Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải mạ điện chứa crôm bằng mô hình vật lý tại công ty dụng cụ cơ khí xuất khẩu hà nội

Có nhiều nội dung trong việc bảo vệ và chống ô nhiễm môi trờng nớc,nhng trớc hết là phải xử lý các nguồn nớc thải của sản xuất công nghiệp,trong đó có nớc thải của công nghiệp mạ điện tr

Mở đầu

Cùng với quá trình mở cửa về kinh tế xã hội, nền kinh tế Việt Namhiên nay đã đạt đợc những kết quả đáng khích lệ Tuy nhiên việc phát triểnnhanh về kinh tế trong giai đoạn hiện nay và quá trình công nghiệp hoá, hiện

đại hoá đất nớc trong những năm tiếp theo đã và sẽ tạo nên những hậu quảnhất định, đặc biệt là vấn đề làm suy giảm chất lợng môi trờng sống Sự xuấthiện liên tục trong những năm gần đây ở Việt Nam các khu công nghiệp mớivới quy mô lớn, các nhà máy xí nghiệp đang tạo ra những bức xúc về môi tr-ờng và suy thoái nguồn tài nguyên thiên nhiên Đặc biệt là môi trờng nớc làmột trong những môi trờng quan trọng nhất, sau môi trờng không khí

Chính vì vậy việc bảo vệ và giữ gìn để môi trờng nớc không bị ô nhiễm

là nhiệm vụ quan trọng không chỉ của riêng ai

Có nhiều nội dung trong việc bảo vệ và chống ô nhiễm môi trờng nớc,nhng trớc hết là phải xử lý các nguồn nớc thải của sản xuất công nghiệp,trong đó có nớc thải của công nghiệp mạ điện trớc khi đổ vào hệ thống thảichung của thành phố

Nguồn nớc thải của công nghiệp mạ điện chứa nhiều kim loại nặnggây ô nhiễm nh crôm, kẽm, niken, đồng là một trong những vấn đề đang đ-

ợc quan tâm cả về mặt kinh tế kỹ thuật và môi trờng

Ngày nay trên thế giới đã có nhiều phơng pháp xử lý nớc thải đợc đara: Phơng pháp hoá học, phơng pháp trao đổi ion, phơng pháp thẩm thấu ng-

ợc, phơng pháp khử kết tủa Nhng khả năng áp dụng phơng pháp này vào xử

lý nớc thải ở những nớc đang phát triển nh nớc ta còn rất hạn chế vì giá thành

để xử lý các chất gây ô nhiễm thờng khá cao làm cho giá thành sản phẩmcông nghiệp tăng quá mức thị trờng có thể chấp nhận đợc, các cơ sở cha cónhận thức đúng về vấn đề xử lý chất ô nhiễm, cha đầu t vốn để đổi mới côngnghệ và thiết bị cho thích hợp nhằm giảm chất gây ô nhiễm môi trờng

Sau khi có luật môi trờng cùng với các cơ quan chức năng quản lý vàbảo vệ môi trờng đã thi hành những chính sách nghiêm khắc nên một số cơ

sở mạ điện thuộc các doanh nghiệp nhà nớc ở Hà Nội trong mấy năm qua đãxây dựng các trạm xử lý nớc thải mạ điện Đặc biệt là công ty dụng cụ cơkhí xuất khẩu đã ý thức đợc vấn đề trên, nên ngay từ những năm 1996 - 1997

đã đầu t hơn 500 triệu đồng xây dựng trạm xử lý nớc thải mạ điện, chất lợngnớc sau xử lý đã đạt tiêu chuẩn cho phép TCVN 5945 - 1995

Tuy vậy, do năng xuất sản phẩm mạ từ đó đến nay tăng nên rất nhiều,các thiết bị xử lý trở nên cũ kỹ và lạc hậu các thông số đầu vào thay đổi, nênthành phần kim loại nặng gây độc hại ( chủ yếu là Cr+6 ) trong nớc thải đãtăng lên nhiều lần Thành phần Cr+6 trong nớc thải đã xử lý vẫn lớn hơn hàngtrục lần so với tiêu chuẩn cho phép

Trớc tình hình đó, những ngời làm công tác xử lý, các cán bộ quản lýmôi trờng, cán bộ quản lý sản xuất phải thống nhất đa ra một giải pháp hữuhiệu đảm bảo mức độ thải theo tiêu chuẩn cho phép Có nh vậy mới duy trì đ-

ợc vai trò của công nghiệp mạ điện và tính khả thi của luật môi trờng

Mục đích đặt ra của khoá luận nằm trong nội dung cụ thể nh sau:

" Nghiên cứu công nghệ xử lý nớc thải mạ điện chứa Crôm bằng môhình vật lý tại công ty dụng cụ cơ khí xuất khẩu Hà Nội".

Yêu cầu đặt ra phải đảm bảo về mặt kỹ thuật và kinh tế:

- Kỹ thuật đảm bảo mức thải theo tiêu chuẩn qui định của môi trờng,phù hợp với hiện trạng công nghệ của công ty

- Về kinh tế : chọn giải pháp phù hợp với thực tế của công ty và tínhkinh tế hiện nay của nớc ta Bảo vệ môi trờng gắn liền với phát triển kinh tếxong cần phát triển kinh tế để có điều kiện bảo vệ môi trờng

Nội dung nghiên cứu chính của khoá luận gồm.

xử lý

Chơng 2 : Phơng pháp nghiên cứu triển khai công nghệ xử lý

Chơng 3 : xây dựng mô hình vật lý nghiên cứu xử lý nớc thải mạ điện

chứa Cr+6 tại công ty dụng cụ cơ khí xuất khẩu Hà Nội

Kết luận và kiến nghị.

Trong thời gian ngắn, vấn đề cần xem xét lại rộng, yêu cầu tổng hợp kiến thứctrong nhiều lĩnh vực nên nội dung khoá luận chỉ mang tính chất nghiên cứu vềmặt lý thuyết nhằm đa ra những ý kiến bổ xung những khẳng định thực tế cho quá trình vận hành công nghệ xử lý nớc thải Hy vọng rằng trên cơ sở của trạm xử lý đã có cùng với kết luận nêu ra, nớc thải sau khi xử lý đạt chất lợng tốt hơn Để khảo sát đầy đủ và toàn diện nhằm tối u hoá các thông số công nghệ của quá trình xử lý cần phải có những nghiên cứu tiếp theo

Chơng 1 Tổng quan về nớc thải công nghiệp mạ điện và

phơng pháp xử lý.

1.1 Công nghiệp mạ điện trong nên kinh tế quốc dân.

Công nghiệp mạ điện là một trong những lĩnh vực công nghệ bề mặtquan trọng, làm thay đổi bề mặt vật liệu Mạ điện dùng để bảo vệ kim loại,chống ăn mòn kim loại làm cho chi tiết có đợc tính chất cơ lý tốt hơn: Tăng

độ cứng bề mặt chống ăn mòn, tăng tính thẩm mỹ

Trong những năm gần đây, trên thế giới cũng nh trong nớc, nhu cầu

về mạ điện ngày càng tăng cao Sản phẩm mạ có mặt trong hầu hết cácngành: Công nghệ chế tạo máy, thiết bị vô tuyến viễn thông, thiết bị y tế và

đồ dùng sinh hoạt

Năng suất chất lợng, giá thành và các chất thải của công nghiệp mạnói chung rất khác nhau phụ thuộc vào từng qui trình công nghệ riêng biệt.Muốn nâng cao năng suất mạ điện thờng ngời ta tập chung vào các hớng sau:

- Tăng cờng độ của quá trình mạ

- Dùng chất mạ bóng để giảm bớt nhân công, tiết kiệm kim loại

- Thay thế các dung dịch rẻ hơn hoặc ít gây độc hại

ở catôt trong quá trình rửa điện cực, quá trình di chuyển ion kim loại trongdung môi điện phân cũng đi vào nớc thải

Mạ Crôm nhằm tạo ra lớp Crôm dễ thụ động hơn trên bề mặt các chitiết mạ, hình thành lớp màng ôxít mỏng chống ăn mòn tốt Mạ Niken tạo lớpkim loại bền vững để bảo vệ các chi tiết máy

1.2 Đặc tính chung của nớc thải công nghiệp mạ điên.

