Xử lý nước thải bằng than hoạt tính I. LÝ THUYẾT : 1. Mục đích : • Giúp cho 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 qua các thông số : i. Đại lượng hấp phụ q ( g phẩm màu / g than hoạt tính ) ii. Hệ số phân phối phẩm màu trong các pha k • Xây dựng đường cân bằng hấp phụ phẩm nhuộm trên than hoạt tính . • Xác định hiệu quả của quá trình xử lý một bậc . 2. Cơ sớ lý thuyết của phương pháp hấp phụ : Hấp phụ các chất bẩn hoà tan là kết quả của sự di chuyển phân tử của những chất đó từ nước vào bề mặt chất hấp phụ dưới tác dụng của lực hút bề mặt. Phân loại : Theo bản chất hấp phụ :  Hấp phụ vật lý : chỉ là tác dụng tương hỗ giữa những phân tử chất rắn hoà tan với nhữmg phân tử nước.  Hấp phụ hoá học : quá trình hấp phụ chất khí hoặc lỏng lên bề mặt chất hấp phụ có kèm theo phản ứng hóa học . Theo điều kiện tiến hành hấp phụ , người ta phân thành hai kiểu hấp phụ: • Hấp phụ trong điều kiện tĩnh là không cho sự chuyển dịch tương đối của phân tử nước so với phân tử chất hấp phụ mà chúng cùng chuyển động với nhau. Biện pháp thực hiện là cho chất hấp phụ vào nước và khuấy trộn trong một thời gian đủ để đạt trạng thái cân bằng nồng độ. Tiếp theo cho lắng hoặc lọc để giữ chất hấp phụ lại và tách nước ra. • Hấp phụ trong điều kiện động là có sự chuyển động tương đối của phân tử nước so với phân tử chất hấp phụ. Đánh giá quá trình hấp phụ : Để đánh giá lực hấp phụ người ta dùng chỉ tiêu giảm năng lượng hấp thụ tự do khi thực hiện hấp phụ một chất trong điều kiện tiêu chuẩn tức là dung dịch cực loãng. Năng lượng hấp phụ tự do (∆F hp ) được biểu thị bằng kcal/mol. Những chất có (∆F hp ) càng lớn thì khả năng hấp phụ càng mạnh và sẽ đẩy những chất có (∆F hp ) nhỏ hơn khỏi bề mặt chất rắn. Do đó nếu cho nước thaỉ chứa nhiều loại chất bẩn lọc qua lớp vật liệu hấp phụ thì các chất có (∆F hp ) nhỏ hơn sẽ xuất hiện ở nước lọc sớm hơn. Nếu các chất có (∆F hp ) như nhau thì đồng thời một lúc sẽ xuất hiện trong nước lọc. Các chất kỵ nước sẽ hấp phụ tốt hơn so với những chất ưa nước. Các chất không phân ly bị hấp phụ như nhau với bất kỳ giá trị ph nào của môi trường. Nói chung với đa số các chất bẩn, khi hấp phụ có thể xác định giá trị ph tối ưu. Nếu không tạo được điều kiện tối ưu cho từng loại chất bẩn hữu cơ phân ly trong nước thì sẽ tốn nhiều lượng vật liệu hấp phụ mà vẫn không đạt được hiệu quả mong muốn. Yếu tố ảnh hưởng quá trình hấp phụ : • Nhiệt độ : hấp phụ chất bẩn trong nước thải phụ thuộc vào điều kiện nhiệt độ. Nhiệt độ thấp quá trình hấp phụ diễn ra mạnh, nhưng nếu nhiệt độ của nước thải quá cao có thể diễn ra quá trình nhả hấp , nghĩa là sau khi chất bẩn đã bị hấp phụ rồi vẫn có thể di chuyển ngược lại từ bề mặt chất hấp phụ vào dung dịch. Chính vì vậy người ta dùng nhiệt để phục hồi khả năng hấp phụ của các hạt rắn khi cần thiết. • Nồng độ chất bẩn trong dung dịch và trên bề mặt chất hấp phụ. • Nồng độ, bản chất và cấu trúc của các chất tan • Tính chất của các chất hấp phụ Nồng độ cân bằng : Trong một đơn vị thời gian, số phân tử bị hấp phụ từ dung dịch lên bề mặt chất hấp phụ bằng số phân tử di chuyển ngược lại từ bề mặt chất hấp phụ vào dung dịch thì nồng độ chất hoà tan trong dung dịch sẽ là một đại lượng không đổi gọi là nông độ cân bằng . Thời gian để chất hấp phụ và dung dịch đạt cân bằng phụ thuộc chủ yếu vào nồng độ dung