BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐÁNH GÍA KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CỦA TRO BAY VỚI THAN HOẠT TÍNH THƯƠNG PHẨM PHỔ BIẾN TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM- đại học thủy lợi
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.13 MB, 56 trang )
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
KHOA MÔI TRƯỜNG
BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Tên đề tài: ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CỦA TRO BAY VỚI
THAN HOẠT TÍNH THƯƠNG PHẨM PHỔ BIẾN TRONG XỬ LÝ
NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM
Giáo viên hướng dẫn: Th.S Trần Minh Dũng
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Huyền Ngọc
Nguyễn Thị Hồng Nhung
Lê Phương Thảo
Đỗ Văn Tiến
Lớp: K53, K52
Hà Nội, 2015
2
\
MỤC LỤC
3
\
MỤC LỤC HÌNH
Hình 1.1: Than hoạt tính dạng bột
Hình 1.2: Than hoạt tính dạng viên nén 4mm
Hình 1.3 Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất của ngành dệt nhuộm
Hình 2.1 Giản đồ hấp phụ
Hình 2.2 Ví dụ về sự định hướng của chất hoạt động bề mặttrên bề mặt phân
cách pha
Hình 3.1 Màu nước thải dệt nhuôm
Hình 3.2 Tro bay sau khi làm sạch
Hình 3.3 Than hoạt tính dạng bột mịn (PAC)
Hình 3.4 Than hoạt tính dạng hạt (GAC)
Hình 3.5 Nước thải đã xử lý sau 0, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110
phút (Từ trái qua phải)
Hình 3.6 Nước thải đã xử lý sau 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 phút (Từ
trái qua phải)
Hình 3.7 Nước thải đã xử lý sau 0 và 90 phút (Từ trái qua phải)
Hình 3.8 Nước thải đã xử lý sau 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 phút (Từ
trái qua phải)
4
\
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Thông số kĩ thuật than hoạt tính dạng bột
Bảng 1.2: Thông số kĩ thuật than hoạt tính dạng viên nén 4mm
Bảng 1.3: Các nguồn ô nhiễm nước thải của ngành công nghiệp dệt nhuộm
Bảng 2.1 So sánh hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học
Bảng 2.2: Một số đường đẳng nhiệt hấp phụ thông dụng
Bảng 3.1 Đặc tính nước thải dệt nhuộm trước xử lý tại cơ sở nghiên cứu
Bảng 3.2 Giá trị thành phần nước thải đầu vào
Bảng 3.3 Kết quả thí nghiệm lần 1
Bảng 3.4 Kết quả thí nghiệm lần 2
Bảng 3.5 Kết quả thí nghiệm bằng phương pháp lọc xuôi
Bảng 3.6 Kết quả thí nghiệm hấp phụ với PAC
MỤC LỤC ĐỒ THỊ
Đồ thị 3.1 Hiệu suất xử lý thí nghiệm lần 1
Đồ thị 3.2 Hiệu suất xử lý thí nghiệm lần 2
Đồ thị 3.3 Hiệu suất xử lý của quá trình lọc xuôi
Đồ thị 3.4 Hiệu suất xử lý của PAC
Đồ thị 3.3 Hiệu suất xử lý của quá trình lọc xuôi
5
\
MỞ ĐẦU
1.Tính cấp thiết của đề tài
Ở Việt Nam, các nhà máy nhiệt điện than ước tính hàng năm thải ra
khoảng 1,3 triệu tấn tro bay, đó là chưa kể đến lượng tro bay khá lớn thải ra từ
hàng loạt các lò cao ở các khu công nghiệp gang thép sử dụng nhiên liệu là
than. Lượng chất thải rắn này mới được tái sử dụng rất ít, chủ yếu thải ra môi
trường. Do vậy việc nghiên cứu phát triển các hướng sử dụng khác nhau của
tro bay đang được các nhà khoa học hết sức quan tâm, đặc biệt là hướng sử
dụng làm vật liệu hấp phụ trong xử lý nước thải.
Trên thế giới, nhiều công trình đã nghiên cứu biến tính tro bay, chủ yếu
là chuyển hóa thành zeolit bằng nhiều cách khác nhau. Còn ở nước ta các
nghiên cứu về tái sử dụng tro bay làm vật liệu hấp phụ còn rất ít. Do đó tôi
chọn đề tài “Đánh giá khả năng hấp phụ của tro bay với than hoạt tính thương
phẩm phổ biến trong xử lý nước thải dệt nhuộm” để nâng cao hiệu quả sử
dụng phế thải ngành nhiệt điện, bảo vệ môi trường và tạo vật liệu mới cho quá
trình hấp phụ trong xử lý nước thải.
2.Mục tiêu nghiên cứu
-
Hiểu được đặc tính và ưu điểm của tro bay đối với quá trình hấp phụ trong xử
lý nước thải.
- Ứng dụng tro bay trong việc xử lý nước thải làm vật liệu hấp phụ.
3.Phạm vi nghiên cứu
Nước thải dệt nhuộm của làng nghề lụa Vạn Phúc, Hà Nội; tro bay của
nhà máy nhiệt điện Phả Lại, Quảng Ninh và than tre thương phẩm của công ty
đầu tư và công nghệ PAL Việt Nam có trụ sở tại Cầu Giấy,Hà Nội.
