhựa cationit để làm mềm nước theo mẻ
Ca 2+ sau xử lý 0 4.81 6.01 10.42 13.63 18.84 pH đầu 7.3 7.43 7.69 8.01 8.84 9.29 pH sau 9.14 8.43 8.51 7.63 8.12
Hiệu suất% 77.36 85.44 82.31 82.74 81.35 Độ kiềm ban đầu 50 42 45 34 33 35 Độ kiềm sau xử lí 64 46 53 49 36 44
Canxi giữ lại trong nhựa(mg) 0 65.73 141.08 193.99 261.32 328.66 Canxi giữ lại trong 1g nhựa(mg/g) 0 13.15 28.22 38.80 52.26 65.73
Xác định Ca 2+ lấy 50mL, nên sau khi xử lí Ca 2+ thì 50mL sẽ có ( đ ầ − ) mg nhựa nên 200mL mỗi mẫu sẽ có
Canxi giữ lại trong nhựa (mg) = ( đ ầ − ) 200
Canxi giữ lại trong 1g nhựa(mg/g nhựa)= ữ ạ ℎự ( )
C an xi g iữ lạ i t ro n g 1 g n h ự a( m g /g n h ự a)
Hình 3.2: Đồ thị của lượng canxi trong nhựa trao đổi (mg canxi/g nhựa trao đổi) và nồng độ canxi trong dung dịch.
Nhận xét từ đồ thị cho thấy rằng khi nồng độ canxi trong nước tăng, lượng canxi trao đổi trong nhựa cũng gia tăng Đặc biệt, ở nồng độ 100ppm, hạt nhựa vẫn tiếp tục tăng, cho thấy rằng nó chưa đạt đến trạng thái bão hòa.
Thí nghiệm 3: Sử dụng nhựa cationit để làm mềm nước theo thời gian
Ca2+ 40.08 25.65 18.44 9.22 13.63 18.04 pH 7.31 7.75 8.44 8.83 8.37 8.64 Độ kiềm tổng cộng 45 40
Canxi giữ lại trong nhựa(mg) 19.24 28.86 41.15 35.27 29.39 Canxi giữ lại trong 1g nhựa(mg/g nhựa) 1.283 1.924 2.743 2.351 1.959
C an xi g iữ lạ i t ro ng 1 g nh ựa (m g/ g nh ựa )
Hình 3.3 Đồ thị của lượng canxi giữ lại trong 1g nhựa (mg canxi/g nhựa trao đổi) theo thời gian
Nhận xét từ đồ thị cho thấy rằng khả năng trao đổi của nhựa tăng lên khi thời gian tăng Trong khoảng thời gian từ 20 đến 45 phút, lượng canxi trong nhựa trao đổi giảm, điều này cho thấy khả năng trao đổi của nhựa đã đạt đến trạng thái bão hòa.
Thí nghiệm 4: Sử dụng nhựa cationit để làm mềm nước theo cột
Thí nghiệm cationit làm mềm nước dạng cột
Trong 5-10 phút đầu, nồng độ canxi trong nước giảm nhanh chóng từ 43.29 ppm xuống khoảng 4.41 ppm Sau thời gian này, nồng độ canxi bắt đầu tăng dần, cho thấy hiện tượng bão hòa của nhựa Do đó, cần tiến hành hoàn nguyên nhựa sau 10 phút vận hành.
Trả lời câu hỏi
Câu 1: Nêu các loại độ cứng
Có 2 loại độ cứng: độ cứng tạm thời và độ cứng vĩnh cữu
- Độ cứng tạm thời: tổng hàm lượng muối canxi và magie ở dạng bicarbonate.
- Độ cứng vĩnh cửu: tổng hàm lượng muối canxi và magie ở dạng sufate, choride.
Độ cứng ảnh hưởng đến sức khỏe con người bằng cách gây ra sỏi thận và tắc động mạch do cặn vôi tích tụ trong thành động mạch Điều này không chỉ làm giảm hiệu quả của xà phòng mà còn tạo ra cặn bám dính, có thể gây ảnh hưởng đến hệ thống ống dẫn trong cơ thể.
46 trong hệ thống làm mát và sưởi ấm, làm mất thẩm mỹ đối với nguồn nước và làm tốn nhiệt đun nước.
Câu 3: Các phương pháp xử lý độ cứng
• Phương pháp trao đổi ion
• Làm mềm nước bằng vôi và sođa (Na 2 CO 3 )
• Khử độ cứng cacbonat của nước bằng vôi
Câu 4: Nguyên tắc trao đổi ion
Trao đổi ion là quá trình hóa học trong đó các ion trong nước được thay thế bởi các ion trong hạt nhựa Phản ứng này dựa vào tính chất mạnh - yếu của kim loại và sự tương tác giữa các ion mang điện tích âm và dương.
