ỨNG DỤNG của hấp PHỤ TRONG xử lý nước

Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
VOC: Hợp chất hữu cơ dễ bay hơi.
THMs:Trihalomethanes.
GAC: Than hoạt tính dạng hạt.
PAC:Than hoạt tính dạng bột.
AC: Bộ lọc than hoạt tính.
LMW: Các hợp chất có trọng lượng phân tử thấp.
DOC: Các chất ô nhiễm hữu cơ đa lượng.
AOC: Carbon hữu cơ đồng hóa.
UV: Tia tử ngoại.

1


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

DANH MỤC BẢNG BIỂU, HÌNH ẢNH.
A.Bảng Biểu
Bảng 1.
Đặc điểm của vật liệu hấp phụ thương mại.
Bảng 2.
So sánh giữa hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học.
Bảng 3.
Bảng 4.
Bảng 5.
B.Hình Ảnh
Hình 1

Hình 2
Hình 3
Hình 4.
Hình 5.
Hình 6.
Hình 7.
Hình 8.
Hình 9.

Hằng số K và n cho một số chất đã biết.

22

Lượng hơi tiêu hao khi tái sinh than hoạt tính.

31

Ứng dụng của một số chất hấp phụ.

Cấu trúc mở của carbon hoạt tính.
Mặt cắt ngang và dọc của một bể lọc carbon.
Vị trí của bộ lọc than hoạt tính trong qui trình xử lý nước
đóng chai.
Cơ chế hấp phụ trên bề mặt.

Hình 11.

Quá trình hấp phụ và giải hấp phụ.
Sơ đồ đại diện của bể lọc than hoạt tính.
Tiến độ của nồng độ theo thời gian và chiều cao.

Đường cong xuyên thấu.
Mối liên hệ giữa thời gian tiếp xúc và thời gian chạy bể
lọc.
Các vấn đề liên quan đến các chất hấp
phụ chi tiêu và lợi ích tái sinh.
Tiêu thụ vật liệu hấp phụ trên thế giới.

Hình 12.
Hình 13.

Bộ lọc than hoạt tính.
Than hoạt tính trong xử lý nước.

Hình 10.

Trang
12
16

33
8
9
10
13
14
20
25
25
26
28

32
36
39
2


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

Hình 14.
Hình 15.
Hình 16.
Hình 17.
Hình 18.
Hình 19.
Hình 20.
Hình 21.
Hình 22.
Hình 23.
Hình 24.
Hình 25.

Sơ đồ khối của quá trình.
Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt.
Sơ đồ khối của quá trình hấp phụ nhiều bậc xuôi dòng.
Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt với nhiều bậc xuôi dòng.
Sơ đồ khối hấp phụ 3 bậc ngược dòng.
Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt với nhiều bậc ngược dòng.
Đường cong xuyên thấu đo được trong thực tiển.
Sự giải hấp phụ sau khi khử clo vận chuyễn.
Cấu tạo của bể lọc lớp di chuyển.

Đường cong xuyên thấu cho bể lọc carbon hoạt tính có
lớp di chuyển.
Bể lọc áp lực bằng thép với carbon hoạt tính.
Sự ảnh hưởng của tiền ozone hóa trong thời gian tiếp
xúc yêu cầu.

39
42
43
44
45
46
46
48
48
49
50
51

3


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

CHƯƠNG 1. KẾ HOẠCH THỰC HIỆN
I

GIỚI THIỆU
Xử lý nước thải và nước cấp có tầm quan trọng rất lớn không chỉ đối với
môi trường tự nhiên mà còn đối với sức khỏe con người. Mức sống người

