Phương pháp hóa học làm sạch nguồn nước

nước thải chứa các axit vô cơ hay kiềm như nước thải của nhiều lĩnh vực thì cần trung hòa để đưa độ pH của dung dịch nước thải về pH 6.5-8.5. Việc lựa chọn các chất hòa trộn phụ thuộc vào thể tích và nồng độ nước thải

LỜI MỞ ĐẦU

Nước là nguồn tài nguyên quý giá và cần được bảo vệ Ngày nay, hoạt động công nghiệp đang diễn ra mạnh mẽ và nhanh chóng, dân số gia tăng … làm tăng nguy cơ

ô nhiễm môi trường và đặc biệt là nuồn tài nguyên nước Do đó, cần bảo vệ, sử

dụng hợp lý nguồn nước hiện có Phương pháp xử lý cuối đường ống vẫn là phươngpháp được nhiều doanh nghiệp chấp nhận Có nhiều phương pháp xử lý nước trong

đó có phương pháp hóa học

Phương pháp hóa học làm sạch nguồn nước bao gồm trung hóa, oxy hoá-khử và kết tủa Tất cả đều liên quan đến tác chất do đó chi phí lớn.Vì thế phương pháp này để loại các chất hòa tan và trong hệ thống cấp nước khép kín

NỘI DUNG A- Xử lý nước bằng phương pháp trung hòa

Mục đích: nước thải chứa các axit vô cơ hay kiềm như nước thải của nhiều lĩnh vực thì

cần trung hòa để đưa độ pH của dung dịch nước thải về pH 6.5-8.5 Việc lựa chọn các chất hòa trộn phụ thuộc vào thể tích và nồng độ nước thải

Việc lựa chọn phương pháp trung hòa tùy vào thể tích và nồng độ nước thải

1 Trung hòa bằng trộn nước thải chứa axit và nước thải kiềm

Ứng dụng: sử dụng khi trên KCN có nước thải của 1 số nhà máy chứa axit và một số nhà máy có nước thải chứa kiềm Người ta trộn nước axit và kiềm vào bình có cánh

khuấy hoặc không có cánh khuấy ( khuấy trộn bằng không khí )

Ví dụ : xử lý nước thải xi mạ

2 Trung hòa bằng cách cho thêm hóa chất vào nước thải

Ứng dụng : trung hòa nước thải có tính axit

Hóa chất sử dụng là : NaOH, KOH, sữa vôi, đôlômit Tuy nhiên tác chất rẻ nhất là sữa vôi Ca(OH)2 5-10% Đôi khi trung hòa người ta sử dụng các chất thải khác nhau

Ví dụ : xử lý nước thải có axit sunfuaric người ta dùng xỉ của hợp kim sắt – crom, luyên

- Nước chứa axit mạnh và muối kim loại này dễ tan trong nước như : HCl, HNO3…

- Nước chứa axit mạnh nhưng muối khó tan trong nước như : H2SO4…

Khi trung hòa nước thải chứa axit sunfuric bằng sữa vôi dễ gây lắng cặn làm tắc nghẽn thành ông , nên cần rửa chúng bằng nước sạch và cho thêm vào nước thải chất làm mềmnước hoặc tăng vận tốc dòng nước

Để trung hòa nước thải có tính kiềm người ta sử dụng các axit hoặc khí axit, ví dụ xử lýnước thải nhà máy bia…

3 Trung hòa nước thải chứa axit bằng cách lọc qua lớp vật liệu lọc trung hòa

Vật liệu lọc : đá vôi, magiezit, đá hoa cương, đôlômit…Dùng thiết bị lọc đứng có kích thước hạt CaCO3, hoặc đôlômit kích thước 30-80mm, chiều cao lớp lọc 0,85-1,2m, vận tốc không được lớn hơn 5m/s và thời gian tiếp xúc không nhỏ hơn 10 phút.Vận tốc

trong thiết bị nằm ngang là 1-3 m/s

4 Trung hòa nước thải chứa kiềm bằng cách dùng khí thải-khói từ lò đốt

Ứng dụng : để trung hòa nước thải chứa kiềm,có thể dùng khí thải chứa CO2,SO2…

Việc dùng khí axit không những cho phép trung hòa nước thải mà tăng hiệu suất làm sạch chính khí thải khỏi các cấu tử độc hại

