Xử lý nước thải ô nhiễm phẩm nhuộm bằng phương pháp hấp phụ trên than hoạt tính

Xử lý nước thải ô nhiễm phẩm nhuộm bằng phương pháp hấp phụ trên than hoạt tính

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM XỬ LÝ CHẤT THẢI

XỬ LÝ NƯỚC THẢI Ô NHIỄM

PHẨM NHUỘM BẰNG PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ

TRÊN THAN HOẠT TÍNH

TPHCM

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM XỬ LÝ CHẤT THẢI:

XỬ LÝ NƯỚC THẢI Ô NHIỄM PHẨM NHUỘM BẰNG PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ TRÊN

THAN HOẠT TÍNH

Nhóm thí nghiệm: nhóm 1

Nơi thí nghiệm: PTNHMT

Giáo viên hướng dẫn: Cô Nguyễn Thị Thanh Phượng

1 TÓM TẮT

- Mục đích thí nghiệm:

+ Làm quen với phương pháp hấp phụ trong nước thải

+ Đánh giá khả năng hấp phụ màu trên than hoạt tính qua các thông số

Đại lượng hấp phụ q (g phẩm màu/g than hoạt tính)

Hệ số phân phối phẩm màu trong các pha: k

+ Xây dựng đường cân bằng hấp phụ phẩm nhuộm trên than hoạt tính

+ Xác định hiệu quả xử lý của quá trình một bậc và nhiều bậc

- Kết quả:

a Bậc 1:

+ Nồng độ ban đầu 0.02g/l

+ Lượng than tối ưu m = 1 g

+ Thời gian lưu nước tối ưu t = 15 phút

+ Hiệu suất xử lý đạt 23.5%

b Bậc 2:

- Nồng độ ban đầu 0.02g/l

- Lượng than được chia làm 2 phần bằng nhau: m1= m2 = m/2 = 0.5 g

- Thời gian lưu nước là 15 phút

- Hiệu suất xử lý đạt 76.55%

2 LÝ THUYẾT

2.1 Cơ sở lý thuyết

Phương pháp hấp phụ được áp dụng rộng rãi để làm sạch nước thải khỏi chất hữu

cơ hoà tan sau xử lý bằng phương pháp sinh học cũng như khi nồng độ của chúng không cao và chúng không bị phân huỷ sinh học, hoặc có tính chất độc hại Ưu điểm của phương pháp là hiệu quả cao (80-95%), có khả năng xử lý nước thải chứa vài chất ô nhiễm cũng như khả năng thu hồi các chất này

Những chất hấp phụ có thể là: than hoạt tính, silicagel, nhựa tổng hợp có khả năng trao đổi ion, cacbon sunphua, than nâu, than cốc…Để hấp phụ các chất bẩn hữu

cơ, đầu tiên phải dùng các vật liệu xốp (than hoạt tính, chất tổng hợp) Khi trong nước thải chứa các hỗn hợp chất bẩn hòa tan ở dạng phân tử và ở dạng các chất tạo mixen lớn thì nên xử lý bằng bông cặn tươi của những hydroxit của nhôm hoặc sắt

Than hoạt tính là chất hấp phụ thông dụng nhất Than dùng để xử lý nước thải công nghiệp phải có những tính chất đặc biệt so với các loại than dùng để hấp phụ khí hay dung môi Than hoạt tính phải xốp, có độ rỗng lớn để bề mặt có thể hút các phân tử của các chất bẩn hữu cơ tổng hợp, phải có khả năng chống mài mòn

và dẽ thấm ướt trong nước Tuỳ thuộc vào phương thức sử dụng, than hoạt tính phải có thành phần cấp phối hạt nhất định Than để xử lý nước thải nên có hoạt tính xúc tác nhỏ nhất đối với các phản ứng oxy hoá, ngưng tụ hoặc không làm mất sản phẩm đã thu hồi