Ion mang điện tích dương như Ca²⁺ và Mg²⁺ di chuyển tự do trong nước sẽ dễ dàng thay thế các ion Cl⁻ và Na⁺ tích trữ trong hạt nhựa, từ đó đẩy các ion yếu hơn ra ngoài.
Câu 5: Trình bày một số loại nhựa đang được sử dụng trên thị trường hiện nay.Ưu nhược điểm.
Nhựa trao đổi cation acid mạnh có khả năng chuyển đổi muối trung tính thành acid tương ứng khi hoạt động theo chu trình H\(^+\), hoặc thành muối tương ứng khi hoạt động theo chu trình Na\(^+\).
• Nhựa trao đổi cation acid yếu: khả năng trao đổi muối kiềm thành acid yếu tương ứng nhưng không thể trao đổi với muối trung tính
• Nhựa trao đổi anion bazo mạnh: có chứa lượng lớn các nhóm kiềm mạnh
Nhựa trao đổi anion bazo yếu chứa các nhóm kiềm yếu như amin bậc một (-NH₂, -NHR, -NR₂) có khả năng phân ly trong nước và tạo ra OH⁻ Nhựa anion kiềm yếu có khả năng hấp thu các ion dương trong dung dịch, dẫn đến hiệu ứng trao đổi anion Chúng hoạt động hiệu quả trong điều kiện trung tính hoặc axit và thường được tái sinh bằng Na₂CO₃ hoặc NH₄OH.
- Loại bỏ các chất vô cơ hòa tan một cách hiệu quả, năng lượng tiêu tốn nhỏ.
- Có khả năng tái sinh, nên tiết kiệm được chi phí.
- Đầu tư ban đầu thấp.
- Không loại bỏ được các chất hữu cơ, vi sinh vật.
Chỉ nên sử dụng sau khi nước đã được xử lý thô ban đầu Nếu nước vẫn còn chứa các hợp chất hữu cơ hoặc ion Fe 3+, chúng sẽ bám vào các hạt nhựa ion, làm giảm hiệu quả xử lý của hạt.
- Chi phí vận hành cao trong thời gian dài, do cần dùng đến hóa chất để tái sinh
BÀI THỰC HÀNH SỐ 4 KEO TỤ - TẠO BÔNG BẰNG PHÈN
Giới thiệu chung
Lắng là quá trình làm giảm hàm lượng cặn lơ lửng trong nước nguồn bằng các biện pháp sau:
• Lắng bằng trong lực với các hạt cặn có tỷ trọng lớn hơn nước.
• Lắng bằng lực ly tâm tác dụng vào các hạt cặn.
• Lắng bảng lực đẩy nổi do các bọt khí dính bám vào các cặn ở bể tuyển nổi Lắng được chia làm 4 loại:
Lắng rời rạc xảy ra khi nồng độ chất lơ lửng đạt 1000 mg/L Trong quá trình này, các hạt có khả năng kết dính với nhau để tạo thành những bông cặn lớn hơn Vận tốc lắng được xác định thông qua các thí nghiệm thực tế.
Lắng cản trở xảy ra khi nồng độ chất rắn vượt quá 1000 mg/L, dẫn đến việc các hạt có xu hướng nằm gần nhau và hình thành các mảng lớn Hiện tượng này gây cản trở quá trình lắng của các hạt riêng lẻ.
Khi nồng độ chất lơ lửng đạt mức rất cao, quá trình lắng nén diễn ra, dẫn đến việc xả ra chất lỏng Trong giai đoạn này, nước bị ép lên trên do các hạt rắn di chuyển xuống dưới, hiện tượng này thường xảy ra ở cuối bể.
Lắng bông tụ xảy ra khi nồng độ chất rắn vượt quá 1000 mg/L Trong quá trình này, các hạt có khả năng kết dính với nhau, tạo thành những bông cặn lớn hơn Vận tốc lắng được xác định thông qua các thí nghiệm thực tế.