1.2.1 Các thành phần đặc trng của nớc thải công nghiệp mạ điện

Nớc thải của các nhà máy cơ khí thông thờng chỉ bao gồm các loại dầu

mỡ dung môi Nhng nếu có thêm phân xởng mạ điện thì việc ô nhiễm nớcbởi các kim loại nặng nh Niken, Crôm, độ pH thấp có trong nớc thải là mộtvấn đề quan trọng

Căn cứ vào sơ đồ công nghệ của một phân xởng mạ điện (Hình 1.1) [1]

ta thấy ô nhiễm nớc thải do nhiều nguyên nhân xuất phát từ những công

đoạn khác nhau Do vậy nớc thải nói chung bao gồm rất nhiều thành phầnhỗn hợp nh: Xianua, Crôm, Niken, Đồng, Kẽm và các hợp chất của Kẽm,dầu mỡ cũng là loại nớc thải độc hại Trong đó độc nhất phải kể đến Cr+6

Muốn xử lý có hiệu quả cao ngời ta phải thu gom, tách dòng theo từngcông đoạn, từng trờng hợp cụ thể mà lựa chọn phơng pháp xử lý thích hợpnhất

Thành phần Xyanua (CN - ) ảnh hởng trực tiếp đến đời sống con ngời,thậm chí ở nồng độ rất thấp trong nớc cũng gây ảnh hởng rất lớn đến tínhmạng Phơng pháp mạ có chứa Xyanua rất độc, do đó có thể khử bỏ trực tiếpsau khi thải Ngày nay ngời ta thờng không dùng hợp chất Xyanua khi mạ vì

nó có tính độc hại cao Trong dây truyền của Công Ty DCCKXK cũng khôngdùng Xyanua khi mạ

- Nớc thải có tính axit trong quá trình tẩy rửa kim loại thì xử lý bằngphơng pháp trung hoà

- Nớc thải chứa Crôm từ các bể mạ kim loại giống nh Xyanua, Crôm

có độc tính cao thậm chí nồng độ thấp cũng đọng lại trong cơ thể gây cácbệnh viêm da, loét dạ dầy, nhiễm độc mãn tính Do đó cần đợc tách riêng và

xử lý triệt để

- Thông thờng độ pH của nớc thải là chỉ tiêu quan trọng để đánh giá

n-ớc thải sản xuất Theo độ ăn mòn ngời ta phân ra các loại nn-ớc thải nh sau:

+ ít ăn mòn : Có tính axit yếu pH = 6ữ6,5, tính kiềm yếu PH từ 8 ữ 9+ Ăn mòn mạnh: Có tính axit mạnh pH < 6, tính kiềm mạnh PH > 9Ngoài ra ngời ta còn xét đến các yếu tố nhiệt độ, tốc độ nớc di chuyểntrong quá trình mạ ảnh hởng trực tiếp đến thành phần của nớc thải côngnghiệp mạ điện

Cạo lớp sơn mạ

cũ, cạo rỉ

Mài nhẵn đánh bóng

Bụi kim loại

Hơi dung môi

N ớc thải chứa dầu mỡ

Xăng, dung môi

CN-, muối

đồngH

Hinh 1.1: Sơ đồ công nghệ với các dòng thải của quá trình mạ điện

1.2.2 Đặc tính của nớc thải công nghiệp mạ điện.

Theo số liệu thống kê của Burford và Masselli nồng độ của các iontrong bể mạ của các nhà máy trên thế giới

Bảng 1.1:Nồng độ các ion trong nớc thải công nghiệp mạ điện {5}

Nhà máy PH Cu(g/m 3 ) Fe(g/m 3 ) Ni(g/m 3 ) Zn(g/m 3 ) Cr(g/m

NiSO4, H3BO3

thải theo quy trình công nghệ nghiêm ngặt, nếu có thì trang thiết bị cũng cũ

kỹ, lạc hậu, nên dòng thải sau xử lý vẫn cha đảm bảo tiêu chuẩn cho phép

Từ sơ đồ công nghệ mạ điện ở hình 1.1, qua thực tế ở Công TyDCCKXK, ta thấy rằng: Lu lợng nớc thải của phân xởng mạ điện này khônglớn lắm do năng xuất mạ nhỏ, nhng nồng độ của các chất độc hại gây ônhiễm ở dòng thải cao, đặc biệt là ion Cr+6, gây ô nhiễm cục bộ nguồn nớccác khu vực dân c gần các nhà máy cũng nh ao hồ, hủy diệt sinh vật cá, tôm.Nớc thải thay đổi theo thời gian

Hiện nay ta cha có số liệu cụ thể về thành phần cũng nh tính chất củanớc thải công nghiệp mạ điện trên phạm vi cả nớc Nhng ở khu vực Hà Nộithì từ khảo sát của trung tâm khoa học và công nghệ môi trờng ĐHBK HàNội có các số liệu ở bảng 1.2

Bảng 1.2 : Kết quả khảo sát nớc thải phân xởng mạ tại một số nhà máy

- Do sử dụng nhiều loại hoá chất có chứa các ion kim loại nặng trongquá trình công nghệ nên độc tính của nớc thải mạ điện thể hiện qua hàm lợngion kim loại nặng nh Cr+6, Ni+2 cao hơn nhiều lần so với TCCP

- Các phân xởng mạ điện ở Hà Nội đã có hệ thống xử lý nớc thải nhngcha chú trọng đến các thông số công nghệ của quá trình xử lý và điều chỉnhchúng cho phù hợp để đảm bảo các thông số nớc thải sau xử lý đạt TCCP

Phân tích cụ thể nớc thải của Công Ty DCCKXK cho các kết quả ởbảng 1.3

Bảng 1.3 : kết quả phân tích các chỉ tiêu mẫu nớc thải Công TyDCCKX

STt tháng năm ngày

Các chỉ tiêu phân tích nớc thải

Q (m 3 /ngày) PH

Trên cơ sở phân tích dòng thải riêng biệt tại phân xởng mạ, lợng nớcthải cùng loại đã đợc dẫn theo các đờng ống riêng biệt thuận tiện cho côngviệc xử lý sau này

Bảng 1.4:Kết quả phân tích thành phần tính chất nớc thải phân xởngmạ điện tại Công Ty DCCKXK tháng 12 năm 1995 và tháng 1 năm 1996 [1].

