đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ môi trường, KEO TỤ ĐIỆN HÓA, XỬ LÝ NƯỚC THẢI DỆT NHỘM, luận văn xử lý nước thải dệt nhuộm, xử lý nước thải bằng phương pháp điện hóa, BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG
Trang 1BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG
- -ĐỀ CƯƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM BẰNG CÔNG NGHỆ KEO TỤ ĐIỆN HÓA
Huỳnh Phạm Dũ Nguyễn Tấn Thành Lớp: 03DHMT2
Khoá: 2012 - 2016 Giảng viên hướng dẫn: Th.S Ngô Thị Thanh Diễm
TP HCM, tháng 12 năm 2015
Trang 3MỤC LỤC
1 ĐẶT VẤN ĐỀ 4
1.1 Lý do chọn đề tài: 4
1.2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 4
1.3 Đối tượng nghiên cứu 4
1.4 Ý nghĩa đề tài 4
1.5 Phạm vi nghiên cứu 4
2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 5
2.1 Cơ sở lý thuyết 5
2.1.1 Khái niệm phương pháp điện hóa 5
2.1.2 Đặc tính chung của keo tụ điện hóa 5
2.1.3 Sự hình thành keo trong quá trình hoà tan nhôm, sắt anode 6
2.1.4 Đông tụ điện hóa (Electro-coagulation – EC) 6
2.1.5 Tuyển nổi điện hóa (Electronflotation – EF) 7
2.1.6 Oxi hóa các chất hữu cơ trong nước thải 7
2.2 Tài liệu nước ngoài 8
2.3 Tài liệu trong nước 9
3 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 9
3.1 Nội dung nghiên cứu 9
3.1.1 Sơ đồ nghiên cứu 9
3.1.2 Mô hình nghiên cứu: 10
3.1.3 Hóa chất sử dụng 12
3.2 Phương pháp nghiên cứu 13
3.2.1 Phương pháp tổng quan tài liệu 13
3.2.3 Phương pháp thống kê xử lý số liệu 14
3.2.4 Phương pháp đồ thị 15
3.2.5 Phương pháp mô hình hóa 15
4 DỰ KIẾN KẾT QUẢ 15
4.1 Kết quả mong muốn đạt được: 15
4.2 Dự kiến cấu trúc báo cáo 15
4.3 Tiến độ nghiên cứu 15
4.4 Tài liệu tham khảo 16
Trang 41 ĐẶT VẤN ĐỀ
Ngành dệt nhuộm là một trong những ngành xuất hiện sớm nhất và lâu đời ở nước ta Hiện nay, ngành này chiếm một vị trí quan trọng, đóng góp đáng kể cho ngân sách nhà nước và giải quyết việc làm cho một lượng lớn người lao động Tuy nhiên, bên cạnh việc thúc đẩy kinh tế phát triển thì các ảnh hưởng đến môi trường từ ngành dệt nhuộm cũng là một vấn đề đáng được quan tâm, trong đó nước thải ngành dệt nhuộm là vấn đề mang tính cấp thiết nhất
Nhìn chung, nước thải ngành dệt nhuộm có giá trị pH, COD, nhiệt độ cũng như độ màu rất cao Ngoài ra, nước thải còn chứa một lượng lớn các hợp chất hữu cơ độc hại như thuốc nhuộm, chất hoạt động bề mặt, kim loại, muối và các chất hợp chất hữu cơ bền (Persistent Organic Pollutants – POPs)
Hiện nay, có rất nhiều quá trình khác nhau được áp dụng để xử lý nước thải ngành dệt nhuộm như: keo tụ - tạo bông, xử lý hiếu khí Trong đó, đáng chú ý nhất là phương pháp keo tụ điện hóa do khả năng loại bỏ hiệu quả các chất hữu cơ bền mà không phải bất kì quá trình oxy hóa thông thường nào cũng có thể thực hiện được Đồng thời phương pháp này dễ quản lý, không phức tạp khi vận hành và lượng bùn thải sinh ra ít hơn nhiều so với quá trình xử lý sinh học hay các quá trình oxy khác
Trên cơ sở đó, đề tài “NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM BẰNG KEO TỤ ĐIỆN HÓA” được thực hiện để tìm ra phương pháp xử lý nước thải mới áp dụng