4.Phương pháp nghiên cứu
6
\
Các phương pháp sử dụng: Phương pháp tổng hợp, phân tích thông tin –
số liệu, phương pháp thực nghiệm phân tích, phương pháp liệt kê, phương
pháp so sánh – đối chiếu, phương pháp thực nghiệm.
7
\
PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
1.1. Tổng quan về tro bay
1.1.1 Khái niệm và phân loại
Tro bay là một loại bụi được thu tại bộ phận khí thải của ngành năng
lượng từ quá trình đốt cháy than. Khi than được đốt cháy thì có khoảng 80%
xỉ than còn lại từ lò nằm dưới dạng tro bay, phần còn lại được đưa qua ống
khói. Tro bay là phụ phẩm của các nhà máy nhiệt điện đốt nhiên liệu khoáng
(than đá). Công nghệ đốt than ở các nhà máy nhiệt điện phổ biến nhất là đốt
bằng lò đốt kiểu tầng sôi, tập trung hầu hết ở miền Bắc. Phần hạt tro mịn bay
theo dòng khí thải bị lắng lại trong thiết bị lọc bụi tĩnh điện gọi là “tro bay”,
phần hạt lớn rơi xuống đáy lò gọi là “tro đáy”.
Tro bay thường được phân ra làm 2 loại tùy theo nguồn than đốt:
- Loại C có hàm lượng CaO ≥ 5% và thường bằng 15-35%. Đó là sản phẩm đốt
than ligrit hoặc than chứa bitum, chứa ít than chưa cháy, thường < 2%[6].
-
Loại F có hàm lượng CaO < 5%, thu được từ việc đốt than antraxit hoặc than
chứa bitum, có hàm lượng than chưa cháy nhiều hơn, khoảng 2-10%[6].
1.1.2 Đặc tính của tro bay
Vật liệu tro bay rắn lại khi bay lơ lửng trong khói thải và được thu lại
nhờ hệ thống lọc bụi tĩnh điện. Vì các hạt tro bay cứng lại khi bay lơ lửng
trong khí thải nên nói chung chúng có dạng hình cầu kính cỡ từ 0.5µm đến
100µm. Thành phần của tro bay cấu tạo chủ yếu từ oxit Silic (SiO 2), oxit
nhôm (Al2O3) và oxit sắt (Fe2O3). Tro bay là nguyên liệu quan trọng để chế tạo
bê tông đầm lăn và các loại gạch nhẹ có giá trị cao, các phụ gia đặc hiệu[3].
a. Tính chất vật lý[1]
8
\
-
Tro bay là phân tử khối cầu thủy tinh, nhẹ
Màu sắc: màu ghi hoặc ghi sáng
Mật độ 1,9 ~ 2,3 (chiếm khoảng 65% trọng lượng riêng của xi măng)
Kích thước phân tử: 1,0 ~ 120µm (bình quân kích thước đầu vào: 20 ~ 30 µm)
Diện tích bề mặt riêng cho dao động trong khoảng từ 0,5 – 2 m2/g
Độ mịn: 2400 ~ 4000 cm2/g ; Tỉ diện 300 – 600m2/kg
Tro bay sinh ra từ quá trình đốt cháy than bột thì có tỉ trọng lớn nhất, độ ẩm
tối ưu, lượng cacbon không cháy hết hấp thụ nước làm độ ẩm của tro tăng lên.
- Tính thấm của tro bay là một trong những tính chất quan trọng góp phần đánh
giá ảnh hưởng của nó tới môi trường và công đoạn xử lý.[5]
b. Tính chất hóa học
-
Tính chất: Alkali
Bền với nhiệt, bền với các loại hóa chất
Các tính chất khác: Hoạt tính Pozzolan (Phản ứng Pozzolan: Là hiện tượng
xảy ra khi xi măng đông đặc thành bê tông, một phần vôi tự do không được
phản ứng còn sót lại sẽ kết hợp với nước và thành phần chính của tro bay là
Silica gây nên phản ứng chậm, có tác dụng làm tăng cường độ của xi măng kể
từ sau 28 ngày[17].
1.1.3 Ứng dụng của tro bay
Việc sử dụng tro bay trên thế giới hiện nay là rất phổ biến trong nhiều
lĩnh vực như làm phụ gia cho bê tông đầm lăn, bê tông tự đầm, bê tông khối
lớn, bê tông cường độ cao, bê tông bền sunphat trong các công trình thủy điện,
thủy lợi, dân dụng, cầu đường, các công trình cầu cảng, công trình bảo vệ bờ,
đê chắn sông, công trình chống xâm thực ăn mòn của nước biển… Tro bay
còn là một trong những nguyên liệu chủ yếu để sản xuất vật liệu nhẹ không
nung dùng cho các công trình dân dụng nhà cao tầng: Gạch block bê tông khí,
tấm panel, tường, sàn, vách ngăn…[10]
9
\
Tro bay được ứng dụng làm chất kích thích tăng trưởng cho cây trồng.