Cách xác định hiệu quả lắng:
1 Xác định nồng độ SS ban đầu
2 Xác định nồng độ SS còn lại sau mỗi thời gian lắng tại điểm lấy mẫu.
3 Tính hiệu suất lắng tại mỗi điểm lấy mẫu tương ứng với thời gian.
4 Vẽ đường cong nội suy
5 Xác định hiệu suất lắng theo phương trình
Thực hành
Thí nghiệm 1:Xác định pH tối ưu
Định Keo tụ- Phân tích lượng
Tạo bông mẫu hóa chất
• Bước 1: Định lượng hóa chất
Chuẩn bị hai cốc jartest, cho 400ml mẫu nước vào, 1 cốc để tăng pH, 1 cốc hạ pH
Cho 0,3ml phèn vào -> Khuấy
Chỉnh pH ở các giá trị 4,5,6,7,8,9 bằng hóa chất chất NaOH hoặc H2SO4 0.1N
Ghi nhận lượng NaOH và H2SO4 đã sử dụng ứng với từng độ pH
- Bước 2+ Bước 3: Keo tụ- Tạo bông+Phân tích mẫu
Thí nghiệm 2:Xác định liều lượng phèn tối ưu
Định Thí nghiệm lượng lượng phèn hóa chất thay đổi
• Bước 1: Định lượng hóa chất
• Bước 2+ Bước 3: Thí nghiệm lượng phèn thay đổi+ Phân tích mẫu
Thí nghiệm 3:Vận hành mô hình cột lắng
B1:Tính toán lưu lượng vận hành mô hình
Dựa vào lượng phèn tối ưu và pH tối ưu đã xác định ở TN1 và TN2, chúng ta có thể tính toán lượng phèn tối ưu cùng với lượng NaOH 0,1N hoặc H2SO4 0,1N cần thiết cho thể tích mẫu trong mô hình lắng Sau khi trộn phèn, nước sẽ được khuấy nhanh để đảm bảo sự hòa tan và phân bố đồng đều.
100 rpm trong 1 phút và bơm vào cột lắng.
B2+B3: Vận hành mô hình và phân tích mẫu bao gồm các bước sau: Bơm nước để làm đầy mô hình cột lắng, khuấy chậm với tốc độ 30 rpm trong 15 phút Sau khi dừng khuấy, lấy mẫu tại thời điểm t=0 và đo hàm lượng SS ban đầu Tiến hành đo hàm lượng SS tại mỗi chiều cao cột theo từng thời gian t (5, 10, 15 phút).
Kết quả
Thí nghiệm 1:Xác định pH tối ưu
pH ban đầu 7 Độ đục ban đầu(NTU) 56.6 56.6 56.6 56.6 56.6 56.6 pH 4 5 6 7 8 9
V NaOH(mL) x x 0.1 0.15 0.2 0.25 pH sau khi thêm hóa chất 4.26 4.89 6.45 7.35 8.24 9.06 Độ đục sau(NTU) 13.1 7.11 2.22 4.76 7.4 3.11
Hiệu suất xử lí % 77 87 96 92 87 95 pH sau 4.8 5.05 6.3 7.7 8.3 9.1 Đ Ộ Đ Ụ C (N T U )
120 100 80 60 40 20 0 Độ đục ban đầu(NTU) Độ đục sau(NTU) Hiệu suất xử lí %
Hình 4.1:Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa pH và độ đục, hiệu suất sau xử lí
Mặc dù pH đã được điều chỉnh bằng NaOH và H2SO4 sau khi thêm phèn, nhưng độ đục vẫn tăng giảm không theo xu hướng rõ ràng sau khi lắng và loại bỏ cặn Nguyên nhân có thể là do quá trình phân ly của phèn, sự lắng cặn, hoặc do việc thêm hóa chất và đo pH không chính xác.
- Ta chọn pH tối ưu =6
• Ta thấy hiệu suất xử lí tăng từ pH =4 đến pH=6
• Hiệu suất xử lí tại pH =6 đã lên đến 96%
• Nếu thêm hóa chất để nâng pH thì hiệu suất xử lí tăng không quá nhiều nên để tiết kiệm hóa chất ta chọn pH=6 là tối ưu nhất
• pH=6 có độ đục thấp nhất, bông bùn mịn và hấp thu tốt nhất.
Thí nghiệm 2:Xác định liều lượng phèn tối ưu
pH 6 Độ đục ban đầu(NTU) 53.6 53.6 53.6 53.6 53.6 53.6
Lượng phèn (mL) 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Độ đục sau xử lí(NTU) 4.86 6.95 4.17 4.09 2.85 6.71
Hiệu suất xử lí(%) 91 87 92 92 95 87 Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa lượng phèn và hiệu suất xử lí
Lượng phèn(mL) Độ đục ban đầu(NTU) Độ đục sau xử lí(NTU) Hiệu suất xử lí(%)
Hình 4.2: Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa lượng phèn và hiệu suất xử lí
Đồ thị cho thấy độ đục biến động không đồng đều, điều này có thể do quá trình phân ly của phèn, lắng cặn, hoặc do việc thêm hóa chất và đo pH không chính xác.