trong xử lý nước thải dệt nhuộm nói riêng cũng như các loại nước thải khác có đặc tính tương tự
Xác định giá trị tối ưu của 3 thông số: mật độ dòng điện, pH, khoảng cách giữa hai điện cực
Nước thải sử dụng: Nước thải dệt nhuộm tại công ty cổ phần dệt may đầu tư Thành Công
Công nghệ xử lý nước thải bằng keo tụ điện hóa
Ý nghĩa khoa học:
+ Xác định được các yếu tố tối ưu ảnh hưởng đến việc xử lý
+ Phát huy, sáng tạo ra các phương pháp mới tiến bộ và hiệu quả hơn từ các nghiên cứu sẵn có
Ý nghĩa thực tiễn:
+ Giảm thiểu tác tác hại gây ra cho môi trường do nước thải ngành dệt nhuộm
+ Xử lý nước thải đạt QCVN 13-MT:2015/BTNMT, cột B
Trang 5 Thí nghiệm được thực hiện trong quy mô tại phòng thí nghiệm trường Đại học Công Nghiệp Thực Phẩm TP Hồ Chí Minh
Một số yếu tố ảnh hưởng khác ngoài nội dung thí nghiệm được loại trừ
2.1.1 Khái niệm phương pháp điện hóa
Keo tụ điện hóa là một phương pháp điện hóa trong xử lý nước thải, trong đó dưới tác dụng của dòng điện các điện cực dương (thường sử dụng là nhôm hoặc sắt) sẽ bị ăn mòn và phóng ra các chất có khả năng keo tụ (cation Al3+ và Fe3+) vào trong môi trường nước thải, kèm theo đó là các phản ứng điện phân sẽ tạo ra các bọt khí ở cực âm (Hold, Barton và Mitchell, 2004)
Là phương pháp giao thoa của 3 quá trình: điện hóa học, tuyển nổi, keo tụ
Keo nhôm, sắt được sử dụng rộng rãi trong công nghệ xử lý nước và nước thải Hiệu quả của quá trình phụ thuộc vào tính chất, độ bền của các chất keo trong dung dịch và cơ chế keo tụ Sự keo tụ của các huyền phù bằng các phức hydro và hydroxit
Keo tụ điện hóa là phương pháp hữu hiệu nhất do tạo được Ppy trực tiếp trên bề mặt vật liệu làm điện cực với độ dẫn điện cao, sạch và có khả năng điều khiển các tính chất cũng như độ dày của màng bằng các thông số điện hóa Quá trình polyme hóa pyrol là dạng điển hình nhất cho các polyme dị vòng Cơ chế tổng hợp Ppy bằng phương pháp điện hóa gồm bốn giai đoạn:
- Giai đoạn 1: Sự oxy hóa monome, hình thành một cation gốc
- Giai đoạn 2: Cation gốc cặp đôi với một gốc khác tạo ra một đication
- Giai đoạn 3: Đication này trải qua phản ứng đề proton hóa tạo ra một đime trung hòa
- Giai đoạn 4: Đime trung hòa này bị oxy hóa tạo thành một cation gốc Sau đó, đime này cặp đôi với các cation gốc khác dẫn đến sự phát triển mạch Khi đạt đến một độ dài nhất định, mạch polyme này trở nên không tan và lắng đọng trên bề mặt điện cực tạo thành lớp phủ
Quá trình điện hóa cho phép loại bỏ hoặc giảm thiểu các hợp chất ô nhiễm bằng cách oxy hóa trực tiếp các chất ô nhiễm trên điện cực nhờ dòng điện hoặc tạo ra các tác nhân oxy hoá trong môi trường có khả năng oxy hóa các hợp chất hữu cơ độc hại
2.1.2 Đặc tính chung của keo tụ điện hóa
- Hạt keo gồm ba phần:
+ Nhân hạt keo: là tập hợp nhiều phân tử rắn liên kết với nhau, được bao bọc bởi một lớp
vỏ ion Sự hấp phụ một loại ion nào đó trong dung dịch tạo nên lớp vỏ ion này
+ Lớp điện tích kép: hình thành bởi các ion trái dấu với lớp vỏ ion
+ Lớp ion khuếch tán hình thành ở phần ngoài của lớp điện tích kép
- Đặc điểm sau đây:
+ Dòng điện một chiều
Trang 6+ Các điện cực dương là kim loại hoà tan có khả năng tạo chất keo tụ.