Chỉ tiêu điểm N 1 điểm N 2 điểm N 3 điểm N 4 điểm N 5

PH 5,5 -6,5 6,7 - 8,0 5,8 - 7,5 6,7 - 7,5 6,2 - 7,2 COD (mg/l) 80 – 120 75 - 130 80 - 195 290 - 450 300 - 500 sắt tổng số (mg/l) 0,8 – 12 0,9 - 18 0,9 - 25 0,2 - 1,0 0,4 - 1,4

Ni (mg/l) 0,2 - 0,5 1,5 - 8,5 0,5 - 0,8 0,2 - 0,6 0,2 - 0,7

Cr (VI) (mg/l) 0,4 - 1,5

Cr tổng số (mg/l) 0,5 - 2,5 0,1 - 0,2 0,1 - 0,2 0,05 0,1 - 0,9

SO 42- (mg/l) 12 – 18 18 - 32 15 - 40 12 - 18 16 - 28Trong bảng 1 - 4 đợc lấy mẫu tại 5 điểm

Tại cửa xả dòng Crôm (N1), tại cửa xả dòng Ni (N2), cửa xả dòng axit(N3), trong mơng thoát nớc khu vực, trớc điểm xả nớc thải chung của nhàmáy 30m (N4) và phía sau điểm xả chung của nhà máy cách 50m (N5) Sơ đồlấy mẫu đợc nêu ở hình 1-2 [2]

Mẫu đợc lấy tổng hợp trong một ca sản xuất Một số chỉ tiêu nh pH, độdẫn điện, ôxi hoà tan, nhiệt độ đợc đo ngay tại hiện trờng khi lấy mẫu cácchỉ tiêu khác nh COD, Cr(VI), Ni, Fe đợc xác định tại phòng thí nghiệmmôi trờng nớc và phòng thiết bị hấp thụ nguyên tử trung tâm kỹ thuật môi tr-ờng đô thị và khu công nghiệp

Hinh 1.2: Sơ đồ vị trí lấy mẫu, phân tích nớc thải mạ điện Công TyDCCKXK

Kết quả phân tích cho thấy nớc thải bị nhiễm bẩn nặng, các chỉ tiêu ônhiễm đặc trng vợt quá nồng độ giới hạn cho phép theo TCVN 5945 - 1995nhiều lần Trong tình trạng sản xuất, chế độ dùng nớc và xả nớc ảnh hởngnhiều đến thành phần tính chất của nớc thải Các loại nớc thải này ảnh hởng

rõ rệt đến chất lợng nớc trong mơng Khơng Thợng (N4 và N5)

Xem xét các kết quả nghiên cứu nớc thải tại phân xởng Công TyDCCKXK chúng ta nhận thấy các thông số công nghệ ảnh hởng trực tiếp tới

quá trình xử lý nh lu lợng, hàm lợng, các chỉ tiêu thành phần nớc thải dao

động rất nhiều

Hiện nay công ty đã thiết kế công nghệ xử lý nớc thải Tuy vẫn cònhạn chế ảnh hởng đến hiệu xuất làm việc, các thông số công nghệ điều chỉnh,các quá trình xử lý nớc thải cha đạt tối u Do đó cần có giải pháp tốt nhất vềcông nghệ để xử lý đạt tiêu chuẩn và bảo đảm tính kinh tế

1.3 ảnh hởng của nớc thải mạ điện đối với môi trờng và tiêu chuẩn của dòng thải.

1.3.1 ảnh hởng của nớc thải mạ điện tới môi trờng.

Nớc thải công nghiệp mạ điện do có các độc tính cao nếu không xử lýtốt sẽ gây tác hại đối với môi trờng nói chung và con ngời nói riêng

Những tác nhân chính gây ô nhiễm nguồn nớc mặt

- Kim loại nặng (Cd, Zn, Pt, Hg, Cu, Cr, Ni )

- Chất hữu cơ tổng hợp ( bảo vệ thực vật, dầu mỡ, dung môi )

ảnh hởng trực tiếp đến sức khoẻ con ngời Các ion kim loại nặng Pt,

Cu, Cr, Ni có thể gây bệnh viêm loét dạ dày, viêm đờng hô hấp, bệnhezima, ung th

- ảnh hởng đến hệ sinh thái: Các thành phần kim loại nặng ảnh hởngrất lớn tới quá trình sinh trởng phát triển của ngời, động vật và thực vật Vớinồng độ đủ lớn sinh vật có thể bị chết hoặc bị thoái hoá, với nồng độ nhỏ cóthể gây ngộ độc mãn tính hoặc tích tụ sinh học

- ảnh hởng trực tiếp đối với cá và thức ăn, đầu độc các sinh vật làmmất các nguồn phù du để nuôi cá, gây bệnh cho cá và biến đổi các tính chấthoá lý của nớc Khi phân tích thành phần cơ thể của sinh vật có tiếp xúc vớinớc thải chứa kim loại năng Các nhà khoa học đã khẳng định mức nớc tích

tụ đáng kể của các chất độc hại nh vậy có thể nói nớc thải mạ điện ảnh hởngtới cả hệ sinh thái

- ảnh hởng tới hệ thống cống thoát nớc, nớc ngầm, nớc mặt Nớc thảicông nghiệp có tính axit ăn mòn các đờng ống dẫn bằng kim loại, bêtông.Mặt khác do các quá trình xà phòng hoá tạo thành váng ngăn của quá trìnhthoát nớc và thâm nhập của oxi không khí vào nớc thải, cản trở quá trình tựlàm sạch Các ion kim loại nặng khi thâm nhập vào bùn trong các mơngthoát nớc còn ức chế hoạt động của các vi sinh vật kị khí làm mất khả nănghoạt động hoá của bùn

- ô nhiễm nớc ngầm và nớc bề mặt co thể xảy ra do quá trình ngấm vàchảy tràn của nớc thải mạ điện Ngoài ra con ảnh hởng tới sản suất, chất lợng

nh :

Làm giảm năng suất trồng và nuôi, làm hỏng đất, giảm chất lợng sảnphẩm, biến đổi đến hệ sinh vật, tăng mầm bệnh.

1.3.2 Các tiêu chuẩn của dòng thải.

Nớc thải mạ điện không xử lý chắc chắn sẽ gây ra nhiều tác hại chocon ngời và môi trờng Nhằm đảm bảo sự phát triển bền vững của môi trờngcũng nh hệ sinh thái khu vực đồng thời đảm bảo yêu cầu phát triển kinh tế,

kỹ thuật, thực sự mang lại khả năng phát triển và đảm bảo tính cạnh tranhlành mạnh của các cơ sở sản xuất phải có tiêu chuẩn cụ thể về dòng thải cótính chất pháp lý đứng trên quan điểm phát triển toàn diện và cụ thể

Các tiêu chuẩn về dòng thải công nghiệp mạ điện đối với các nớc pháttriển nh Mỹ, Anh, úc, có thể xem trong bảng 1.3 phụ lục 1

Trong TCVN về nớc thải công nghiệp đã qui định các thông số vànồng độ chất ô nhiễm cụ thể có tính chặt chẽ và khá chi tiết xem bảng 1.1phụ lục 1 Nói chung tiêu chuẩn về nớc thải công ngiệp của nớc ta đã xemxét cụ thể đối với từng loại hình sản xuất, có tính chặt chẽ về pháp luật Tuynhiên xem xét sự tơng quan về kinh tế con lạc hậu và gặp nhiều khó khăn sovới nớc có nền kinh tế phát triển ta nhận thấy:

- Nồng độ các chất ô nhiễm chính trong dòng nớc thải công nghiệp mạ

điện nh : Crôm, Niken, kẽm, Xyanua của nớc ta là thấp, thấp hơn hai lần sovới tiêu chuẩn của Mỹ, nh vậy nó đã tác động trực tiếp và gây khó khăn đốivới những cơ sở có phân xởng mạ

- So với tiêu chuẩn của Thái Lan bảng 1.2 phụ lục 1 thì tiêu chuẩncủa nớc ta tơng đối cụ thể hơn, đã quan tâm đến đặc tính sản xuất nhỏ vàlạc hậu của công nghiệp mạ điện Việt Nam