- Giảm chi phí cho quá trình trung hòa

Ví dụ : sử dụng khói lò hơi để trung hòa nước thải dệt nhuộm

CO2 + H2O + 2NaOH => Na2CO3 + 2H2O (pH~11)

Na2CO3 + CO2 + H2O => 2NaHCO3 (pH~8)

B- Xử lý nước bằng phương pháp oxy hóa

Mục đích : trong quá trình oxy hóa, các chất ô nhiễm độc hại chứa trong nước thải sẽ

chuyển thành chất ít độc hơn và được loại ra khỏi nước

Ưu điểm : làm sạch nước

Khuyết điểm : Phương pháp này yêu cầu chi phí hóa chất lớn, vì thế nó chỉ được ứng

dụng khi chất ô nhiễm không thể loại được bằng phương pháp khác Ví dụ xử lý xianua,hợp chất tan của Asen…

Chất oxy hóa mạnh nhất là flo nhưng tính ăn mòn mạnh nên không sử dụng trong thực tế

Thế oxy hóa của một số chất oxy hóa

Xử lý chất thải bằng chất oxy hóa

-Không khí (oxy khí quyển) Sulfite (SO3-2), Sulfide (S-2), Fe+2

Khí chlor và xút Cyanide (CN-)

Chloride dioxide Cyanide, thuốc trừ sâu (Diquat, Paraquat)

Hypochlorite natri Cyanide, chì

Hypochlorite canxi Cyanide

Permanganate kali Cyanide, chì, phenol, Diquat, Paraquat, hợp chất hữu cơ có lưu

huỳnh, Rotenone, formaldehyde

Hydrogen peroxide Phenol, cyanide, hợp chất lưu huỳnh, chì

Năng lực oxy hóa tương đối của các chất oxy hóa của các chất oxy hóa ( so với

Cl2)

Chất oxy hóa Năng lực oxy hóa

tương đối Chất oxy hóa Năng lực oxy hóatương đối

1- Oxy hóa bằng Clo và các hợp chất của Clo

Clo là một chất oxy hóa mạnh ở bất cứ dạng nào Khi Clo tác dụng với nước tạo thành axit hypoclorit (HOCl) có tác dụng diệt trùng mạnh Khi cho Clo vào nước, chất diệt trùng sẽ khuếch tán xuyên qua vỏ tế bào vi sinh vật và gây phản ứng với men bên trong của tế bào, làm phá hoại quá trình trao đổi chất dẫn đến vi sinh vật bị tiêu diệt

Khi cho Clo vào nước, phản ứng diễn ra như sau:

Hoặc có thể ở dạng phương trình phân ly:

Cl2 + H2O H+ + OCl- + Cl

-Khi sử dụng Clorua vôi, phản ứng diễn ra như sau:

Ca(OCl)2 + H2O CaO + 2HOCl

2HOCl 2H+ + 2OCl

-Mật độ Clo : 3.17g/l dung dịch Theo TCXD –33: 1985: Lượng Clo dư ở đầu mạng

lưới tối thiểu 0,5 mg/l

Theo TCXD –33: 1985:Lượng Clo dư ở cuối mạng lưới tối thiểu 0,05mg/l và khônglớn hơn mức có mùi khó chịu.