dân ngày một tăng đồi hỏi chất lượng nước được xử lý cũng tăng theo.
Đặc biệt là từ khi có các luật , quy định về chất lượng nước thải. Các doanh
nghiệp, xưởng công nghiệp cũng đã đầu tư các hệ thống xử lý nước thải
đạt tiêu chuẩn theo quy định.
Hấp phụ, trong hóa học là quá trình xảy ra khi một chất khí hay chất lỏng
bị hút trên bề mặt một chất rắn xốp. Chất khí, hơi hay chất hòa tan được
gọi là chất bị hấp phụ (adsorbate), chất rắn xốp dùng để hút khí, hơi hay
chất hòa tan gọi là chất hấp phụ (adsorbent) và những khí không bị hấp
phụ gọi là khí trơ. Quá trình ngược lại của hấp phụ gọi là quá trình giải
hấp phụ hay nhả hấp phụ..
Các chất hấp phụ như là than hoạt tính , zeolite, silicagel … được sử dụng
nhiều trong các công nghệ xử lý nước cấp và nước thải. Giai đoạn lọc
thường là giai đoạn ứng dụng hấp phụ để lọc đi các tạp chất , chất bẩn ,
chất ô nhiểm sau khi nước đã được xử lý cấp một và cấp hai. Hấp phụ
không chỉ được ứng dụng trong các công trình xử lý nước cho thành phố
hay công ty xí nghiệp mà còn được sử dụng cho lọc nước trong nhà dân
như vòi lọc , bình lọc.
Thông qua chuyên đề “ Ứng dụng của hấp phụ trong xử lý nước” , chúng
tôi sẻ giới thiệu về cơ chế hấp phụ cũng như là ứng dụng của hấp phụ
trong xử lý nước cấp và nước thải , đánh giá hiệu quả của hấp phụ trong
xử lý nước. Chuyên để này được thực hiện qua việc tổng hợp các tài liệu
trong nước cũng như là tài liệu quốc tế.
4


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

MỤC TIÊU

I.

Mục tiêu chính của đề tài là giới thiệu về quá trình hấp phụ, và ứng dụng của quá
trình hấp phụ vào xử lý nước thải cũng như nước cấp.

PHẠM VI, ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

II.

Đối tượng nghiên cứu: Quá trình hấp phụ và những ứng dụng của hấp phụ
trong xử lý nước thải cũng như nước cấp.
Phạm vi nghiên cứu : Những vấn đề có liên quan tới quá trình hấp phụ và
những ứng dụng của hấp phụ trong xử lý nước thải cũng như nước cấp. Có thể
mở rộng ra các bài báo, tạp chí quốc tế đã được công bố có liên quan đến đề tài.

NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

III.

Phương pháp nghiên cứu: sử dụng nhiều bài báo, tạp chí nước ngoài đã được
công bố, có chọn lọc những thông tin hay, mới, hiệu quả để xây dựng chuyên đề.
Ngoài ra, tham khảo ý kiến giảng viên để hỗ trợ kiến thức trong quá trình thực
hiện.
Nội dung nghiên cứu: Để hoàn thành chuyên đề, chúng tôi phải thực hiện các
bước.
-

Dịch tài liệu tham khảo chính, đọc hiểu nội dung chính.

-

Hình thành ý tưởng dàn bài, cân nhắc các nội dụng cần thiết cho chuyên
đề

-

Tìm kiếm các bài báo nước ngoài (trong nước) đã được công bố có liên
quan. Sàng lọc các thông tin phù hợp và có tính mới lạ.

-

Tham khảo tài liệu tiếng Việt và giảng viên để nắm chắc thông tin.

-

Chỉnh sửa bài làm.

5


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN
2.1

Giới Thiệu

Nước chứa những chất hữu cơ hòa tan không thể bị loại bỏ bằng tạo bông cặn hay lọc
cát. Các hợp chất hữu cơ hòa tan này bao gồm :
-

Các hợp chất tạo mùi, vị , màu.
Các chất ô nhiễm ( thuốc bảo vệ thực vật, hợp chất hydrocarbon).

Carbon hoạt tính hấp phụ ( 1 phần ) chất hữu cơ và chủ yếu được sử dụng xử lý nước
uống từ nước mặt.
Trong quá khứ, nước uống sản xuất từ nước mặt phải đi qua các bước : kết bông, loại
bỏ bông cặn ( lắng và lọc ) và khử trùng với chlorine.
Điều này đủ để đáp ứng yêu cầu nước uống cho độ đục , mùi , vị…
Do sự phát hiện thuốc bảo vệ thực vật trong nước uống dẫn đến việc xử lý nước truyền
thống không còn đáp ứng tiêu chuẩn nữa. Ngoài ra chlorine có thể tác dụng với các
chất hữu cơ và hình thành THMs là chất độc.
Các chất độc này có thể bị loại bỏ bởi carbon hoạt tính. Vấn đề là các carbon hoạt tính
liên tục bị bão hòa bởi THMs và cần được tái sinh thường xuyên.
Tốt nhất là nên ngăn chặn sự hình thành THMs bằng cách giảm nồng độ chất hữu cơ
trước khi cho chlorine vào.
Carbon hoạt tính là một chất có nồng độ carbon cao.
6