dịch , kích thước hạt rắn , độ nhớt chất lỏng và cường độ khuấy trộn. Quá trình hấp phụ đẳng nhiệt được xác định bằng công thức Freundlich : n cb qKC ×= Trong đó: C cb : nồng độ cân bằng, mg/l Q : đại lượng hấp phụ , phụ thuộc tỷ lệ với bề mặt và kích thước lỗ rỗng của nó , g phẩm màu / g than hoạt tính . M CCV q cbd )( −× = Với V : thể tích dung dịch , L C d : nồng độ dung dịch ban đầu , g/L C cb : nồng độ cân bằng , g/L M : lượng chất hấp phụ được sử dụng , g K và n : những hệ số thực nghiệm tuỳ thuộc vào loại chất hấp phụ rắn, đặc tính và nồng độ chất hoà tan, nhiệt độ môi trường. Ứng dụng : Phương pháp hấp phụ ngày nay được ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải . Khi xử lý nước thải bằng phương pháp hấp phụ thì đầu tiên sẽ loại được các phân tử của các chất không phân ly thành ion rồi sau đó mới loại được các chất phân ly. Phương pháp hấp phụ không cho hiệu quả trong xử lý thu hồi các chất như rượu đơn chức, glycol, nhưng sẽ cho hiệu quả cao khi xử lý nước thải chứa các keo điện ly vì ion của hợp chất này sẽ cùng với muối khoáng có trong nước thải tạo thành các mixen, tức là dẫn tới hiện tượng khử hydrat một phần . 3. Giới thiệu về một số chất hấp phụ và than hoạt tính : Các loại chất hấp phụ bao gồm : than hoạt tính, silicagel, nhựa tổng hợp có khả năng trao đổi ion, cacbon sunfua, than nâu, than bùn, than cốc, đôlomit, cao lanh, tro và các dung dịch hấp phụ lỏng. Bông cặn của những chất keo tụ (hydroxit kim loại) và bùn hoạt tính từ bể aroten cũng có khả năng hấp phụ. Khả năng hấp phụ của chất rắn phụ thuộc vào: Diện tích riêng của bề mặt vật liệu Bản chất mối liên kết chất bị hấp phụ và chất hấp phụ Thời gian tiếp xúc giữa chất rắn và chất hoà tan khi cân bằng có sự trao đổi động lực giữa các phân tử của pha hấp phụ và các phân tử ở lại trong dung dịch. Than hoạt tính là chất hấp phụ thông dụng nhất. Khi dùng để xử lý nước thải công nghiệp phải có những tính chất đặc biệt khác với những loại than để hấp phụ khí hoặc hơi dung môi. Than hoạt tính phải xốp và có rỗng lớn để bề mặt có thể hút được 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 dùng để xử lý nước thải nên có hoạt tính xúc tác nhỏ nhất đối với các phản ứng oxy hoá, ngưng tụ hoặc không được làm mất giá trị sản phẩm đã thu hồi. Tái sinh than hoạt tính : o Tái sinh bằng hơi : o Tái sinh bằng nhiệt : o Tái sinh hoá học : o Tái sinh sinh học : II. THÍ NGHIỆM : 1. Dụng cụ _ hoá chất : • Cốc 1 L : 5cái • Đũa thủy tinh : 2 cái • ống nghiệm : 40 cái • Giá ống nghiệm : 2 cái • Phễu lọc : 3 cái • Giấy lọc • Panh gắp dài : 1 cái • Pipet 10ml : 2 cái • Pipet 25ml : 3 cái • Máy quang trắc • Cân phân tích • Bình 10 L • Phẩm nhuộm • Than hoạt tính dạng bột 2. Tiến hành thí nghiệm : i. Thí nghiệm lập đường chuẩn : Nguyên tắc : dựa trên độ hấp thu khác nhau ứng với từng nồng độ khác nhau , lập đưởng chuẩn thể hiện mối quan hệ giữa độ màu và độ hấp thu , từ đó xác định được độ màu của các mẫu thí nghiệm dựa vào độ hấp thu đo được . Cách tiến hành : Cân 0.2 g phẩm nhuộm cho vào 10 L nước . Thực hiện việc pha loãng mẫu nước với những tỷ lệ sau : ống nghiệm 1 2 3 4 5 Thể tích nước đã pha phẩm nhuộm (ml) 20 10 5 5 5 Thể tích nước cất (ml) 0 10 10 15 20 Tỷ lệ pha loãng 1 2 3 4 5 Nồng độ ( mg/L) 20.00 0 10.00 0 6.66 7 5.00 0 4.00 0 Lấy một thể tích nhất định các ống