Xử lý nước thải cutting kim loại bằng phương pháp điện phân (đốt điện)

Nước thải cutting hay dầu thải cắt gọt kim loại có chứa các kim loại nặng, dầu và chất hoạt động bề mặt, lượng cod và bod vượt qua ngưỡng cho phép. Có rất nhiều phương pháp xử lý khác nhau, trong đó phương pháp điện phân( đốt điện) cho hiệu quả cao, an toàn.

LỜI MỞ ĐẦU

Khi đất nước phát triển, ngành công nghiệp đi lên, song song với điều đó thì tình trạng

ô nhiễm môi trường nước, đất, không khí,… đang ngày một gia tăng đến mức báo động Nhưng nền công nghiệp của nước ta mới phát triển nên chưa có quy hoạch tổng thể và thiếu kinh nghiệm trong việc xử lý chất thải Một phần, vì nghĩ đến chi phí lợi nhuận nên các cơ sở xí nghiệp, nhà máy thải thẳng ra môi trường

Một trong những ngành gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường phải nói đến là ngành cơ khí, cắt gọt kim loại Trong nước thải của ngành này, gồm có một lượng kiml loại, dầu, chất hoạt động bề mặt, hàm lượng COD cao gấp hàng nghìn lần vượt xa ngưỡng cho phép

Có rất nhiều phương pháp xử lý nước thải này, nhưng chưa đạt yêu cầu thải ra môi trường Trong bài tiểu luận này chúng tôi tìm hiểu thêm một quá trình xử lý nước thải cắt gọt kim loại bằng phương pháp Điện phân để bổ sung thêm vào các phương pháp xửa lý

để có thêm nhiều lựa chọn quy trình xử lý

CHƯƠNG I – TỔNG QUAN

1.1 Dầu cắt gọt kim loại

1.1.1 Định nghĩa

Dầu cắt gọt kim loại (tên tiếng Anh: Metalworking fluid hay Cutting fluid) là

loại chất lỏng được sử dung trong gia công kim loại, nhằm làm mát và bôi trơn vị trí kim loại được gia công Đồng thời nó cũng có tác dụng làm sạch những mảnh vụn kim loại xuất hiện trong quá trình gia công khỏi bề mặt chi tiết Những năm gần đây, việc dùng dầu cắt mà thành phần chủ yếu là nước trở nên nhiều, nên người ta cũng gọi dầu cắt là dung dịch cắt

1.1.2 Phân loại

Dầu cắt gọt gồm hai loại chính:

- Dầu không pha: là những dầu khi sử dụng không cần pha thêm dung môi Chúng thường được sử dụng trong những giai đoạn gia công phát sinh ít nhiệt hoặc cần bôi trơn tốt

- Dầu pha: là những loại dầu khi sử dụng cần pha thêm dung môi (nước) để tạo thành dạng nhũ tương Loại này thường được sử dụng trong các giai đoạn gia công phát sinh nhiệt lớn và cần mức độ bôi trơn thấp Tùy theo yêu công công việc mà tỷ lệ dầu: nước

có thể thay đổi

1.2 Tổng quan về điên phân

1.2.1 Điện phân

1.2.1.1 Định nghĩa

Điện phân là quá trình thực hiện các phản ứng oxy hóa khử theo hướng ngược lại với hướng tự diễn biến nhiệt động học, bằng năng lượng điện

Trong quá trình điện phân, lượng electron nhường từ anot đúng bằng lượng electron nhận được ở catot

Bình điện phân gồm điện cực anod, catod, dung dịch điện phân

Các giai đoạn của phản ứng điện hóa: có 3 giai đoạn

- Cấu tử di chuyển từ lòng dung dịch đến điện cực, với vận tộc di chuyển Vdch

- Quá trình phóng điện (trao đổi e), với vận tốc Vpđ

- Quá trình tạo sản phẩm (rắn, loãng, khí), với vận tốc Vsp

Hai giai đoạn đầu thường khống chế quá trình

Phản ứng trên các điện cực:

Anod (+) : kh1 – n1e → ox1 , φcb

A

Catod (-) : ox2 + n2e → kh2 , φcb

C

φcb

A, φcb

C: điện thế cân bằng anod, catod (V) Thế cân bằng điện cưc:

φox/kh = φo

ox/kh+ ( RTnF )ln([kh]b[ox]a )[H+]m

Ở T = 298 oK thì :