Để tiêu chuẩn dòng thải của Việt Nam có sự hợp lý và cụ thể đối vớikinh tế nớc ta hiện nay thì cần phải có sự phối hợp giữa các cơ quan quản lý,nghiên cứu môi trờng với các cơ sở sản xuất Nh vậy vừa đảm bảo quyền lợicủa doang nghiệp có phân xởng mạ vừa đảm bảo luật môi trờng đợc chấphành nghiêm chỉnh

Theo tài liệu tiểu ban kỹ thuật môi trờng I hội nghị khoa học côngnghệ lần thứ XII - Hà Nội 2/1998, nớc thải quá trình mạ điện Công TyDCCKXK có pH thấp chứa nhiều kim loại nặng đặc biệt là Crôm, Niken Để

đảm bảo an toàn cho nguồn nớc và sức khỏe của nhân dân trong khu vực,

đồng thời tạo mọi điều kiện cho nhà máy hoạt động ổn định lâu dài, chấphành luật BVMT, Công Ty DCCKXK đã tiến hành xây dựng trạm xử lý nớcthải theo kết quả nghiên cứu của trung tâm kỹ thuật và môi trờng đô thị côngnghiệp ( trờng đại học xây dựng ) Nớc thải sau quá trình xử lý đảm bảo tiêuchuẩn xả vào nguồn nớc mặt loại B theo qui định TCVN 5945 - 1995

Bảng 1.5 Hiệu quả xử lý nớc thải phân xởng mạ điện Công TyDCCKXK, cơ quan phân tích : Công ty t vấn cấp thoát nớc và môi trờng VN

01 - 06 - 1997

Chỉ tiêu nớc thải cha xử lý nớc thải sau

xử lý Tiêu chuẩn nớcthải loại B Nớc Crôm Nớc Niken

thoả thuận môi trờng số 780/ KHCNMT ngày 10 / 06 / 1997 cho phép chính

thức đa vào hoạt động

1.4 Các phơng pháp xử lý nớc thải công nghiệp mạ điện.

Vấn đề xử lý môi trờng nói chung cũng nh xử lý nớc thải nói riêngmang lại lợi ích nhiều mặt cho xã hội và cộng đồng nh tự đơn vị sản xuất

kinh doanh lại phải bỏ tiền ra chi phí cho việc xử lý này và tất cả đều phải

tính vào giá thành sản phẩm Do đó phơng pháp xử lý nào đa ra công nghệ và thiết

bị xử lý phù hợp, chi phi ít ,dễ điều khiển các thông số công nghệ thì sẽ đợc chấp

nhận Còn ngợc lại đó là phơng pháp chỉ dùng trong nghiên cứu, thử nghiệm, cha

có tính khả thi cao,nhất là đối với những nớc chậm phát triển nh nớc ta Hiện nay

ngời ta đã và đang sử dụng nhiều phơng pháp xử lý khác nhau nhng nhìn chung có

thể tổng kết lại một số phơg pháp chính nh: phơng pháp hoá học ,điện hoá, hấp

phụ,trao đổi ion,cơ học,sinh học

1.4.1 Phơng pháp hoá học.

Phơng pháp này dựa trên các phản ứng oxy hoá khử,trung hoà, keo tụ, kết tủa làm cho các chất độc hại bị biến đổi thành chất độc hay không độc và tách

khỏi dòng nớc thải Tuỳ thuộc vào lu lợng nớc thải mà tiến hành xử lý ngay tại chỗ

hay cho cả phân xởng hoặc cả nhà máy Cũng nh chọn thiết bị tuần hoàn hay gián

Nhng nớc sau khi xử lý không dùng ngay đợc (qua một lần xử lý khác nữa).

Căn cứ theo tài liệu [3] ta có sơ đồ xử lý ở hình 1.4

Sử dụng lại Thải

ra cống

N ớc thải ra

12

11

N ớc kiềm axit

N ớc Crôm

Hình 1.4: Sơ đồ nguyên tắc công nghệ làm sạch nớc thải của xởng mạtheo phơng pháp hoá học.

1 Bể khử độc trong nớc thải xyanua 9 Cấp vôi hay kiềm mới.

2 Bể chứa dung dịch xyanua hỏng 10 Bể làm sạch nớc thải Crôm

3 Trạm cân đong chất oxi hoá 11 Bể làm sạch nớc kiềm - axit

4 Bể chứa dung dịch Crôm hỏng 12 Lắng gạn.

5 Trạm cân đong chất khử 13 Trạm làm sạch thêm.

7 Chứa dung dịch axit thải 15 Trạm khử nớc.

8 Chứa dung dịch kiềm thải

Phơng pháp hoá học bao gồm : phơng pháp đông tụ, trung hoà và khửkết tủa Trong đó có phơng pháp trung hoà và kết tủa đợc ứng dụng thực tếcòn phơng pháp đông tụ cha đợc ứng dụng rộng rãi, các chỉ tiêu kinh tế kỹthuật còn thấp, triển khai công nghệ khó khăn, có nhiều thông số nên khó

điều khiển phơng pháp này chỉ tiến hành để thí nghiệm ở Hà Nội hầu nh cáccông ty không dùng đến vì vậy ở đây ta cũng không trình bầy một cách chitiết

1.4.1.1 Phơng pháp trung hoà.

Nớc thải sản xuất của nhiều lĩnh vực công nghiệp có chứa axit hoặckiềm Để ngăn ngừa hiện tợng sâm thực và tránh cho các quá trình sinh hoátrong bể mạ, ngời ta phải tiến hành trung hoà cac loại nớc thải đó, làm chomột số muối kim loại nặng lắng xuống và tách ra Trong các loại nớc thảinếu pH = 6,5  8,5 thì đợc coi là đã trung hoà Có nhiều phơng pháp trunghoà nh:trung hoà bằng cách trộn trực tiếp nớc thải chứa axit và kiềm Trong

bể mạ chủ yếu là có chứa axit nên khi trung hoà cần cho thêm kiềm, để trunghoà các loại axit vô cơ có thể dùng bất kỳ loại kiềm nào có ion OH -, để trunghòa các loại axit hữu cơ thờng dùng vôi tôi ( từ 5 10%) hoặc dung dịch vôi) hoặc dung dịch vôitôi với nớc amôniac NH4OH 25%) hoặc dung dịch vôi sẽ tạo thêm điều kiện cho quá trình sinhhoá giảm đợc lợng cặn vôi

Trong bể mạ điện sau khi khử các ion kim loại nặng thì nớc thải cònlại chứa axit mạnh (H2SO4, HNO3), các phản ứng đặc trng là :

đoạn cuối cùng sau khi các ion kim loại nặng nh Crôm đợc xử lý thành Cr+3.Ngoài ra Ca(OH)2 còn để kết tủa ion kim loại: Cr, Ni chỉ tiêu kinh tế đặt rathoả mãn với thực tế hiện nay ở nớc ta nói chung và cơ sở mạ nói riêng.

1.4.1.2 Phơng pháp khử kết tủa.

Trong các bể mạ thờng tạo ra nớc thải chứa Cr +6, mà nồng độ chophép của Cr+6 là 0,1 mg/l, Cr+3 là 0.5 mg/l (vì Cr+6 độc hơn Cr+3) Để xử lý n-

ớc thải ngời ta phải khử Cr+6 về Cr+3, sau đó tách Cr+3 ở dạng axit kết tủa

Ph-ơng pháp này bao gồm ba giai đoạn

+ Giai đoạn điều chỉnh pH

+ Giai đoạn khử

6 

+Giai đoạn kết tủa.