Quá trình hấp phụ có thể tiến hành một bậc hay nhiều bậc Hấp phụ một bậc được ứng dụng khi giá rẻ hoặc là chất thải của sản xuất Quá trình hấp phụ nhiều bậc sẽ thu hiệu quả cao hơn

2.2 Kỹ thuật hấp phụ:

Có nhiều phươmg pháp hấp phụ:

- Hấp phụ trong điều kiện tĩnh

- Hấp phụ trong điều kiện qua lớp vật liệu cố định: là quá trình diễn ra khi cho nước thải lọc qua lớp vật liệu hấp phụ Thiết bị để thực hiện qua trình đó gọi là thùng lọc hấp phụ hay còn gọi là tháp hấp phụ

- Hấp phụ trong điều kiện động học qua lớp vật liệu lơ lửng: khi hàm lượng các chất đa phân tán cao, vật liệu hấp phụ được dùng với cỡ hạt 0,5-1mm

2.3 Hoàn nguyên vật liệu hấp phụ:

Tái sinh chất hấp phụ là giai đoạn quan trọng trong quá trình hấp phụ Các chất bị hấp phụ có thể tách ra khỏi than hoạt tính bằng quá trình nhả nhờ hơi nước bão hoà hay hơi quá nhiệt

Để tái sinh than hoạt tính, có thể sử dụng phương pháp trích ly bằng các chất hữu

cơ có nhiệt độ sôi thấp và dễ chưng bằng hơi nước như metanol, bezen, toluen, dicloenol

Khi những chất hấp phụ không phải là sản phẩm quí, người ta khong cần thu hồi, đồng thời với hoàn nguyên than, người ta phải khử luôn những chất đó Do vậy,

có thể tái sinh than bằng cách biến đổi hoá học thành một chất khác dễ tách từ chất hấp phụ hơn hoặc phá vỡ cấu trúc của chúng bằng các tác nhân hoá học hoặc bằng phương pháp nhiệt

2.4 Cân bằng cho quá trình hấp phụ:

Quá trình hấp phụ có thể được mô tả theo biểu thức thực nghiệm Freundlich:

C cb = K.q n

V: thể tích dung dịch, lit,

Ta có thể dễ dàng xác định các hằng số trong phương trình trên bằng cách chuyển

về dạng tuyến tính như sau:

lgC cb = lgK + nlgq

Kỹ thuật hấp phụ:

Dung dịch và chất hấp phụ được khuấy trộn trong thời gian thích hợp Sau đó, hỗn hợp được lọc để tách chất hấp phụ rắn và dung dịch ra khỏi dung dịch Loại chất hấp phụ được sử dụng phụ thuộc vào dung dịch cần xử lý, thường có kích thước rất mịn Thời gian để chất phụ và dung dịch đạt cân bằng 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 được tỷ số hấp phụ cho vào dung dịch ứng vớI sự biến đổi nồng độ cho trứơc

2.5 Quá trình hấp phụ một bậc:

Quá trình hấp phụ một bậc thực hiện trong thiết bị khuấy trộn hoàn toàn vận hành gián đoạn Các đại lượng đặt trưng cho quá trình hấp phụ được xác định theo công

thức như sau:

Trong đó:

q: đại lượng hấp phụ, g chất ô nhiễm/g chất hấp phụ;

M: lượng chất hấp phụ ,g;

Hệ số phân phối chất ô nhiễm trong các pha:

k = q/C c

2.6 Quá trình hâp phụ nhiều bậc:

Quá trình hấp phụ nhiều bậc thực hiện trên hệ thống các thiết bị khuấy trộn mắc nối tiếp vận hành liên tục

Lượng than cho vào mỗi bậc được tính theo công thức:

g C

C K

V

c

o 1,









−

=

M

C C V

q= ( đ − cb)

Trong đó:

k: hệ sồ phân bố ở các pha;

m: lượng chất hấp phụ,g;

n: số bậc hấp phụ trong hệ thống;

Nồng độ chất ô nhiễm ở các bậc lý thuyết được tính theo công thức sau:

Trong đó:

k: hệ số phân bố chất ô nhiễm ở các pha;

m: lượng chất hấp phụ, g;

2.7 Định luật hấp phụ Lambert-Beer:

Chiếu bức xạ đơn sắc λ có cường độ I0 qua dung dịch chứa cấu tử khảo sát có nồng độ C, bề dày dung dịch b

Độ hấp thu tỷ lệ với bề dày dung dịch và tỷ lệ với nồng độ cấu tử đang khảo sát trong dung dịch:

A= kbC

Độ hấp thu của mẫu nằm trong khoảng 0,2-0,8 thì cho sai số phếp đo nhỏ nhất

lit g C km V

V

i









 +

=

5

Nước thải

B

V5

V45

Nước vào

1

B

V1

12

V

V

V4

4

2

V

23

34

V3

B2

Vận tốc khuấy

ON/OFF BƠM

K2

K4 K3 K1 KHUẤY MÔ HÌNH HẤP PHỤ MỘT BẬC VÀ NHIỀU BẬC

3 MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM – CÁC BƯỚC VẬN HÀNH

3.1 Mơ hình thí nghiệm:

3.1.1 Quá trình hấp phụ 1 bậc:

Thực hiện thí nghiệm khảo sát quá trình hấp phụ 1 bậc trên mơ hình thiết bị khuấy trộn hồn tồn vận hành gián đoạn Mơ hình thực nghiệm là bình khuấy dung tích 1000ml

3.1.2 Quá trình hấp phụ nhiều bậc:

Thực hiện thí nghiệm khảo sát quá trình hấp phụ nhiều bậc trên mơ hình mơ phỏng dãy thiết bị khuấy trộn mắc nối tiếp hoạt động liên tục Mơ hình thực nghiệm là dãy hai bình hấp phụ, thể tích chứa của mỗi bình là 1000 ml, cĩ gắn

cơ cấu khuấy mắc nối tiếp nhau Để mơ phỏng quá trình hoạt động liên tục, nước thải lưu tại mổi bình khuấy trộn với thời gian bằng nhau, sau khi hấp phụ ở bình thứ nhất, nước thải được lọc và đổ vào bình thứ hai

3.2 Các bước vận hành mơ hình thí nghiệm:

- Khố van xả ở các bình khuấy

- Khố các van giữa các bình khuấy

Bắt đầu thí nghiệm và sau khi thí nghiệm xong, tiến hành

vệ sinh hệ thống:

đổ đầy nước vào bình, bật

ON/OFF, chỉnh vận tốc khuấy, bật cơng tắc khuấy từng bình;

mở van xả B5;

mở lần lược các van nối từ B1→B2→

B3→B3→B5 thực

hiện lập lại như trên và ở khâu cuối cùng là mở tất cả các van xả ở các bình thay

vì mở van nối Lấy mẫu bằng pipet ở vị trí ½ chiều cao mực nước trong bình

4 THỰC HIỆN THÍ NGHIỆM:

4.1 Hóa chất – dụng cụ:

- Cốc 1000ml 5 cái

- Đũa thuỷ tinh 5 cái

- Ống nghiệm 40 cái

- Giá ống nghiệm 3 cái

- Phễu lọc 6 nhỏ + 2 lớn

- Giấy lọc

- Ống đong 10ml 1 cái

- Erlen 100ml 1cái

- Panh gắp dài 1 cái

- Pipet 10ml 2 cái

- Pipet 25 2 cái

- Quả bóp cao su 2 cái

- Bình nước cất 1 cái

- Cốc nhựa 1 cái

- Đĩa cân 3 cái

- Muỗng 1 cái

- Máy trắc quang 1 cái

- Cân phân tích 1 cái

- Dung dịch phẩm nhuộm hoà tan

- Than hoạt tính dạng bột

4.2 Các bước thí nghiệm:

Thực nghiệm với nước thải nhiễm phẩm nhuộm hoà tan, chất hấp phụ được sử dụng là than hoạt tính