φox/kh = φo

ox/kh + (0.059n ) lg([kh]b[ox]a )[H+]m

φo ox/kh : thế oxh-khử tiêu chuẩn (V)

Từ phương trình có những nhận xét sau:

- Thế của hệ phụ thuộc vào các giá trị thê oxh-khử tiêu chuẩn Eoox/kh, nồng độ chất oxh [ox], nồng độ chất khử, nồng độ ion H+ và nhiệt độ

- E tăng lên cùng với sự tăng nhiệt độ, vì hệ số δ = RT/F tăng lên khi nhiệt độ tăng

- Trong trường hợp các ion hidro tham gia vào phản ứng, E tăng lên cùng với sự tăng hoạt độ ion hidro

- Nếu thêm các ion hydro vào hệ oxh-khử không kèm theo sự tạo phức của chất oxi hóa với các phối tử được đưa vào cùng với ion hidro, thế thực của hệ tăng lên cùng với sự tăng nồng độ axit Do đó, bằng cách thay đổi pH của dung dịch, ta có thể đưa chiều của quá trình oxh-khử về chiều cần thiết

1.2.1.2 Định luật Faraday

Lượng chất được hình hành ở anot hoặc catot tỉ lệ với điện lượng dùng để điện phân

m = Trong đó:

I: cường độ dòng điện (A)

m: lượng chất được hình thành (gam)

M: khối lượng phân tử (gam)

n: hệ số tỉ lượng trao đổi electron trong phương trình oxy hóa hoặc khử ở điện cực F:

1 Faraday: điện tích của một mol electon = 96500 C (culong)

1.2.1.3 Điện áp điện phân

Nếu gọi điện áp điện phân U là hiệu điện thế áp vào hai cực để phản ứng xãy ra trong bình điện phân, thì U phụ thuộc vào các yếu tố nhiệt động, động học và tính chất dẫn điện của hệ điện phân Xét một bình điện phân:

Hình 1: Sơ đồ bình điện phân (a), đường cong phân cực (b)

Ở anot: có một cặp Redox 1 thực hiện phản ứng:

Red1 → Ox1 + ne

Ở catot: có một cặp Redox 2 thực hiện phản ứng:

Ox2 + ne → Red2

- Nếu áp vào anot điện áp φ1 (Hình 1 b) cao hơn điện thế cân bằng của cặp Redox1,

φ1cb (φ1 = φ1cb + η1, η1 quá thế anot) thì phản ứng điện cực ở anot sẽ xảy ra với tốc độ tương ứng với mật độ dòng i1

- Ở catot, ứng với điện áp φ2 nhỏ hơn (âm hơn) φ2cb của cặp Redox2, (φ2 = φ2cb + η2, η2

quá thế canot), phản ứng xảy ra với mật độ dòng catot i2

Trong trường hợp này, anot và catot đều là phản ứng chậm, cần phải có một quá thế tối thiểu ηm1, ηm2 thì sự điện phân mới bắt đầu xảy ra ứng với điện áp Umin

Umin = (φ1cb – φ2cb) + (ηm1- ηm2) Ngoài ra, còn có sụt thế do điện trở r của bình điện phân: r.I (I cường độ dòng điện) Tóm lại, điện áp cân bằng:

U = (φ1cb – φ2cb) + (ηm1- ηm2) + r.I

U = φ1 – φ2 + r.I Trong đó: φ1= φ1cb + ηm1

φ2= φ2cb + ηm2

Tóm lại: Điện áp điện phân phụ thuộc vào:

- Cường độ dòng điện

- Nhiệt độ, bản chất và nồng độ các cấu tử của dung dịch điện phân

- Cấu tạo bình điện phân: khoảng cách điện cực, kích thước điện cực, điều kiện thoát khí, dạng hình học…

1.2.1.4 Quá thế

Sự khác biệt giữa điện thế φ áp vào điện cực và điện thế cân bằng của điện cực φcb

được gọi là quá thế ký hiệu η

Như vậy quá thế của điện cực là dương , φ>φcb thì điện cực là anot (phản ứng oxy hóa) η > 0 tạo ra dòng anot

Khi quá thế âm , φ<φcb thì điện cực là catot (phản ứng khử), dòng điện đi qua là dòng catot