+ Tùy vào pH và đặc tính của nước thải ở từng trường hợp cụ thể mà chọn kim loại làm điện cực dương
+ Thời gian lưu nước, cường độ dòng điện, hiệu điện thế và hiệu suất vận hành của bể có mối quan hệ rất chặt chẽ với nhau
+ Hệ thống điện cực được đặt ngập trong nước thải, để đảm bảo khả năng tiếp xúc giữa các bọt khí và các chất ô nhiễm là tốt nhất
+ Bể keo tụ điện hoá có thể hoạt động trong điều kiện là nạp nước thải đầu vào liên tục hoặc hoạt động trong điều kiện nước thải chỉ được nạp một lần (theo mẻ)
+ Sự xáo trộn thích hợp, bọt khí, cánh khuấy điều chỉnh vận tốc
+ Phản ứng tạo chất keo tụ cần alkalinity, oxy thích hợp
2.1.3 Sự hình thành keo trong quá trình hoà tan nhôm, sắt anode
Đối với dung dịch có pH= 5,0 – 7,0, khi điện phân do sự thoát khí O2 trên anode, H2
trên cathode, nhôm bị thủy phân nên pH dung dịch thấp, thành phần chủ yếu là Al(OH)2+ và Al(OH)2+ Ngoài ra, còn có Al3+ và Al(OH)3 Nếu dung dịch có tính acid, hàm lượng phức hydroxyt tích điện dương khá cao, chúng nằm phân tán, chậm liên kết lại để tạo hạt keo lớn hơn
Khi tăng pH > 6,0, ion Al3+ vừa hình thành sẽ bị thủy phân hoàn toàn, phức hydroxyt Al(OH)2+, Al(OH)2+ tiếp tục thủy phân, sản phẩm thủy phân là Al(OH)3 Đến pH= 7,0 – 8,0 Al(OH)3 đạtnồng độ cực đại Như vậy khi tăng pH, hàm lượng các hạt keo dương giảm dần, các sản phẩm thủy phân dễ liên kết với nhau lại tạo thành các hạt keo lớn hơn Thứ tự các phản ứng thuỷ phân như sau:
Al3+.6H2O + H2O →Al(OH)2+.5H2O + H3O+ (1)
Al(OH)2+.5H2O +H2O →Al(OH)2 + 4H2O + H3O+ (2)
Al3+.6H2O + 2H2O →Al(OH)2 + 4H2O + 2H3O+ (3)
Al(OH)2 + 4H2O + H2O →Al(OH)3.3H2O + H2O (4)
Trong quá trình điện phân, pH của lớp dung dịch sát anode giảm dần do tạo ra keo nhôm và thoát O2 nên các Hydroxyt tích điện dương có độ phân tán rất cao
Trong điện trường, H+ chuyển về cathode sẽ trung hòa các ion OH chuyển từ cathode sang anode, giúp cho quá trình thủy phân hình thành các hydroxyt dễ dàng
Trong khoảng pH= 5,5 – 7,0 các thành phần chính là Al(OH)2+, Al(OH)2 và Al(OH)3 Tăng pH và thời gian điện phân, các phân tử đó liên kết tạo ra các hạt đa nhân
2.1.4 Đông tụ điện hóa (Electro-coagulation – EC)
- Cơ chế:
EC là một phương pháp sử dụng điện cực anode hòa tan nhôm hoặc sắt để tạo ra các tác nhân keo tụ Chúng sẽ keo tụ các tạp chất trong dòng thải Trong bình điện phân, nước thải đóng vai trò là chất điện phân Anode và Cathode bằng nhôm hoặc sắt Khi có dòng điện một chiều đi qua dịch điện phân, anode nhôm có quá trình hòa tan:
Hòa tan nhôm: Al – 3e → Al3+
Trang 7Đồng thời quá trình thoát oxy
Ở pH < 7,0: 2H2O – 4e → O2 + 4H+
Ở pH>7,0: 4OH- - 4e → O2 + 2H2O
Ở cathode:
Ở pH<7,0: 2H+ + 2e → H2
Ở pH>7,0: H2O + 2e → H2 + 2H2O Ion Al3+ vừa mới hình thành trên lớp dung dịch sát anode nhôm, chúng tham gia các phản ứng thủy phân Các sản phẩm thủy phân sẽ là Al(OH)2 , Al(OH)2 và cuối cùng là Al(OH)3 Tùy theo giá trị pH mà thành phần các sản phẩm thủy phân này sẽ khác nhau
Do quá trình keo tụ xảy ra đồng thời với quá trình thoát khí nên dung dịch được khuấy trộn Các khí H2, O2 sẽ có tác dụng tuyển nổi các hạt keo sau khi trung hòa điện (hấp thụ các tạp chất)