Bên cạnh đó việc kết hợp tro bay nhẹ với nước bùn thải có giá trị làm phân
bón… Chuyển hóa tro bay thành sản phẩm chứa zeolit có thể dùng để cải tạo
đất, chống chua, khô cằn và bạc màu, nâng cao hiệu quả sử dụng phân bón,
thuốc trừ sâu, tăng năng suất và chất lượng sản phẩm, bảo quản một số nông
sản sau khi thu hoạch, làm chất vi lượng trong thức ăn gia súc để tăng sức đề
kháng và chống bệnh tật, tẩy uế chuồng trại[1].
Tro bay ngoài các ứng dụng kể trên còn được nghiên cứu rộng rãi trong
lĩnh vực xử lí các chất ô nhiễm môi trường. Các chất ô nhiễm có thể là hữu cơ
như dẫn xuất phenol, chất màu, hay hợp chất vô cơ: ion kim loại nặng. Ở nước
ta các nghiên cứu về tái sử dụng tro bay làm vật liệu hấp phụ vẫn còn ít. Đáng
kể nhất là công bố của Nguyễn Thị Thu và cộng sự đã nghiên cứu chuyển hóa
tro bay Phả Lại thành dạng zeolit định hướng xử lý chất thải ô nhiễm[1].
1.2. Tổng quan về than hoạt tính thương phẩm
1.2.1.Than tre hoạt tính dạng bột
Than tre hoạt tính dạng bột mịn là vật liệu làm từ than tre được hoạt
tính hóa bằng hơi nước, nhiệt độ trong điều kiện thiểu khí. Ban đầu dùng tre
để đốt thành than tre thông rồi trong các lò hầm chuyên dụng, sau đó được cho
vào máy nghiền để xay nhỏ than thành dạng bột mịn hoặc các kích thước
mong muốn. Than tre sau khi xay mịn sẽ được nạp vào các lò quay lớn, nhiệt
độ lò ở mức 800 đến 900 độ C để thực hiện quá trình hoạt hóa. Trong nhiệt độ
lớn, thành phần Carbon trong than tre thông thường phản ứng với một số chất
hóa học khác có trong lò quay và hơi nước tạo ra rất nhiều lỗ rỗng bên trong
than tre, từ đó hình thành lên sản phẩm than hoạt tính. Than Hoạt Tính từ tre
này có thành phần chủ yếu là carbon, cấu trúc dạng tổ ong đặc trưng. Với cấu
10
\
trúc này, diện tích bề mặt than hoạt tính rất lớn, đạt tới 600 – 1500m2/g ( phụ
thuộc vào chất lượng của than).
Hình 1.1: Than hoạt tính dạng bột
Ứng dụng:
-
Trong y tế để tẩy trùng và các độc tố sau khi bị ngộ độc thức ăn
-
Trong công nghiệp hóa học: làm chất xúc tác và chất tải cho các chất
xúc tác
-
Trong kỹ thuật thì làm một thành phần của bộ phận lọc khí
-
Trong xử lý nước công nghiệp
-
Trong nông nghiệp dùng cải tạo đất trồng, xử lý vệ sinh ao hồ nuôi …
Thông số kĩ thuật:
Chỉ số
Giá trị
Chỉ số iod
900-1000 mg/g
Benzene
20-35%
Methylene Blue:
>180 mg/g
11
\
Độ hấp phụ CCl4
>60%
Độ PH
7.5-8
Độ tro
< 3%
Độ ẩm
< 4%
Kích thước (D)
Bột mịn
Bảng 1.1 Thông số kĩ thuật than hoạt tính dạng bột
1.2.2 Than hoạt tính dạng viên nén 4mm
Than hoạt tính làm từ tre được chế tạo bằng phương pháp sử dụng lò điện
để than hóa từ nguyên liệu ban đầu là tre. Than tre được đối yếm khí bằng các
lò điện hoặc lò đốt thủ công.
Hình 1.2: Than hoạt tính dạng viên nén 4mm
Ứng dụng:
- Sử dụng cho lọc nước sinh hoạt ăn uống.
- Dùng lọc nước sinh hoạt, nước giếng khoan, nước thải.
- Dùng lót sàn nhà chống nồm.
12
\
- Chôn dưới chân cột thu phát sóng để khử sóng điện từ .
- Chôn ở dưới đáy bãi rác khử ô nhiễm nguồn nước ngầm.
- Khử màu, mùi, các kim loại nặng, thuốc trừ sâu, các hợp chất hữu cơ, chất
Clo
- Lọc khử phèn sắt, Asen, làm ngon nước, dùng cho bể lọc nước, thiết bị lọc.
- Lọc khí thải.
Thông số kĩ thuật:
Chỉ số
Giá trị
Chỉ số iod
800-890 mg/g
Benzene
20-35%
Methylene Blue:
130-80mg/l
Độ hấp phụ CCl4
45-55%
Độ PH
7.5-8
Độ tro
< 3%
Độ ẩm
< 4%
Kích thước (D)
4mm
Bảng 1.2 Thông số kĩ thuật than hoạt tính dạng viên nén 4mm
1.3 Tổng quan về nước thải dệt nhuộm
Nguồn nước thải phát sinh trong công nghệ dệt nhuộm là từ các công
đoạn hồ sợi, rũ hồ, nấu tẩy, nhuộm và hoàn tất. Tuy nhiên do đặc điểm của
ngành công nghiệp dệt nhuộm là công nghệ sản xuất gồm nhiều công đoạn,
thay đổi theo mặt hàng nên việc xác định thành phần tính chất lưu lượng nước
thải gặp nhiều khó khăn.