η = │ηA│ + │ηC│+ I.Rcell + I.Rcircuit

η = ηe + ηC + ηR

- ηe : quá thế hoạt hóa, do cấu tử phóng điện chậm để tạo sản phẩm

- ηe(khí)>> ηe(lỏng)>> ηe(rắn)

- ηC : quá thế do phân cực nồng độ tại lòng dung dịch và bề mặt điện cực Phương pháp làm giảm phân cực nồng độ là khuấy trộn dung dịch

ηR : quá thế do điện trở của bình điện phân và điện trở của mạng dây dẫn

η phụ thuộc vào : bản chất của điện cực, mật độ dòng, thành phần của dung dịch điện phân, dạng sản phẩm sinh ra ở bề mặt điện cực (rắn, lỏng, khí), và các yếu tố khác

1.2.1.5 Mật độ điện

Trong điện hóa, người ta thường sử dụng đại lượng mật độ dòng điện:

Trong đó:

i: mật độ dòng điện (A/m2);

I: cường độ dòng điện (I)

S: diện tích bề mặt điện cực (m2)

i là đại lượng đặc trưng cho tốc độ phản ứng điện hóa Do đó, khi nghiên cứu động học các phản ứng điện hóa, người ta thường xác định các đường cong biểu diễn quan hệ φ= f(i), gọi là đường cong phân cực hay đường cong dòng - thế

- Khi điện phân không có màng ngăn, tốc độ phản ứng điện phân phụ thuộc vào: + Trở lực của dung dịch điện phân – điều kiện khuếch tán của các ion

+ Thế áp đặt – sự khác biệt điện thế giữa các điện cực

CHƯƠNG II– XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHẤT LỎNG CẮT GỌT KIM LOẠI

2.1 Giới thiệu về nước thải chất lỏng cắt gọt kim loại

Chất lỏng cắt gọt kim loại được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp kim loại, chẳng hạn như: nhà máy cán, tiện và rèn kim loại; và các xưởng cơ khí, bởi vì các chất lỏng cung cấp kết hợp làm mát và bôi trơn theo yêu cầu của hoạt động gia công kim loại khác nhau Chất lỏng cắt gọt kim loại còn được sử dụng để cuốn trôi đi phoi, mùn được bào mỏng và tinh luyện trong hoạt động sản xuất gia công và cắt gọt kim loại Chất

lỏng cắt gọt kim loại thường chứa dầu khoáng, hỗn hợp chất hoạt động bề mặt, trong một

số trường hợp còn sử dụng nước và các chất phụ gia, có để đáp ứng được các thông số kỹ thuật thương mại như là chống vi khuẩn phát triển và khả năng chống ăn mòn xuống mức thấp nhất Hàm lượng nước thay đổi tùy thuộc vào nơi sản xuất, nhưng dầu trong nhóm này thường chứa từ 3 đến 60% nước Nhiều loại nước bị ô nhiễm dầu và nhũ tương đã qua sử dụng ("nước trắng") có chứa tới 15% dầu khoáng hoặc sự kết hợp của các loại dầu khoáng vật, thực vật hoặc động vật Vấn đề chính với chất lỏng cắt gọt kim loại là nó trở nên bị ô nhiễm trong quá trình sử dụng, mất đi các tính chất, công dụng và không còn hiệu quả, nó được thay thế bằng những chất mới, do đó lượng chất thải của chất lỏng cắt gọt kim loại có COD, TOC và độ đục cao Lượng chất thải của chất lỏng cắt gọt kim loại tạo ra từ hoạt động gia công kim loại tăng lên hàng năm, tạo thành một mối nguy hiểm nghiêm trọng cho môi trường do lượng chất hoạt động bề mặt và lượng chất hữu cơ gây ô nhiễm cao Những chất lỏng cần được nghiên cứu trước khi xử lý đạt tiêu chuẩn xả cống thoát nước ở vùng đó, phải tuân theo các điều luật, tiêu chuẩn của địa phương và đất nước đó, trong đó có các phương pháp xử lý khác nhau được sử dụng để xử lý nước thải cắt gọt kim loại, như vi lọc, siêu lọc, hấp phụ, dùng hóa chất để đông tụ và phương pháp sinh học (quá trình hiếu khí và kỵ khí) Gần đây, đã có sự quan tâm đáng kể trong việc xác định công nghệ mới có khả năng đáp ứng tiêu chuẩn xử lý nghiêm ngặt hơn Với mục đích này, đốt điện có một vai trò nổi bật hơn trong xử lý nước thải cắt gọt kim loại vì nó cung cấp một số lợi thế đáng kể như trang thiết bị nhỏ gọn, hoạt động khá dễ dàng và tự động hóa, không có hóa chất, thời gian lưu ngắn hơn, vận tốc lắng cao, dễ dàng tách nước

và giảm lượng bùn do hàm lượng nước thấp hơn Nó cũng có thể ngăn chặn việc phát sinh ra các sản phẩm phụ không mong muốn