- Khả năng của phương pháp:
Ứng dụng của phương pháp EC rất đa dạng, có thể áp dụng cho nhiều loại nước thải,
có thành phần thay đổi lớn Bằng những nghiêm cứu, các nước tiên tiến trên thế giới đã áp dụng phương pháp này một cách có hiệu quả Các lĩnh vực có thể áp dụng phương pháp này như: làm sạch nước ngầm, xử lý nước thải giặt, xử lý nước cấp, xử lý nước thải sinh hoạt, tách các đồng vị phóng xạ…
2.1.5 Tuyển nổi điện hóa (Electronflotation – EF)
- Bản chất của phương pháp:
EF là một quá trình tách các hạt phân tán trong nước thải bằng các bóng khí Bóng khí H2, O2 tạo ra do quá trình điện phân nước
Các điện cực được bố trí ở đáy thùng điên phân Khi dòng điện một chiều đi qua dịch điện phân, khí O2 thoát ra ở anode và H2 thoát ra ở cathode Khi các bóng khí thoát ra, dính bám vào các hạt lơ lửng trong nước thải, và kéo các hạt này nổi lên mặt nước Tạp chất dính bám trong đám bọt nổi lên bề mặt gọi là bùn tuyển nổi (flotosludge) Thiết bị tách bọt sẽ gạt lớp bùn này khỏi bề điện phân
- Thuận lợi của phương pháp tuyển nổi điện hóa:
Vì các bóng khí tạo ra từ điện phân nước do vậy không cần vận chuyển, vận hành các thiết bị tạo khí như máy nén, bình chứa khí Khí thoát ra ngoài không gây ô nhiễm
Điều khiển, khống chế quá trình dễ dàng Khí thoát ra nhiều hay ít phụ thuộc vào dòng điện vào thùng xử lý
Thiết bị xử lý đơn giản, dễ chế tạo
2.1.6 Oxi hóa các chất hữu cơ trong nước thải
- Bản chất:
Nước thải nói chung ngoài chứa các chất vô cư như acid, bazo, kim loại nặng… còn
có mặt nhiều chất hữu cơ khác Chúng cần phải xử lý khi thải ra môi trường
Trang 8Xử lý sinh học là phương pháp thông dụng để xử lý các tạp chất hữu cơ Song với các chất hữu cơ gây độc hại với vi sinh vật thì phương pháp sinh học không còn mấy hiệu quả
Bản chất của phương pháp oxi hóa điện hóa là trên anode sẽ xảy ra quá trình oxi hóa điện hóa, các tạp chất hữu cơ sẽ bị oxi hóa chuyển thành các chất hữu cơ khác hay đến chất vô cơ như CO2 và H2O (oxi hóa hoàn toàn)
- Oxy hóa điện hóa trực tiếp tại anode tạo gốc hydroxyl:
Phương pháp này cho phép oxy hóa nước tạo gốc hydroxyl hấp thụ trên bề mặt anode có quá thế oxy cao:
H2O → OH ads + H+ + e
-Gốc hydroxyl tạo ra có khả năng oxy hóa nhiều hợp chất hữu cơ trong dung dịch Việc lựa chọn vật liệu điện cực anôt vô cùng quan trọng, quyết định khả năng ứng dụng của phương pháp này
Khoảng 20 năm trở lại đây, rất nhiều công trình khoa học tập trung nghiên cứu xử lý nước thải công nghiệp ô nhiễm bởi các hợp chất hữu cơ, các vật liệu điện cực hiệu quả nhất đều có thế oxy cao
Trong số các vật liệu nghiên cứu này, các oxit kim loại như oxit thiếc, oxit chì, dioxit chì pha tạp và platin là các vật liệu điện cực có nhiều triển vọng Một vật liệu mới, kim cương pha tạp Bo (BDD - Boron doped diamond) cho quá thế oxy cao nhất từ trước đến nay đã được nghiên cứu áp dụng
Hiện nay, điện cực anode BDD được cho là vật liệu tối ưu cho phép hình thành gốc hydroxyl, mở ra hướng ứng dụng điện cực anôt tạo chất oxy hóa mạnh cho phép khoáng hóa hoàn toàn các hợp chất hữu cơ