Công nghệ dệt nhuộm sử dụng nước khá lớn: từ 12 đến 65 lít nước cho 1
mét vải và thải ra từ 10 đến 40 lít nước.
Sự phân phối nước trong nhà máy dệt nhuộm như sau:
13
\
•
Sản xuất hơi: 5,3%
•
Nước làm sạch thiết bị: 6,4%
•
Nước làm mát và xử lí bụi trong thiết bị dệt nhuộm: 7,8%
•
Nước cho các quá trình chính trong xí nghiệp dệt nhuộm:
72,3%
•
Nước vệ sinh: 7,6%
•
Nước cho việc PCCC và các vấn đề khác: 0,6%
Qua đó cho thấy lượng nước phát sinh từ các nhà máy dệt nhuộm là rất lớn và
ứng với mỗi công đoạn khác nhau trong quá trình dệt nhuộm sẽ có lưu lượng
nước thải và nồng độ các chất ô nhiễm khác nhau.
Bảng 1.3: Các nguồn ô nhiễm nước thải của ngành công nghiệp dệt nhuộm
Công
đoạn
Chất ô nhiễm trong nước
thải
Hồ sợi, rũ Tinh
bột,
glucose,
hồ
polyvinyl, alcol, nhựa,…
Nấu tẩy
NaOH, chất sáp, soda,
silicat và sợi vải vụn
Tẩy trắng Hypoclorit, các hợp chất
chứa Clo, axit, NaOH,…
Làm bóng
Nhuộm
In
Hoàn tất
NaOH, tạp chất,…
Đặc tính của nước thải
BOD cao (34-50 tổng lượng
BOD)
Độ kiềm cao màu tối, BOD
cao
Độ kiềm cao, chiếm 5% BOD
tổng
Độ kiềm cao, BOD thấp (dưới
1% BOD tổng)
Các loại thuốc nhuộm, ĐỘ màu rất cao BOD khá cao
axit, axetic, các muối kim (6% BOD tổng), SS cao
loại,…
Chất màu, tinh bột, dầu Độ màu cao, BOD cao
muối, kim loại, axit,…
Vét tinh bột, mỡ động vật, Kiềm nhẹ, BOD thấp,…
muối,…
14
\
15
\
CHƯƠNG 2. HẤP PHỤ VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ LIÊN QUAN
2.1 Hấp phụ
2.1.1 Khái niệm hấp phụ
Hấp phụlà quá trình xảy ra khi một chất khí hay chất lỏng bị hút trên bề
mặt một chất rắn xốp. Chất khí hay chất lỏng đó được gọi là chất bị hấp phụ,
chất rắn xốp dùng để hút khí hay lỏng đó gọi là chất hấp phụ và những chất
không bị hấp phụ gọi là chất trơ. Quá trình ngược lại của hấp phụ gọi là quá
trình giải hấp phụ hay nhả hấp phụ. Trong quá trình hấp phụ có tỏa ra một
nhiệt lượng, gọi là nhiệt hấp phụ, lượng nhiệt tỏa ra phụ thuộc vào cường độ
của lực liên kết phân tử và tương đương với entanpy (nhiệt) ngưng tụ của hơi,
khí. Lượng nhiệt đó nằm trong khoảng từ 2 – 20 kJ/g.mol. Bề mặt càng lớn
tức độ xốp của chất hấp phụ càng cao thì nhiệt hấp phụ toả ra càng lớn.
Tùy theo bản chất của lực tương tác mà người ta phân ra thành: hấp phụ
vật lý và hấp phụ hóa học[2]. Hai quá trình này rất khó phân biệt, có khi tiến
hành song song, có khi chỉ có 1 giai đoạn hấp phụ tùy thuộc tính chất của bề
mặt chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, tuỳ thuộc vào điều kiện quá trình (nhiệt
độ, áp suất...)
Trong hấp phụ vật lý các phân tử hơi hoặc khí bị hút vào bề mặt của
chất hấp phụ nhờ có lực liên kết giữa các phân tử (lực Vander Waals).Và
không có sự trao đổi e- giữa hai chất này.
Hấp phụ hóa học là kết quả của các phản ứng hóa học giữa chất bị hấp
phụ và vật liệu hấp phụ.Trong trường hợp này lực liên kết mạnh hơn nhiều so
với lực liên kết trong hấp phụ vật lý. Do đó lượng nhiệt tỏa ra lớn hơn nhiều
so với lượng nhiệt được giải phóng trong hấp phụ vật lý. Lượng nhiệt này
16
\
thường nằm trong khoảng 20 – 400 kJ/g.mol [2]. Do lượng nhiệt hấp phụ hóa
học lớn, năng lượng cần cho phản ứng giữa các phân tử của chất bị hấp phụ
với phân tử của chất hấp phụ là ít hơn đáng kể so với năng lượng cần cho phản
ứng của các chất ấy.