Giai đoạn điều chỉnh pH đợc thực hiện bằng cách bổ xung axit vào nớcthải sao cho pH = 2 - 3 ở điều kiện này sự khử Cr+6 thành Cr+3 có hiệu quảrất cao Thực tế thờng dùng nớc thải có nồng độ axít cao để trung hoà vớidòng thải cần xử lý Crôm để giảm giá thành xử lý, thờng dùng những chấtkhử : Natrisunfua (Na2S), Natrisunfit (Na2SO3), Natribisunfit (NaHSO3),FeSO4, khí sunfurơ SO2, khói chứa SO2, Na2S2O3

2H2CrO4 + 3SO2 = Cr2(SO4)3 + 3 H2O

4H2CrO4 + 3 Na2S2O3 + 6 H2SO4 = 2Cr2(SO4)3 + 6NaHSO4 + 7H2O2H2Cr2O7 + 6 NaHSO3 + 3 H2SO4 = 2 Cr2(SO4)3 + 3Na2SO4 +8H2ODung dịch Na2S bị thuỷ phân rất mạnh tạo ra OH - và sau đó tạo thànhCr(OH)3 do đó không cần cho thêm vôi

Dùng NaHSO3 và FeSO4 thì phải cho thêm vôi sữa (hoặc kiềm)

Cr+3 + 3OH- = Cr(OH)3

Hay Cr+6 khử thành Cr+3 nhờ FeSO4 sau đó trung hào bằng vôi

H2Cr2O7 +6 FeSO4 + 6 H2SO4  Cr2(SO4)3 + 3Fe2(SO4)3 + 7 H2O

Ngời ta tính đợc nếu giảm một phần trọng lợng Cr+6 thành Cr+3 thì cần

16 phần trọng lợng FeSO4.7H2O

Dùng Ca(OH)2:

Fe2(SO4)3 + 3Ca(OH)2 = 2 Fe(OH)3 + 3CaSO4

Để kết tủa phù hợp nhất là pH = 8 - 9 Quá trình kết tủa thực hiện bằngcách dùng NaOH hoặc Ca(OH)2 tuỳ theo điều kiện cho phép

Cr2(SO4)3 +6NaOH = 2Cr(OH)3 + 3NaOH + 3Na2SO4

Cr2(SO4)3 + 3Ca(OH)2 = 2Cr(OH)3 +3CaSO4

Để tiết kiệm trong công đoạn kết tủa ngời ta thờng trộn lẫn dòng thải

có chứa Niken với nớc tẩy rửa là dung dịch kiềm ở công đoạn khác để đa pH

= 10 11 ở điều kiện này kết tủa Ni sẽ đạt hiệu quả cao hơn

NiSO4 + Ca(OH)2 = Ni(OH)2 + CaSO4

Việc xử lýcác ion kim loại nặng Cr, Ni đều có chung giai đoạn kếttủa các hidroxit kim loại ở pH = 9  11 Nh vậy để đảm bảo PH của dòngthải ra môi trờng, ngời ta điều chỉnh độ PH của nớc thải sau xử lý bằng cáchtận dụng dung dịch trong công đoạn tẩy rửa chi tiết bằng dung dịch axit đểtính đến chỉ tiêu kinh tế

Trong nớc thải mạ điện còn có hợp chất xyanua (CN-), ngời ta dùngchất oxi hoá hypoclorit (ClO), Clo lỏng trong môi trờng kiềm, dùngpecmanganat (MnO4),OZôn để ôxi hoá xyanua độc thành không độc.Ngàynay ở phân xởng mạ không dùng hợp chất CN- vì độc tính cao ảnh hởngnghiêm trọng tính mạng con ngời và môi trờng

 Phơng pháp khử kết tủa rất phổ biến trong xử lý nớc thải mạ điện vìkhử trực tiếp các ion kim loại độc hại đặc biệt với ion Crôm có hiệu quả làm

sạch từ 98%) hoặc dung dịch vôi 99%) hoặc dung dịch vôi.Chỉ tiêu kinh tế phù hợp, triển khai công nghệ khá đơngiản và đạt hiệu quả công suất cao, cho phép tái sử dụng nớc đã xử lý.Cácthông số công nghệ ít nên rất dễ điều khiển Hiện nay phơng pháp này đã đợc

áp dụng thực tế phổ biến ở Công Ty DCCKXK Hà Nội, công ty khoá MinhKhai nớc thải sau khi xử lý đạt loại B TCVN 5945 - 1995 ( đảm bảo chỉtiêu thải ra nguồn nớc mặt của hệ thống thoát nớc chung

- Mật độ dòng điện - tỷ số giữa cờng độ dòng điện và điện tích bề mặt

điện cực (A/m2 hoặc A/cm2)

- Điện áp trong thiết bị điện phân (von): gồm điện thế phân cực, độ sụt

áp, hệ số sử dụng hữu ích điện áp

- Hiệu suất theo dòng điện: Điện lợng cần thiết tính theo lý thuyết và

điện lợng chi phí thực tế tính theo %) hoặc dung dịch vôi

Trong thiết bị điện phân, vật liệu làm các diện cực rất quan trọng,quyết định giá thành của thiết bị Thông thờng cực dơng (anôt) làm bằnggrafit hoặc dioxit chì, cực âm (catôt) làm bằng thép molipen hoặc hợp kimvolfram - Sắt - Niken

Quá trình khử các catrion xẩy ra tại các catôt là sự nhận điện tử, tại

đây ion kim loại bị khử thành ion ít độc hơn (Cr+6 thành Cr+3) hoặc tạo thànhkim loại bám vào điện cực Ni+2 thành Ni

Phơng trình phản ứng điện cực chung có thể viết nh sau

Me+ + ne  Mem-n

Trong đó: m là hoá trị của kim loại (m  n)

n là số điện tử làm thay đổi hoá trị

Quá trình này có thể sử dụng để làm sạch nớc thải khỏi ion kim loạinặng Pb+2, Sn+2, Hg+2, Cu+2, As+2, Cr+6 Quá trình khử hợp chất crôm đạt mức

độ làm sạch cao, nồng độ của chúng có thể giảm từ 1000mg/l xuống còn1mg/l nên đợc xử dụng rất hiệu quả

Hiệu quả làm sạch cao gần bằng 95%) hoặc dung dịch vôi

Năng lợng tiêu tốn cho quá trình 0,22 KWh/m3

Giá trị PH tối u là 2

Mật độ dòng điện 0,2 - 2A/dm2

Theo phơng trình phản ứng

Cr2O72- + 14H+ + 12e  2Cr+3 + 7H2O

 Phơng pháp điện hoá cho phép loại bỏ ra khỏi nớc thải các ion Cr+2,

Ni+2, Cu+2, Công nghệ xử lý đơn giản, dễ cơ giới hóa và tự động hoá, khôngphải bổ xung thêm hoá chất, nhng lại chỉ thích hợp với nớc thải đa vào xử lývới nồng độ cao (nồng độ các ion > 1g/l) Tuy hiệu suất xử lý đạt 90  95%) hoặc dung dịch vôixong nớc thải xử lý có nồng độ ion kim loại vẫn cao ( 0,5mg/l) cha đạtTCCP thải ra nguồn nớc chung Đồng thời chi phí điện năng lớn phơng phápnày chỉ dùng để tách sơ bộ các ion kim loại mà thôi, việc ứng dụng vào thực

tế còn hạn chế, đặc biệt nớc thải mạ điện có hàm lợng ion kim loại cao, xong

về kinh tế cha phù hợp

1.4.3 Phơng pháp hấp phụ:

Đây là phơng pháp rất vạn năng, đợc xử dụng rộng rãi cho phép xử lýnớc thải chứa một hoặc nhiều loại nớc bẩn khác nhau cả khi nồng độ các chấtbẩn trong nớc rất thấp khi đó dùng phơng pháp khác thì hiệu suất trong nớcrất thấp (không đạt )