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

Dưới nhiệt độ cao, một phần carbon trong vật liệu này chuyển hóa thành CO và nước.
Đó là lý do tại sao carbon có cấu trúc mở.

Lỗ lớn (> 25nm) , lỗ nhỏ (1- 25nm), vi lỗ (<1nm)

Hình 1.Cấu trúc mở của carbon hoạt tính.
Bề mặt phía trong của carbon hoạt tính lớn gấp nhiều lần so với bề mặt bên ngoài. Vì
vậy phần lớn chất bị hấp phụ ở phía trong carbon.
Các chất hữu cơ hòa tan có thể bị loại bỏ bằng cách cho lọc qua các lớp carbon hoạt

tính.
Các chất hữu cơ chuyển từ pha lỏng sang bề mặt của carbon. Các hợp chất hữu cơ
được vận chuyển sâu hơn vào carbon để gắn vào các lỗ rổng.
Sự hấp phụ chất hữu cơ không phải là vô hạn. Có sự cân bằng giữa nồng độ các hợp
chất hòa tan trong nước và lượng của chất bị hấp phụ vào carbon. Khi có các hợp chất
hữu cơ khác nhau hiện diện trong nước, sự cạnh tranh xảy ra. Các hợp chất đã được
hấp phụ tốt sẽ chiếm các vị trí hấp phụ mà không thể sử dụng bởi các chất bị hấp phụ
7


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

kém hơn. Các phân tử hữu cơ lớn có thể chặn các lỗ nhỏ, từ đó chặn các phân tử hữu
cơ nhỏ hơn đi vào các lỗ rổng nhỏ này.
Sau một khoảng thời gian thì carbon hoạt tính bị bảo hòa với các chất hữu cơ bị hấp
phụ và cần được làm sạch ( tái sinh ) bằng cách tháo lớp carbon khỏi chổ đặt và nung
nóng nó đến 1000oC. Tái sinh thường được thực hiện sau nhiều lần sử dụng.
Lọc carbon hoạt tính vận hành như là lọc cát. Chủ yếu là dòng chảy xuống. Lọc mở
được áp dụng để tránh các hạt carbon mịn bị rửa trôi đi.
Vì thới gian tiếp xúc là yếu tố quan trọng để quyết định hiệu quả loại bỏ, bể lọc thường
được thiết kế với lớp lọc dầy để giảm diện tích xây dựng. Vì vậy , lọc carbon hoạt tính
không thể hoạt động nhờ trọng lực được mà cần phải có thêm công đoạn bơm.
Mặt cắt A-A

Hình 2.Mặt cắt ngang và dọc của một bể lọc carbon.
Khi bể lọc bị chặn bởi các chất lơ lửng hay các sinh khối có độ chống chịu cao, bể lọc
cần được rửa lọc.
Nước rửa lọc được thu bằng hệ thống ống phía trên bể lọc.
Tắc nghẽn bởi chất lơ lửng có thể dẫn đến việc tái sinh thường xuyên hơn. Vì thế lọc
carbon hoạt tính thường đặt sau tạo bông , loại bông cặn và lọc bằng cát.

8


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

Hình 3. Vị trí của bộ lọc than hoạt tính trong qui trình xử lý nước đóng chai.
2.2 Vật liệu hấp phụ:
-

Than hoạt tính - một loại vật liệu giống như than với diện tích bề mặt cao.
Silica gel - cứng, dạng hạt, vật liệu xốp được làm kết tủa từ natri silicat được xử
lý bằng acid.
Nhôm hoạt tính - nhôm oxit hoạt tính ở nhiệt độ cao và sử dụng chủ yếu cho hấp
phụ độ ẩm.
Alumin silicat (rây phân tử) - zeolit tổng hợp xốp sử dụng chủ yếu trong các quá
trình tách.

