VÀ KIỂM SOÁT KHÍ THẢI
7.1. PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ HÓA HỌC
Các phương pháp hóa học xử lý nước và nước thải tận dụng những lợi thế như: (1) Tính chất hóa học của chất ô nhiễm có khuynh hướng phản ứng với các chất hóa học sử dụng để xử lý, (2) Tính chất hóa học của sản phẩm phản ứng giữa chất ô nhiễm và chất hóa học như độ tan, tính bay hơi, hoặc các tính chất khác liên quan đến sản phẩm không có khả năng giữ lại ở dạng tan hoặc dạng lơ lửng trong môi trường nước Nói chung, có sáu quá trình hóa học có thể sử dụng để loại bỏ các chất ô nhiễm từ môi trường nước:
1. Phản ứng để tạo ra chất rắn không tan.
2. Phản ứng để tạo ra chất khí không tan.
3. Giảm điện tích bề mặt để tạo ra sự keo tụ các hạt keo lơ lửng 4. Phản ứng tạo ra các chất dễ phân hủy sinh học từ các chất khó
phân hủy sinh học.
5. Phản ứng phân hủy hoặc làm bất hoạt tác nhân chelat.
6. Oxy hóa hoặc khử thành các sản phẩm không độc hại hoặc thành những chất có thể loại bỏ dễ dàng hơn bằng một trong các phương pháp trên.
7.1.1. Phản ứng tạo ra sản phẩm không tan
Quy trình chuẩn công nghiệp để loại ion kim loại từ nước thải là kết tủa trong môi trường kiềm. Các phương pháp kết tủa thay thế bao gồm kết tủa ion kim loại với sunfit, kết tủa phốt phát, kết tủa carbonat
hoặc đồng kết tủa với hydroxit, hoặc với các sulfit, carbonat và phốt phát của kim loại khác. Tất cả công nghệ này sử dụng định luật tác dụng khối lượng được trình bày như sau:
Có thể viết một hệ hóa học ở trạng thái cân bằng:
D C B
A+ ↔ + (7.1) ]
][
[ ] ][
[ B A
D
K = C (7.2) Trong đó K là hằng số.
Đối với hệ đã cho của các chất phản ứng khi đạt đến trạng thái cân bằng, tỷ số của tích nồng độ (mol/L) sản phẩm phản ứng và tích nồng độ (mol/L) các chất tham gia phản ứng luôn là một hằng số. Kết quả là khi tăng A hoặc B phản ứng sẽ xảy ra theo chiều thuận, tương tự nếu lấy C và D ra khỏi hệ cân bằng sẽ chuyển dịch về phía phải và làm giảm nồng độ của A và B.
Nếu chất A là chất ô nhiễm, chất B sẽ phản ứng với chất A để tạo ra một kết tủa không tan (C hoặc D) và do kết tủa được lấy ra liên tục từ dung dịch và chất B tiếp tục được thêm vào cho đến khi chất A không còn trong dung dịch. Quy trình trừng bước có thể được sử dụng để phát triển công nghệ xử lý hiệu quả, giá thành thấp được đưa ra như sau:
1. Nhận biết một hoặc nhiều các hợp chất không tan đối với chất ô nhiễm.
2. Nhận biết một hoặc nhiều hợp chất tan có giá thành chấp nhận được để kết tủa chất ô nhiễm.
3. Tiến hành thí nghiệm trong phòng thí nghiệm để xác nhận những khía cạnh về tài chính và kỹ thuật đối với mỗi phương pháp xử lý.
Bảng 7.1. Độ tan lý thuyết của hydroxit, sulfit và carbonat đối với một số ion kim loại
Độ tan của ion kim loại, mg/L
Ion kim loại Dạng hydroxit Dạng carbonat Dạng sulfit Cd(II) 2,3.10-5 1,0.10-4 6,7.10-10
Cr(III) 8,4.10-4 - Không kết
tủa
Co(II) 2,2.10-1 - 1,0.10-8
Cu(II) 2,2.10-2 - 5,8.10-18
Fe(II) 8,9.10-1 - 3,4.10-5
Pb(II) 2,1 7,0.10-3 3,8.10-9
Mn(II) 1,2 - 2,1.10-3
Hg(II) 3,9.10-4 3,9.10-2 3,8.10-9
Ni(II) 6,9.10-3 1,9.10-1 6,9.10-8
Ag(I) 13,3 2,1.10-1 7,4.10-12
Sn(II) 1,1.10-4 - 3,8.10-8
Zn(II) 1,1 7,0.10-4 2,3.10-7
Ví dụ sau đây với Pb là chất ô nhiễm. Trước hết, nhận biết những hợp chất nào của Pb khó tan. Theo giá trị tích số tan, chì có hai hợp chất khó tan trong môi trường nước là:
Hydroxit chì, (Pb(OH)2), với độ tan trong nước là 2,1 mg/L và chì carbonat, (Pb(CO3)2, với độ tan trong nước là 1,0 × 10-3 mol/L; chì phosphat, (Pb3(PO4)2, độ tan là 20 × 10-3và chì sulfit, (PbS), với độ tan là 3,8 ×10-9mol/L. Như vậy, chì carbonat và chì sulfit có độ tan bé nhất so với các hợp chất của Pb đã nêu ở trên. Các chất hóa học để kết tủa ion Pb(II) dưới dạng hai hợp chất này là carbonat (Na2CO3) và natri sulfit (Na2S). Sulfit tương đối đắt và gây ra mùi khó chịu nên soda là tác nhân thích hợp sử dụng để kết tủa ion P b(II) dưới dạng carbonat chì. Bảng 7.1 đưa ra độ tan lý thuyết của một số hợp chất khó tan của kim loại.