Dùng thiết bị Clorato để định lượng và pha chế Clo

b- Bể tiếp xúc

Thời gian tiếp xúc chủ yếu liên quan đến mục đích sử dụng, cần đạt tới 2h Điều quantrọng là trộn dung dịch chứa clo với nước xử lý nước một cách nhanh chóng và hoànhảo

Các bể tiếp xúc cần phải sắp xếp để tránh tất cả nối tắt dòng chảy do 1 phần nước chảyqua bể quá nhanh không đủ tiếp xúc cần thiết nhỏ nhất

2- Oxy hóa bằng hydroperoxit

Hydroperoxit H2O2 là một chất lỏng không màu và có thể trộn lẫn với nước ở bất kỳ tỉ

lệ nào Được ứng dụng để oxy hóa các nitrit, andehit, phenol, xianua, chất thải chứa lưuhuỳnh, thuốc nhuộm hoạt hóa…Nồng độ giới hạn cho phép trong nước là 0.1 mg/l

Trong môi trường axit và kiềm,H2O2 được phân hủy

2H+ + H2O2 + 2e  2H2O

2OH- + H2O2 + 2e  H2O + 2O

2-Trong môi trường axit, H2O2 chyển muối sắt II thành muối sắt III, HNO2 thành HNO3,

CN- thành CNO- trong môi trường kiềm

Trong dung dịch loãng , quá trình oxy hóa chất hữu cơ diễn ra chậm, nên cần có xúc táckim loại có hóa trị thay đổi ( Fe2+,Cu2+,…) để tăng tốc độ phản ứng Nếu sử dụng H2O2một cách độc lập thì hiệu quả phân hủy các CHC rất hạn chế Hiệu quả đó tăng rấtmạnh khi kết hợp H2O2 với một số tác nhân khác như: Fe2+, Fe3+, ozone hoặc bức xạ cựctím ( ultraviolet - UV) Tổ hợp Fe2+/ H2O2 được gọi là tác nhân Fenton; còn Fe3+/H2O2 –tác nhân tương tự Fenton Xúc tác Fe2+ có thể dùng ở dạng muối tan (xúc tác đồng thề)hoặc ở dạng hấp phụ trên chất mang rắn (xúc tác dị thể)

Hệ chất Fenton ( dung dịch H2O2,xúc tác Fe) dùng để xử lý các chất hữu cơ độc

hại.Quá trình oxy hóa bằng phản ứng Fenton diễn ra ở pH khoảng 3-5 với có mặt xúctác Fe,Mn2+,Cr3+ và H2O2

Cơ chế và động học của phương pháp oxy hóa với tác nhân Fenton như sau:

Đầu tiên xảy ra phản ứng tạo gốc OH

Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + HO¯ + OH với k2 = 76 mol-1s

-1

Sau đó xảy ra phản ứng phục hồi Fe2+

Fe3+ + H2O2 → Fe2+ + H+ + HO2 với k3 < 3x10-3 mol-1s-1 Gốc OH tạo thành ở phản ứng 1 sẽ đóng vai trò chính trong việc oxy hóa CHC

Ở nhiệt độ bình thường, phản ứng thường xảy ra với tốc độ nhanh, hằng số tốc độkhoảng 107-1010 Ở pH thấp, phản ứng 1sẽ thuận lợi hơn, và phản ứng oxy hóa CHC sẽtốt hơn do số lượng gốc OH tăng hơn Nói chung, phản ứng Fenton xảy ra tốt ở pH < 4

Với tác nhân tương tự Fenton (H2O2/ Fe3+), trước tiên xảy ra phản ứng khử Fe3+thành Fe2+ sau đó sẽ xảy ra phản ứng Fenton như ở trên

So sánh đặc điểm của một số hóa chất sử dụng cho quá trình oxy hóa

Đặc diểm Đặc điểm mong muốn

đạt được

Chlorine Sodium

hypochloride

Calcium hypochloride

Chlorine dioxide

Bromine chloride

Phải hòa tan

trong nước hoặc

-3- Oxy hóa bằng piroluzit MnO 2

Quá trình tiến hành bằng cách lọc nước thải qua lớp vật liệu này hoặc phản ứng trongthiết bị khuấy trộn Piroluzit là vật liệu tự nhiên, chứa chủ yếu dioxit mangan Được sửdụng rộng rãi để oxy hóa As III thành hóa trị V