Các chất hấp phụ để tách các kim loại nặng trong nớc thải mạ điệnoxit nhôm, than hoạt tính, mùn ca, zeoxit Khi chất hấp phụ đã bão hoàngời ta phải tiến hành hấp phụ (tái sinh) Phơng pháp này hấp phụ đợc 85 -95%) hoặc dung dịch vôi các chất hữu cơ và màu Đối với kim loại nặng nh Niken, Crôm,

Đồng thì khả năng hấp phụ là:

- Khử Cr+6 bằng oxit nhôm đạt hiệu suất hấp phụ cao (90%) hoặc dung dịch vôi) và tái sinhoxit nhôm bằng HCl Dung lợng hấp phụ tại pH = 4  6 là 11,7mg/l Thựcnghiệm chứng tỏ rằng có thể loại bỏ 97%) hoặc dung dịch vôi muối Cr+3 và Cr+6 trong nớc thảibằng hấp phụ bởi than hoạt tính tốc độ hấp phụ ion tăng lên theo qui luật số

mũ với sự giảm pH, Than hoạt tính hấp phụ tốt hơn rất nhiều lần khi nồng độ

Cr thấp nhất (Cr+6 loại bỏ 97,4%) hoặc dung dịch vôi), Cr+3 loại bỏ 99,3%) hoặc dung dịch vôi

- Tác giả Srivatara (1986) khoảng 5mg/l, nếu dùng chất hấp phụ có thể

đạt 70-80%) hoặc dung dịch vôi dung lợng hấp phụ 0,4 mg đlg Cr+6

- Mùn ca khi hấp phụ bão hoà các ion kim loại đợc thu gom, sấy khô

và đốt thì có thể thu hồi đợc kim loại, mạt ca rẻ dễ kiếm, ứng dụng nhiều

Ph-ơng pháp này đợc các nhà khoa học L.a.Vorapano và SG.Rupanopskaisi hoànthiện Các ông tiến hành với dung dịch ban đầu để thí nghiệm kalibicrômat,(nồng độ Crôm 52mg/cm3) Nồng độ kim loại đợc xác định bằng máy so màu

và kiểm tra độ kiềm, độ axit của dung dịch bằng máy đo pH, tiến hành nhsau:

+ Mùn ca ngâm 1 ngày một đêm trong dung dịch H2SO4 (mẫu SO42- )0,1N trong dung NaOH (mẫu OH-) 0,1N, và trong nớc cất Hàm lợng Crôm(ở dạng oxi hoá và khử) trong dung dịch phụ thuộc vào độ pH và thời giandung dịch tiếp xúc với mùn ca Ta có một số kết luận

* Khi pH  2 quá trình oxi hoá khử chuyển Cr+6 về Cr+3

COE = 1,2 đến 1,7 mg/g ngày đêm và COE = 2,2 3,4mg/g 4 ngày

đêm (COE là dung lợng hấp phụ tính theo mg chất bị hấp phụ trong một gchất hấp phụ

* Khi pH  7 không xảy ra hấp phụ do có mặt của CrO42- trong dungdịch

Rõ ràng phản ứng (1) xảy ra càng mạnh khi pH càng nhỏ và thời giantiếp xúc chất hấp phụ và chất bị hấp càng lớn

Thực tế sự khử hoàn toàn Cr+6 đạt đợc khi tiêu hao 10g mùn ta có sơ đồ

Trao đổi ion là một trong những phơng pháp đã đợc áp dụng vì nó cóhiệu quả tơng đối cao và có thể thu đợc các sản phẩm có giá trị về kinh tế

Bản chất của quá trình là sự trao đổi lẫn nhau của các ion có cùng điệntích trên bề mặt chất rắn và trong dung dịch khi tiếp xúc với nhau Các chấtnày gọi là các ionit (không tan trong nớc).Trong đó các chất có khả năng hútion dơng gọi là cationit (mang tính kiềm)

Phản ứng trao đổi ion xảy ra do hiệu số thế hoá của các ion trao đổi

mA + RmB  mRA + B

Động lực của quá trình này giống nh quá trình hấp phụ các chất từdung dịch Tốc độ quá trình do cơ chế khuếch tán mang quyết định (thiết bịgián đoạn )

) (

. C C*

V

a K dt

Trong đó: C là nồng độ thực trong dung dịch

K f là hệ số chuyển khối qua màng

2

Chất tái sinh

N ớc sạch

C D r r r t

q * nồng độ các ion trao đổi của nhựa cân bằng với nồng độ

Các chất trao đổi ion rất đa dạng, tuỳ thuộc vào yêu cầu xử lý ngời ta

có thể chọn những chất trao đổi ion khác nhau:

- Theo nguồn gốc tự nhiên :

* Chất vô cơ: zeolit chủ yếu dạng Na2O.Al2O3.nSiO2.mH2O

* Tổng hợp vô cơ: Silicagen, pecmutit, oxít kim loại

* Dạng hữu cơ : than hoạt tích, than bùn

- Ionit dạng hữu cơ tổng hợp, nguồn gốc nhân tạo

* Các gốc hữu cơ của ionit : nhựa tổng hợp polyacrylic, polystyrol

* Các nhóm chức đợc gắn vào SO3, COOH, amin nhóm 2 hoặc 3

Quá trình trao đổi ion để xử lý nớc thải mạ điện chứa Crôm, Niken xẩy

-Quá trình hoàn nguyên bằng dung dịch kiềm phản ứng

- Đối với cột cationit2 (gốc axit yếu-COOH)

Na2Cr2O7 + H2R2  Na2R2 + H2Cr2O7 Quá trình hoàn nguyên trong môi trờng axít H 2 SO 4 5%) hoặc dung dịch vôi theo phơng trình

- Chế độ thuỷ lực của dòng dung dịch

- Nồng độ các chất trao đổi ion trong dung dịch

- Cấu trúc vật lý của các hạt ionit, tính chất hóa học của các ion trao

đổi Hằng số cân bằng (KAB) là thông số đặc trng của quá trình

KAB = (qA/CA)n.(CB/qB)Trong đó : K AB là hằng số cân bằng

q A /C A là hằng số phân bố

q A là hàm lợng ion A trong pha rắn

C A là nồng độ ion A trong pha lỏng

5 Thùng chứa dung dịch tái sinh

Nớc thải cần xử lý có chứa Crôm, Niken đi từ trên xuống, phản ứngkết thúc khi nồng độ ion kim loại đạt đến giá trị cân bằng, đồng thời vùngionit bão hoà cùng dung dịch chuyển xuống phía dới cho tới khi hết khả nănghấp thụ, nồng độ kim loại cao hơn giá trị cân bằng Lúc này tiến hành quátrình rửa, tái sinh hạt trao đổi ion

1.4.5 Phơng pháp cơ học.

Phơng pháp này nhằm loại bỏ các tạp chất không tan ra khỏi nớcthải.Tuỳ thuộc vào tính chát và mức độ làm sạch các tạp chất, ngời ta có thểdùng một số phơng pháp nh điều hoà lu lợng, quá trình lắng, quá trình táchbàng màng

*Điều hoà lu lợng: là phơng pháp đơn giản nhng quan trọng để phụgiúp cho quá trình xứ lý đạt hiệu quả cao Hiện nay ở Hà Nội có công tyDCCKXK, công ty khoá Minh Khai đã áp dụng phơng pháp xử lý

* Quá trình lắng: quá trình này thực hiện sau khi khử các ion kim loạinặng và trung hoà tạo kết tủa.Sự lắng của các hạt xảy ra dới tác dụngcủatrọng lực.Phơng pháp này đợc sử dụng rộng rãi ở Hà Nội có Công TyDCCKXK xuất khẩu dùng bể lắng có sục khí, công ty hoá Minh khai dùng

bể lắng cát loại ngang Tuy nhiên chỉ là phụ chứ không quyết định đợc tínhkhử độc hay loại bỏ các chất độc

Màng đợc định nghĩa là một pha đóng vai trò ngăn cách giữa các phakhác nhau Đó có thể là chất rắn hoặc gel (chất keo) trơng nở do dung môihoặc thâm chí cả một chất lỏng Nếu ứng dụng màng để tách các chất phụthuộc vào độ thấm qua của các hợp chất đó qua màng (theo tài liệu [7] ta cóbảng 1 - 7).