2.2 Mô tả quá trình điện phân

Điện phân là quá trình với phản ứng (hoặc hòa tan) anode (điện cực sắt hoặc điện cực nhôm) Các hoạt động của dòng điện giữa hai điện cực cho phép sự hình thành của các ion kim loại (Al3+ hoặc Fe3+ ) bởi quá trình oxy hóa anode

Các phản ứng chính tại các điện cực Al và Fe là:

Phản ứng anode: Al(s) → Al(aq)3+ + 3e- (1)

Phản ứng cathode: 3H2O + 3e- → (3/2) H2 ↑ + 3OH- (2)

Al3+ và OH- ion được tạo ra bởi các phản ứng điện cực (1) và (2) phản ứng để tạo thành các monome khác nhau như Al(OH)2+, Al(OH)2 , Al(OH)24+, và Al(OH )4- các polyme như Al6(OH)153+, Al7(OH)174+, Al8(OH)204+, Al13O4(OH)247+ và Al13(OH)345+, chuyển đổi hình thức cuối cùng vào Al(OH)3 theo động học kết tủa phức tạp Một vài cơ chế tương tác có thể xảy ra giữa các phân tử hữu cơ và các sản phẩm thủy phân, và tỷ lệ này phụ thuộc vào độ pH của môi trường và các loại ion hiện nay Hai cơ chế tương tác lớn

đã được xem xét trong những năm gần đây: lượng kết tủa (pH 4,0-5,0 đói với monome Al

và pH 5,0-6,0 đối với polyme Al) và hấp phụ, mỗi một phương án được đề xuất cho một phạm vi pH riêng biệt Keo tụ trong khoảng pH thấp được giải thích như kết tủa, trong khi đó ở khoảng pH cao (> 6.5) được giải thích như hấp phụ Tại giá trị pH cao trên 9.0, Al(OH)4- cũng được dùng trong phương pháp Al(OH)3 mới được hình thành dưới dạng

vô định hình, có diện tích bề mặt lớn, có lợi cho hấp việc thụ nhanh chóng của các hợp chất hữu cơ hòa tan và thu hồi các hạt keo Những flocs polymerize như Aln(OH)3n được loại bỏ một cách dễ dàng từ môi trường nước bởi những cặn lắng xuống và H2 nổi lên Các phản ứng chính sau đây xảy ra trong điện phân khi sử dụng điện cực Fe tại các giá trị pH khác nhau:

Phản ứng anode: Fe(s) → Fe(aq)2+ + 2e- (3)

Fe(s) → Fe(aq)3+ + 3e- (4) Phản ứng cathode: 3H2O + 3e- → (3/2)H2 ↑ + 3OH- (5)

Tương tự như vậy, các ion sắt được tạo ra bởi quá trình oxy hóa điện hóa của điện cực sắt có thể hình thành loài monome (Fe(OH)2+, Fe (OH)2+, Fe(OH)63+, Fe(H2O)5OH2+, Fe(H2O)4OH2+, Fe(OH)3 và Fe(OH)4-), và các polymer (Fe2(H2O)8OH24+, Fe2(H2O)6OH42+), tùy thuộc vào độ pH của môi trường nước trong quá trình điện phân Các phức chất polymer (sản phẩm thủy phân) có xu hướng hình thành điện tích âm ở pH 3,5-7,0 Trong điều kiện có tính axit (pH <2,0), Fe(OH)63+ vẫn còn trong dung dịch, nhưng độ pH hay hàm lượng chất kết tủa, quá trình thủy phân vẫn xảy ra để tạo thành Fe(OH)3(s) Khi sử dụng điện cực Fe, lượng các sản phẩm thủy phân được tạo thành bởi quá trình anot hòa tan phụ thuộc đáng kể vào thời gian điện phân Các kim loại dẫn polyme hydroxide có