Than hoạt tính đến nay là hấp phụ phổ biến nhất được sử dụng trong xử lý nước thải.
Than hoạt tính (Activated Carbon): 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 lọc nước qua hai quá trình song song:
- Lọc cơ học, giữ lại các hạt cặn bằng những lỗ nhỏ.
- Hấp phụ các tạp chất hòa tan trong nước bằng cơ chế hấp phụ bề mặt hoặc trao
đổi ion.
Than hoạt tính là một chất liệu xốp, có rất nhiều lỗ lớn nhỏ. Dưới kính hiển vi điện tử,
một hạt than trông giống như một tổ kiến. Vì thế, diện tích tiếp xúc bề mặt của nó rất
9

Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

rộng để hấp thụ tạp chất. (Tùy theo nguyên liệu gốc, tổng diện tích bề mặt của ½ kg
than hoạt tính còn rộng hơn cả một sân bóng đá)
 Sản xuất than hoạt tính.
Nguyên liệu: than củi, vỏ đâu, vỏ dừa,…
Những nguyên liệu này được nung nóng từ từ trong môi trường chân không, sau đó
được hoạt tính hóa bằng các khí có tính oxi hóa ở nhiệt độ cực cao. Quá trình này tạo
nên những lỗ nhỏ li ti có tác dụng hấp thụ và giữ các tạp chất.
 Cấu trúc lỗ rỗng trong than hoạt tính.
- Lỗ rỗng trong than hoạt tính có đường kính thường dao động từ 10 đến 10.000
-

Å.
Lỗ rỗng có đường kính không nhỏ hơn 1000 Å được gọi là lỗ rỗng lớn.
Lỗ rỗng có đường kính nhỏ hơn 1.000 Å được gọi là vi lỗ.
Vi lỗ chịu trách nhiệm chính cho các đặc tính hấp phụ của than hoạt tính.
Diện tích bề mặt đặc trưng trong than hoạt tính khoảng 500-1.500 m2 / g
carbon.

 Kích thước của các hạt than hoạt tính.
- Than hoạt tính được sản xuất trong các kích cỡ hạt đến vài µm.
- Tổng diện tích bề mặt sẵn để hấp phụ không bị ảnh hưởng đáng kể bởi kích

-

-

-

-

thước hạt từ cấu trúc vi lỗ chịu trách nhiệm hấp thụ không thay đổi đáng kể với
kích thước hạt.
Điều này có nghĩa rằng tổng khả năng hấp thụ của các hạt nhỏ và lớn không
phải là quá khác nhau mặc dù thời gian để đạt được trạng thái cân bằng có thể
thay đổi đáng kể do hiệu ứng khuếch tán.
Carbon có kích thước hạt lớn (từ1 mm trở lên) được gọi là "hạt". Vật liệu này có
thể được đóng gói trong các cột thông qua đó một chất lỏng có thể được thông
qua, và có thể được tái sinh sau khi sử dụng.
Carbon có kích thước hạt nhỏ hơn (vài chục µm) được gọi là “bột”. Vật liệu này
chỉ có thể được sử dụng bằng cách bổ sung trực tiếp chất lỏng và phải được loại
bỏ sau khi sử dụng (ví dụ, bằng cách lọc) và xử lý.
Dạng khối đặc (Extruded Solid Block –SB) là loại hiệu quả nhất để lọc cặn,
khuẩn Coliform, chì, độc tố, khử mầu và khử mùi clorine. Loại này được làm từ
nguyên một thỏi than, được ép định dạng dưới áp xuất tới 800 tấn nên rất chắc
chắn.
Bảng 1. Đặc điểm của vật liệu hấp phụ thương mại.
10


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

Độ cao cột chứa

3- 9m(10- 30ft)

Kích thước hạt
Tải thủy lực

8- 40mesh
1.4- 6.8L/m2s(2-10gpm/ft2)

Thời gian lưu

10- 60phút( điển hình20-30phút )

