BÁO cáo THÍ NGHIỆM xử lý CHẤT THẢI

Mục đích thí nghiệm:  Giúp sinh viên làm quen với phương pháp hấp phụ trong xử lý nước thải  Đánh giá khả năng hấp phụ phẩm màu trên than hoạt tính  Xây dựng đường cân bằng hấp phụ ph

Bài 1 : HẤP PHỤ

I Mục đích thí nghiệm:

 Giúp sinh viên làm quen với phương pháp hấp phụ trong xử lý nước thải

 Đánh giá khả năng hấp phụ phẩm màu trên than hoạt tính

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

 Xác định hiệu quả xử lý của quá trình hấp phụ một bậc và nhiều bậc

II Cơ sở lý thuyết:

2.1 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 dễ 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 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 không 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

2.3 Cân bằng cho quá trình hấp phụ:

2.3.1Quá trình hấp phụ có thể được mô tả theo biểu thức thực nghiệm Freundlich:

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 trước

2.3.2 Phương trình đẳng nhiệt Langmuir:

Tiền đề xây dựng lý thuyết:

- Bề mặt chất hấp phụ đồng nhất về năng lượng

- Trên bề mặt chất rắn chia ra từng vùng nhỏ, các tâm hoạt động ở mỗi vùng chỉ tiếp nhậnmột phân tử chất bị hấp phụ Trong trạng thái bị hấp phụ các phân tử trên bề mặt chất rắn không tương tác với nhau

- Quá trình hấp phụ là động, tức là quá trình hấp phụ và giải hấp phụ có tốc độ bằng nhau khi trạng thái cân bằng đã đạt được Tốc độ hấp phụ tỉ lệ với các vùng chưa bị chiếm chỗ ( tâm hấp phụ ), tốc độ giải hấp phụ tỉ lệ thuận với các tâm đã bị chất hấp phụ chiếm chỗTốc độ hấp phụ ra và giải hấp phụ rd có thể tính:

m + q1

m C

Phương trình trên có dạng phương trình đường thẳng y = a.x + b, do đó từ các số liệu thực nghiệm yi, xi mà ta có được a là hệ số góc của phương trình đường thẳng, b là đoạn cắt trục tung , từ đó ta rút ra được K và qm

2.4 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;

V:thể tích chất ô nhiễm trong thiết bị hấp phụ, m 3 ;

C d : nồng độ chất ô nhiễm trong nước ban đầu, g/l;

C c : nồng độ chất ô nhiễm sau khi hấp phụ, g chất ô nhiễm/l nước;

C o : nồng độ chất ô nhiễm ban đầu;g/l;

C C :nồng độ chất ô nhiễm sau khi hấp phụ, g/l;

k: hệ sồ phân bố ở các pha;

m: lượng chất hấp phụ,g;

n: số bậc hấp phụ trong hệ thống;

V: thể tích nước ô nhiễm trong thiết bị, m 3

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

Trong đó:

C o : nồng độ chất ô nhiễm trong nước ban đầu, g/l;

C i : nồng độ chất ô nhiễm sau quá trình hấp phụ ở bậc thứ i, g/l:

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

m: lượng chất hấp phụ, g;

V: thể tích nước trong thiết bị hấp phụ,m 3

2.6 Định luật hấp thu Lambert- Beer:

Chiếu bức xạ đơn sắc  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

III Mô hình thí nghiệm:

3.1 Mô 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 mô hình thiết bị khuấy trộn hoàn toàn vận hành gián đoạn Mô 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 mô hình mô phỏng dãy thiết bị khuấy trộn mắc nối tiếp hoạt động liên tục Mô hình thực nghiệm là dãy hai bình hấp phụ, thể tích chứa của mỗi bình là 1000 ml, có gắn cơ cấu khuấy mắc nốitiếp nhau Để mô phỏng quá trình hoạt động liên tục, nước thải lưu tại mổi bình khuấytrộn 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 thí nghiệm:

- Khoá van xả ở các bình khuấy

- Khoá các van giữa các bình khuấy

ON/OFF BƠM

K2

K4 K3 K1 KHUẤY

MÔ HÌNH HẤP PHỤ MỘT BẬC VÀ NHIỀU BẬC

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

IV Thực hiện thí nghiệm:

4.1 Thí nghiệm 1: Xác định quan hệ nồng độ màu và độ hấp thu

Nguyên tắc: đo độ hấp thu của các dung dịch cĩ 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) Đo độ hấp thu với bước sĩng λ = 860nm

4.2 Thí nghiệm 2 : Quá trình hấp phụ bậc 1

Nguyên tắc: xác định sự biến thiên nồng độ phẩm nhuộm cịn 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 4 bình khuấy

+ Đổ than với khối lượng 0, 0.2, 0.5, 1.0, 1.5 vào 4 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  = 860 nm, trên máy quang trắc.