Một đặc điểm khác biệt quan trọng nữa của hấp phụ hóa học so với hấp
phụ vật lý là tính chất không thuận nghịch của quá trình.Khi cần giải thoát
chất bị hấp phụ trong quá trình hấp phụ hóa học thì bản chất hóa học của chất
đó đã bị thay đổi. Do đó nếu muốn thu hồi chất bị hấp phụ sao cho có giá trị
hoặc hoàn nguyên chất hấp phụ để tái sử dụng thì cần chọn vật liệu hấp phụ
nào có tính chất hấp phụ vật lý là chủ yếu.
Loại liên
kết
Nhiệt hấp
phụ
Năng
lượng hoạt
hóa
Khoảng
nhiệt độ
hấp phụ
Số lớp hấp
phụ
Tính đặc
thù
Hấp phụ vật lý
Tương tác vật lý không có sự
trao đổi electron
Hấp phụ hóa học
Liên kết hóa học có sự trao
đổi electron
Vài Kcal/mol
Vài chục Kcal/mol
Không quan trọng
Quan trọng
Nhiệt độ thấp
Ưu đãi ở nhiệt độ cao
Nhiều lớp
Một lớp
Ít phụ thuộc vào bản chất của bề
mặt, phụ thuộc vào những điều
kiện về nhiệt độ và áp suất
Có tính thuận nghịch. Sự phản
Tính thuận hấp phụ là xu hướng phân bố đều
nghịch
đặn chất bị hấp phụ trở vào môi
trường
Có tính đặc thù. Sự hấp phụ
chỉ diễn ra khi chất bị hấp
phụ có khả năng tạo liên kết
hóa học với chất hấp phụ
Thường bất thuận nghịch.
Quá trình giải hấp tương đối
khó vì sản phẩm giải hấp
thường bị biến đổi thành
phần hóa học
17
\
Bảng 2.1 So sánh hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học
2.1.2 Động học học hấp phụ
Trong môi trường nước, quá trình hấp phụ xảy ra chủ yếu trên bề mặt
của chất hấp phụ, vì vậy quá trình động học hấp phụ xảy ra theo 4 giai đoạn kế
tiếp nhau:
-
Giai đoạn 1: Vận chuyển chất tan từ pha lỏng đến lớp bề mặt bao quanh các
-
hạt hấp phụ. Bước này bị khống chế bởi dòng đối lưu và trộn hỗn loạn.
Giai đoạn 2: Các chất tập trung ở lớp nước mỏng này khuếch tán đến các khe
rỗng trên bề mặt hạt rắn (khuếch tán ngoài). Bước này khống chế bởi khuếch
-
tán phân tử và dòng đối lưu.
Giai đoạn 3: Chuyển chất bị hấp phụ từ bề mặt ngoài của hạt hấp phụ đến bề
mặt trong của nó. Bước này có thể xảy ra theo 2 cách: khuếch tán lỗ và khuếch
-
tán bề mặt (khuếch tán trong).
Giai đoạn 4: Liên kết hóa học, vật lý của chất bị hấp phụ với bề mặt trong của
chất hấp phụ. Bước này không bị khống chế bởi tương tác phân tử.
Trong đó, giai đoạn 3 là giai đoạn diễn ra chậm nhất, nhưng lại là yếu tố
quyết định tốc độ quá trình hấp phụ.
2.1.3 Biểu diễn sự hấp phụ
Sự hấp phụ được đánh giá qua các đại lượng biểu diễn lượng hấp
phụ[7]:
a. Độ hấp phụ x là lượng chất bị hấp phụ (tính theo mol, mmol) trong một đơn
vị diện tích bề mặt vật hấp phụ (tính theo cm 2) , đó chính là hàm lượng bề mặt
của chất bị hấp phụ.
Ta có:(mol/cm2 hoặc mmol/cm2)
b. Khi bề mặt vật hấp phụ không đo được, lượng chất bị hấp phụ được quy về
1 đơn vị khối lượng vật hấp phụ (tính theo gam) và ký hiệu x’.
18
\
Ta có : (mol/g)
c. Đại lượng Gibbs Γ là lượng dư của số mol chất bị hấp phụ trong thể tích lớp
bề mặt có diện tích 1 cm2 so với số mol của nó trong toàn thể tích, nếu trong
mặt tiếp xúc pha không có sự thay đổi hàm lượng chất bị hấp phụ.
Khi hàm lượng chất bị hấp phụ thấp, đại lượng Γ xấp xỉ với x, nhưng
khi hàm lượng chất lớn thì Γ khác x. Trong các trường hợp nếu hàm lượng
chất hấp phụ trên lớp bề mặt nhỏ hơn hàm lượng của nó trong thể tích, đại
lượng Γ âm, thì hiện tượng được gọi là hấp phụ âm.
Độ hấp phụ x là một hàm của nhiều thông số, trong đó 2 thông số quan
trọng là nhiệt độ, áp suất: x = f (P,T). Ở nhiệt độ không đổi, đường biểu diễn
sự phụ thuộc của q vào P hoặc C được gọi là đường đẳng nhiệt hấp phụ.