Các yêu cầu carbon điễn
hình:
- Tiền xử lý
- Xử lý cấp ba
Áp suất hoạt động

(trong g carbon / m3 nước thải)
60 – 200/25 - 50

<20KPa/mcủa lớp

CHƯƠNG 3. CƠ CHẾ HẤP PHỤ

11


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

3.1 Cơ sở khoa học của quá trình hấp phụ
Hấp phụ là hiện tượng tăng bề mặt chất tan trên bề mặt phân chia giữa hai pha. Hấp
phụ có thể diễn ra ở bề mặt biên giới giữa hai pha lỏng và khí, giữa pha lỏng và rắn.
Trong công nghệ xử lý nước thải khi nói về phương pháp hấp phụ tức là nói về hấp phụ
chất bẩn hòa tan ở bề mặt biên giới giữa pha lỏng và rắn.

Khi xử lý nước bằng hấp phụ chất bẩn trong nước chịu tác dụng của 2 lực:
-

Lực tác dụng qua lại của các phân tử chất tan với các phân tử chất lỏng
Lực tác dụng qua lại của các phân tử chất tan với các phân tử của vật liệu hấp
phụ

Sự hấp phụ xảy ra khi các lực hấp dẫn tại bề mặt carbon vượt qua lực hút của chất
lỏng.Động lực cho hấp phụ là giảm bề (bề mặt) căng giữa chất lỏng và chất rắn hấp
phụ là kết quả của sự hấp thụ của chất bị hấp phụ trên bề mặt của chất rắn.
Trong quá trình hấp phụ, hai chất có liên quan. Một là chất rắn hay chất lỏng mà hấp
phụ xảy ra và nó được gọi là vật liệu hấp phụ. Thứ hai là chất bị hấp phụ, đó là khí
hoặc chất lỏng hoặc chất tan từ một giải pháp mà được hấp thụ trên bề mặt.
Sự khuếch tán giữa các
hạt

Khối chất
lỏng

Màn truyền khối
ngoài giữa các hạt

Hấp phụ
Lỗ

Hạt carbon

Hình 4. Cơ chế hấp phụ trên bề mặt.

12

Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

Vật liệu hấp phụ: Các chất trên có bề mặt hấp phụ xảy ra được gọi là vật liệu hấp phụ.
Chất hấp phụ (adsorbent) : Các chất có phân tử được hấp thụ trên bề mặt của các vật
liệu hấp phụ (tức là rắn, lỏng).
Sự hấp phụ là khác so với hấp thụ. Trong hấp thụ, các phân tử của một chất được
khuếch tán phân bố đều trong phần lớn các khác, trong khi các phân tử hấp phụ của
một chất có mặt ở nồng độ cao hơn trên bề mặt của các chất khác, bị hút trên bề mặt
một chất rắn xốp.
Hấp phụ

Chất bị hấp phụ + Vật liệu hấp phụ

Hấp phụ
Giải hấp phụ

A

+

B

AB

13


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

Hấp phụ của phân
tử phản ứng

Phân tử
phản ứng
Chất hấp phụ

Hấp phụ của phân
tử phản ứng

Giải hấp phụ của
những phân tử
Phân tử được tách
Chất hấp phụ

Lớp trung gian

Hình 5. Quá trình hấp phụ và giải hấp phụ.

Các ví dụ bao gồm:
-

Khí-rắn (như trong sự hấp thụ của một VOC trên than hoạt tính);

-

Lỏng-rắn(như trong sự hấp thụ của một chất gây ô nhiễm hữu cơ trên than hoạt
tính).

-

Chất bị hấp phụ hoặc chất tan: chất bị hấp phụ (ví dụ, 2,4,6-trichlorophenol).

14


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

-

Chất hấp phụ: vật liệu rắn được sử dụng để hấp phụ các chất cần hấp phụ (ví dụ,
than hoạt tính).