4- Ozon hóa

Oxy hóa nước bằng ozon cho phép khử màu ,vị lạ và tiệt trùng nước.Bằng phương phápnày ta có thể xử lý sản phẩm dầu mỏ, sunfuahydric, các hợp chất Asen, chất hoạt hóa bềmặt, xianua, thuốc nhuộm…

Ozon là khí màu tím nhạt, tồn tại ở tầng thượng quyển, ở nhiệt độ - 119, ozon hóa lỏng

và có màu xanh đậm

Ozon rất độc, gây hại cho sức khỏe ở nồng độ 0.25mg/l, cực độc ở 1mg/l , nồng độ tối

đa cho phép trong khu vực làm việc là 0.0001 mg/m3 Trong dung dịch axit, nó có dộbền cao, trong không khí, nó phân ly rất chậm, trong nước nó phân ly nhanh và trongdung dịch kiềm yếu nó phân ly rất nhanh

Ozon phân hủy chất hữu cơ và tiệt trùng nhanh hơn sử dụng Clo, axit làm tăng độ hòatan của ozon và kiềm làm giảm độ hòa tan của nó

Tác động của Ozon diễn ra theo 3 hướng khác nhau :

- Oxy hóa trực tiếp với sự tham gia của phân tử oxy

- Liên kết toàn bộ phân tử ozon với chất bị oxy hóa với sự hình thành ozonua

- Tác động xúc tác cho quá trình oxy hóa bằng oxy, có trong không khí chứa ozon

a- Ozone phản ứng trực tiếp với chất tan

Ozone khi hòa tan vào nước sẽ tác dụng với CHC (P), tạo thành dạng oxy hóa củachúng theo phương trình động học sau:

d[P]/dt = kP [P][ O3] (5)

Nhưng phản ứng trực tiếp của ozone với CHC có tính chọn lọc, tức là ozone chỉ phảnứng với một số loại CHC nhất định Sản phẩm của các quá trình ozone hóa trưc tiếp cácchất vòng thơm bằng ozone thường là các axit hữu cơ hoặc các muối của chúng

b- Ozone phản ứng với chất tan theo cơ chế gốc

Theo José L Sotelo và các đồng sự, khi tan vào nước tinh khiết, ozone sẽ phân hủy tạothành gốc OH theo phản ứng kiểu dây chuyền Từ các phản ứng đó, sau một số phépbiến đổi, các tác giả đã thiết lập được phương trình tốc độ phân hủy ozone như sau:

d[O3] /dt = kA[O3] + kB[OH¯ ]1/2[O3]3/2

Trong vế phải của phương trình (18), số hạng thứ nhất thể hiện mức độ phản ứng trựctiếp của ozone với CHC thông qua hệ số kd Số hạng thứ hai thể hiện mức độ phản ứnggián tiếp của nó với CHC thông qua gốc OH& thông qua hệ số kid.

c- Tổ hợp ozone/H 2 O 2

Trước tiên xảy ra phản ứng giữa ozone và H2O2, ( trong môi trường kiềm sẽ tồn tại ởdạng HO2¯ ) với k32 = 2,8 106 M-1s-1 như sau:

O3 + HO2¯ ® HO2& + O3¯ ® - ® OH&

Nhưng nếu nồng độ trong dung dịch quá lớn ( > 0,02M ), H2O2 lại có tác dụng ức chếphản ứng của ozone với CHC

Phản ứng tiến hành với hệ ozone/ H2O2 sẽ thuận lợi khi môi trường hơi kiềm Nhưngnếu môi trường kiềm quá cao thì lại có sự tăng phản ứng cạnh tranh khử gốc bởi ionHO2¯

d- Tổ hợp ozone/UV

Theo Beltrán và Malato, một mình bức xạ UV không có tác dụng làm giảm COD vàTOC ( Total organic compound ) của nước thải nhiễm các CHC Nhưng khi kết hợp nóvới ozone hoặc H2O2 lại cho kết quả rất tốt Khi đó, trong dung dịch nước, dưới tácdụng của bức xạ UV, xảy ra phản ứng phân hủy ozone và H2O2 tạo thành gốc