cấu trúc vô định hình với bề mặt rất lớn và mang điện tích dương Chúng kỵ nước, nên chúng hấp phụ lên bề mặt hạt anion hữu cơ và trở nên không hòa tan Sắt có khuynh hướng mạnh tạo thành phức chất không hòa tan với một số các phối tử, đặc biệt là với các phân tử phân cực và với các nhóm chức chứa oxy như các nhóm hydroxyl hoặc cacboxyl, tại đó nó cung cấp một điện tích âm phản ứng với các cation sắt Khi bình ác quy sạc điện tới trung hòa sẽ dẫn đến mất ổn định dung dịch keo với một lượng kết tủa hậu quả của các cation sắt và các anion hữu cơ Điều này gây ra khả năng tạo thành các bông keo tụ,

sự hấp thụ và chuyển tiếp làm cho chúng đông tụ vào nhau của cả hai chất rắn hữu cơ và

vô cơ tạo thành các dạng hạt lớn, các bông keo tụ vô định hình Các hợp chất hữu cơ hòa tan được loại bỏ hết chất hấp phụ lên bề mặt bằng hydroxit

Xử lý nước thải bằng qua trình điện phân đã được thực hiện ở đầu thế kỷ 20 Trong suốt 20 năm, quá trình điện đã chậm lại do chi phí đầu tư cao và cạnh tranh với các quy trình xử lý hóa học khác Trong những năm gần đây, xử lý nước thải bằng quá trình điện phân bắt đầu lấy lại tầm quan trọng cùng với sự tiến bộ của các quá trình điện hóa và sự gia tăng các hạn chế của môi trường về vấn đề nước thải nước Qua trình điện phân là tiềm năng cho sự lựa chọn về kinh tế và môi trường cho việc xử lý nước thải và các vấn

đề quản lý nước khác có liên quan Quá trình điện phân đã được áp dụng để xử lý nước thải dệt nhuộm, nước thải nhà hàng, nước thải chất bán dẫn, nước thải nhà máy chưng cất rượu, nước thải thuộc da, nước thải sữa, nước thải lò mổ gia cầm, nước thải nhà máy sản xuất dầu ô liu, nước thải sản xuất khoai tây chiên, nước thải mạ điện, nước thải đánh bóng cơ khí hóa học,

Một vài tài liệu nghiên cứu có sẵn dành cho việc xử lý các chất lỏng cắt gọt kim loại tổng hợp của quá trình điện phân Trong nghiên cứu này, các hiệu suất xử lý và chi phí vận hành của việc xử lý COD và TOC trong nước thải cắt gọt kim loại bởi quá trình điện phân được nghiên cứu với các điều kiện khác nhau như thay đổi pH (3,0-8,0), mật độ dòng(20-100 A/m2) và thời gian (5-30 phút) Các kết quả được đánh giá để xử lý tại các

hệ thống thoát nước thải tiêu chuẩn ở các xưởng, nhà máy sản xuất động cơ oto, xưởng

cơ khí

2.3 Thực nghiệm

2.3.1 Các nước thải chất lỏng cắt kim loại

Nước thải chất lỏng cắt gọt kim loại thu được từ một công ty sản xuất kim loại nặng sản xuất các linh kiện, động cơ ô tô Mỗi tháng thải ra khoảng hai mét khối nước thải chất lỏng cắt gọt kim loại Các đặc tính của nước thải cắt gọt kim loại được sử dụng trong nghiên cứu này được đưa ra trong Bảng 1

Bảng 1: Đặc tính của nước thải cắt gọt kim loại

2.3.2 Thiết bị và dụng cụ

Các thiết bị dùng để điện phân bao gồm một bình điện phân được thể hiện trong Hình

1 Số 1 là bình phản ứng điện hóa Plexiglas, có kích thước 120mm x 110mm x 110mm

Nó được trang bị với một máy ổn nhiệt, để kiểm soát nhiệt độ Tấm đúc nhôm và sắt (45

mm × 53 mm × 3 mm) được chọn làm điện cực anode / cực âm và các điện cực được nằm cách nhau 1cm Bốn điện cực được dùng trong các bình điện phân cho tất cả chạy thử nghiệm Các điện cực được nhúng trong các bình phản ứng điện hóa đến độ sâu 80 mm, đạt tổng diện tích bề mặt điện cực 143cm2 Các điện cực được kết nối với một ngồn cung cấp điện (120V, 18A) và hoạt động ở chế độ Galvanostatic