Tùy thuộc vào bản chất của lực tương tác giữa các phân tử bị hấp phụ và chất hấp phụ,
hấp phụ có thể được phân thành hai loại:

 Hấp phụ vật lý (physisorption):

Nếu lực hấp dẫn hiện tại giữa chất bị hấp phụ và vật liệu hấp phụ là lực lượng Vander
Waal, sự hấp phụ được gọi là hấp phụ vật lý. Nó còn được gọi là hấp phụ Vander
Waal. Trong hấp phụ vật lý lực hấp dẫn giữa chất bị hấp phụ và vật liệu hấp phụ rất
yếu, do đó loại hình này có thể dễ dàng đảo ngược hấp phụ.

Trong bất kỳ quá trình hấp phụ của chất được hấp phụ (ví dụ, một chất gây ô nhiễm)
chỉ đơn giản nhưng hiệu quả loại bỏ từ một pha (ví dụ, pha lỏng-nước thải) và chuyển
sang một pha khác (ví dụ, pha rắn-than hoạt tính).
Điều này có nghĩa rằng hấp phụ là một quá trình tách vật lý, trong đó các chất bị hấp
phụ không thay đổi về mặt hóa học.

 Vì tính chất hoá học của chất bị hấp phụ không thay đổi nên việc sử dụng hấp

phụ trong xử lý nước thải có liên quan đến việc loại bỏ các chất độc hại từ nước
thải và chuyển nó cho than hoạt tính.

Điều này có nghĩa rằng than hoạt tính bây giờ chứa các chất độc hại. Vì vậy, hành động
thích hợp sau đó phải được thực hiện để xử lý than hoạt tính dành vào cuối của một
chu kỳ. Các carbon có thể là:
15


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

-

Tái sinh (tức là, các chất độc hại có thể được loại bỏ thông qua tẩy rữa).

-

Vứt bỏ (cùng với các chất ô nhiễm trong nó) trong một bãi rác.

-

Phá hủy (cùng với các chất ô nhiễm trong nó) trong lò đốt.

 Hấp phụ hóa học (chemisorption):

Trong trường hợp giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ tạo ra một liên kết hóa học thì
hiện tượng này được gọi là hấp phụ hóa học. Nó còn được gọi là hấp phụ
Langmuir. Trong hấp phụ hóa học các lực hấp dẫn rất mạnh, do đó khả năng hấp phụ

không thể dễ dàng đảo ngược.

Bảng 2.So sánh giữa hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học.

1.

hấp phụ vật lý

hấp phụ hóa học

Nhiệt độ hấp phụ thấp thường trong
khoảng 20-40 kJ mol -1

Nhiệt độ hấp thụ cao trong
khoảng 40-400 kJ mol -1

Lực hấp dẫn là lực Vander Waal

2.
3.

Nó thường xảy ra ở nhiệt độ thấp và
giảm dần theo nhiệt độ tăng

Lực có bản chất hóa học
Nó diễn ra ở nhiệt độ cao

4.

Là quá trình thuận nghịch

Là quá trình không thuận nghịch

6.

Nó không rỏ ràng

Nó là rất cụ thể

7.

Tạo thành lớp đa phân tử

Tạo thành lớp đơn phân tử

8.

Không đòi hỏi bất kỳ năng lượng kích
hoạt
 Các yếu tố ảnh hưởng đến hấp phụ.

Đòi hỏi năng lượng hoạt hóa

Các yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ là:
-

Diện tích bề mặt của vật liệu hấp phụ :diện tích lớn bao hàm một khả năng hấp
phụ cao hơn.
16

Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục
-

-

-

-

-

-

-

Kích thước hạt của vật liệu hấp phụ: kích thước hạt nhỏ hơn làm giảm sự
khuếch tán nội bộ và truyền khối hạn chế để sự xâm nhập của các chất bị hấp
phụ bên trong vật liệu hấp phụ (ví dụ, trạng thái cân bằng được dễ dàng đạt
được và khả năng hấp thụ gần như đầy đủ có thể đạt được). Ngoài ra bột vật liệu
hấp phụ phải được tuân thủ bằng cách loại bỏ.
Thời gian tiếp xúc và thời gian lưu:thời gian càng lâu hiệu quả càng cao tuy
nhiên các thiết bị sẽ lớn hơn.
Độ tan của chất tan ( chất bị hấp phụ) trong chất lỏng (nước thải): chất ít tan
trong nước sẽ được dễ dàng tách ra khỏi nước hơn so với các chất có khả năng
hòa tan cao. Ngoài ra, các chất không phân cực sẽ được loại bỏ dễ dàng hơn
chất phân cực kể từ sau có ái lực lớn hơn cho nước.
Tính chất hóa học của chất bị hấp phụ:
+ Các chất kị nước sẽ hấp phụ tốt hơn sơ với những chất ưa nước, các chất
không phân ly bị hấp phụ như nhau với bất kỳ giá trị nào của pH trong môi