Hình 7.1 minh họa vùng pH để kết tủa một số ion kim loại. Bảng 7.2 đưa ra vùng pH và các điều kiện khác được tìm thấy để loại bỏ Fe, Al, As và Cd từ nước thải.
Hình 7.1. Vùng pH để kết tủa một số hydroxyt kim loại
Bảng 7.2. Vùng pH và điều kiện tìm được để làm sạch một số ion kim loại Nguyên tố pH và các điều kiện khác
Fe pH 7-8, toàn bộ sắt oxi hóa thành Fe3+
Al pH 6-7, nhưng đến pH 8,5 có thể chấp nhận được
As Đồng kết tủa với Fe ở pH 7-8
Cd pH 10, nhưng ở pH 8 kết tủa ở dạng carbonat Bảng 7.3 đưa ra các phương pháp xử lý được sử dụng khá phổ biến để loại bỏ 9 kim loại ngoài các kim loại đã đưa ra trong bảng 7.1. Từ kết quả ảnh hưởng của pH đến độ tan của các kết tủa hydroxyt kim loại đưa ra trong hình 7.1 có thể thấy Cr và Zn kết tủa tốt nhất ở pH tương ứng là 7,5 và 10; ngược lại, Fe, Cu, Ni và Cu cho thấy độ tan giảm liên tục với sự tăng pH.
Bảng 7.3. Các phương pháp thông thường và giá trị pH để tách kim loại nặng Cr Khử thành Cr(III) bằng bisulfit hoặc meta sulfit, sau
đó kết tủa ở pH 8-9,5
Cu pH 10-12, dưới dạng sulfit (sử dụng Na2S), thu hồi bằng bay hơi hoặc trao đổi ion.
Pb pH 10-11, hoặc kết tủa dưới dạng carbonat (sử dụng soda) hoặc kết tủa dưới dạng phosphat (sử dụng axit H3PO4 hoặc muối phosphat tan)
Mn Oxy hóa thành MnO2 bằng chất oxy hóa (Cl2, O3, KMnO4), trao đổi ion
Hg Kết tủa dưới dạng sulfit ở pH từ 5 - 8. Ngoài ra, có thể loại bằng keo tụ, trao đổi ion, than hoạt tính Ni Nói chung ở pH 11-12. Trong một số trường hợp,
giá trị pH trong vùng 5-10 cho kết quả tốt. Kết tủa dạng carbonat hoặc sulfit định lượng ở pH gần trung tính.
Se Se hòa tan được loại bỏ bằng kết tủa ở pH 11-12, hoặc bằng đồng kết tủa với Fe ở pH 5,5 – 8 hoặc với Al ở pH 6. Se không hòa tan được tách bằng lắng hoặc qua lọc.
Ag Do giá trị của Ag, loại Ag bằng trao đổi ion tiếp theo là thu hồi
Zn Giá trị pH trong khoảng rộng, phụ thuộc vào các chất khác trong nước thải. Kết tủa dạng phosphat ở PH 8-9 đạt hiệu quả tốt.
Khi kết tủa không tan được tạo thành, các nguyên tử riêng biệt chia sẻ electron để xây dựng cấu trúc mạng lưới tinh thể dẫn đến các phần tử lớn lên về kích thước sẽ lắng trong bể lắng theo trọng lực. Thông thường, hai quá trình khác nhau xảy ra. Trước hết, tạo thành các tinh thể nhỏ của chất kết tủa. Thứ hai là sự keo tụ các tinh thể nhỏ dính lại với nhau thành các phần tử lớn hơn. Trong một số trường hợp, chất keo tụ hoặc chất trợ keo tụ được thêm vào để trợ giúp cho quá trình xảy ra nhanh hơn và hiệu quả hơn.