Hình 2.1 Giản đồ hấp phụ
Đường đẳng nhiệt hấp phụ có thể xây dựng trên cơ sở lý thuyết, kinh
nghiệm hoặc bán kinh nghiệm tùy thuộc vào tiền đề, giả thiết, bản chất và kinh
nghiệm xử lý số liệu thực nghiệm [2][12][13].Một số đường đẳng nhiệt hấp phụ
thông dụng được nêu ở bảng 2.2.
Đường đẳng
nhiệt hấp phụ
Langmuir
Henry
Freundlich
Phương trình
Bản chất sự hấp
phụ
Vật lý và hóa học
Vật lý và hóa học
Vật lý và hóa học
19
\
ShlyginHóa học
Frumkin-Temkin
BrunauerVật lý, nhiều lớp
Emmett-Teller
Bảng 2.2: Một số đường đẳng nhiệt hấp phụ thông dụng[11]
Trong đó: v là thể tích chất bị hấp phụ
vm là thể tích hấp phụ cực đại
p là áp suất chất bị hấp phụ ở pha khí
p0 là áp suất hơi bão hòa của chất bị hấp phụ ở trạng thái lỏng tinh khiết ở
cùng nhiệt độ
a, b, k, n là các hằng số
Đẳng nhiệt hấp phụ rất hữu ích cho việc lựa chọn chất hấp phụ thích hợp
nhất.Đẳng nhiệt hấp phụ cũng đóng vai trò quan trọng trong việc dự đoán hiệu
quả của hệ hấp phụ.
2.1.4 Đặc điểm của hấp phụ
a. Năng lượng hoạt hóa hấp phụ:
Hấp phụ hóa học diễn ra chậm và có năng lượng hoạt hóa khá lớn gần
bằng năng lượng hoạt hóa của phản ứng hóa học, phụ thuộc bởi khoảng cách
giữa các nguyên tử trong chất bị hấp phụ và các trung tâm trên bề mặt chất
rắn.
Hấp phụ vật lý diễn ra rất nhanh và có năng lượng hoạt hóa gần bằng 0.
b. Tính thuận nghịch của hấp phụ:
Hấp phụ vật lý bao giờ cũng là thuận nghịch, nói cách khác, quá trình ở
trạng thái cân bằng động, hấp phụ nhả hấp phụ.
Hấp phụ hóa học không phải bao giờ cũng là quá trình thuận nghịch.
Tùy theo đặc tính mối nối liên kết hóa học mà tính chất thuận nghịch ở quá
20
\
tình hấp phụ khác nhau. Có những quá trình hóa học khá bền vững, tạo thành
các hợp chất hóa học, ví dụ sự hấp phụ của oxy lên kim loại tạo thành oxit kim
loại, hoặc khi hấp phụ lên than cho ra CO, CO2.
2.1.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ
a. Ảnh hưởng của dung môi: Cấu tử nào có sức căng bề mặt nhỏ sẽ được ưu
tiên hấp phụ vì thế khi cho một dung dịch tiếp xúc với chất hấp phụ rắn, giữa
dung môi và chất phân tán thường có sự cạnh tranh trong quá trình hấp phụ
lên bề mặt vật rắn. Dung môi càng khó bị hấp phụ trên chất hấp phụ thì sự hấp
phụ chất tan càng dễ.
Dung môi càng hòa tan tốt chất bị hấp phụ thì sự hấp phụ chất tan ấy
càng kém. Ví dụ: khi hấp phụ chất béo diễn ra trên chất hấp phụ ưa nước (như
silicagen) từ môi trường dung môi kém phân cực (như benzen), đối với chất
béo A có phân tử lượng cao hơn sẽ tan tốt trong môi trường này hơn là chất
béo B có phân tử lượng thấp, lẽ ra sự hấp phụ A là nhiều hơn B nhưng thực tế
lại ít hơn.
b. Ảnh hưởng của tính chất chất hấp phụ: Bề mặt phân cực sẽ hấp phụ tốt chất
bị hấp phụ phân cực và ngược lại. Trạng thái vật lý và độ xốp của chất hấp
phụ cũng ảnh hưởng rất lớn đến khả năng hấp phụ. Ví dụ: các chất hấp phụ ở
trạng thái vô định hình hấp phụ các chất khí và chất lỏng tốt hơn các chất kết
tinh.
c. Ảnh hưởng của chất bị hấp phụ:
-
Quá trình hấp phụ diễn ra theo chiều hướng làm san bằng sự phân cực giữa
các pha, quy tắc này gọi là quy tắc cân bằng hóa độ phân cực, còn gọi là quy
tắc Rebinder.
Ví dụ chất C có thể bị hấp phụ lên bề mặt phân cách pha của A và B
nếu sự có mặt của C tại đó có thể loại trừ bớt sự khác biệt về độ phân cực của
21
\
hai pha kia; nói cách khác, sự hấp phụ sẽ xảy ra nếu độ phân cực của chất C
được đặc trưng bằng hằng số điện môi ε nằm giữa giá trị phân cực của A và B.