Bảng 1.7: Khái quát các quá trình tách bằng màng theo động lực, chứcnăng và phạm vi ứng dụng của nó

Quá trình Động lực Khoảng kíchthớc hạt, m chức năng của màng

Điện thẩm tách

(electrodialysis)

Điện thế Gradient < 0,1

chọn lọc đối với các ion nhất định

(Ultra filtration)

áp suất (0,1-0,5MPa) 5.10

do vậy có thể tái sử dụng Lúc bắt đầu, thẩm thấu ngợc đợc dùng để xử lý

n-ớc mặn và khử mặn, nhng về sau với những phát minh ra những màng bánthấm thấu rẻ hơn và hiệu quả hơn ngời ta bắt đầu vào quá trình xử lý nớcthải Ba loại màng bán thấm thông dụng nhất đợc sử dụng là xenlulôaxetat vàcác poliamit thơm

Thực nghiệm đã chứng tỏ rằng màng axetat xenlulô đã loại đợc muối

Cr+6 tới 97%) hoặc dung dịch vôi với dòng thấm qua liên tục khoảng 725 l/m3 ngày đêm khi pH =7,6 và khi pH = 2,6 màng chỉ loại đợc 89%) hoặc dung dịch vôi muối Cr+6[9]

Phơng pháp này đợc ứng dụng khá rộng rãi trong xử lý nớc thải mạ

điện Nhng quá trình diễn ra phức tạp, giá thành cao, phát sinh hiện tợngphân cực nồng độ, giảm năng suất Hiện nay chỉ áp dụng cho các nớc pháttriển

1.4.6 Phơng pháp sinh học

Phơng pháp này đã đợc sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoahọc và chuyên gia trên thế giới Các tác giả đã dùng thực vật vi sinh vật nhbèo nhật bản, bèo tổ ong, tảo, các vi sinh vật yếm khí để tiêu huỷ các kimloại nặng trong nớc thải Những sinh vật này đã sử dụng các kim loại nặng

nh một nguồn dinh dỡng để sinh trởng và phát triển

Theo tác giả Becker E W giới hạn cho phép để tiến hành khử kim loạinặng bằng tảo khá lớn, tới hàng chục mg/l và hiệu suất khử cũng rất cao(>80%) hoặc dung dịch vôi) đối với các kim loại nh Hg, Pb, Ni, Cr [10] Theo kết quả nghiêncứu của M.A.Aziz và W.J.Ng tại singapo năm 1995 về việc sử dụng tảo để xử

lý nớc thải của các nhà máy mạ điện, pin, dệt, nhuộm cho thấy : Nếu dùng

n-ớc thải nêu trên pha loãng đảm bảo nồng độ kim loại nặng xấp xỉ 60mg/l và

bổ xung một số chất dinh dỡng vi lợng cần thiết thì hiệu suât khử nói chung

đạt 75  85 %) hoặc dung dịch vôi trong 5 ngày và tới 90%) hoặc dung dịch vôi trong 24 ngày ta có bảng sau:

Khi dùng phơng pháp sinh học phải chú ý:

- Nếu nớc thải có chứa nhiều kim loại nặng thì hiệu xuất thì xử lý thấphơn

- Nếu sử dụng bèo và tảo có thể tách đợc các kim loại nặng ra khỏi nớcthải và mức độ làm sạch tơng đối cao

Tuy áp dụng phơng pháp hợp lý xong khử quá lâu dẫn đến thời gian khử kéo dài, nớc thải dồn vào bể liên tục trong khi quá trình công nghệ mạ theo mẻ dẫn đến thay dổi nồng độ Cr 6+ Trong một số đánh giá sơ bộ của S.P Mahajan[9]cho thấy: chi phí hoá chất trong phơng pháp khử kết tủa đợc tính khoảng 50 Rupi/m 3nớc thảicần xử lý S.PMahajan đa ra số liệu ở bảng 1.8

phơng pháp xử lý hiệu quả xử lý chi phí Rupi/m 3

Chơng 2 Phơng pháp nghiên cứu triển khai công nghệ xử

lý nớc thải

2.1 Sự phát triển của phơng pháp triển khai công nghệ.

Cách mạng khoa học kỹ thuật đang diễn ra trên mọi lĩnh vực kinh tếcủa tất cả các nớc trên thế giới Do sự phát triển rất mạnh mẽ của bộ mônkhoa học công nghệ Phơng pháp triển khai quá trình hoá học đã thực sự làchiếc chìa khoá để đi vào những lĩnh vực cụ thể nh: công nghệ hoá học, côngnghệ thực phẩm, công nghệ vật liệu, công nghệ môi trờng các phơng pháptriển khai công nghệ đã hình thành và phát triển qua ba giai đoạn chính : thựcnghiệm, động học(biểu hiện là mô tả vật lý), bảo toàn

Giai đoạn triển khai công nghệ bằng thực nghiệm bắt đầu từ thế kỷ 19,vì nghiên cứu về điều kiện công nghệ có tính chất thuần tuý , thực nghiệmnên chỉ hiệu dụng cho từng công nghệ đơn giản Để có một công nghệ hoànthiện cần một thời gian tơng đối dài 30 - 70 năm

Giai đoạn nghiên cứu triển khai nhờ mô hình động học (gồm mô hìnhvật lý) không mô tả hết các tơng quan công nghệ , phải qua các giai đoạn thửnghiệm trung gian kéo dài 10 - 30 năm

Giai đoạn triển khai công nghệ nhờ mô hình bảo toàn dòng Tiếp cận

hệ thống xem xét quá trình hoá học, nắm vững đợc bản chất của quá trình.Phơng pháp này giải đợc các hệ phơng trình bảo toàn dòng và tìm đợc giảipháp công nghệ thích hợp nhất cho từng quá trình công nghệ Có thể đa trựctiếp vào vào sản xuất và kết quả là thời gian triển khai công nghệ sản xuấtphức tạp chỉ mất khoảng từ 1 đến 5 năm

2.2 Các loại mô hình và mối quan hệ của chúng.

2.2.1 Các loại mô hình.

Theo các phơng pháp toán học đã dùng thì ta có các loại mô hình:

- Mô hình thống kê (dùng phơng pháp toán học thống kê)

- Mô hình vật lý (dùng lý thuyết nhóm)

- Mô hình toán (dùng phơng pháp toán điều khiển)

Muốn lập đợc mô hình mô tả bản chất của một quá trình công nghệnào đó cần phải có đợc các điều kiện sau:

- Kỹ thuật đo đạc cần phải đạt độ chính xác nhất định

- Các phơng pháp thu nhận và tích luỹ thông tin (số liệu) có hiệu quả

và thích hợp

- Phạm vi biến đổi của các đại lợng công nghệ phải đợc tiến hànhtrong miền cần thiết

- Các cơ sở lý thuyết và thực nghiệm phải chắc chắn

- Các phơng pháp xử lý số liệu để đánh giá các thông số mô hình phảithích hợp và đủ tin cậy

- Các phơng pháp kiểm tra và cải tiến mô hình phải phù hợp.