Trong thực tế, quá trình loại bỏ ion kim loại trong nước thải trong một hệ thống phức hợp bao gồm bể kết tủa, bể lắng và bể lọc để loại bỏ hoàn toàn chất rắn lơ lửng không lắng. Nói chung, bằng phương pháp kết tủa hóa học với nồng độ ban đầu của kim loại là 10 mg/L có thể làm giảm tới 1-3 mg/L.
Để đạt được hiệu quả trong kết tủa hóa học, trước hết cần phải tiến hành xử lý trong phòng thí nghiệm bằng jar test (hình 7.2) để tìm các điều kiện tốt nhất cho quá trình kết tủa. Quy trình thí nghiệm để xác định liều chất kết tủa và khoảng pH thích hợp bao gồm:
1. Cho nước thải đã được lắng sơ bộ vào cốc thí nghiệm jar test.
2. Xác định các điều kiện tối ưu:
- pH
- Chất kết tủa
- Chất keo tụ (nếu cần) - Chất trợ đông tụ (nếu cần)
3. Điều chỉnh tốc độ khuấy “ trộn nhanh” trong thời gian 30 giây 4. Điều chỉnh tốc độ khuấy chậm khoảng 30 phút
5. Để lắng, quan sát sự bông tụ, tính chất lắng.
6. Ghi kết quả:
- Nồng độ chất cần kết tủa trong pha lỏng - pH
- Độ đục - TSS
- Phần dư của tác nhân
Hình 7.2. Thiết bị jar test
Bảng 7.4 đưa ra danh sách các chất hóa học được sử dụng để tạo ra kết tủa không tan cho quá trình loại bỏ có hiệu quả các chất ô nhiễm như kim loại, phospho, sulfit và fluorit.
Bảng 7.4. Danh sách các tác nhân thường được sử dụng để kết tủa chất ô nhiễm
Chất hóa học Áp dụng
Vôi Kim loại nặng, fluorit, phospho
Soda Kim loại nặng
Natri sulfit Kim loại nặng
Hydro sulfit Kim loại nặng
Axit phosphoric Kim loại nặng
Các muối phosphat Kim loại nặng
Sulfat sắt As, sulfit
Phèn nhôm As, Flo
Natri sulfat Ba
Carnabat Kim loại nặng
Hình 7.3 đưa ra sơ đồ để phát triển hệ thống xử lý bằng phương pháp kết tủa để loại bỏ chất ô nhiễm bởi tạo thành kết tủa không tan.
Hình 7.3. Sơ đồ xử lý chất ô nhiễm bằng phương pháp kết tủa
Nhược điểm của xử lý bằng phương pháp kết tủa
Một số vấn đề thường gặp phải trong quá trình xử lý kim loại nặng bằng phương pháp kết tủa là cơ chế loại bỏ các kết tủa không tan tạo thành và tiếp theo là tách chất rắn khỏi pha lỏng bằng sa lắng. Một trở ngại nữa thường gặp là chất rắn kết tủa không có khả năng tạo ra các hạt đủ lớn để lắng, dưới ảnh hưởng của trọng lực, trong bể lắng và khử nước từ bùn thải.
7.1.2. Làm mềm nước
Độ cứng của nước chủ yếu là do ion Ca2+ và Mg2+. Độ cứng cũng có thể gây ra bởi sự có mặt các cation của kim loại khác, ví dụ như Fe, Mn, Sr. Cation của kim loại tồn tại trong môi trường nước cùng với các anion HCO3-, SO42-, Cl-, NO3- và SiO42-. Carbonat và bicarbonat của canxi và manhê và natri gây ra độ cứng carbonat, hay là độ cứng tạm thời, vì có thể khử và kết tủa khi đun sôi nước. Độ cứng không carbonat gây ra bởi clorit và sunfat của các cation hóa trị hai. Độ cứng toàn phần là tổng của độ cứng carbonat và không carbonat.
Phân loại độ cứng trong nước cấp đưa ra trong bảng 7.5. Mặc dù độ cứng của nước không gây hại cho sức khỏe như khi sử dụng nước cứng sẽ làm tăng lượng xà phòng, gây ra cắn đọng trong dụng cụ nấu nướng và ăn mòn hệ thống đun nước nóng, và đường ống. Độ cứng trung bình của nước từ 60 -120 mg/l theo CaCO3 được chấp nhận trong nước cấp.
7.1.2.1. Các phản ứng làm mềm nước
Phản ứng làm mềm nước được điều chỉnh bằng kiểm soát pH.
Trước hết, trung hòa axit trong mẫu nước. Tiếp theo nâng pH để kết tủa CaCO3. Nếu thấy cần thiết, tiếp tục tăng pH để kết tủa Mg(OH)2. Cuối cùng thêm CO32-để kết tủa không carbonate (NCH). Sáu phản ứng quan trọng làm mềm nước được đưa ra sau đây.