Đề xuất phương pháp sử dụng HVC kết hợp với Fenton để nâng cao chất lượng sử lý nước thải dệt nhuộm và nước thải chế bản ngành in

u km3, trong đó có từ 500.000 đến 1 triệu km3 nước ngọt phân bố trong các sông hồ và nước ngầm, băng của các cực trên trái đất chiếm thể tích khoảng 25 triệu km3 cũng là nước ngọt. Cuối cùng, có khoảng 50.000 km3 nước trong khí quyển ở dạng hơi và mây. Lượng nước hoá hơi hàng năm khoảng 500.000 km3 và quay trở lại các lục địa vào khoảng 120.000 km3. Nhu cầu sử dụng nước ở các nước có trình độ phát triển khác nhau cũng khác nhau. Tính theo đầu người cho một năm thì nhu cầu sử dụng nước ở các nước đang phát triển là 100m3, trong khi đó ở Mỹ là 1.500m3. Điều đó nói lên rằng cùng với sự phát triển của xã hội thì nhu cầu sử dụng nước của con người không ngừng tăng lên. Trong những năm gần đây, nhu cầu sử dụng nước trên toàn thế giới tăng nhanh rõ rệt. Với tốc độ đô thị hoá nhanh chóng cùng với sự bùng nổ dân số và đặc biệt nền công nghiệp phát triển vượt trội đã dẫn đến các nguồn nước bị cạn kiệt và ô nhiễm nghiêm trọng. Hầu hết các nước đã có luật ngày càng chặt chẽ đối với việc thải nước thải nói chung và nước thải công nghiệp nói riêng. Người ta cũng nhận thức sâu sắc rằng, không thể giải quyết vấn đề nước thải nếu không có sự hợp tác chặt chẽ giữa các kỹ sư công nghệ sản xuất với các chuyên gia về công nghệ nước và nước thải. Tuy nhiên, đây là vấn đề vô cùng rộng rãi và phức tạp. Muốn đầu tư có hiệu quả thì phải lựa chọn được giải pháp công nghệ xử lý nước thải thích hợp. Nhưng trả lời được câu hỏi như thế nào là công nghệ thích hợp cũng không đơn giản, bởi thích hợp là một khái niệm mở và có tính mềm dẻo, không cứng nhắc. Theo quan điểm của các nhà khoa học khi nói đến công nghệ thích hợp dành cho các nước nghèo, các nước đang phát triển đã bao hàm trong đó là giải pháp công nghệ đơn giản, giá thành thấp, phù hợp các điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội. Trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp này em đã nghiên cứu về các nguồn nước, nghiên cứu phương pháp sử dụng chất keo tụ hiệu quả cao HVC kết hợp với Fenton để nâng cao chất lượng xử lý nước thải dệt nhuộm và nước thải chế bản ngành in bằng phương pháp keo tụ. Phần i Tổng quan và cơ sở lý thuyết Chương I. Tổng quan về nước trong thiên nhiên. I. Các nguồn nước tự nhiên [1,2]. Trong tự nhiên, nước luôn vận động trong một vòng tuần hoàn: bốc hơi từ đại dương, được không khí biển mang vào đất liền, cùng với hơi nước bốc hơi từ nước trong đất liền và thoát ra từ thực vật làm tăng độ ẩm trong khí quyển, cuối cùng ngưng tụ thành mưa hoặc tuyết rơi xuống, hoà nhập vào các dòng nước mặt, được sinh vật sử dụng hoặc bay hơi trở lại khí quyển. Các dòng nước ngầm và nước mặt chảy ra biển để tham gia vào vòng tuần hoàn. Như vậy, có ba giai đoạn cơ bản tạo nên chu trình luân chuyển của nước trên mặt đất, đó là: bay hơi, mưa tuyết và dòng chảy. Nước trong thiên nhiên vô cùng phong phú, nó che phủ 4/5 bề mặt trái đất và được chia làm 4 nguồn nước tự nhiên chủ yếu: I.1. Nước mưa: Là nước được hình thành dưới dạng mưa, tuyết, sương rơi xuống đất. Nói chung, nước mưa tương đối sạch, bão hoà CO2. Tuy nhiên, nước mưa sẽ hoà tan các chất vô cơ và hữa cơ khác nhau trong không khí và trong quá trình thấm qua đất. Hàm lượng tạp chất trong nước mưa quyết định mức độ bẩn trong khí quyển. Nguồn nước mưa được sử dụng không nhiều lắm, chỉ giới hạn trong các trường hợp khó khăn về nước. I.2. Nước bề mặt. Đó là nước của sông, suối, ao, hồ (tự nhiên hay nhân tạo)... Nước bề mặt là nguồn nước tự nhiên gần gũi với con người nhất và cũng chính vì vậy mà nước bề mặt cũng chính là nguồn nước dễ bị ô nhiễm nhất. Chúng ta ngày càng thấy hiếm có một nguồn nước bề mặt nào đáp ứng được chất lượng tối thiểu cho nhu cầu sinh hoạt và công nghiệp mà không cần xử lý trước khi đưa vào sử dụng. Nguồn chủ yếu của nước bề mặt là nước sông, chất lượng nước sông phụ thuộc vào các yếu tố môi trường xunh quanh như: mức độ phát triển công nghiệp, nông nghiệp, mật độ dân số trong lưu vực, hiệu quả công tác quản lý các dòng thải vào sông. Ngoài ra nó còn phụ thuộc vào điều kiện thuỷ văn, tốc độ dòng chảy, thời gian lưu, thời tiết trong khu vực và sự phát triển sinh sôi của vi khuẩn biến đổi theo mùa. Nguồn nước bề mặt đáng kể nữa là nước hồ. Chất lượng nước hồ phụ thuộc vào thời gian lưu, các điều kiện thời tiết và chất lượng nước chảy vào hồ, trong đó có cả nguồn nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp. Ngoài ra, nó còn phụ thuộc vào thời tiết trong khu vực, điều kiện sinh thái trong môi trường. Tuy nhiên, trong nước bề mặt vẫn thường xảy ra các quá trình tự làm sạch như quá trình lắng của các chất huyền phù trong thời gian lưu, quá trình khoáng hoá các chất hữu cơ, quá trình nitrat hoá các hợp chất chứa nitơ, quá trình bốc hơi... I.3. Nước ngầm. Đây là nước ở dưới mặt đất. Không giống như nước bề mặt, nguồn nước ngầm ít chịu ảnh hưởng yếu tố tác động của con người. Chất lượng nước ngầm thường tốt hơn chất lượng nước bề mặt. Trong nước ngầm hầu như không có các hạt keo hay các hạt cặn lơ lửng, các chỉ tiêu trong nước ngầm cũng tốt hơn trong nước bề mặt. Trong nước ngầm không chứa rong tảo là những thứ dễ gây ô nhiễm nguồn nước. Nó chứa các tạp chất hoà tan do ảnh hưởng của điều kiện địa tầng, thời tiết nắng mưa, các quá trình phong hoá, sinh hoá trong khu vực. Mặc dù vậy, nước ngầm cũng có thể bị bẩn do tác động của con người và khai thác nước ngầm có ảnh hưởng rất lớn đến tầng địa chấn của vỏ trái đất. I.4. Nước biển. Nước biển chứa tới 33-37 g/l muối hoà tan, thành phần ổn định nhất, khoảng 60% cặn trong nước biển là muối ăn NaCL, ngoài ra còn chứa một lượng lớn các hợp chất MgCL2, MgSO4, CaSO4, ở một số cửa sông, nước sông đã pha loãng nước biển rất nhiều. Trong 4 nguồn nước tự nhiên này chỉ có nguồn nước ngầm, nước bề mặt là thường được sử dụng với qui mô công nghiệp để sản xuất nước sạch đáp ứng cho nhu cầu sinh hoạt của con người. Nước có tính chất đặc biệt, do đó nước trở thành một sản phẩm không thể thiếu được trong nhiều ứng dụng khác nhau. Do tính phân cực mạnh, nước là nguồn dung môi tốt đối với các phân tử phân cực. Do khả năng ion hoá, các phản ứng ion luôn được tiến hành dễ dàng trong môi trường nước. Do tính chất vật lý, nước được sử dụng làm chất tải nhiệt (nhiệt dung lớn, nhiệt độ bay hơi, Tbh cao, nhiệt hoá hơi lớn). II. Thành phần nước trong tự nhiên [1]. Tuỳ thuộc vào bản chất và xuất xứ của nguồn nước mà thành phần của nước khác nhau. Tuy nhiên, chúng ta có thể phân chia các chất trong nước thành các nhóm tuỳ thuộc vào kích thước và đặc điểm cấu tạo (hoá học, sinh học...) của chúng. Đường kính 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 ` 1Ao Phân tử Trạng thái keo ví dụ các sét vô cơ Hạt huyền phù FeOOH, SiO2 CaCO3 Vi khuẩn virút Tảo (Các tạp chất trong môi trường tự nhiên) II.1. Các chất huyền phù. Các chất huyền phù thường có nhiều trong nước bề mặt. Đó là các hạt rắn có kích thước nhỏ, nổi lơ lửng trong nước. Kích thước các hạt huyền phù thay đổi từ 1mm đến 1mm (10-6 -10-3m). Chúng có thể bị lắng gạn hoặc lọc trên các màng lọc trên các đường kính lỗ cỡ 1 mm. Các chất huyền phù được tạo ra bởi các chất vô cơ (oxit kim loại, khoáng sét...) và các sinh vật (vi khuẩn, tảo...). Người ta có thể loại bỏ huyền phù bằng các kỹ thuật cổ điển như làm trong (gạn, lọc đơn giản) hay bằng các kỹ thuật hiện đại khác như kỹ thuật vi lọc. Các hạt huyền phù nhỏ trên 1mm (hay nhỏ hơn một vài mm) và lớn