- 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 70v/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 860nm

Bậc 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

Khối lượng than M 1 =0.2g M 2 =0.5g M 3 =1.0g M 4 =1.5g

STT Thời gian (p) Độ hấp thu Độ hấp thu Độ hấp thu Độ hấp thu

Lượng than được chia làm 2 phần bằng nhau m1= m2 = m/2 = 0.75 g

- Thời gian lưu nước là 60 phút

Linear ()

Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa nồng độ thuốc nhuộm và độ hấp phụ

5.2 Thí nghiệm 2 : Hấp phụ 1 bậc

Khối lượng than M 1 =0.2g M 2 =0.5g M 3 =1.0g M 4 =1.5g

STT Thời gian (p) Độ hấp thu Độ hấp thu Độ hấp thu Độ hấp thu

5 30 0,026 0,009 0,011 0,012

Dựa vào phương trình đường chuẩn: C = 0.717 A - 0.000 Nồng độ chất ô nhiễm trong

nước thải được tính theo bảng sau:

Dựa vào số liệu vừa tính được ta có:

Khối lượng than hoạt

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

Trong đó : C: nồng độ chất ô nhiễm còn lại

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 = 0.75 g

- Thời gian lưu nước là 60 phút

Nhận xét: cùng một lượng than và thời gian lưu nước giống nhau nhưng kết quả xử lí

bậc 2 cao hơn xử lí bậc 1 vì khi cho lượng than m = 0,75g vào nước, có C=0.02 g/l thìthan sẽ hấp thụ một phần chất ô nhiễm Sau khi hết 15 phút , lọc bỏ than hoạt tính thìnồng độ chất ô nhiễm cần xử lí với lượng than 0,75 g còn lại sẽ thấp hơn Do đó, chất ônhiễm được xử lý triệt để hơn

 Nguyên nhân sai số:

- 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.

- Than không tan hoàn toàn.

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

nhỏ

V Tài liệu tham khảo

1 Standard methods for examination of water and wastewater 19th edition 1995

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 – ĐHSPKT TP.HCM, Tài liệu hướng dẫn thí nghiệm xử lý chất thải

Bài 1 : KEO TỤ

I Mục đích thí nghiệm:

 Giúp sinh viên làm quen với phương pháp keo tụ trong xử lý nước thải

 Đánh giá khả năng keo tụ trên các loại phèn

 Xác định pH tối ưu của quá trình keo tụ tạo bông

 Xác định lượng phèn tối ưu cho quá trình keo tụ tạo bông

II Cơ sở lý thuyết:

Xử lý bằng phường pháp keo tụ là cho vào trong nước một loại hoá chất gọi là chất keo

tụ có thể đủ làm cho các hạt rất nhỏ biến thành những hạt lớn lắng xuống Thông thường quá trình keo tụ tạo bông xảy ra qua hai giai đoạn sau:

- Bản thân chất keo tụ phát sinh thuỷ phân, quá trình hình thành dung dịch keo và ngưng

tụ

- Trung hoà hấp phụ lọc các tạp chất trong nước

Kết quả của quá trình trên là hình thành các hạt lớn lắng xuống

Để thực hiện quá trình keo tụ, người ta cho vào nước các chất keo tụ thích hợp như phèn nhôm, phèn sắt FeSO4 hoặc loại FeCl3 Các loại phèn này được đưa vào nước dưới dạng dung dịch hoà tan

Khi cho phèn nhôm vào nước, chúng phân li thành các ion Al3+ sau đó, các ion này bị thuỷ phân thành Al(OH)3

Al3+ + 3H2O = Al(OH)3 + 3H+ Trong phản ứng thuỷ phân trên đây, ngoài Al(OH)3 (nhân tố quyết định đến hiệu quả keo tụ) được tạo thành mà còn giải phóng ra các ion H+ Các ion này sẽ được khử bằng độ kiềm tự nhiên của nước (được đánh giá bằng HCO3- ) Trường hợp độ kiềm tự nhiên của nước thấp, không đủ để trung hoà ion H+ thì cần phải kiềm hoá nước Chất dùng để kiềm hoá thông dụng là vôi Một số trường hợp khác có thể dùng xođa (Na2CO3) hay xút (NaOH)

Sau đây là các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ tạo bông khi sử dụng phèn nhôm:

+ Trị số pH của nước:

Nước thiên nhiên sau khi đã cho Al2(SO4)3 vào, trị số pH của nó bị giảm thấp vì đây là một loại muối gồm axit mạnh và bazơ yếu Sự thuỷ phân của nó có thể tăng thêm tính axit của nước Đối với hiệu quả keo tụ, ảnh hưởng chủ yếu là trị số pH của nước sau khicho phèn vào Cho nên trị số pH dưới đây đều là trị số pH của nước sau khi cho phèn vào.