Điều kiện có sự hấp phụ C là: εA > εC > εB hay εA < εC < εB
Xu hướng làm giảm sức căng bề mặt bắt buộc các chất hoạt động bề
mặt có trong dung dịch phân bố có định hướng trên bề mặt: nhóm phân cực
hướng vào pha phân cực và ngược lại.
Hình 2.2 Ví dụ về sự định hướng của chất hoạt động bề mặt
trên bề mặt phân cách pha
-
Sự tăng khối lượng phân tử chất bị hấp phụ làm cho khả năng bị hấp phụ tăng
lên rõ rệt. Chính vì thế các chất alkaloid và chất màu bị hấp phụ rất mạnh, các
hợp chất thơm bị hấp phụ mạnh hơn các chất mạch thẳng. Tuy nhiên đối với
chất hấp phụ có lỗ xốp nhỏ, do hiệu ứng cản trở không gian, sẽ hấp phụ chậm
chất có mạch cacbon dài.
Ngoài ra, còn phải xét đến tương quan về tính hòa tan tốt hay kém với
dung môi vì những chất tan tốt trong môi trường phân tán của nó có thể là chất
kém bị hấp phụ.
d. Ảnh hưởng của thời gian, nhiệt độ và nồng độ :
-
Sự hấp phụ trong dung dịch xảy ra chậm hơn trong không khí vì chất tan trong
dung dịch khuếch tán chậm hơn. Việc giảm nồng độ trong lớp phân cách chỉ
22
\
được bù lại bằng khuếch tán, khuếch tán trong môi trường lỏng chậm hơn
trong môi trường khí. Để tăng nhanh việc thiết lập cân bằng hấp phụ thường
phải khuấy.Khi nhiệt độ tăng thì theo nhiệt động học sự hấp phụ trong dung
dịch sẽ giảm, tuy nhiên mức độ giảm ít hơn so với sự hấp phụ khí.Tuy nhiên
đối với chất hòa tan kém trong dung môi, nếu khi tăng nhiệt độ làm tăng độ
hòa tan của chất đó, thì sự hấp phụ sẽ tăng nhờ vào sự tăng nồng độ dung dịch.
Hiện tượng này có thể thấy được khi quan sát sự hấp phụ naptalin hòa tan
trong dung môi n-butan trên bề mặt hydroexin của silic.
2.1.6 Một số vật liệu hấp phụ thông dụng
Đặc tính và yêu cầu chung:Các chất hấp phụ thường được ở dạng: hạt
hình nhỏ, thanh, bùn, hoặc đá nguyên khối với hydrodynamic đường kính
khoảng 0.5 đến 10 mm. chúng phải chống mài mòn cao, ổn định với nhiệt và
đường kính lỗ nhỏ, giúp tăng diện tích bề mặt do đó tăng khả năng hấp phụ.
Các chất hấp phụ phải có cấu trúc lỗ xốp riêng biệt với nhau giúp cho chúng
có khả năng thoát khí nhanh.
a. Khả năng hấp phụ của đất
Ðất là một hệ thống đa phân tán phức tạp bao gồm các hạt có kích thước
khác nhau. Keo đất là những hạt rất ít tan trong nước, có đường kính rất nhỏ.Số
lượng keo trong đất rất khác nhau tuỳ theo loại đất, từ 1 – 2% (đất cát) đến 40 –
50% khối lượng đất (đất sét nặng). Ngay cả khi có hàm lượng rất nhỏ trong đất,
keo đất vẫnquyết định nhiều tính chất cơ bản của đất về mặt lý học, hoá học,
đặc biệt là đặc tính hấp phụ của đất. Keo đất có những đặc tính cơ bản sau:
Keo đất có tỷ diện lớn: Tỷ diện là tổng số diện tích bề mặt của một đơn
vị khối lượng (g) hoặc một đơn vị thể tích (cm3). Keo đất có kích thước càng
23
\
nhỏ thì tỷ diện càng cao, đất sét có tỷ diện lớn nhất rồi đến đất thịt và bé nhất là
đất cát.
Keo đất có năng lượng bề mặt :Phân tử trên bề mặt hạt keo chịu các lực
tác động xung quanh khác nhau vì nó tiếp xúc với thể lỏng hoặc thể khí bên
ngoài. Do các lực này không thể cân bằng lẫn nhau được, từ đó sinh ra năng
lượng tự do, sinh ra năng lượng bề mặt chỗ tiếp xúc giữa các hạt keo với môi
trường xung quanh. Thành phần cơ giới đất càng nặng thì tỷ diện càng lớn và
do đó năng lượng bề mặt càng lớn, khả năng hấp phụ vật chất càng cao.
Keo đất có mang điện :Tuỳ thuộc vào cấu trúc của hạt keo mà keo đất có
thể mang điện âm hoặc điện dương.Trong đất có keo âm, keo dương và keo
lưỡng tính.Phần lớn keo đất mang điện âm.