hơn một vài nanomet được gọi là các hạt huyền phù dạng keo. Các khoáng sét, các oxit kim loại, cacbonat, cũng như các axit humic các protein có khối lượng phân tử lớn và các virut tạo ra loại huyền phù ở trạng thái phân tán keo. Chúng được keo tụ-tủa bông (cougulation-flocculation) để có thể gạn lọc bằng kỹ thuật cổ điển. Phần lớn các huyền phù ở trạng thái keo có thể bị loại bỏ bằng phương pháp siêu lọc. Sự có mặt các hạt huyền phù gây sự cản trở ánh sáng truyền qua lớp nước do hiệu ứng khuếch tán Tyndan và tạo ra độ đục của nước. Việc xác định lượng chất huyền phù được thực hiện bằng cách lọc, sấy. II.2. Các chất hoà tan. II.2.1. Các chất khí: Các khí trong khí quyển dễ dàng hoà tan vào nước tuân theo định luật Henry (PO2=HO2[O2]bh). Độ tan của khí giảm khi nhiệt độ tăng. II.2.2. Các chất hữu cơ hoà tan. Trong nước chứa nhiều chất hữu cơ. Nguyên nhân do nước ngầm thấm qua đất hoà tan các chất hữu cơ có trong đất hay do sự phân huỷ của xác thực vật, động vật hay do tác động của con người. Các chất hữu cơ hoà tan trong nước rất đa dạng và khác nhau về nhóm chức. Trừ các trường hợp bị ô nhiễm nghiêm trọng thì các chất hữu cơ hoà tan thường có nồng độ nhỏ (ng/l-mg/l). II.2.3. Các muối vô cơ hoà tan. Đây là phần quan trọng nhất trong các hợp chất hoà tan trong nước tự nhiên. Hàm lượng của nó thay đổi (30-500mg/l). Các nguyên tố chủ yếu là kim loại kiềm (K+, Na+) và kiềm thổ (Ca2+, Mg2+). II.2.4. Các chất khác. Fe, Mn có nhiều trong vỏ trái đất và chúng tan nhiều trong nước với nồng độ từ 1-10 mg Fe/l; 0,1-3 mg Mn/l. Mặc dù không độc song ở nồng độ này thì cần loại bỏ trước khi sử dụng. Chương II. Tổng quan về nước thải. I. Phân loại nước thải [3]. Nước thải là chất lỏng được thải ra sau quá trình sử dụng của con người và đã bị thay đổi tính chất ban đầu của chúng. Thông thường nước thải được phân loại theo nguồn gốc phát sinh ra chúng. Đó cũng là cơ sở cho việc lựa chọn các biện pháp hoặc công nghệ nghệ xử lý. Theo cách phân bố này, nước thải gồm: -Nước thải sinh hoạt: là nước thải từ các khu dân cư, khu vực hoạt động thương mại, công sở, trường học và các cơ sở tương tự khác. -Nước công nghiệp (nước thải sản xuất): là nước thải từ các nhà máy đang hoạt động, có cả nước thải sinh hoạt nhưng trong đó nước thải công nghiệp là chủ yếu. -Nước thấm qua: đây là nước thấm vào hệ thống cống bằng nhiều cách khác nhau qua các khớp nối, các ống có khuyết tật hay thành của hố ga hay hố người. -Nước thải tự nhiên: nước mưa được xem như nước thải tự nhiên, ở những thành phố hiện đại, nước thải tự nhiên được thu gom theo một hệ thống cống thoát riêng. -Nước thải đô thị: đây là thuật ngữ dùng chung chỉ chất lỏng trong hệ thống cống thoát của một thành phố. Đó là hỗn hợp các loại nước thải trên. Theo quan điểm quản lý môi trường, các nguồn gây ô nhiễm nước còn được phân làm hai loại: nguồn xác định và nguồn không xác định. -Các nguồn xác định: bao gồm nước thải đô thị và nước thải công nghiệp, các cửa cống xả nước mưa và tất cả các nguồn thải vào nguồn tiếp nhận nước có tổ chức qua hệ thống cống và kênh thải. Nguồn này có thể kiểm soát trước khi thải. -Các nguồn không xác định: bao gồm nước chảy trôi trên bề mặt đất, nước mưa và các nguồn nước phân tán khác. Nguồn này thường rất khó quản lý. Ngoài ra nước chảy trôi trên bề mặt đất qua các khu vực chăn nuôi gia súc có thể chứa lượng lớn chất thải động vật sẽ đóng góp một lượng quan trọng các chất sử dụng oxy và chất rắn lơ lửng gây ô nhiễm môi trường nước. II. Tính chất đặc trưng và nguồn gốc phát sinh nước thải [3]. Tính chất Nguồn phát sinh Tính chất vật lý -Màu -Chất thải sinh hoạt và công nghiệp, sự phân rã tự nhiên các chất hữu cơ. -Mùi -Sự thối rữa chất thải và chất thải công nghiệp. -Chất rắn -Cấp nước cho sinh hoạt, các chất sinh hoạt và sản xuất, xói mòn đất, dòng thấm, chảy vào hệ thống cống. -Nhiệt độ -Các chất thải sinh hoạt và sản xuất. Thành phần hoá học +Nguồn gốc hữu cơ: -Cacbonhydrat -Các chất thải sinh hoạt, thương mại và sản xuất. -Mỡ, dầu, dầu nhờn -Các chất thải sinh hoạt, thương mại và sản xuất. -Thuốc trừ sâu -Chất thải nông nghiệp. -Phenol -Chất thải công nghiệp. -Các chất hoạt động bề mặt -Chất thải sinh hoạt và sản xuất. -Protein -Chất thải sinh hoạt và thương mại. -Các chất khác -Phân rã tự nhiên các chất hữu cơ. +Nguồn gốc vô cơ: -Độ kiềm -Nước thải sinh hoạt, nước cấp sinh hoạt, quá trình thấm của nước ngầm. -Clorua -Cấp nước sinh hoạt, các chất thải sinh hoạt, quá trình thấm của nước ngầm, các chất làm mềm nước. -Các kim loại nặng -Các chất thải công nghiệp. -Nitơ -Các chất thải sinh hoạt và nông nghiệp. -pH -Các chất thải công nghiệp. -Photpho -Các chất thải sinh hoạt và công nghiệp. -Lưu huỳnh -Cấp nước sinh hoạt,nước thải sinh hoạt và công nghiệp. -Các chất độc -Các chất thải công nghiệp. -Các khí: H2S -Phân huỷ các chất thải sinh hoạt. CH4 -Phân huỷ các chất thải sinh hoạt. O2 -Cấp nước sinh hoạt, sự thấm của nước bề mặt. Thành phần sinh học -Động vật -Các dòng nước hở và nhà máy xử lý. -Thực vật -Các dòng nước hở và nhà máy xử lý. -Sinh vật nguyên sinh -Các chất thải sinh hoạt và nhà máy xử lý. -Virut - Các chất thải sinh hoạt và nhà máy xử lý. III. Một số thông số quan trọng của nước thải [2,3]. III.1. Hàm lượng chất rắn: Tổng chất rắn là thành phần vật lý đặc trưng quan trọng nhất của nước thải. Nó bao gồm chất rắn nổi, lơ lửng, keo và tan. Do đó khi phân tích, tổng chất rắn được xác định là phần còn lại sau khi cho bay hơi mẫu nước hoặc nước thải trên bếp cách thuỷ, tiếp đó sấy khô ở 103oC cho tới khi trọng lượng không đổi. Theo kích thước hạt rắn, tổng chất rắn được phân thành các loại: chất rắn lơ lửng, chất rắn keo và chất rắn tan: Chất rắn tan Chất rắn keo Chất rắn lơ lửng Kích thước hạt, mm 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 10 100 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 Kích thước hạt, mm Khử bằng đông tụ lắng được (Phân loại chất rắn trong nước thải) III.2. Hàm lượng oxy hoà tan DO (Dissolved oxygen). Một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất của nước là hàm lượng oxy hoà tan, vì oxy không thể thiếu được đối với tất cả các sinh vật sống trên cạn cũng như dưới nước. Oxy duy trì quá trình trao đổi chất, sinh ra năng lượng cho sinh trưởng, sinh sản và tái sản xuất. Khi thải các chất thải sử dụng oxy vào các nguồn nước quá trình oxy hoá chúng sẽ làm giảm nồng độ oxy hoà tan trong các nguồn nước này, thậm chí có thể đe doạ sự sống của các loài cá cũng như sinh vật sống trong nước. III.3. Nhu cầu oxy sinh hoá BOD (Biochemical Oxygen Demand). Đây là chỉ tiêu thông dụng nhất để xác định mức độ ô nhiễm của nước thải đô thị và chất thải trong nước thải công nghiệp. BOD là lượng oxy vi sinh vật đã sử dụng trong quá trình oxy hoá các chất hữu cơ theo phương trình tổng quát: Vi khuẩn Chất hữu cơ + O2 CO2 + H2O + Tế bào mới + Sản phẩm cố định Trong môi trường nước, khi quá trình oxy hoá sinh học xảy ra thì các vi sinh vật sử dụng oxy hoà tan. Vì vậy việc xác định tổng lượng oxy hoà tan cần thiết cho quá trình phân huỷ sinh học là công việc quan trọng để đánh giá ảnh hưởng của một dòng thải đối với nguồn nước. Tuy nhiên thực tế không thể xác định lượng oxy cần thiết để phân huỷ hoàn toàn chất hữu cơ, vì như thế tốn nhiều thời gian mà chỉ xác định được lượng oxy cần thiết trong 5 ngày đầu ở nhiệt độ ủ 20oC, (BOD5). Đây là chỉ tiêu đã được chuẩn hoá và sử dụng ở hầu khắp các nước trên thế giới. III.4. Nhu cầu oxy hoá học COD (Chemical Oxygen Demand). Đây là lượng oxy cần thiết cho quá