Trị số pH có ảnh hưởng rất lớn và nhiều mặt đến quá trình keo tụ

(1) Ảnh hưởng của pH đối với độ hoà tan nhôm hidroxit - một hidroxit lưỡng tính điển hình

Trị số pH của nước quá cao hay thấp đều đủ làm cho nó hoà tan, khiến hàm lượng nhôm dư trong nước tăng thêm

Khi trị số pH giảm đến 5,5 trở xuống, Al(OH)3 có tác dụng rõ ràng như một chất kiềm, làm cho hàm lượng Al3+ trong nước tăng nhiều, phản ứng như sau:

Al(OH)3 + 3H+ = Al3+ + 3H2O

Khi trị số pH tăng cao đến 7,5 trở lên, Al(OH)3 có tác dụng như một axit làm cho gốc AlO2- trong nước xuất hiện như phản ứng sau:

Al(OH)3 + OH- = AlO2- + 2H2OKhi trị số pH đạt đến 9 trở lên, độ hoà tan của Al(OH)3 nhanh chóng tăng lên, sau cùng thành dung dịch muối nhôm

Khi trong nước có SO42-, trong phạm vi pH = 5,5-7, trong vật kết tủa có muối sunphat kiềm, rất ít hoà tan Trong phạm vi này, khi trị số pH biến đổi cao, muối sunphat kiềm

ở hình thái Al2(OH)4SO4, khi pH biến đổi thấp thì chúng ở dạng Al(OH)SO4

Tóm lại, trong phạm vi pH từ 5.5-7.5, lượng nhôm dư trong nước điều rất nhỏ

(2) Ảnh hưởng của pH đến điện tích hạt keo nhôm hydroxit

Điện tích của hạt keo trong dung dịch nước có quan hệ với thành phần của ion trong nước, đặt biệt là với nồng độ ion H+ Cho nên trị số pH đối với tính mang điện của hạtkeo có ảnh hưởng rất lớn Khi 5 < pH < 8, hạt keo mang điện dương, đám keo này hình thành do sự phân huỷ của nhôm sunphat Khi pH < 5, vì keo hấp phụ SO42- nên mang điện tích âm Khi pH=8, nó tồn tại ở hình thái hydroxit trung trính, vì thế nên chúng dễ dàng kết tủa nhất

(3) Ảnh hưởng của pH đến các chất hữu cơ trong nước:

Chất hữu cơ trong nước thường là các thực vật bị thối rữa Khi pH thấp, dung dịch keo của axít humic mang điện tích âm Lúc này, chúng được dễ dàng khử đi bằng chấtkeo tụ Khi pH cao, các chất hữu cơ này trở thành muối axít humic dễ tan Vì thế mà hiệu quả xử lý tương đối kém Dùng muối nhôm để khử loại này, thích hợp nhất là ở

pH = 6 – 6.5

(4) Ảnh hưởng của pH đối với tốc độ keo tụ dung dịch keo

Tốc độ keo tụ dung dịch keo và điện thế  của nó có quan hệ Trị số điện thế  càng nhỏ, lực đẩy giữa các hạt càng yếu, vì vậy tốc độ keo tụ của nó càng nhanh Khi điện thế  = 0 (nghĩa là đạt đến điểm đẳng điện) tốc độ keo tụ của nó lớn nhất

Dung dịch keo hình thành từ hợp chất lưỡng tính, điện thế  của nó và điểm đẳng điệnchủ yếu được quyết đỉnh bởi trị số pH của nước Nhôm hydroxit, các chất humic, đất sét hơp thành dung dịch keo trong nuớc thiên nhiên đều là lưỡng tính nên pH là nhân

tố chủ yếu ảnh hưởng đến tốc độ keo tụ

Từ một số nguyên nhân trên, đối với một loại nước cụ thể thì không có phương pháp tính toán trị số pH tối ưu, mà chỉ có thể xác định bằng thực nghiệm Chất lượng nước khác nhau, trị số pH tối ưu khác nhau, nghĩa là cùng một nguồn nước, các mùa khác nhau, trị số pH tối ưu cũng có thể thay đổi

Khi dùng muối nhôm làm chất keo tụ, trị số pH tối ưu nói chung nằm trong giới hạn 6,5– 7,5 Qui luật nói chung là khi lượng chất keo tụ cho vào tương đối ít, dung dịch keo tụ

tự nhiên trong nước chủ yếu là dựa váo quá trình keo tụ của bản thân nó mà tách ra, nêndùng pH tương đối thấp là thích hợp, vì khi này lượng điện tích dương của dung dịch keo nhôm hydroxit tương đối lớn Như vậy, rất có lợi để trung hoà điện tích âm của dung dịch keo tự nhiên, giảm thấp điện thế  của nó Khi lượng phèn cho vào tương đốinhiều, chủ yếu là làm cho dung dịch keo nhôm hydroxit của bản thân chất keo tụ hình thành keo tụ càng tốt Để khử đi huyền phù và dung dịch keo tự nhiên có trong nước, dựa vào tác dụng hấp phụ của dung dịch keo nhôm hydroxit, cho nên khi pH  8 là thích hợp nhất, vì nhôm hydroxit dẽ kết tủa xuống

Nếu độ kiềm của nước nguồn quá thấp sẽ không đủ để khử tính axít do chất keo tụ thuỷ phân sinh ra Kết quả là trị số pH của nước sau khi cho phèn vào quá thấp Ta có thể dùng biện pháp cho kiềm vào để điều chỉnh trị số pH của nước ra