Lượng phèn tối ưu để đảm bảo chất lượng nước đầu ra sau khi xử lý là 0.5ml, đặc biệt là trong mẫu có độ đục thấp nhất Sử dụng 0.5ml phèn mang lại hiệu suất cao nhất trong quá trình xử lý nước.
Thí nghiệm 3:Vận hành mô hình cột lắng
pH tối ưu =6 Phèn tối ưu =0.5mL
V NaOH để đạt pH tối ưu4.5mL
Vẽ bằng AUTOCAD, ta xác định được tại H% ta có được thời gian chính xác như sau:
Hình 4.3:Thể hiện đường cong cột lắng theo hiệu suất và thời gian lắng
Tức là sau 25’ cột lắng này sẽ loại bỏ được 36.61% các hạt trong nguồn nước
Tức là sau 49’ cột lắng này sẽ loại bỏ được 54,26% các hạt trong nguồn nước
Tức là sau 76’ cột lắng này sẽ loại bỏ được 67.902% các hạt trong nguồn nước
Biểu đồ 4.4 cho thấy mối quan hệ giữa thời gian và hiệu suất tại thời điểm t Khi có đầu vào và đầu ra, chúng ta có thể tính toán hiệu suất xử lý để đạt được đầu ra mong muốn Dựa vào biểu đồ này, ta có thể xác định thời gian lưu nước cần thiết để đạt được hiệu suất ở một độ cao nhất định, từ đó xác định chiều cao thiết kế của bể lắng.
Trả lời câu hỏi
Câu 1: Thế nào là keo tụ - tạo bông? Các yếu tố ảnh hưởng đến keo tụ - tạo bông?
Quá trình keo tụ là phương pháp cho các chất keo tụ hay còn gọi là
Quá trình keo tụ trong nước sử dụng coagulant để bổ sung các hạt keo mang điện tích dương, giúp trung hòa điện tích của các chất có trong nước Sự keo tụ xảy ra thông qua tiếp xúc trực tiếp và tương tác giữa các phân tử chất keo tụ với các hạt lơ lửng trong nước.
Việc bổ sung các hạt keo làm tăng thế điện động Zeta (ξ) trong nước, giúp phá vỡ độ bền của hạt keo và ngăn cản sự chuyển động hỗn loạn Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình liên kết và hình thành bông keo tụ.
Thế điện động Zeta (ξ) là sự chênh lệch điện thế giữa lớp bề mặt của hạt keo và dung dịch Khi thế Zeta càng âm, lực đẩy giữa các hạt keo càng yếu, dẫn đến quá trình keo tụ diễn ra nhanh hơn Tại điểm đẳng điện, khi điện thế ξ bằng không, tốc độ đông tụ đạt mức tối đa.
Quá trình keo tụ xảy ra khi các phân tử chất keo tụ tương tác trực tiếp với các hạt lơ lửng trong nước Sự kết cụm của các hạt này là kết quả của việc hình thành cầu nối giữa các nhóm hoạt tính trên hạt keo Khi điện tích được trung hòa, các hạt lơ lửng nhỏ có khả năng kết dính với nhau, tạo thành những hạt lớn hơn, mặc dù vẫn không thể nhìn thấy bằng mắt thường.
Quá trình tạo bông, hay còn gọi là Flocculation, là quá trình liên kết các bông cặn sau khi keo tụ, tạo thành các bông cặn lớn có thể quan sát được Khuấy động giúp tăng kích thước bông cặn, làm cho chúng nặng hơn nước và dễ dàng kết tủa Khi lắng xuống, các bông cặn này sẽ bắt giữ các hạt keo, từ đó nâng cao hiệu quả trong xử lý nước.
Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ tạo bông
- Liều lượng chất keo tụ không phù hợp:
Quá trình keo tụ và tạo bông diễn ra qua nhiều phản ứng khác nhau Vì vậy, việc tính toán và điều chỉnh liều lượng chất keo tụ là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả của quá trình này.
Tốc độ dòng chảy, nồng độ và tính chất của nước là những yếu tố quan trọng để điều chỉnh liều lượng sử dụng Khi lượng chất lơ lửng tăng, cần tăng cường lượng chất keo tụ Ngược lại, nếu lượng chất hữu cơ giảm, thì lượng chất keo tụ cũng sẽ tăng lên.
- Tốc độ trộn và chất keo tụ:
Chất keo tụ thường thủy phân nhanh trong nước, vì vậy cần có tốc độ trộn nhanh để tạo ra lượng lớn hạt microfloc Đồng thời, các hạt pinflocs dễ phân tán vào nước, do đó cần hình thành các bông cặn lớn một cách nhanh chóng.