trình oxy hoá hoá học các chất hữu cơ trong mẫu nước thành CO2 và nước. Chỉ số COD biểu thị cả lượng chất hữu cơ không thể oxy hoá bằng vi sinh vật, do đó có giá trị cao hơn BOD. III.5. Các chất dinh dưỡng. III.5.1. Hàm lượng nitơ. Nitơ có thể tồn tại ở các dạng chủ yếu sau đây: Nitơ hữu cơ (N-HC), nitơ amoniac (N-NH3), nitơ nitrit (N-NO2), nitơ nitrat (N-NO3) và N2 tự do. Nitơ không những có thể gây ra các vấn đề phì dưỡng mà khi chỉ tiêu N-NO3 trong nước cấp sinh hoạt >45 mgNO3/l thì có thể đe doạ nghiêm trọng đối với sức khoẻ con người. Hay NO3- có thể được chuyển thành NO2- gây bệnh xanh xao ở trẻ nhỏ. III.5.2. Hàm lượng photpho. Photpho trong nước và nước thải thường tồn tại ở dạng orthophotphat (PO43-, HPO42-, H2PO4-, H3PO4) hay polyphotphat [Na3(PO3)6] và photphat hữu cơ. Đây là một trong những nguyên nhân chính gây ra sự phát triển "bùng nổ" của tảo ở một số nguồn nước mặt. III.5.3 Hàm lượng sunfat. Trong điều kiện kỵ khí sunfat bị khử sinh học: Vi khuẩn kị khí Chất hữu cơ + SO4- S2- + H2O + CO2 S2- + 2H+ H2S Khí H2S sinh ra trong nguồn nước thải gây mùi khó chịu, độc hại cho con người. Một phần khí này còn tích tụ lại các hốc bề mặt nhám của ống dẫn và có thể bị oxy hoá sinh học thành H2SO4 ăn mòn ống dẫn. III.6. Chỉ thị chất lượng về vi sinh của nước. Chất lượng về mặt vi sinh của nước thường được biểu thị bằng nồng độ của vi khuẩn chỉ thị-đó là vi khuẩn không gây bệnh (trực khuẩn coliform). Thông số được sử dụng rộng rãi nhất là chỉ số coli. Nước thải là môi trường lý tưởng cho các loài vi khuẩn, virut, động vật đơn bào, giun ký sinh sinh sôi nảy nở, gây bệnh. III.7. Các tác nhân độc hại và các hợp chất liên quan về mặt sinh thái. III.7.1. Trihalogenmetan (THM). THM được hình thành khi các nguyên tố trong nhóm halogen tác dụng với các hợp chất hữu cơ. Người ta nghi ngờ rằng THM là nguyên nhân gây ra ung thư. III.7.2. Các hợp chất hữu cơ. Quá trình công nghiệp hoá và phát triển công nghệ đã dẫn đến số lượng các hợp chất hữu cơ thải vào môi trường ngày càng tăng. Trong hầu hết các hợp chất đó, chúng ta còn biết rất ít về tác động của chúng đối với con người. Nhiều hợp chất này được biết đến đã gây ung thư cho động vật. Hiện nay hoá chất được biết kỹ hơn cả có lẽ là dioxin. III.7.3. Các kim loại nặng. Hầu hết các kim loại nặng tồn tại trong nước ở dạng ion, chúng có nguồn gốc phát sinh do các hoạt động của con người. Chúng có mối liên quan do tính độc hại của chúng đối với các vi sinh vật và cuối cùng là con người. Các chất này gồm: asen, bari, cadimi, crom, đồng, thuỷ ngân, niken, selen, bạc, kẽm. III.7.4. Các hoá chất bảo vệ thực vật (Pesticcides). Bao gồm: thuốc trừ sâu (insecticdes), thuốc trừ nấm (fungicides), thuốc diệt cỏ (herbicides) và thuốc diệt tảo (algicides). Các loại thuốc này tương tự như kim loại nặng, chúng tích tụ trong chuỗi thức ăn của hệ sinh thái, gây nguy hại lớn đến môi trường hệ sinh thái. IV. ảnh hưởng của nước thải đối với nguồn tiếp nhận nước [3]. IV.1. Sự ô nhiễm nước sông: Con người thường sử dụng các dòng sông để pha loãng nước thải. Tuỳ thuộc vào khả năng tự làm sạch của các dòng sông, nghĩa là khả năng đồng hoá các chất thải mà dòng sông có thể phục hồi lại chất lượng ban đầu của nó. Vùng trộn nước thải với nước sông là vùng không thể tránh khỏi ô nhiễm. Nếu như trên cùng một dòng sông có một số điểm thải gần nhau, thì vùng trộn này cần được bố trí nằm dọc theo cùng một phía tạo cho các sinh vật sống dưới nước một dòng di chuyển liên tục ở phía bờ đối diện. IV.2. ảnh hưởng của ô nhiễm đến nước hồ. Khi nước hồ bị ô nhiễm, phản ứng quang hợp sẽ chỉ diễn ra ở lớp nước nhất định gần mặt thoáng do sự truyền ánh sáng kém đi. Đồng thời ảnh hưởng tới nhiệt độ nước trong hồ, ảnh hưởng lớn tới đời sống của hồ. Nước thải đô thị, nước thải sinh hoạt và nước từ các vùng đất canh tác dư thừa phân bón làm tăng chất dinh dưỡng, kích thích sự phát triển của tảo và giảm chất lượng nước. Sự "phát triển bùng nổ" của tảo làm nước trở nên đục. Tảo dư thừa chết kết thành khối trôi nổi trên bề mặt nước, khi phân huỷ phát ra mùi và làm giảm nồng độ oxy hoá tan trong nước, ảnh hưởng trực tiếp tới đời sống một số loài cá. IV.3. ảnh hưởng của sự ô nhiễm đối với nước biển. Biển và đại dương cũng có thể bị ô nhiễm. Nước trong đại dương là một dung dịch rất phức tạp và có những bằng chứng cho thấy thành phần của chúng thay đổi rất ít trong hàng triệu năm qua. Do sự ổn định này mà các sinh vật biển được thuần hoá cao và không chịu sự thay đổi của môi trường. Như vậy đại dương cũng là một hệ sinh thái dễ hỏng, dễ bị ô nhiễm. Chương III. Giới thiệu về phương pháp oxy hoá khử COD- Cơ chế phản ứng của Fenton. I. Cơ chế tạo thành gốc hydroxyl *OH và động học các phản ứng Fenton. Hệ tác nhân cổ điển là một hỗn hợp gồm các ion sắt hoá trị II và hydrogenpeoxit H2O2, chúng tác dụng với nhau sinh ra các gốc tự do hydroxyl *HO, còn ion Fe2+ bị oxi hoá thành Fe3+. Fe2++H2O2 đ Fe3++ *HO+OH- Phản ứng này được gọi là phản ứng Fenton vì Fenton là người đầu tiên đã mô tả quá trình này năm (1894). Những phản ứng có thể xảy ra trong quá trình Fenton và hằng số tốc độ các phản ứng đã được nhiều tác giả xác định như bảng sau: Bảng 6.1 Các phản ứng chủ yếu trong quá trình Fenton (Gallard H. et al., 1998) Phản ứng Phương trình phản ứng Hằng số tốc độ phản ứng, K l.mol-1.s-1 Theo tác giả 1 Fe2++H2O2 đ Fe3++ *HO+OH- 63 Gallard, 1998 2 Fe3++H2O2 đ Fe2++ *HO2+H+ Ê3x10-3 Pignatello, 1992 3 Fe2++*HO đ Fe3++ OH- Ê3x108 Dorfman, 1973 4 Fe2++H2O2 đ Fe3++ *HO+OH- 3.3x107 Butxon, 1985 5 Fe2++*HO2 đ Fe3++ HO2- 1.2x106 Rush, 1985 6 Fe3++*HO2 đ Fe2++ O2 + H+ 2x103 Rush, 1985 Gốc tự do hydroxyl *HO sinh ra có khả năng phản ứng với Fe2+ và H2O2, nhưng quan trọng nhất là có khả năng phản ứng với nhiều chất hữu cơ (RH) tạo thành các gốc hữu cơ có khả năng phản ứng cao, từ đó sẽ phát triển tiếp tục kiểu dây chuỗi: *HO + RH đ *R + H2O *R +Fe3+ đ Fe2+ + “sản phẩm” *R +*R đ “sản phẩm” (dimer) II. Những nhân tố ảnh hưởng. II.1 ảnh hưởng độ pH Trong phản ứng Fenton, độ pH có ảnh hưởng rất lớn đến độ phân huỷ và nồng độ Fe2+, từ đó ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ phản ứng và hiệu quả phân huỷ các chất hữu cơ. Khi các ion Fe(II) và Fe(III) ở trạng thái hoà tan nhưng không tạo phức với các phối tử hữu cơ, chúng có thể tồn tại dưới dạng các phần tử bị thuỷ phân hoặc tạo phức với các phối tử vô cơ khác tuỳ theo độ pH của dung dịch, nồng độ các ion sắt và các phối tử vô cơ. Đối với dung dịch có pH từ 2-7 và trong dung dịch không có các phối tử vô cơ mạnh, các phần tử Fe(II) sẽ là Fe2+(aq). ở pH thấp hơn 3, sẽ nằm dưới dạng FeOH2+(aq) và khi pH nằm giữa 3 và 7, chúng sẽ nằm dưới dạng FeOH +(aq). Vì vậy, trong môi trường axit sẽ rất thuận lợi cho quá trình tạo gốc *HO theo phản ứng 1 (bảng 6.1), trong khi ở môi trường pH cao, quá trình kết tủa Fe3+ xảy ra nhanh hơn quá trình khử của phản ứng 2, làm giảm nguồn tạo ra Fe2+, trở thành yếu tố hạn chế tốc độ phản ứng. Nói chung phản ứng Fenton xảy ra thuận lợi khi pH từ 3 đến 5 đạt được tốc độ cao nhất khi pH nằm ở khoảng hẹp trên dưới 3. II.2 ảnh hưởng của các anion vô cơ Một số anion vô cơ có trong nước thải cũng có thể ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình Fenton, đặc biệt là trong nước thải dệt nhuộm vì quá trình nhuộm sử dụng rất nhiều hoá chất có nguồn gốc vô cơ. Những anion vô cơ thường gặp nhất là Cacbonat (CO32-), bicacbonat (HCO3-), ion clo (Cl-), những ion này sẽ tóm bắt các gốc *HO làm hao tổn số lượng gốc *HO, giảm mất khả năng tiến hành