2.2.2 Quan hệ của các loại mô hình (thống kê, vật lý, toán)

Theo quan điểm hệ thống, các loại mô hình đều có những mối quan hệgắn bó mật thiết với nhau: Trớc hết nó cùng là những mô tả của cùng một hệ

có cùng một mối quan hệ ngoại tại Mối quan hệ này xác định bởi các biến

cố công nghệ đặc trng biểu diễn rõ ràng hệ (các bậc tự do của hệ) và mộthoặc nhiều biến cố nào đó nêu rõ chức năng mục tiêu của hệ

Các tiêu đề xuất hiện mô hình thống kê trong công nghệ hoá học có từthế kỷ trớc với tiền thân của nó là các mô hình thực nghiệm, nó gắn liền vớiviệc sử dụng thực nghiệm để hình thành các công nghệ hoá học Nó đợc hoànthiện tiếp theo nhờ sự vận dụng toán học thống kê và sử dụng của phơngpháp toán học khác vào lĩnh vực thực nghiệm và từ đó hình thành một lĩnhvực khoa học rất quan trọng đối với hoá học và công nghệ hoá học khoa họcthực nghiệm Khi dùng mô hình thống kê chúng ta không biết đợc bản chất

và cấu trúc rõ của hệ vì lúc này ta chỉ coi hệ là một hộp đen (cấu trúc mộtphần tử đen), do vậy với mô hình thống kê không hiểu rõ đợc qui luật bảotoàn cũng nh qui luật động học trong vận động của hệ mà chỉ hiểu đợc tơngtác giữa các yếu tố mà ta quan tâm với một xác suất nào đó của hệ cụ thểtrong phạm vi nghiên cứu Nh vậy thực ra mô hình thống kê chỉ dùng đẻ xác

định các điều kiện giới hạn (các điều kiện biên) trong vận động của hệ, đóchính là những thông tin nhanh về hệ, thời gian dùng để lập đợc mô hìnhthống kê là nhỏ nhất Do không hiểu biết đợc bản chất bảo toàn và bản chất

động học của hệ nên ta không thể chủ động điều khiển đợc vận động của hệ

Mô hình vật lý xuất hiện vào khoảng cuối thế kỷ trớc Nền tảng của nó

là định lý  của Buckingham đa ra vào năm 1994 và các phơng trình bảo toàndòng do Damkoehler đa ra năm 1936 [8] Dùng mô hình vật lý có thể biểudiễn đợc động học của quá trình chuyển vật lý tức là làm rõ số hạng thứ batrong phơng trình bảo toàn dòng và biết đợc qui luật động học của quá trìnhvật lý xảy ra Sự khác nhau giữa mô hình vật lý và mô hình thống kê ở đây vềnội dung là cơ bản, vì thế để thiết lập mô hình vật lý ngời ta phải biết đợc cácdạng của dòng trong hệ, những hiểu biết này ở dạng đơn giản hệ chỉ có mộtphần tử Nhng mặc dù chỉ với cấu trúc nh vậy, vẫn cha đủ công cụ, phơngtiện kiến thức để giải đợc các phơng trình bảo toàn lập cho nó Chính vì vậychúng ta phải dùng định lý  để hạ bậc tự do của hệ, đồng thời dùng lýthuyết nhóm để đa về dạng đơn giản

Cách xác định các thông số của mô hình bằng thực nghiệm giống nh ởmô hình thống kê Với mô hình vật lý chúng ta đã tiến thêm một bớc trongviệc hiểu biết cấu trúc hệ, xong vẫn còn đơn giản và cha điều khiển đợc hệ(không thể tối u đợc chế độ hoạt động của hệ) Để lập mô hình vật lý của cácquá trình công nghệ hoá học cũng theo 5 bớc (giống hệ thống kê): xác định

hệ, xác định cấu trúc hệ, xác định các hàm toán mô tả (tơng ứng với cấu trúc

đã đa ra), xác định các thông số của mô hình và kiểm tra tính tơng hợp củamô hình

Mô hình toán xuất hiện trong công nghệ hoá học vào năm 1950 vớinhững công trình đầu tiên của Asis và Denbigh, những ngời có công đặt nềntảng cho mô hình toán là Damkoehler ông đã đa ra hệ phơng trình bảo toàn

và chứng minh rằng không thể dùng mô hình vật lý để biểu diễn quá trình

toán học (trừ phản ứng bậc 1) Từ phơng trình bảo toàn dòng chúng ta có thểthu đợc mô hình toán của hai phần tử cơ sở: đẩy lý tởng và trộn lý tởng.

Với mô hình toán học ta có thể trả lời đợc tất cả các câu hỏi đặt raxung quanh vấn đề khống chế và điều khiển hệ, những vấn đề mà mô hìnhvật lý và thống kê chỉ trả lời đợc một phần hoặc không trả lời nổi Tuy nhiên

để thiết lập một mô hình toán chủ thể cần hiểu biết sâu sắc và đầy đủ hơn vềbản chất lý hoá của sự vật, cần có công cụ toán tốt, cần có sự hiểu biết về cơhọc, về khoa học tính toán

Cấu tạo của mô hình toán gồm ba thành phần mô hình cấu trúc dòngmô hình động học và mô hình điều kiện biên Mô hình toán học chung (môhình bảo toàn) chỉ có thể thiết lập đợc khi tồn tại mô hình động học và điềukiện biên, nhng hai thành phần này lại liên quan chặt chẽ với hai loại môhình trên

2.3 Nguyên tắc xác định bản chất hệ thống công nghệ hoá học.

Muốn triển khai công nghệ hoá học cần phải nắm đợc bản chất của hệthống qua hàm toán Nhng để có đợc các hàm toán đó chúng ta không thểsao chép nguyên si tất cả mọi nét mà chúng ta chỉ lọc lựa những nét cơ bảnnhất phản ánh các đặc điểm công nghệ của hệ và vì vậy chúng ta phải sửdụng đến phơng pháp mô hình hoá

2.3.1 Định nghĩa mô hình

Theo Stoff "một mô hình là một đối tợng đợc một chủ thể nào đó trêncơ sở của sự đồng dạng về cấu trúc và chức năng dùng thay thế cho mộtnguyên bản tơng ứng để có thể giải quyết một nhiệm vụ nhất định" [8]

Theo định nghĩa này thì cùng một nguyên bản có thể có nhiều môhình, tuỳ theo nhiệm vụ chủ thể cần giải quyết, hay nói cách khác là chủ thểkhác nhau sẽ quan tâm tới các cấu chúc và chức năng khác nhau của nguyênbản và sẽ tạo ra những mô hình khác nhau Từ đó ta có mối quan hệ giữa chủthể, nguyên bản và mô hình theo hình2.1:

Hình 2.1: quan hệ giữa chủ thể, nguyên bản và mô hình

Mô hình khác với nguyên bản ở các mặt mà chủ thể không quantâm,nó chỉ đồng dạng với nguyên bản ở cấu trúc và chức năng mà chủ thểquan tâm Chính vì thế chủ thể mới dễ dàng thu nhận đợc các thông tin cầnthiết về hệ trên cơ sở nghiên cú mô hình Muốn có đợc mô hình, chủ thể phải

sử dụng các phơng pháp trừu tợng hoá để tách riêng cấu trúc và chức năngcần quan tâm và trong một số mức độ để đơn giản hoá chúng

Có ba phơng pháp thờng đợc sử dụng khi lập mô hình