OH

Ngoài ra, dưới tác dụng của bức xạ UV thích hợp, các CHC thường chuyển từ trạng thái

cơ bản lên trạng thái kích thích Ở trạng thái kích thích, chúng rất dễ tham gia vào cácphản ứng, đặc biệt là phản ứng oxy hóa – khử

Beltrán đã tổng hợp lại, kết hợp tất cả các yếu tố: ozone, UV, H2O2 Một CHC có thể bịphân hủy đồng thời theo các con đường sau: ozone hóa trực tiếp, gốc OH&, quang hóatrực tiếp Điều đó được thể hiện bởi phương trình tốc độ phân hủy CHC (P), rP, như sau:

r P = - dC p /dt = F P F P I hp + k P C OZ C P + k OH.P C OH C P

ứng giữa gốc OH& với chất.

Trong vế bên phải của (9), hệ số thứ nhất thể hiện tốc độ phản ứng quang hóa trực tiếpCHC; hệ số thứ hai thể hiện phản ứng ozon hóa trực tiếp CHC; hệ số cuối cùng thể hiệnphản ứng theo cơ chế gốc

Ví dụ ozon hóa các hợp chất kim loại

H2S + O3  H2O + SO2

3H2S + 4O3 3H2SO4

Ozon hóa amoniac

5- Oxy hóa bằng oxy trong không khí

Oxy hóa bằng oxy trong không khí dùng để tách Fe ra khỏi nước theo phản ứng sau:

Quá trình oxy hóa được tiến hành làm thoáng bằng dàn mưa, làm thoáng cưỡng bức

Khi hàm lượng sắt cao,phương pháp sục khí không cho phép loại chúng hoàn toàn , vì thế cần dùng phương pháp hóa học Chất phản ứng có thể là Clo, clorat, soda…

6- Các phương pháp oxy hóa khác

- Kali permangannat , chất này tương đố đắt dùng xử lý sơ bộ để loại bỏ mangan, sắthòa tan trong nước

- Brom có tính chất sát trùng và diệt tảo, dùng khử trùng nước bể bơi, liều lượng dưnhỏ nhất là 1g/m3

- Axit monopersunfuric, dùng để oxy hóa các xianua trong nước, dung dịch này bềnvững, được điềuchế từ nước chứa oxy và axit sunfuric

- Cloamin dùng khử trùng, diệt khuẩn chậm hơn clo nhưng hiệu quả lớn do tính ổnđịnh, không tạo thành haloforme, được điều chế bằng clo và amoniac Có ích trongcác trường hợp như : hệ thống mạng dẫn dài với thời gian tiếp xúc lớn và nhiệt độcao, các kênh có bao che để tránh mùi khó chịu

- Bức xạ tử ngoại : bước sóng từ 200-300 nm, sinh ra từ đèn chứa hơi thủy ngân, ứngdụng trong xử lý nước uống ở mạng ống ngắn và bảo dưỡng tốt

- Bức xạ ion : dùng bảo quản thực phẩm, dùng chủ yếu phóng xạ Coban

C- Xử lý nước thải bằng phương pháp khử

Phương pháp này được ứng dụng rộng rãi để xử lý các chất Hg, Cr, As

3- Khử Asen

Asen trong nước thải dưới dạng các phân tử oxy hoặc ở các dạng anion AsS2-,phươngpháp phổ biến nhất loại Asen là kết tuả hợp chất chứa As Trước hết, cần oxy hóa AsenIII thành Asen V, các chất khử là CuCl2, clo, bùn, piroluzit Khi nồng độ Asen lớnngười ta khử các axit Asenic thành axit Aseno, bằng đioxit lưu huỳnh lắng dưới dạngtrioxit asen