phản ứng oxy hóa hoặc cũng có thể tạo thành những phức chất không hoạt động với Fe(III) như các gốc Sunphat (SO42-), Nitrat (NO3-), Photphat (H2PO4-) cũng làm giảm hiệu quả của quá trình Fen ton. *HO + CO32- đ *CO3 + OH- (k=4,2x108 M-1.s-1) *HO + HCO3- đ *HCO3 + OH- (k=1,5x107 M-1.s-1) *HO + Cl- đ *ClOH- (k=4,3x109 M-1.s-1) Nói chung, các ion clorua, cacbonat và bicacbonat thường có ảnh hưởng kìm hãm tốc độ phản ứng nhiều nhất, trong khi đó các ion sulfat, phóphat hay nitrat có ảnh hưởng ở mức độ thấp hơn. Chương IV. tổng quan về chất keo tụ. I. Quá trình keo tụ trong xử lý nước. I.1. Khái niệm [1, 2, 3]. Tạp chất trong nước thiên nhiên thường đa dạng về chủng loại và kích thước, chúng có thể là các hạt sét, mùn, sinh vật phù du, sản phẩm hữu cơ phân huỷ... Kích thước hạt dao động từ vài phần triệu mm đến vài mm. Các biện pháp xử lý cơ học (lắng lọc, tuyển nổi) chỉ loại được các hạt có kích thước trên 10-4 mm, với các hạt có kích thước dưới 10-4 mm thì phải dùng phương pháp xử lý hoá học mới có thể đạt được hiệu quả xử lý, đó là phương pháp keo tụ. Keo tụ là hiện tượng phá vỡ trạng thái ổn định của các hạt keo huyền phù để tạo ra các cụm hạt khi có sự tiếp xúc giữa các hạt keo. Các chất keo tụ thường sử dụng là các phèn nhôm, phèn sắt dưới dạng dung dịch hoà tan, các chất điện ly hay các chất cao phân tử... Bằng cách sử dụng quá trình keo tụ, người ta còn có thể tách được hay làm giảm đi các thành phần có trong nước cũng như các kim loại nặng, các chất bẩn lơ lửng, các anion PO43-... và có thể cải thiện được độ đục và màu sắc nước. (Bảng: Tác dụng của quá trình keo tụ trong xử lý nước cấp) Các thành phần trong nước Khả năng tách tối đa nhờ quá trình keo tụ Các chất vô cơ -Độ đục +++ -Chất rắn lơ lửng +++ -Photphat PO43- +++ -Nitrat NO3- 0 -Amon NH4+ 0 -Clorua Cl- -,0,+ tuỳ theo hoá chất sử dụng -Sunfat SO42- -,0,+ tuỳ theo hoá chất sử dụng -Florua F- ++ -Sắt +++ -Mangan + -Nhôm +++ -Đồng +++ -Kẽm ++ -Côban 0 -Niken 0 -Vanađi +++ -Asen +++ -Cađimi ++,+++ -Crôm ++ -Chì +++ -Selen +++ -Thuỷ ngân ++ -Bari + -Xianua CN- 0 Các chất hữu cơ -Màu (theo mg Pt/l) +++ -Mùi 0,+ -COD (theo O2) +++ -TOC (theo C) +++ -BOD (theo O2) +++ -Phenol 0 -Cacbon mạch vòng ++ -Hoá chất bảo vệ thực vật (parathion, BHC, dieldrin) +,++ Các vi sinh vật -Virut +++ -Vi trùng +++ -Tảo ++ (Ghi chú: 0: không giảm; +: từ 0 đến 20%; ++: 20 đến 60%; +++: trên 60%) Các tạp chất trong nước đều mang điện tích dương hoặc âm, ví dụ: các hạt rắn có nguồn gốc silic, các hợp chất hữu cơ mang điện tích âm, các hydroxit sắt và nhôm mang điện tích dương. Khi thế cân bằng điện động của nước bị phá vỡ, các phần mang điện tích sẽ kết hợp hay dính kết với nhau bằng lực liên kết phân tử hoặc điện từ, tạo thành một tổ hợp các phân tử, nguyên tử, và các ion tự do (bông keo). Theo thành phần cấu tạo, người ta chia ra làm 2 loại keo: keo kỵ nước (hydropholic) là loại chống lại các phân tử nước và keo háo nước (hydrophilic) là loại hấp thụ các phân tử nước như vi khuẩn, virut..., trong đó keo kỵ nước đóng vai trò chủ yếu trong công nghiệp xử lý nước và nước thải. Lớp ion trái dấu bên ngoài Lớp ion trái dấu bên trong Mặt trượt Hạt mang điện tích âm (Mô hình hai lớp) Theo mô hình hai lớp, những hạt rắn lơ lửng mang điện tích âm trong nước sẽ hút các ion trái dấu. Một số các ion trái dấu sẽ bị hút chặt vào hạt rắn đến mức chúng chuyển động cùng hạt rắn, do đó tạo thành một mặt trượt. Xung quanh lớp ion trái dấu bên trong này là lớp ion bên ngoài mà hầu hết các ion trái dấu, nhưng chúng bị hút bám vào một cách lỏng lẻo và có thể dễ dàng trượt ra. Khi các hạt rắn mang điện tích âm chuyển động qua chất lỏng thì điện tích âm đó bị giảm bởi các ion mang điện tích dương ở lớp bên trong. Hiệu số điện năng giữa các lớp cố định và lớp chuyển động gọi la thế zeta (x) hay thế điện động. Khác với thế nhiệt động E (là hiệu số điện thế giữa bề mặt hạt và chất lỏng). Thế zeta phụ thuộc vào E và chiều dày 2 lớp, giá trị của nó xác định lực tĩnh điện của các hạt là lực cản trở việc dính kết giữa các hạt rắn với nhau. I.2. Các phương pháp keo tụ [2]. I.2.1. Keo tụ bằng chất điện ly đơn giản. Bản chất là phương pháp cho vào nước các chất điện ly ở dạng ion đơn giản ngược dấu. Khi nồng độ các ion ngược dấu tăng lên thì càng có nhiều ion được chuyển từ lớp khuếch tán vào lớp điện tích kép, dẫn đến việc giảm điện thế zeta trên bề mặt hạt keo, đồng thời lực đẩy tĩnh điện cũng giảm đi. Nhờ chuyển động Brown, các hạt keo với điện tích nhỏ khi va chạm dễ kết dính bằng lực hút phân tử Vander Walls, tạo nên các bông cặn lớn hơn (≤1mm). Quá trình này đơn giản, tối ưu, nhưng thực tế ít có ý nghĩa, do nồng độ chất điện ly để đạt tới việc phá vỡ trạng thái ổn định của hệ keo đòi hỏi rất cao. Phương pháp này nhiều nhược điểm nên ít khi và hầu như không được sử dụng. I.2.2. Keo tụ bằng hệ keo ngược dấu. ở đây, phèn nhôm hoặc sắt (muối nhôm hoặc sắt hoá trị 3) được dùng làm chất keo tụ. Các muối này được đưa vào dưới dạng dung dịch hoà tan, trong dung dịch chúng phân ly thành các cation và các anion theo phản ứng: Al2(SO4)3 đ 2Al3+ + 3SO42- FeCl3 đ Fe3+ + 3Cl- Fe3+ hay Al3+ có khả năng ngậm nước để tạo phức chất hexa Me(H2O)63+. Tuỳ thuộc vào giá trị pH của môi trường mà chúng có khả năng tồn tại ở những điều kiện khác nhau: với nhôm, phức này tồn tại ở pH=3 đến 4; với sắt chúng tồn tại ở pH= 1 đến 3. Khi pH tăng, xảy ra các phản ứng sau: Me(H2O)63+ + H2O đ Me(H2O)5OH2+ + H3O+ Tăng axit : Me(H2O)5OH2+ +H2O đ Me(H2O)4(OH)2+ + H3O+ Tăng kiềm: Me(H2O)4(OH)2+ + đ Me(OH)3 + 2H2O + H3O+ Me(OH)3 + OH- đ Me(OH)4- Với Me3+ = Al3+; Fe3+. Quá trình tạo thành Me(OH)4- chỉ xảy ra khi pH³7,5 với nhôm, và pH³10 với sắt. Các sản phẩm hydroxyt tan tạo thành trong phạm vi pH=3 đến 6 mang nhiều nguyên tử kim loại như Al3(OH)45+. Các hợp chất này mang điện tích dương mạnh và có khả năng kết hợp với các hạt keo tự nhiên mang điện tích âm tạo bông cặn. Các bông keo này khi lắng xuống sẽ hấp phụ, cuốn theo các hạt keo, cặn bẩn, chất hữu cơ mang mùi vị... tồn tại ở trạng thái hoà tan hay lơ lửng trong nước. Mặt khác, các ion kim loại tự do còn kết hợp với nước qua phản ứng thuỷ phân tạo hydroxyt: Al3+ + 3H2O đ Al(OH)3 + 3H+ Fe3+ + 3H2O đ Fe(OH)3 +3H+ Các loại phèn nhôm, sắt thường sử dụng trong quá trình keo tụ gồm: nhôm sufat, nhôm clorua, nhôm polyclorua, aluminat natri, sắt (III) sunfat, sắt (II) sunfat, sắt clorua, sunfat sắt nhôm, sunfat clo sắt... I.2.3. Keo tụ hoặc tăng cường quá trình keo tụ bằng các hợp chất cao phân tử. Quá trình này sử dụng các chất cao phân tử trong nước, chúng có cấu tạo mạch dài, phân tử lượng từ 103 đến 107 g/mol, đường kính phân tử trong dung dịch 0,1 đến 1mm. Chúng còn được sử dụng làm chất trợ keo tụ, tức là sử dụng cùng với phèn nhôm hay sắt là những chất keo tụ chính. Chúng giúp quá trình keo tụ xảy ra nhanh hơn và tạo ra các bông keo có kích thước lớn hơn để có thể tách ra khỏi nước dễ dàng. Trong xử lý nước hiện nay, người ta dùng nhiều các chất polyme tự nhiên, các polyacrylamit anion và không ion.Tuy nhiên, các loại polyme này có nhược điểm không bảo quản được lâu, đặc biệt khi đã hoà tan trong nước, công nghệ sản xuất tốn kém, giá thành cao, vì vậy việc sử dụng polyme làm chất trợ keo tụ ở nước ta còn bị hạn chế. I.3. Các cơ chế của quá trình keo tụ bông [2]. I.3.1. Cơ chế nén điện tích kép, giảm thế điện động zeta nhờ ion trái dấu. Khi bổ sung các ion trái dấu vào nước với nồng độ cao, các ion sẽ chuyển dịch từ lớp khuếch tán vào lớp điện tích kép làm tăng điện tích trong