Keo đất có tác dụng ngưng tụ: Keo đất có thể tồn tại ở hai trạng thái khác
nhau: trạng thái keo tán (sol) và trạng thái keo tụ (gel). Khi những hạt keo phân
bố trong một thể tích nước thì chúng nằm cách xa nhau, đó là trạng thái sol (hay
hydrosol).Quá trình ngưng tụ là quá trình biến sol thành gel.Quá trình này chỉ
xảy ra khi keo bị trung hoà điện hoặc sức hút giữa chúng lớn hơn sức đẩy [4].
b. Silica gel:
Silica gel là hóa chất trơ, không độc, phân cực và được định hình ổn
định (< 400°C hoặc 750°F) từ SiO2 dạng vô định hình. Được hình thành bởi
phản ứng giữa sodium silicate và acetic acid, được xếp theo chuỗi sau các quá
trình như là ngưng kết, tẩy trôi,.... kết quả là hình thành vô số các lỗ xốp nhiều
kích cỡ.
Silica được sử dụng trong quá trình làm khô khí (ví dụ oxy, khí thiên
nhiên) và hấp phụ các hydrocarbon nặng (phân cực) từ khí gas thiên nhiên.
c. các loại Zeolite:
24
\
Zeolite là các tinh thể silica nhôm (aluminosilicates) tự nhiên hoặc nhân
tạo, các lỗ xốp sắp xếp liên tục và thoát nước ở nhiệt độ cao.Zeolites tự nhiên
là chất phân cực.
Chúng được sản xuất bằng phương pháp thủy nhiệt các Natri
aluminosilicate hoặc các nguồn silica khác trong nồi hấp sau đó trao đổi ion
với các cations khác (Na+, Li+, Ca2+, K+, NH4+). Đường kính lỗ xốp của zeolite
thường khoảng từ 2 đến 9 Å (200 đến 900 pm).Quá trình trao đổi ion sau đó
làm khô các tinh thể,có thể pellet hóa với chất gây dính.
Zeolites được sử dụng trong quá trình làm khô khí, loại CO 2 khỏi khí
thiên nhiên, loại khí CO khỏi gas tinh lọc, tách khí, xúc tác phản ứng cracking.
d. Than hoạt tính
Than hoạt tính (Carbon hoạt tính) là sự lựa chọn lý tưởng cho mục
đích hấp phụ, bởi nó có một diện tích bề mặt rất lớn (từ 500 đến 1500
m2/g). Than hoạt tính thường ở hai dạng, dạng bột (PAC) và dạng hạt
(GAC).Dạng than hạt thường được sử dụng nhiều trong xử lý nước.Một số
ứng dụng của than hoạt tính trong lĩnh vực nước:Làm sạch nước ngầm, khử
Clo trong nước cấp, xử lý nước thải
2.2 Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu
2.2.1 Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu tính chất hấp phụ của tro bay và than hoạt tính thương
phẩm trên tihj trường trong xử lý nước thải ngành công nghiệp dệt nhuộm, từ
đó so sánh khả năng hấp phụ của 2 loại và chọn loại sản phẩm có khả năng sử
dụng cao trên thực tế.
2.2.2 Đối tượng nghiên cứu
Nước thải từ các xí nghiệp dệt nhuộm rất phức tạp, nó bao gồm các chất
hữu cơ, các chất màu và các chất độc hại với môi trường mà hướng giải quyết
25
\
đang gặp rất nhiều khó khăn. Dựa trên những hiểu biết về các công đoạn sản
xuất và thành phần các chất thải trong ngành công nghiệp dệt nhuộm để lấy
mẫu nước thải, đo đạc và phân tích các thông số, xử lý số liệu và thực nghiệm
bằng phương pháp sử dụng tro bay làm vật liệu hấp phụ tìm ra hướng xử lý
hiệu quả cho chất thải ngành này.
2.3 Phương pháp nghiên cứu
2.3.1 Phương pháp tổng hợp, phân tích thông tin, số liệu
Phương pháp này thu thập thông tin, số liệu qua các giáo trình nghiên
cứu, tài liệu tổng hợp, báo cáo khoa học trong nước cũng như nước ngoài về
tro bay, đặc điểm nước thải ngành dệt nhuộm để đưa ra những khái niệm, lý
thuyết làm cơ sở lí luận cho đề tài, hình thành giả thuyết khoa học, phương
hướng nghiên cứu.
2.3.2 Phương pháp thực nghiệm phân tích
Phương pháp này là lấy mẫu nước thải ngành dệt nhuộm và thực hiện phân
tích trong phòng thí nghiệm kỹ thuật môi trường của trường đại học Thủy Lợi.
2.3.3 Phương pháp liệt kê, so sánh – đối chiếu, xử lý số liệu
Từ những số liệu đã đo đạc COD và độ màu trong phòng thí nghiệm,
chúng tôi tiến hành thống kê, xử lý số liệu, lập bảng biểu theo hệ thống để so
sánh hiệu quả hấp phụ của tro bay và than hoạt tính.
2.3.4 Phương pháp thu mẫu hiện trường
Phương pháp này thực hiện thu mẫu trực tiếp, bao gồm lấy nước thải
dệt nhuộm và lấy mẫu tro bay. Nước thải được lấy trực tiếp tại nhà máy, bảo
quản trong can và đưa về phòng thí nghiệm. Tro bay được lấy tại nhà máy
nhiệt điện để sử dụng làm nguyên liệu cho quá trình hấp phụ.
2.4 Chuẩn bị quy trình thực nghiệm
2.4.1 Thu thập mẫu