nghiệm và đem đo màu ở bước sóng 520 nm . ii. Thí nghiệm hấp phụ một bậc : Nguyên tắc: x ác đ ịnh s ự bi ến thi ên n ồng đ ộ ph ẩm nhu ộm c òn l ại trong dung d ịch theo th ời gian ở c ác t ỷ l ệ than v à n ổng đ ộ kh ác nhau . qu á tr ình đ ư ợc th ực hi ện trong th i ết b ị khu ấy tr ộn ho àn to àn v ận h ành gi án đo ạn . C ác th ông s ố đ ặc tr ưng cho qu á tr ình h ấp ph ụ : • q : đại lượng hấp phụ , phụ thuộc tỷ lệ với bề mặt và kích thước lỗ rỗng của nó , g phẩm màu / g than hoạt tính . M CCV q cbd )( −× = Với V : thể tích dung dịch , L C d : nồng độ dung dịch ban đầu , g/L C cb : nồng độ cân bằng , g/L M : lượng chất hấp phụ được sử dụng , g H ệ s ố ph ân ph ối ch ất ô nhi ễm gi ữa c ác pha : k • k=q/C cb ( g ch ất ô nhi ễm / g ch ất h ấp ph ụ )/ ( g ch ất ô nhi ễm / L n ư ớc) Cách tiến hành : Đổ mẫu nước cần xử lý đã chuẩn bị trước vào 5 bình khuấy trộn với dung tích mỗi bình là 1000ml. Cân 5 mẫu than hoạt tính với khối lượng khác nhau trên cân phân tích. Mẫu 1 cho 0.2 g than; mẫu 2 cho 0,5 g than; mẫu 3 cho 1,0 g than; mẫu 4 cho 1,25 g than; mẫu 5 cho 1,5 g than. Đổ than vào 5 bình khuấy cùng một lúc, chỉnh vận tốc khuấy là 99 v/phút đối với các mẫu 3,4,5 , bật công tắc khuấy cho từng bình. Riêng bình 1 và 2 được để ra ngoài và khuấy với tốc độ là 90 vòng / phút . Sau mỗi khoảng thời gian xác định dùng pipet lấy khoảng 20 ml dung dịch đem lọc qua giấy lọc rồi đo độ hấp thu (D) của mẫu nước ở bước sóng 520nm trên máy trắc quang. 3. Kết quả thô : Thí nghiệm 1 : ống thí nghiệm A C ( mg/L) 1 0.722 20.000 2 0.375 10.000 3 0.269 6.667 4 0.199 5.000 5 0.158 4.000 Thí nghiệm 2 : độ hấp thu của các mẫu thí nghiệm lấy từ các bình 1,2,3,4,5 theo thời gian 1 2 3 4 5 Lượng C * (g) Thời gian (phút ) 0.2 0.5 1.0 1.25 1.5 0 0.722 0.722 0.722 0.722 0.722 1 0.682 0.674 0.513 0.604 0.537 2 0.654 0.653 0.502 0.550 0.462 3 0.652 0.646 0.504 0.544 0.511 4 0.655 0.634 0.499 0.540 0.513 5 0.654 0.638 0.491 0.526 0.491 10 0.654 0.641 0.490 0.516 0.507 15 0.651 0.637 0.485 0.520 0.513 30 0.645 0.639 0.486 0.537 0.536 60 0.646 0.630 0.498 0.507 0.490 90 0.669 0.629 0.492 0.530 0.529 120 0.660 0.637 0.614 0.568 0.525 4. Tính toán : Thí nghiệm 1 : y = 27.944x - 0.4136 R 2 = 0.9981 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0 20.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 A C(mg/l) Phương trình đường chuẩn : 4136.0944.27 −×= AC Thí nghiệm 2 : Thời gian TN1 TN2 TN3 TN4 TN5 A C A C A C A C A C 0 0.722 19.76 2 0.722 19.762 0.722 19.762 0.722 19.762 0.722 19.76 2 1 0.682 18.64 4 0.674 18.421 0.513 13.922 0.604 16.465 0.537 14.59 2 2 0.654 17.86 2 0.653 17.834 0.502 13.614 0.550 14.956 0.462 12.49 7 3 0.652 17.80 6 0.646 17.638 0.504 13.670 0.544 14.788 0.511 13.86 6 4 0.655 17.89 0 0.634 17.303 0.499 13.530 0.540 14.676 0.513 13.92 2 5 0.654 17.86 2 0.638 17.405 0.491 13.307 0.526 14.285 0.491 13.30 7 10 0.654 17.86 2 0.641 17.500 0.490 13.279 0.516 14.006 0.507 13.75 4 15 0.651 17.77 8 0.637 17.400 0.485 13.139 0.520 14.117 0.513 13.92 2 30 0.645 17.61 0 0.639 17.456 0.486 13.167 0.537 14.592 0.536 14.56 4 60 0.646 17.63 8 0.630 17.191 0.498 13.503 0.507 13.754 0.490 13.27 9 90 0.669 18.28 1 0.629 17.163 0.492 13.335 0.530 14.397 0.529 14.36 9 120 0.660 18.02 9 0.637 17.387 0.614 16.744 0.568 15.459 0.525 14.25 7 Đồ thị thể hiện sự thay