4.2.1 Thí nghiệm 1: xác định quan hệ nồng độ màu và độ hấp phụ

- Nguyên tắc: đo độ hấp thu của các dung dịch có nồng độ phẩm nhuộm khác

nhau, dựng đường thẳng quan hệ giữa hai nồng độ (C) và độ hấp thu (D) Xác định hàm tuyến tính của (C) theo (D)

4.2.2 Thí nghiệm 2: quá trình hấp phụ bậc 1

- Nguyên tắc: xác định sự biến thiên nồng độ phẩm nhuộm còn lại trong dung

dịch theo thời gian ở các tỷ lệ than và phẩm nhuộm khác nhau

- Thực hiện:

+ Cho 0.2g thuốc nhuộm vào trong 10l nước, cho vào 5 bình khuấy

+ Đổ than với khối lượng 0, 0.2, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0 vào 5 bình khuấy, bắt đầu tính thời gian hấp phụ

+ Sau mỗi thới gian xác định, dùng pipet lấy khoảng 15 ml dung dịch đêm lọc rồi đo độ hấp thụ của mẫu nước ở bước sóng λ = 520nm, trên máy quang trắc

4.2.3 Thí nghiệm 3: hấp phụ nhiều bậc

- Nguyên tắc: thực hiện thí nghiệm trên mô hình hấp phụ 2 bậc mô phỏng qúa

trình hấp phụ liên tục

Từ lượng than xác định thích hợp ở quá trình hấp phụ 1 bậc trong thí nghiệm 2,

ta xác định lượng than cho vào mỗi bậc của quá trình xác định hấp phụ nhiều bậc như sau: M1 = M2 = M/2, g

Để mô phỏng quá trình liên tục, ta thực hiện thí nghiệm với thời gian lưu mỗi bậc là bằng nhau Từ thời gian thích hợp xác định ở quá trình hấp phụ 1 bậc trong thí nghiệm, ta xác định thời gian lưu của nước ở mỗi bậc của quá trình hấp phụ nhiều bậc như sau: t1 = t2 = t, s

-Thực hiện:

Bậc 1

- Lấy bông gòn bịt chặt lỗ thoát của hai bình khuấy B4, B5;

- Cân lượng than như nhau cho mỗi bình;

- Pha dung dịch thuốc nhuộm có nồng độ xác định vào bình khuấy B5;

- Bật máy khuấy tốc độ 99v/phút, bắt đầu tính thời gian;

- Sau thời gian hấp phụ cần thiết, tháo dung dịch, đem lọc đồng thời trên 2 phễu lọc lớn

- Dùng pipet, hút khoảng 15 ml nước đem đo độ hấp phụ ở bước sóng 520nm

Bâc 2:

- Phần nước sau lọc còn lại đổ vào bình khuấy B4;

- Cho lượng than thứ hai vào bình khuấy, bật máy khuấy, bắt đầu tính thời gian

- Sau khoảng thời gian hấp phụ cần thiết, dùng pipet lấy khoảng 15 ml nước đem lọc và đo độ hấp phụ

Độ hấp thu A 0.000 0.082 0.154 0.197 0.379 0.739

4.3.2 Thí nghiệm 2: quá trình hấp phụ bậc 1

4.3.3 Thí nghiệm 3: hấp phụ nhiều bậc (2 bậc):

- Lượng than được chia làm 2 phần bằng nhau m1= m2 = m/2 = 0.5 g

- Nồng độ phẩm màu: 0,02g/l

- Thời gian lưu nước là 15 phút

- Kết quả: độ hấp thu A= 0.0182

Độ hấp thu A 0.000 0.082 0.154 0.197 0.379 0.739

5.2 Thí nghiệm 2: quá trình hấp phụ bậc 1

Dựa vào phương trình đường chuẩn: C = 0.0274 A – 3.10 -4 Nồng độ chất ô nhiễm trong

nước thải được tính theo bảng sau:

0.0 0.0200

- Xác định số liệu cần thiết để vẽ các hệ số đẳng nhiệt và tính hệ số phân phối ô nhiễm

Trong đó:

m

V Ce

Co−

- Xác định các hằng số đẳng nhiệt hấp phụ:

Phương trình Freunlich có dạng: C = b.q n

Trong đó

- q: độ hấp phụ

- C: nồng độ

- b, n :hằng số.