lớp điện tích kép, giảm thế điện động zeta và giảm lực tĩnh điện. Nồng độ và hoá trị của ion bổ sung càng cao, quá trình trung hoà điện tích càng nhanh, lực đẩy tĩnh điện càng giảm. Đến một lúc nào đó, lực hú._.t Vander Wall thắng lực đẩy tĩnh điện, các hạt keo xích lại gần nhau, kết dính với nhau và tạo thành bông keo tụ. I.3.2. Cơ chế hấp phụ-trung hoà điện tích. Các hạt keo hấp phụ lên bề mặt các ion dương trái dấu, làm thay đổi điện tích bề mặt hạt keo. Các ion ngược dấu, đặc biệt là các ion tích điện cao được hấp phụ tạo nên sự trung hoà điện tích, ví dụ nhóm hydroxyt kim loại tích điện dương, các polyme hữu cơ cation và các ion kim loại hoá trị cao. Các ion này phá vỡ trạng thái bền của hệ keo nhờ hai cơ chế đồng thời nói trên, cơ chế nén lớp điện tích kép và cơ chế hấp phụ ion trái dấu trên bề mặt hạt keo làm giảm thế điện động zeta, giảm lực đẩy tĩnh điện, tăng lực hút, tạo điều kiện cho các hạt keo dính vào nhau. Tuy nhiên, lượng ion trái dấu đưa vào chỉ có được hiệu quả tối ưu ở một giá trị nào đó, khi lượng ion trái dấu đưa vào vượt giá trị đó sẽ xảy ra hiện tượng tái ổn định các hệ keo trong nước, thúc đẩy quá trình tích điện trở lại đối với các hạt keo, làm tăng thế điện động zeta và hiệu quả quá trình keo tụ giảm đi. I.3.3. Cơ chế hấp phụ-bắc cầu. Khi sử dụng chất keo tụ là hợp chất polyme, nhờ cấu trúc mạch dài các đoạn phân tử polyme hấp phụ trên bề mặt keo, tạo ra cầu nối với nhau, hình thành bông keo tụ có kích thước lớn làm tăng tốc độ lắng của các hạt keo. Quá trình tạo bông keo tụ với polyme nhờ cơ chế bắc cầu có thể được thực hiện qua các bước sau: -Phân tán dung dịch polyme vào trong hệ huyền phù. -Vận chuyển polyme trong hệ tới bề mặt hạt. -Hấp phụ polyme lên bề mặt hạt. -Liên kết giữa các hạt đã hấp phụ polyme với nhau. (Sơ đồ quá trình bắc cầu phá vỡ cân bằng hệ keo nhờ các polyme) +Hấp phụ ban đầu với polyme tối ưu + hạt keo polyme hạt bị phá vỡ cân bằng +Tạo bông keo + các hạt bị phá vỡ cân bằng hạt bông keo +Hấp phụ thứ cấp polyme không tiếp xúc với chỗ trống ở các hạt khác hạt bị phá vỡ cân bằng hạt tái cân bằng +Hấp phụ ban đầu + dư lượng polyme hạt keo hạt ổn định không trỗ trống +Phá vỡ bông keo khuấy trộn mạnh kéo dài đoạn bông keo hạt bông keo +Hấp phụ thứ cấp đoạn bông keo đoạn bông keo tái ổn định I.3.4. Cơ chế keo hấp phụ cùng lắng trong quá trình lắng. Các ion kim loại hoá trị cao sử dụng trong quá trình keo tụ như Al3+, Fe3+ tạo ra trong nước các sản phẩm thuỷ phân khác nhau như: Fe2(OH)24+; Al3(OH)45+; Fe(OH)2+; Al13(OH)345+; Al7(OH)174+; Al(OH)2+; Al(OH)4-; Fe(OH)4-... ở các giá trị cao và thấp của pH các liên kết này tồn tại và tích điện, nhưng ở một giá trị pH trung bình nào đó thì chỉ có mặt các hydroxyt nhôm hoặc sắt được tạo ra và ngay lập tức chúng bị lắng xuống. Trong quá trình lắng chúng kéo theo cả các bông keo và tạp chất có trong hệ huyền phù như các hạt keo khác, các cặn bẩn, các chất hữu cơ, chất mang mùi vị tồn tại ở trạng thái hoà tan hay lơ lửng. Cơ chế này có thể tách được nhiều loại keo và đặc biệt nó không phụ thuộc vào quá trình tạo bông keo tụ nói trên và không có sự tái trở lại trạng thái ổn định như các cơ chế khác. I.4. Các bước thực hiện một quá trình keo tụ [2]. -Định lượng và hoà trộn chất keo tụ. Nhiệm vụ của bước này là đưa đủ số lượng chất keo tụ cần thiết vào trong nước cần xử lý và hoà trộn đồng đều chúng trong hệ thống. -Phá vỡ trạng thái ổn định của hệ keo, chất gây đục trong nước. -Tạo ra bông keo tụ kích thước nhỏ nhờ gradient vận tốc nhỏ để cho các chất keo bông nhỏ tạo thành. -Tạo ra bông keo tụ lớn nhờ gradient vận tốc nhỏ để tách các hạt cặn ra khỏi nước, có thể hay không cần chất tạo keo tụ. I.5. Động học của quá trình keo tụ [2]. Quá trình keo tụ các tạp chất trong xử lý nước xảy ra qua các giai đoạn sau: giai đoạn pha trộn các chất keo tụ trong nước, giai đoạn thuỷ phân chất keo tụ đồng thời phá huỷ trạng thái ổn định của hệ keo và giai đoạn hình thành bông cặn. Hiệu quả keo tụ phụ thuộc vào nhiều yếu tố, với mỗi nguồn nước cụ thể, khi đã xác định được loại hoá chất sử dụng và liều lượng tối ưu thì hiệu quả sử dụng chỉ còn phụ thuộc vào các yếu tố vật lý, đó là cường độ khuấy trộn nước để làm tăng số lượng va chạm giữa các hạt cặn: Dưới tác dụng của chuyển động nhiệt, ban đầu các hạt cặn nhỏ va chạm và kết dính thành hạt có kích thước lớn hơn cho đến khi chúng không còn khả năng tham gia vào chuyển động nhiệt nữa, lúc này tác động khuấy trộn tham gia vào quá trình tạo bông cặn lớn hơn. Cường độ khuấy trộn được biểu thị bằng gradient vận tốc G và thời gian phản ứng tạo bông cặn t.Thực tế, hai đại lượng này thường xác định bằng thực nghiệm. Chuyển động nhiệt, chuyển động phân tử Brown để tạo ra các bông cặn kích thước nhỏ tuân theo định luật Smoluchowski như sau: ảN /ảt = -aP .4kT.N2/(3m) Trong đó: N-Số phân tử chuyển động aP -Hệ số va chạm của quá trình tạo bông cặn k-Hằng số Bolzman m-Độ nhớt động học t-Thời gian T-Nhiệt độ Để tạo ra được bông cặn có kích thước lớn hơn khi chúng không còn khả năng chuyển động nhiệt (chuyển động Brown) ta có biểu thức: ảN /ảt = -ao(4/p).f.G.N G-Gradient vận tốc [s-1] f-Phần thể tích chất rắn [thể tích/thể tích] ao-Hệ số va chậm của bông cặn kích thước lớn Quan hệ trên chỉ đúng khi gradient vận tốc không đổi nhưng trong thực tế phải lấy gradient vận tốc trung bình. Gradient vận tốc trung bình có thể tính theo năng lượng: G=[P/ (m.V)]1/2 = (e/m)1/2 P-Công suất sử dụng (năng lượng tiêu hao trong bể phản ứng tạo thành bông cặn).[W.kg.m2.s-3] V-Thể tích bể phản ứng m-Độ nhớt động học II. ứng dụng chất keo tụ trong xử lý nước cấp và nước thải. Trong thực tế xử lý nước (ở trong phòng thí nghiệm hay ở nhà máy), keo tụ tương ứng với việc bổ sung các chất (tác nhân) gây keo tụ và khuấy trộn nhanh trong một thời gian ngắn (10 giây đến vài phút). Trong giai đoạn đó xảy ra sự khuếch tán các chất keo tụ, phản ứng giữa các hạt keo huyền phù, tạo ra các kết tủa (keo tụ đơn thuần) và khởi đầu sự kết tụ (sự lớn lên của các cụm). Sự tủa bông tương ứng với giai đoạn lớn lên của các cụm với sự khuấy chậm trong một thời gian dài. Trong giai đoạn đầu của sự tủa bông, một tác nhân thứ hai có thể được thêm vào (chất trợ tủa bông) để có thể thích ứng với sự khuấy trộn. Các chất keo tụ kim loại (muối nhôm và sắt) khi cho vào nước bị thuỷ phân tạo ra oxo-hydroxyt tan và không tan và các proton. ở các giá trị pH thường ứng dụng trong thực tế keo tụ thì phản ứng tổng quát có thể xem như phản ứng chủ yếu tạo ra các hydroxyt kim loại. Các chất keo tụ được ứng dụng nhiều nhất là muối nhôm, polyclorua nhôm (PAC) và cả muối sắt cloruaferic. Các chất tủa bông là các chất polyme tự nhiên (amindin, oxitsilic...) và một số chất đa điện ly anion và cation. II.1. Dùng keo hydroxit sắt(II) tách loại xanh metylen bằng phương pháp keo tụ điện hoá [5]. Xanh metylen được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp dệt nhuộm và in ấn, vì vậy nó có mặt trong nhiều hệ nước thải công nghiệp. Dựa trên bề mặt riêng của xanh metylen, bề mặt riêng của Fe(OH)2 cũng được xác định theo khả năng hấp phụ của keo với chất màu. Bề mặt riêng của keo là một trong những thông số quan trọng để đánh giá mức độ hấp phụ. Bề mặt riêng càng lớn, có nghĩa là kích thước hạt keo càng tinh vi, độ dày lớp keo mỏng, cấu trúc hạt keo phức tạp, vì vậy bề mặt tiếp xúc càng cao. Bảng: Quan hệ bề mặt riêng của keo Fe(OH)2 điện hoá với nồng độ chất màu: Nồng độ xanh metyl (mg/l) Tiêu thụ sắt anot Bề mặt riêng của Fe(OH)2 Trước xử lý Sau xử lý (mg/l) (m2/g) 20 1,5 24 730 30 2,2 33 795 40 2,8 42 833 50 3,2 50 875 80 4,2 69 976 100 4,8 85 983 Khi không có chất điện ly trong dung dịch, tiêu hao anot sắt vào khoảng 920-1200mg/g chất màu, tức là khoảng 1450-1900 mg Fe(OH)2/g chất màu. Khi đó bề mặt riêng của 1g Fe(OH)2 vào khoảng 730-980 m2/g. Khi có mặt chất điện ly trong dung dịch, do bề mặt lớp keo giảm, kích thước hạt keo giảm, số lượng hạt keo tăng đáng kể do sự tương tác điện của chất điện ly với các phân tử Fe(OH)2,bề mặt riêng tăng lên đáng kể. Trong dung dịch có MgSO4, bề mặt riêng của keo cao nhất. Tóm lại xanh metylen dễ bị keo tụ bởi keo Fe(OH)2 điện hoá.Với sự có mặt của các muối hoà tan, quá trình keo tụ diễn ra nhanh chóng (khoảng 2-3 phút khi nồng độ dung dịch ban đầu là 100mg/l). II.2. Sử dụng keo nhôm hoạt tính được chế tạo bằng phương pháp điện hoá [10,11]. Qua nghiên cứu ảnh hưởng pH của keo nhôm và chụp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) cho thấy keo nhôm hoạt tính có kích thước trung bình của hạt nhỏ hơn 0,1 mm. Trong nước chúng phân hoá nhanh chóng thành dung dịch keo khá bền. Đồng thời kết quả chụp nhiễu xạ tia X cho thấy keo nhôm điện hoá được hình thành từ các phức hydroxo giả bền. Khi đưa vào nguồn nước gây keo tụ trạng thái giả bền hoạt động mạnh, phần lớp giả bền của keo lập tức tham gia phản ứng trung hoà điện tích với chất ô nhiễm; nhân keo mất lớp khuếch tán bị phân tán, thuỷ phân và liên kết với nhau thành các polyme bề mặt riêng rất lớn, điện tích bề mặt cao. Cho nên sự tương tác của keo nhôm hoạt tính với chất ô nhiễm vừa có cơ chế hấp phụ-trung hoà điện tích vừa có sự keo tụ tủa quét. Chính vì vậy mà kết tủa có dạng co cụm xít đặc, màu bông kết tủa nâu sẫm. Điều này khác hẳn với PAC chủ yếu tương tác với cơ chế tủa quét, tạo thành những khối bông sa lắng ít co cụm mà phân tán khá đều trên bề mặt đáy màu bông sa lắng vàng nhạt. Nhờ ưu thế trên mà keo nhôm hoạt tính tốt hơn hẳn so với PAC. Đồng thời tốt hơn nhiều so với phèn nhôm trong việc tách loại nhiều chất ô nhiễm hữu cơ có nguồn gốc từ phế thải, xử lý độ đục vô cơ. II.3. Sử dụng chất keo tụ PACN-95 để xử lý nước trên dây chuyền ở nhà máy nước Nam Định [12,13]. Qua ứng dụng chất keo tụ PACN-95 trong xử lý nước mặt có độ đục cao làm nước sinh hoạt tại nhà máy nước Nam Định cho thấy: - Chất keo tụ PACN-95 với nồng độ Al2O3 quy đổi cao hơn phèn nhôm và có sự tham gia các polyme nên lượng dùng PACN-95 giảm đi đáng kể chỉ còn khoảng 20-25% trên 1 m3 nước so với phèn nhôm. - Việc dùng PACN-95 cho phép tăng công suất nước hút, kéo dài thời gian hoạt động của bể lọc do tăng hiệu quả trong quá trình lắng. Trung bình công suất nước tăng 50 m3/h. - Qua tính toán cho thấy nếu dùng chất keo tụ PACN-95 thì chi phí hoá chất so với phèn nhôm cũng giảm đi và nếu kể cả chi phí vận chuyển, bảo quản và hoà tan để sử dụng thì giá thành sản xuất 1m3 nước sẽ giảm đến 30%. - Độ pH khi dùng PACN-95 ổn định và trong vùng trung hoà (pH=7,2), trong khi dùng phèn nhôm thì pH thấp (pH=6). Điều này góp phần nâng cao chất lượng và độ sạch của hệ thống đường ống. II.4. Chất keo tụ khác: * Sử dụng tách protein trong nước thải giết mổ [15]: - Sử dụng polyme C13OH liều lượng trong khoảng 2-40 mg/l để keo tụ. - Sử dụng PAC và FeCL3 liều lượng cao nhất tới 400 mg/l. Trong trường hợp sử dụng FeCL3, do quá trình thuỷ phân mạnh nên pH của nước giảm, vì vậy trước khi kết tủa và keo tụ, có điều chỉnh pH (8-9) sao cho pH cuối cùng đạt trên 6. Khi sử dụng PAC và FeCL3 có bổ sung thêm một lượng ổn định chất trợ keo tụ A101 là 4 mg/l để thúc đẩy quá trình keo tụ. Kết quả khảo sát: + Polyme loại C có khả năng kết tủa protein với liều lượng polyme 2 mg/l, liều lượng kết tủa bắt đầu xuất hiện. Tuy nhiên, hiệu quả tăng ít khi liều lượng đến 40 mg/l. Điều đó chứng tỏ polyme loại C chỉ có khả năng kết tủa các thành phần không tan trong nước. + Sử dụng kết hợp muối sắt và PAC với polyme cho kết quả xử lý tốt hơn, trong đó tổ hợp giữa muối sắt và A101 cho kết quả tốt hơn khoảng 2,5 lần so với PAC và A101. + Khi tăng liều lượng muối sắt cần điều chỉnh pH ở mức sao cho chỉ vừa đủ xảy ra quá trình keo tụ, khi đó hiệu quả tách loại COD đạt khoảng 82% và protein đạt trên 90%. * Al2(SO4)3 [3]: Được đánh giá là hoà tan tốt trong nước, chi phí thấp và hoạt động cao trong khoảng pH=5 đến 7,5. Trong quá trình đông tụ, Al2(SO4)3 tác dụng với canxi bicacbonat trong nước theo phản ứng: Al2(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2 ôAl(OH)3¯ + 3CaSO4 +6CO2 Trong phần lớn các trường hợp, người ta sử dụng hỗn hợp NaAlO2 và Al2(SO4)3 tỉ lệ (10:1) đến (20:1). Việc sử dụng này cho phép tăng hiệu quả quá trình làm trong nước, tăng khối lượng và tốc độ lắng của các bông keo, mở rộng khoảng pH tối ưu của môi trường. Al2(OH)5Cl có độ axit thấp nên phù hợp để làm sạch nước có độ kiềm yếu. * Các muối sắt được sử dụng làm chất đông keo tụ có nhiều ưu điểm hơn so với các muối nhôm, do: -Tác dụng tốt hơn ở nhiệt độ thấp -Có khoảng giá trị pH tối ưu của môi trường rộng hơn -Độ bền lớn và kích thước bông keo có khoảng giới hạn rộng của thành phần muối -Có thể khử mùi vị khi có H2S Chương V. Tổng quan về bể lắng. I. Phân loại bể lắng [5]. Lắng là phương pháp đơn giản nhất để tách các chất bẩn không hoà tan ra khỏi nước thải. Tuỳ theo yêu cầu về mức độ cần thiết xử lý nước thải mà ta có thể dùng bể lắng như một công trình xử lý sơ bộ trước khi đưa tới những công trình xử lý phức tạp hơn. Cũng có thể sử dụng bể lắng như công trình xử lý cuối cùng, nếu điều kiện vệ sinh nơi đó cho phép. Tuỳ theo công dụng của bể lắng trong dây chuyền công nghệ mà người ta phân biệt bể lắng đợt I và đợt II. Bể lắng đợt I đặt trước công trình xử lý sinh học. Bể lắng đợt II đặt sau công trình xử lý sinh học. Căn cứ theo chế độ làm việc phân biệt bể lắng hoạt động gián đoạn và bể lắng hoạt động liên tục. Bể lắng hoạt động gián đoạn thực chất là một bể chứa mà ta cứ việc xả nước vào đó và để đứng yên trong khoảng thời gian nhất định. Nước đã được lắng tháo ra và cho lượng nước mới vào. Bể lắng loại này áp dụng trong trường hợp lượng nước thải ít và chế độ thải không đồng đều. Ví dụ nước thải từ xí nghiệp giặt là… Bể lắng hoạt động liên tục: nước thải chảy liên tục qua bể. Căn cứ theo chiều nước chảy trong bể người ta phân biệt thành bể lắng ngang, bể lắng đứng và bể lắng Radian. Bể lắng ngang: trong đó nước chảy theo phương ngang từ đầu đến cuối bể. Bể lắng đứng: trong đó nước chảy từ dưới lên theo phương thẳng đứng. Bể lắng Radian: nước chảy từ trung tâm ra quanh thành bể hoặc có thể ngược lại. Trong trường hợp thứ nhất gọi là bể lắng ly tâm, trong trường hợp thứ hai gọi là bể lắng hướng tâm. Ngoài ra, còn có loại bể lắng trong đó có quá trình lắng nước được lọc qua tầng cặn lơ lửng-gọi là bể lắng trong. Số lượng cặn tách ra khỏi nước thải trong các bể lắng phụ thuộc vào nồng độ nhiễm bẩn ban đầu, đặc tính riêng của cặn (hình dạng, kích thước, trọng lượng riêng, tốc độ rơi…) và thời gian nước lưu trong bể. Ví dụ: lượng chất lơ lửng còn lại trong nước thải đưa lên bể Biophin và Aeroten không được lớn hơn 150mg/l (khi đòi hỏi xử lý hoàn toàn). Thời gian lắng trong trường hợp đó lấy không nhỏ hơn 1,5 giờ. Lượng cặn lắng lại trong bể lắng đợt I (nước thải sinh hoạt) lấy vào khoảng 0,8 l/người/ngàyđêm, độ ẩm 93-95%. 