Nhiệt độ là yếu tố quan trọng đầu tiên ảnh hưởng đến sự chuyển động của các hạt keo Khi nhiệt độ nước tăng, chuyển động hỗn loạn của các hạt keo cũng gia tăng, dẫn đến tần suất va chạm tăng lên và hiệu quả kết dính của các hạt keo được cải thiện.
Nghiên cứu thực tế cho thấy rằng khi nhiệt độ tăng, lượng phèn cần để keo tụ sẽ giảm Đồng thời, thời gian và cường độ khuấy trộn cũng giảm theo.
Nhiệt độ lý tưởng cho quá trình keo tụ bằng phèn nhôm là từ 20 đến 40℃, với mức tối ưu là 35 đến 45℃ Trong khi đó, phèn sắt (Fe) khi thủy phân ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, cho phép sử dụng phèn Fe ở nhiệt độ nước 0℃ để làm chất keo tụ.
- Khi pH < 4,5 thì không xảy ra phản ứng thủy phân.
- Khi pH > 7,5 làm cho muối kiềm kém tan và hiệu quả keo tụ bị hạn chế.
- Phèn nhôm đạt hiệu quả cao nhất khi pH = 5,5 – 7,5.
Câu 2: Những hóa chất thường dùng để keo tụ
Sunfat Nhôm, Al2(SO4)3.18H2O Sulfat nhôm tinh chế
Oxy clorit nhôm Al2(OH)3Cl Clorit sắt: FeCl3.6H2O
Sunfat Sắt II: FeSO4.7H2O Sunfat sắt III
Hỗn hợp Sắt III sunfat và Sắt III Clorua
Hỗn hợp Nhôm sulfat và sắt III Clorua Poly Aluminum Chloride (PAC)
Aln(OH)mCl(3n-m) -> Al12(OH)24AlO4(H2O12)127
Poly Aluminum Chloride Sunfat: PACS Poly Aluminum Silica Sulfat: PASS Poly Ferric Chloride: PFC
Poly Aluminum Ferric Chloride: PAFC Poly Aluminum Sulicate Chloride: PASC Poly Ferric Silicate Chloride: PFSC Poly Aluminum Ferric Silicate Chloride: PASC
Vôi :có công dụng làm mất ổn định hệ keo, khử photpho trong nước thải có độ kiềm thấp và hàm lượng P dao động nhiều
- Liều lượng thường áp dụng (mg/l): 150-500
Keo tụ nước thải có độ kiềm cao, hàm lượng P ổn định
- Liều lượng thường áp dụng (mg/l): 75 – 250
Trợ keo tụ đối với nước thiếu cation
- Liều lượng thường áp dụng (mg/l): 2 – 5
- pH keo tụ: không đổi
Trợ keo tụ đối với nước thải thiếu anion và làm dai, bền bông cặn trước khi đưa vào lọc.
- Liều lượng thường áp dụng (mg/l): 0.25 – 1
- pH keo tụ: Không đổi
Cặn tạo độ đục Áp dụng khi hàm lượng keo trong nước thải thấp khó tạo bông cặn
- Liều lượng thường áp dụng (mg/l): 3 – 20
- pH keo tụ: không đổi
Câu 3: Ứng dụng của keo tụ - tạo bông?
Keo tụ – tạo bông là một phương pháp có nhiều ứng dụng thực tiễn, đặc biệt trong xử lý nước Ứng dụng của bể keo tụ – tạo bông trong lĩnh vực này rất rõ ràng và quan trọng.
Đối với các loại nước có màu sắc bất thường, độ đục cao và chứa nhiều chất rắn lơ lửng, việc ứng dụng keo tụ tạo bông là rất cần thiết.
Bể keo tụ tạo bông thường được lắp đặt trước các bể xử lý nước sinh học nhằm giảm tải các chỉ số ô nhiễm như TSS, COD và BOD.
- Ngoài ra loại bể này còn được ứng dụng rộng rãi trong việc xử lý nước cấp, nước mặt, nước ngầm.
Câu 4: Nêu các loại lắng Thường gặp trong hệ thống xử lí nào?
Lắng được chia làm 4 loại:
Lắng rời rạc xảy ra khi nồng độ chất lơ lửng đạt 1000 mg/L Trong quá trình này, các hạt có khả năng kết dính với nhau để tạo thành những bông cặn lớn hơn Vận tốc lắng được xác định thông qua các thí nghiệm thực tế.