Yếu tố ảnh hưởng : lượng MnO2 gấp 4 lần lý thuyết,độ axit dung dịch 30-40 mg/l, nhiệt

độ 70-80, thời gian oxy hóa 3 giờ

4- Khử Cr

Với Natrihydosunfit :

Với sắt sunfat

Với natrihydrosunfit

Xử lý chất thải bằng chất khử

Cr (6) SO2, muối sulfite (sodium bisulfite,

sodium metabisulfite, sodiumhydrosulfite), sulfate sắt, bột sắt, bột

nhôm, bột kẽm

Hiệu quả cao nhất khi dùng 2 mg KMnO4 cho 1 mg Mn2+,quá trình phụ thuộc vào

pH Khi pH =9.5 mangan được loại bỏ hoàn toàn

D- Loại bỏ chất oxy hóa dư

Việc khử có thể dùng phương pháp hóa học hay vật lý

1- Phương pháp hóa học

Thường dùng đioxit lưu huỳnh dưới dạng khí hóa lỏng, đặt trong congten nơ áp suất

SO2+ H2O  H2SO3

H2SO3 + NH2Cl +H2O  NH4Cl + H2SO4

Tương tự với đi và clo amin

2- Phương pháp vật lý

Than hoạt tính khử Clo, tác động do hiệu ứng xúc tác, thời gian tiếp xúc trong thápkhoảng vài phút, hiệu quả khử clo của than hoạt tính giảm với thời gian sau khi bịnhiễm độc Kỹ thuật này không được dùng trước khi thẩm thấu ngược và được dùngnhiều trong sản xuất đồ uống

E- Xử lý nước thải bằng phương pháp kết tủa

Cơ chế của quá trình này là việc thêm vào nước thải các hóa chất để làm kết tủa cácchất hòa tan trong nước thải hoặc chất rắn lơ lửng sau đó loại bỏ chúng thông qua quátrình lắng cặn Kết tủa thường gặp trong xử lý nước là kết tủ caconat canxi và kết tủahydroxit

Trước đây người ta thường dùng quá trình này để khử bớt chất rắn lơ lửng, sau đĩ làBOD của nước thải khi cĩ sự biến động lớn về SS, BOD của nước thải cần xử lý theomùa vụ sản xuất; khi nước thải cần phải đạt đến một giá trị BOD, SS nào đĩ trước khicho vào quá trình xử lý sinh học và trợ giúp cho các quá trình lắng trong các bể lắng sơ

và thứ cấp Các hĩa chất thường sử dụng cho quá trình này được liệt kê trong bảng 6.1.Hiệu suất lắng phụ thuộc vào lượng hĩa chất sử dụng và yêu cầu quản lý Thơng thườngnếu tính tốn tốt quá trình này cĩ thể loại được 80 - 90% TSS, 40 - 70% BOD5, 30 -60%COD và 80 - 90% vi khuẩn trong khi các quá trình lắng cơ học thơng thường chỉ loạiđược 50 - 70% TSS, 30 - 40% chất hữu cơ

1- Kết tủa hydroxit

Các hĩa chất thường sử dụng trong quá trình kết tủa

Tên hóa chất Công thức Trọng

lượng phân tử

Trọng lượng riêng, lb/ft 3

Phèn nhôm Al2(SO4)3.18H2O

Al2(SO4)3.14H2O

666,7594,3

60 ÷ 75

60 ÷ 75

78 ÷ 80 (49%)

83 ÷ 85 (49%)

Ferric sulfate Fe2(SO4)3

Sử dụng hĩa chất để loại chất rắn lơ lửng

Phèn nhơm: khi được thêm vào nước thải cĩ chứa calcium hay magnesium bicarbonate phản ứng xảy ra như sau:

Al2(SO4)3.18H2O + 3Ca(HCO)3  3CaSO4 + 2Al(OH)3 + 6CO2 + 18H2O