đổi nồng độ theo thời gian : Thí nghiệm 1 16.0 17.0 18.0 19.0 20.0 0 20 40 60 80 100 120 THOI GIAN (PHUT) NONG DO (mg/L) Thí nghiệm 2 16.0 17.0 18.0 19.0 20.0 0 20 40 60 80 100 120 t(ph) C(mg/L) Thí nghiệm 3 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0 20.0 0 20 40 60 80 100 120 t (ph) C(mg/L) Thí nghiệm 4 10.0 15.0 20.0 25.0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10 0 11 0 12 0 t(ph) C(mg/L) Thí nghịêm 5 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0 20.0 0 20 40 60 80 100 120 t(ph) C(mg/l) nồng độ màu theo thời gian 0 5 10 15 20 25 0 20 40 60 80 100 120 t(ph) C(mg/L) thí nghiệm 1 thí nghiệm 2 thí nghiệm 3 thí nghiệm 4 thí nghiệm 5 Từ đồ thị ta xác định được nồng độ cân bằng của tùng thí nghiệm : Thí nghiệm Thời gian đạt C cb ( ph) C cb 1 5 17.8 62 2 5 17.4 05 3 5 13.3 07 4 5 14.2 85 5 5 13.3 07 [...]... trước đó mà chi phí để xử lý để tiêu chuẩn quá cao mà hiệu quả không cao) Ưu điểm của phương pháp hấp phụ là hiệu quả xử lý cao (8090%), có thể thu hồi chất ô nhiễm Giá và chi phí tái sinh cao là nhược điểm lớn nhất của phương pháp này Trong xử lý nước: than hoạt tính được đưa vào bể phản ứng để tăng hiệu quả cho quá trình tạo bông và lắng tiếp theo Trong xử lý nước thải than hoạt tính dạng hạt dùng để... Liều lượng than tối ưu và thời gian phản ứng tối ưu : Ở đây , ta thấy thời gian phản ứng tối ưu là 5 phút với lượng than là 1 g / 1 L nước • Phạm vi ứng dụng của phương pháp hấp phụ : Quá trình hấp phụ được ứng dụng trong xử lý nước cấp, nước thải và khí thải Chất hấp phụ thường được sử dụng là than hoạt tính Vì giá thành cao nên chất hấp phụ chỉ sử dụng khi nồng độ chất bẩn nhỏ, chủ yếu để xử lý tinh... tạo bông và lắng tiếp theo Trong xử lý nước thải than hoạt tính dạng hạt dùng để khử chất hữu cơ hoà tan còn lại sau quá trình xử lý sinh học và các chất vô cơ khác Đặc biệt là giúp thu hồi các chất quý hiếm Xử lý nước cấp than hoạt tính dùng để khử sắt, khử cứng… Trong xử lý khí chất hấp phụ dùng để khử khí với hệu quả cao và thu hồi các chất khí phục vụ cho quá trình khác ... trình pha mẫu ban đầu do lấy nước không hoàn toàn chính xác và dùng đũa khuấy để khuấy trộn - Sai số do mẫu 4 và mẫu 5 được khuấy với vận tốc khác nên kết quả sẽ có chút khác biệt giữa mẫu 1,2 và mẫu 3,4,5 - Sai số của các dụng cụ thí nghiệm như: pipet, bình định mức, cuvet bẩn - Sai số do thao tác thí nghiệm không đúng: lọc không kỹ để tràn qua giấy lọc - Sai số do quá trình tính toán - Sai số do lấy.. .Tính đại lượng hấp phụ q, hệ số phân phối ở các pha k : TN 1 2 3 4 5 M (g) 0.2 0.5 1 1.25 1.5 V (L) 1 1 1 1 1 Ccb 17.862 17.405 13.307 14.285 13.307 9.500 4.714 6.455 4.3816 4.3033 3 0.5318 6 0.2708 4 0.4850 8 0.3067 3 0.3233 9 q= V × (C d − C cb ) M K=q/Ccb Tính K và n trong phương trình Freundlich : lg Ccb = lg K + n × lg q TN . Xử lý nước thải bằng than hoạt tính I. LÝ THUYẾT : 1. Mục đích : • Giúp cho sinh viên làm quen với phương pháp hấp phụ trong xử lý nước thải . • Đánh giá khả năng hấp phụ phẩm màu trên than. theo. Trong xử lý nước thải than hoạt tính dạng hạt dùng để khử chất hữu cơ hoà tan còn lại sau quá trình xử lý sinh học và các chất vô cơ khác. Đặc biệt là giúp thu hồi các chất quý hiếm. Xử lý nước. 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 dùng để xử lý nước thải nên có hoạt tính xúc tác nhỏ nhất đối