0,8N W= –––ắắ– ; m3/ngày đêm. 1000 Thời gian giữ cặn trong bể lắng phụ thuộc vào phương pháp xả cặn, nhưng không được quá hai ngày. Lựa chọn loại và kết cấu bể lắng dựa trên cơ sở tính toán so sánh kinh tế kỹ thuật và vệ sinh. Bể lắng đứng thường sử dụng khi mực nước ngầm thấp và công suất trạm đến 30.000 m3/ngàyđêm. Bể lắng ngang và bể lắng Radian không phụ thuộc vào mực nước ngầm, thường áp dụng khi công suất trạm lớn hơn 15.000 m3/ngàyđêm. II. Động học lắng nước thải [5]. Mỗi hạt tạp chất không hoà tan có trọng lượng riêng lớn hơn trọng lượng riêng của nước, khi lắng sẽ chịu tác động của hai lực: trọng lượng bản thân và lực cản tổng cộng xuất hiện khi hạt chuyển động dưới tác dụng của trọng trường. Mối tương quan giữa hai lực đó sẽ quyết định giá trị, tốc độ lắng của hạt. Trọng lượng P của hạt phụ thuộc vào khối lượng, kích thước bản thân và tỷ trọng. Lực cản P1 phụ thuộc vào kích thước, hình dạng, tốc độ của hạt và độ nhớt của nước. Tốc độ lắng của mỗi hạt riêng biệt có thể coi là đều trong suốt thời gian lắng, bởi vì gia tốc tự do cân bằng với lực cản của môi trường. Khi đó tốc độ lắng của các hạt riêng biệt trong nước ở trạng thái tĩnh có thể xác định từ điều kiện cân bằng của các lực tác dụng đối với hạt. P1 = P Và sau khi biểu thị thể tích hạt qua đường kính ta được công thức: 1 Uo = ––––ắắắ ( r - r1) gd2 18m Trong đó m -hệ số nhớt của nước r-tỷ trọng của hạt r1-tỷ trọng của nước d-đường kính của hạt Đối với các hạt hình cầu lớn (d>0,1mm) lực cản tỷ lệ với bình phương tốc độ lắng. Song hình dạng các hạt trong nước ở trạng thái lơ lửng rất đa dạng và không phải là hình cầu. Do vậy, người ta đưa ra khái niệm bán kính tương đương-tức là bán kính bằng bán kính hạt hình cầu có tốc độ lắng và tỷ trọng ở nhiệt độ 15oC. Bán kính tương đương của hạt thay đổi theo vị trí khi lắng, đặc biệt là các hạt không phải là hình cầu. ở trong nước thải, hỗn hợp không hoà tan gồm tổ hợp nhiều phần nhỏ khác nhau về số lượng, hình dáng và trọng lượng riêng. Trong quá trình lắng các phần nhỏ sẽ liên kết với nhau làm thay đổi hình dáng, kích thước và trọng lượng riêng của chúng. Qui luật lắng của tập hợp các hạt dạng bông khác nhau hoàn toàn khác đối với các hạt hình cầu riêng lẻ và đồng nhất. Ngoài ra, quá trình lắng được thực hiện không phải trong điều kiện tĩnh mà nước luôn luôn chuyển động. Như vậy, tốc độ lắng thực tế của các hạt cặn bé hơn tốc độ Uo (xác định trong phòng thí nghiệm) và bằng Uo-W (W-tốc độ thành phần đứng rối, phụ thuộc vào chiều sâu bể lắng và tốc độ nước chảy). Giáo sư Jukov A.L đưa ra phương trình xác định thành phần đứng rối trong các bể lắng khi tốc độ tính toán < 20mm/s W = kVn với k=const n=f(V) Cho đến nay, người ta vẫn chưa thể biểu thị tất cả các yếu tố ảnh hưởng phức tạp về hoá lý và thuỷ lực của quá trình lắng bằng một phương trình toán học. Do đó, quá trình lắng động học chỉ có thể xác định bằng thực nghiệm. Thời gian lắng cần thiết xác định theo công thức : H t = –––ắắắ 3,6.Uo Trong đó H- chiều sâu công tác của bể lắng, m; Uo- tốc độ lắng, mm/s; Trong thực tế, thuận tiện nhất là sử dụng các số liệu có sẵn về Uo. Nhưng xác định tốc độ lắng cho từng hạt nhỏ chất nhiễm bẩn gặp nhiều khó khăn và không có điều kiện thực hiện. Vì vậy, người ta thường giới hạn việc xác định tốc độ lắng nhỏ nhất đối với những thành phần nào đó mà thôi. Không phải mọi loại nước thải đều có số liệu cho trước. Trong những trường hợp như vậy, ta căn cứ vào các số liệu đối với nước thải có thành phần tương tự. Số lượng ban đầu để tính toán bể lắng là: -Lưu lượng và hàm lượng cặn của nước thải C1. -Hàm lượng cặn cho phép của nước thải sau khi lắng C2. C2 căn cứ vào điều kiện vệ sinh và tính chất công trình trong dây chuyền công nghệ xử lý. -Điều kiện về chế độ lắng của hạt, Uo. -Hệ số kết tụ n. Hiệu suất lắng xác định theo công thức: C1 - C2 E = –––ắắắ– 100% C1 Căn cứ vào E% dựa theo đồ thị quan hệ giữa cặn lắng với tốc độ lắng xác định Uo. III. Bể lắng ngang [5]. Bể lắng ngang có mặt bằng hình chữ nhật, tỷ lệ giữa chiều rộng và chiều dài không nhỏ hơn 1/4 và chiều sâu đến 4m. a) b) L 2 3 5 3 4 2 3 h4 5 3 4 1 6 1 6 h1 h2 h3 Sơ đồ bể lắng ngang a) Mặt bằng ; b) Mặt cắt 1- Mương dẫn nước vào. 2-Máng phân phối. 3-Tấm chắn nửa chìm nửa nổi. 4-Máng thu nước. 5-Máng thu và xả chất nổi. 6-Mương dẫn nước ra. Nước thải dẫn vào bể theo mương và máng phân phối ngang với đập tràn thành mỏng hoặc tường đục lỗ xây dựng ở đầu bể trong suốt chiều rộng. Đối diện ở cuối bể cũng xây dựng máng tương tự để thu nước và đặt tấm chắn nửa chìm nửa nổi, cao hơn mực nước 0,15-0,2m và không sâu quá mực nước 0,25m. Tấm chắn này có tác dụng ngăn chất nổi, thường đặt cách thành tràn 0,25-0,5m. Để thu và xả chất nổi, người ta đặt một máng đặc biệt ngay sát bề mặt tấm chắn. Tấm chắn ở đầu bể đặt cách cửa vào khoảng 0,5-1m và không rộng hơn 0,2m với mục đích phân phối đều nước trên toàn bộ chiều rộng của bể. Chiều cao xây dựng bể lắng xác định như sau: H=h1 + h2 + h3 + h4 Trong đó h1-chiều sâu làm việc, m. h2-chiều cao lớp chứa cặn, m. h3-chiều cao lớp nước trung hoà, m(~0,4m). h4-chiều cao thành bể cao hơn mực nước, m, thường lấy 0,25-0,4m. Đáy bể làm dốc I=0,01 để thuận tiện khi cào gom cặn. Độ dốc của hố thu cặn không nhỏ hơn 45o. Xả cặn ra thường bằng áp lực thuỷ tĩnh với cột nước không nhỏ hơn 1,5m đối với bể lắng đợt I và 0,9m (sau bể Aeroten) hay 1,2m (sau bể Biophin) đối với bể lắng đợt II. Bể lắng ngang có thể làm một hố thu cặn ở đầu và cũng có thể làm nhiều hố thu cặn dọc theo chiều dài bể. IV. Phương pháp tổng quát tính toán bể lắng ngang [5]. Tính toán bể lắng trước hết là xác định kích thước, sau đó kiểm tra và điều chỉnh các giá trị đã thu được. Tốc độ chuyển động của nước ở trong bể lắng lấy sơ bộ bằng: Đối với bể lắng Radian (tại tiết diện ở giữa bán kính bể) và bể lắng ngang v= 5-7 mm/s. Chiều dài bể lắng ngang xác định theo công thức V.H L = ––––ắắắ k.Uo Bán kính bể lắng Radian và bể lắng đứng: R = [Q/(3,6pkUo)]1/2 với V-tốc độ chuyển động của nước thải ở trong bể, mm/s. H-chiều cao công tác của bể, m. k-hệ số, lấy căn cứ vào loại bể lắng. Bể lắng ngang k=0,5; bể lắng Radian k=0,45; bể lắng đứng k=0,35 và bể lắng Radian với thiết bị phân phối và thu nước di động k=0,85. Uo-tốc độ lắng của hạt cặn lơ lửng (độ lớn thuỷ lực) mm/s. Q-lưu lượng nước thải, m3/h. Độ lớn thuỷ lực của các hạt cặn xác định theo công thức: 1000.k.H Uo = ––––ắắắ–– - W a.t.(kH/h)n a-hệ số, tính đến ảnh hưởng của nhiệt độ tới độ nhớt của nước thải lấy theo bảng 2-6 sau: Nhiệt độ trung bình 60 50 40 30 25 20 15 10 của nước thải, oC a 0,45 0,55 0,66 0,80 0,90 1 1,14 1,3 n-hệ số thực nghiệm, phụ thuộc vào tính chất của cặn. t-thời gian nước lưu trong ống nghiệm với lớp nước h và hiệu suất lắng cho trước, xác định bằng thực nghiệm hay lấy theo bảng sau: Hiệu suất lắng (%) Thời gian lắng (s) ở trong ống nghiệm với chiều cao 500 mm Đối với cặn keo tụ Đối với cặn vô cơ tán sắc với khối lượng riêng 2-3 g/cm3 (n=0,4) Đối với cặn thô với khối lượng riêng 5-6 g/cm3 (n=0,6) Nồng độ, mg/l 100 200 300 400 500 1000 2000 3000 200 300 400 20 600 300 - - 150 140 100 40 - - - 40 1320 650 450 390 200 180 150 60 75 60 45 60 3800 1200 970 680 280 240 200 100 180 120 75 W-tốc độ rối thành phần đứng, lấy theo bảng: V, mm/s 5 10 15 20 W, mm/s 0 0,05 0,1 0,5 Sau khi xác định L&D người ta đi điều chỉnh tốc độ Q V = –––ắắắ–– 3,6.H.B B-chiều rộng bể, lấy bằng 2-5H. Đối với bể lắng Radian B lấy bằng chiều dài đi qua điểm giữa bán kính bể: Q V = –––ắắắắ–– 3,6.p.R.H Nếu giá trị điều chỉnh khác nhiều so với giá trị lấy sơ bộ (khi lấy W) thì chiều dài và bán kính của bể sẽ tính lại theo tốc độ điều chỉnh. *ứng dụng tính toán bể lắng lưu lượng 100m3/ngàyđêm. L = V.H/(k.Uo) 1000.k.H Uo = ––––ắắắ–– - W a.t.