- Theo Mr Kobya, S.Delipinar (2008) Trong các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm quy mô, xử lý nước thải sản xuất nấm men bánh mì đã được khảo sát bởi đốt điện (EC) sử dụng một lò phản ứng hàng loạt Ảnh hưởng của các yếu tố như pH, vật liệu điện (Fe và Al), mật độ hiện tại, và thời gian hoạt động được khảo sát về hiệu quả loại bỏ nhu cầu oxy hóa học (COD), tổng carbon hữu cơ (TOC), độ đục, và chi phí vận hành, tương ứng Các hiệu quả loại bỏ tối đa COD, TOC và độ đục trong điều kiện hoạt động tối ưu, tức là, pH 6,5 cho điện cực Al và pH 7 cho điện cực Fe, với mật độ 70 A / m2 và thời gian 50 phút thì hiệu quả xử lý 71, 53 và 90% cho điện cực Al và 69, 52 và 56% cho điện cực Fe Hiệu quả loại bỏ các chất bẩn của điện cực Al cao hơn 4,4 lần điện cực Fe do có màu sắc của sắt hoà tan
- Theo nghiên cứu của Erthan Gengec (2011) HIện nay, quá trình keo tụ điện hóa được dùng để khử màu, COD, TOC từ nước thải sản xuất men bánh mì sử dụng điện cực nhôm Có 3 yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý màu, COD, TOC là pH, thời gian, mật độ dòng điện Hiệu suất xử lý độ màu và COD, TOC của phương pháp kỵ tụ khí – hiếu khí – keo tụ điện hóa (AAE) với mật độ dòng điện 80A/m2, pH=4,0, thời gian 30 phút và
Trang 9phương pháp kỵ khí – keo tụ điện hóa (AE) với mật độ dòng điện 12,5A/m2, pH=5,0, thời gian 30 phút lần lượt là 88%, 48%, 49% và 86%, 49%, 43%
Theo nghiên cứu của Đinh Tuấn (2011) cho thấy:
- Dung dịch muối điện ly NaCl cải thiện rõ rệt hiệu quả của quá trình: hiệu suất hòa tan tốt, lượng keo nhôm mới sinh tạo ra trong một thời gian nhiều, kích thước nhỏ mịn, tốc
độ tương tác cao Khoảng nồng độ NaOH ≤ 1 g/l thích hợp cho xử lý nước thải dệt nhuộm
- Khoảng cách điện cực có vai trò quan trọng trong sự phân tán và phân bố của chất keo tụ trong toàn khối dung dịch, duy trì cơ chế keo tụ điện tích của quá trình keo tụ hệ màu
- Mật độ dòng điện 0,5 – 1 A/dm2
- pH khoảng 6,5 – 8,5
- Khoảng cách giữa 2 điện cực từ 1 -2 cm.
3.1.1 Sơ đồ nghiên cứu
Hình 3.1 Sơ đồ nghiên cứu xử lý nước thải dệt nhộm bằng keo tụ điện hóa
Trang 103.1.2 Mô hình nghiên cứu:
- Thể tích mẫu là 1L
- Khoảng cách điện cực: 2 – 6 cm
- Thời gian chạy 1 mẻ là 1 giờ với nhiệt độ bình thường hằng ngày của phòng thí nghiệm
- Hiệu điện thế: U = 5V ÷ 30V
- Vật liệu nghiên cứu:
+ Điện cực bằng nhôm (Al), kích thước: 2cm × 12cm × 0.1cm
+ Điện cực bằng sắt (Fe), kích thước: 2cm × 12cm × 0.1cm
- Thiết bị nghiên cứu:
+ Thiết bị điện phân
+ Máy khuấy từ
+ Máy đo pH điện tử
- Các thí nghiệm nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý:
+ Thí nghiệm 1: nghiên cứu khả năng điện phân của nước thải đầu vào
+ Thí nghiệm 2: nghiên cứu sự ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý
+ Thí nghiệm 3: nghiên cứu sự ảnh hưởng của khoảng cách giữa hai điện cực đến hiệu quả xử lý
+ Thí nghiệm 4: nghiên cứu sự ảnh hưởng của hiệu điện thế đến hiệu quả xử lý
Tiến hành bố trí các thí nghiệm theo bảng để tìm giá trị U/I tối ưu nhất cho nước thải đầu vào:
Khoảng cách giữa
Mật độ dòng điện,
(A/mm2)
Tiến hành khảo sát lần lượt cho điện cực nhôm và điện cực sắt
Đánh giá cảm quan nước sau xử lý: độ trong, độ màu, cặn lơ lửng, bùn nổi, bùn lắng