→ lg qC= lg b + n lgq: phương trình dùng để xác định n,b

Trong đó : x: lượng chất bị hấp phụ.

m: lượng than hoạt tính C: nồng độ chất ô nhiễm còn lại a,b: hằng số.

Vì vậy, ta sử dụng phương trình Freudlich: C= 0.041 q 0.1762

Nhận xét:

Dựa vào kết quả ta thấy :

So sánh về tính kinh tế thì nên chọn lượng than m = 1g vì chỉ tăng hiệu quả có 2%

mà phải mất một lượng than là 0.5g thì rất tốn kém Vậy chọn :

Lượng than tối ưu m = 1 g

Thời gian lưu nước tối ưu t = 15 phút

Kết quả xử lí đạt C = 0.0153g với nồng độ ban đầu C 0 =0,020g ( η = 23.5%).

5.3.Thí nghiệm 3: hấp phụ nhiều bậc (2 bậc)

Với kết quả vừa tìm được, tiến hành thí nghiệm hấp phụ bậc 2 với

- Lượng than được chia làm 2 phần bằng nhau: m1= m2 = m/2 = 0.5 g

- Thời gian lưu nước là 15 phút

xử lí bậc 2 cao hơn xử lí bậc 1 vì khi cho lượng than m = 0,5g vào nước, có C=0.02 g/l thì than sẽ hấp thụ một phần chất ô nhiễm Sau khi hết 15 phút , lọc bỏ than hoạt tính thì nồng độ chất ô nhiễm cần xử lí với lượng than 0,5 g còn lại sẽ thấp hơn Do đó, chất ô nhiễm được xử lý triệt để hơn

6 NHẬN XÉT

6.1 Các sai số xảy ra trong thí nghiệm:

- Các thao tác trong cân đo hoá chất và sai số hệ thống

- Dụng cụ có thể rửa chưa sạch khi thí nghịêm ( pipet sau mỗi lần lấy mẫu nếu rửa không sạch, còn nước trong pipet hay trong ống ngiệm cũng dẫn đến sai số)

- Khi đo độ hấp thu, cuvet không sạch cũng dẫn đến sai số

- Trong thí nghiệm, một phần lượng than bám vào nút bông ở đáy mô hình

- Trong quá trình thí nghiệm, do 2 bình khuấy 4 và 5 bị hư nên phải khuấy bằng tay nên tốc độ không đều Do đó, xảy ra sai số.

- Ngoài các nguyên nhân trên thì việc tính toán làm tròn số cũng ảnh hưởng 1 phần nhỏ

6.2 Phạm vi ứng dụng của phương pháp hấp phụ:

a Trong xử lí nước :

+ Xử lí bổ sung  nước uống tinh khiết

+ Chất ô nhiễm vi lượng:

- Nguồn nước mặt: mùi và vị

- Ô nhiễm do tai nạn: sự cố tràn chất hữu cơ độc hại

+ Xử lí bậc ba / bậc cao nước thải sinh hoạt / công nghiệp:

- Chất hữu cơ khó phân huỷ sinh học

- Khử COD còn lại sau quá trình sinh học

b Trong xử lí khí:

+ Xử lí khí CO, SO2, NOx ,…

+ Xử lí mùi, khí độc…

2 Clair N Sawyer, Perry L McCarty, Gene F Parkin: Chemistry for environmental

engineering McGraw- Hill International Edition, four edition

3 Trịnh Xuân Lai, Cấp nước – Tập 2: xử lý nước thiên nhiên cấp cho sinh hoạt và

công nghiệp NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2002

4 Khoa Môi Trường – ĐHBK TP.HCM, Tài liệu hướng dẫn thí nghiệm xử lý chất

thải, 2002