(kH/h)n a) Chọn chiều cao H=1,5m; W=0; ở 20oC ga=1 +) Đối với bể lắng ngang: k=0,5. Lấy B = 2H = 3m; (kH/h)n = 1,11. Đối với cặn keo tụ nồng độ 100mg/l hiệu suất lắng 60% thì thời gian lắng 3800s. Q = 100m3/ngàyđêm = 100/24 m3/h. Q V = ––––ắắắ– 3,6.H.B Suy ra VH= Q/(3,6B). V.H L = ––ắắắ–– = Q/(3,6.B.k.Uo) k.Uo W = 0 1000.k.H Uo = –––––ắắắ– - W a.t.(kH/h)n 1000.k.H Suy ra Uo = –––ắắắắ––– a.t.(kH/h)n Q Suy ra L = –––––––ắắắắắắắắ–– 1000.k.H 3,6.B.k –––ắắắắ––– a.t.(kH/h)n 100/24 L = ––ắắắắắắ–– .1.3800.1,11 3600.3.1,5.0,52 4,44 m Vậy chiều dài L=4,44m; chiều rộng B=3m; chiều cao H=1,5m. +) Bể Radian: k=0,45. R= [Q/(3,6pkUo)]1/2 = [Q.a.t.(kH/h)n/(3,6pk.1000.k.H)]1/2 R=[100.1.3800.1,08/(24.3600.3,14.0,452.1,5)]1/2 R2m. Vậy R=2; H=1,5. b)Khi lấy chiều cao H=2m; W=0; ở 20oC ga=1 +) Bể lắng ngang: K=0,5;H=2 suy ra (kH/h)n =1,19; B=2H=4m. L=Q/[3,6.B.k.1000.k.H/(a.t.1,19)] L=(100/24)/(3,6.4.0,52.1000.2).1.3800.1,19 L2,62m. Vậy L=2,62; H=2; B=4. +)Bể lắng Radian: k=0,45; (kH/h)n =1,16. R=[Q.a.t.(kH/h)n /(3,6.3,14.k2.1000.H)]1/2 R=[(100/24).1.3800.1,16/(3,6.3,14.0,452.1000.2)]2 R2m. Vậy R=2; H=2. +)Bể lắng đứng: H=2; k=0,35 suy ra ; (kH/h)n =1,11. R=[Q.a.t.(kH/h)n /(3,6.3,14.k2.1000.H)]1/2 R=[(100/24).1.3800.1,11/(3,6.3,14.0,352.1000.2)] R2,52m. Vậy R=2,52; H=2. Chương VI Nghiên cứu xử lý chất màu hữu cơ của dung dịch nhuộm bằng phương pháp keo tụ diện hoá. I. Phương pháp thực nghiệm Điện cực anôt được sử dụng trong quá trình keo tụ điện hóa là nhôm mác A7 và thép CT3. Bề mặt điện cực được gia công bằng phẳng, đánh bóng cơ học bằng giấy nhám SiC (1200), tẩy dầu mỡ trong axeton và tẩy gỉ trong dung dịch HCl 15% có thêm chất ức chế Urotropin. Sau khi tẩy gỉ bề mặt kim loại được trung hòa trong dung dịch kiềm yếu (Na2CO3 10g/l) và rửa lại bằng nước cất nhiều lần. Các chất màu hữu cơ được dùng trong dung dịch nhuộm có tên thương mại là Ryndye-W-Red-3M (màu đỏ) có bước sóng đặc trưng l = 500nm và Ryndye - W - Violet FFBN (màu tím) có bước sóng đặc trưng l = 560nm. Dung dịch nghiên cứu được chuẩn bị bằng cách hòa tan một lượng NaCl vào 200ml nước cất. Sau đó hòa tan thuốc nhuộm hữu cơ vào dung dịch NaCl, pH dung dịch được điều chỉnh bằng dung dịch HCl và NaOH. Dung dịch điện phân được lấy ra theo thời gian điện phân và phân tích trên máy đo quang để tính hiệu suất quá trình keo tụ. II. Kết quả và thảo luận. II.1. ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình keo tụ điện hóa chất màu bằng anôt nhôm II.1.1. ảnh hưởng của pH ảnh hưởng của pH đến hiệu suất quá trình keo tụ điện hóa dung dịch thuốc nhuộm màu đỏ và màu tím có thành phần và điều kiện điện phân như sau: Nồng độ NaCl 1000ppm Nồng độ chất màu 100ppm Khoảng cách anôt và catôt: 20mm Mật độ dòng i = 0,5A/dm2 Thời gian điện phân t = 10 phút Kết quả của ảnh hưởng pH đến hiệu suất keo tụ được trình bày ở bảng 1. Bảng 1: ảnh hưởng của pH đến hiệu suất quá trình keo tụ pH 4 5 6 7 8 9 10 Hiệu suất (Y%) Màu đỏ 40,25 57,54 73,87 87,75 78,45 50,65 41,50 Màu tím 35,50 48,61 67,38 75,18 70,35 40,58 34,23 Kết quả thu được cho thấy hiệu suất quá trình keo tụ cho dịch màu đỏ và màu tím đạt giá trị cao nhất tại pH = 7. Trong môi trường axit và kiềm hiệu suất quá trình keo tụ giảm. Nguyên nhân là do trong môi trường axit nhôm bị hòa tan và tồn tại dưới dạng ion Al3+ và Al(OH)2+. Cơ chế keo tụ trong môi trường axit là cơ chế nén cấu trúc lớp kép. Do vậy, để keo tụ các hạt keo màu theo cơ chế này thì phải cần một lượng rất lớn ion Al3+ và Al(OH)2+. Trong vùng pH từ 6 đến 8, cấu tử gây keo tụ thường tồn trại dưới dạng polime như Al13O4(OH)247+ hoặc kết tủa Al(OH)3. Các phức polime và kết tủa hydroxyt nhôm gây keo tụ cho hệ keo theo cơ chế hấp phụ, trung hòa điện tích và quét kết tủa. Việc kết hợp các cơ chế này đã làm cho quá trình keo tụ chất màu xảy ra dễ dàng và đạt hiệu suất cao. Trong môi trường kiềm (pH = 9 và 10), kết tủa Al(OH)3 bị hòa tan và tồn tại dưới dạng ion Al(OH)4- hoặc AlO2-. Nồng độ kết tủa Al(OH)3 giảm dẫn đến hiệu suất quá trình keo tụ giảm. Kết quả ở bảng 1 còn cho thấy hiệu suất keo tụ của dịch màu đỏ lớn hơn dịch màu tím. Nguyên nhân này có thể do cấu trúc không gian của phân tử thuốc nhuộm màu đỏ cồng kềnh hơn cấu trúc không gian của phân tử thuốc nhuộm màu tím. II.1.2. ảnh hưởng của mật độ dòng Mật độ dòng ảnh hưởng đến hiệu suất và thời gian tách loại chất màu. Quá trình keo tụ điện hóa được tíên hành trong dung dịch có thành phần như (2.1.1) ở pH = 7 với các giá trị mật độ dòng từ 0,5 A/dm2 đến 2 A/dm2. Kết quả của ảnh hưởng mật độ dòng đến hiệu suất keo tụ được trình bày ở bảng 2 và 3. Bảng 2: ảnh hưởng của mật độ dòng đến hiệu suất và thời gian keo tụ dung dịch màu đỏ Mật độ dòng (A/dm2) 0,5 1,0 2,0 T = 10 phút 87,74 91,54 89,63 T = 15 phút 91,46 98,80 94,50 Bảng 3: ảnh hưởng của mật độ dòng đến hiệu suất và thời gian keo tụ dung dịch màu tím Mật độ dòng (A/dm2) 0,5 1,0 2,0 T = 10 phút 75,18 81,57 77,42 T = 15 phút 82,36 95,62 89,56 T = 20 phút 90,15 97,84 91,28 Kết quả thu được cho thấy ở mật độ dòng thấp thời gian tách loại chất màu tăng và hiệu suất keo tụ giảm. Khi tăng mật độ dòng, lượng chất keo tụ tạo ra nhiều. Do đó, hiệu suất quá trình keo tụ tăng và thời gian keo tụ giảm. Với dung dịch nhuộm màu đỏ, ở mật độ dòng 1 A/dm2 thời gian keo tụ để đạt hiệu suất 98,80% là 15 phút. Trong trường hợp dịch màu tím, hiệu suất keo tụ đạt 97,84% với thời gian t = 20 phút (i = 1A/dm2). Tuy nhiên, nếu tiếp tục tăng mật độ dòng thì hiệu suất keo tụ giảm. Nguyên nhân là do sự thoát oxi trên bề mặt điện cực. II.1.3. ảnh hưởng của nồng độ chất màu ảnh hưởng của nồng độ chất màu đến hiệu suất quá trình keo tụ trong dung dịch có pH = 7, thời gian keo tụ 15 phút và mật độ dòng i= 1 A/dm2 được trình bày ở bảng 4. Bảng 4: ảnh hưởng của nồng độ chất màu đến hiệu suất quá trình keo tụ Nồng độ chất màu (ppm) 100 300 400 500 Hiệu suất keo tụ (Y%) Dịch màu đỏ 98,80 76,15 63,72 52,65 Dịch màu tím 95,62 70,52 58,38 43,71 Kết quả cho thấy khi nồng độ chất màu tăng từ 100-500ppm thì hiệu suất keo tụ trong cùng một thời gian điện phân giảm. Vì khi nồng độ chất màu tăng thì phải cần lượng lớn chất keo tụ. II.2. ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình keo tụ điện hóa chất màu bằng anôt sắt. II.2.1. ảnh hưởng của pH Thành phần dung dịch và điều kiện điện phân như (2.1.1). Kết quả của ảnh hưởng pH đến hiệu suất keo tụ được trình bày ở bảng 5. Bảng 5: ảnh hưởng của pH đến hiệu suất quá trình keo tụ pH 4 5 6 7 8 9 10 Hiệu suất (Y%) Màu đỏ 36,18 47,25 56,30 78,54 76,28 74,35 72,15 Màu tím 30,55 41,50 53,82 71,41 69,52 67,28 66,85 Như vậy, trong môi trường axit hiệu suất keo tụ cho dung dịch màu đỏ và tím đạt giá trị thấp. Vì trong môi trường axit sắt bị hòa tan và tồn tại dưới dạng ion Fe2+ và Fe3+. Các ion này gây keo tụ chất màu theo cơ chế nén cấu trúc lớp kép. Do đó, để quá trình keo tụ xảy ra với hiệu suất cao thì phải cần một lượng lớn ion Fe2+ và Fe3+. Trong môi trường pH = 7 á 10, quá trình thủy phân của ion Fe2+ và Fe3+ xảy ra mạnh tạo thành phức chất keo tụ của Fe có điện tích dương và kết tủa hydroxyt sắt. Các phức và kết tủa này dễ dàng keo tụ chất màu để tạo thành khối kết tủa. Hiệu suất quá trình keo tụ đạt cao nhất tại pH = 7 (Y = 78,54% cho dịch màu đỏ và 71,41% cho dịch màu tím). ở môi trường kiềm mạnh, hiệu suất keo tụ lại giảm do sự tạo kết tủa hydroxyt trên bề mặt đã hạn chế quá trình hòa tan anôt sắt. II.2.2. ảnh hưởng của mật độ dòng Quá trình keo tụ điện hóa được tiến hành trong dung dịch có thành phần như (2.1.1) ở pH = 7._.