trường.
+ Nói chung đa số các chất bẩn khi hấp phụ có thể xác định được giá trị pH tối
ưu.
+ Nếu không tạo được điều kiện tối ưu cho từng loại chất hữu cơ phân ly trong
nước thì sẽ tốn nhiều lượng vật liệu hấp phụ mà hiệu quả sẽ không đạt được như
mong muốn.
Mối quan hệ của các chất tan trong vật liệu hấp phụ (carbon): bề mặt của than
hoạt tính chỉ là hơi phân cực. Do đó các chất không phân cực sẽdễ dàng chọn
carbon hơn so với những chất phân cực (nước phân cực).
Số lượng của các nguyên tử carbon: đối lượng lớn các nguyên tử cacbon liên kết
với độ phân cực thấp và đó một tiềm năng lớn để được hấp phụ (ví dụ, mức độ
hấp thụ tăng trong chuỗi formic, axit propionic acetic-butyric).
Kích thước của các phân tử liên quan đến kích thước của các lỗ rỗng: các phân
tử lớn có thể quá lớn để vào lỗ rỗng. Điều này có thể làm khả năng giảm hấp
phụ.
Mức độ ion hóa của phân tử chất bị hấp phụ: các phân tử bị ion hóa được hấp
thụ ở một mức độ nhỏ hơn so với các phân tử trung tính.
pH: mức độ ion hóa bị ảnh hưởng bơi pH (các hợp chất có tính axit là loại bỏ tốt
hơn ở pH thấp hơn.)
Đối với tích hợp hấp phụ và quá trình lọc: than hoạt tính chỉ có tác dụng với một
lượng nước nhất định. Sau khi lọc được một khối lượng nước theo chỉ định của
nhà sản xuất (chỉ những hãng uy tín mới chỉ định theo tiêu chí này), than sẽ
không còn khả năng hấp thụ nữa.
17


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

3.2 Sự cân bằng hấp phụ.

Sau khi tiếp xúc với một số lượng than hoạt tính với nước thải có chứa các chất có khả
năng được hấp phụ thì quá trình hấp phụ sẽ được diễn ra.
Sự hấp phụ sẽ tiếp tục cho đến khi cân bằng được thiết lập.
Khisố 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 hòa tan trong
dung dịch sẽ là một đại lượng không đổi và được gọi là nồng độ cân bằng (C s).
Các trạng thái cân bằng hấp phụ liên quan đến q, C .Các trạng thái cân bằng là một
hàm nhiệt độ. Vì vậy, mối quan hệ cân bằng hấp phụ ở nhiệt độ thường được gọi là hấp
phụ đẳng nhiệt, tức là:
q = f (C)
q = Tải lượng hấp phụ, khối lượng của chất bị hấp phụ trên khối lượng của vật liệu hấp
phụ tức là khả năng hấp phụ của vật liệu.
C = nồng độ cân bằng của các chất có thể bị hấp phụ (nồng độ của chất bị hấp phụ).
Xác định thực nghiệm của sự hấp phụ tại điểm cân bằng.
Để xác định mối quan hệ giữa nồng độ của chất bị hấp phụ trong dung dịch (C) và
lượng chất hấp phụ đã được hấp phụ trên một đơn vị khối lượng của vật liệu hấp phụ
(q) người ta có thể tiến hành như sau:
-

Dùng một lọ có chứa chất hấp phụ và vật liệu hấp phụ.
Đủ thời gian để đạt tới trạng thái cân bằng.
Dung dịch được lấy mẫu và cho phân tích chất bị hấp phụ.

Cân bằng khối lượng cho chất bị hấp phụ là:
V (Co - C) = M(q - qo )
Từ đó mối quan hệ giữa giá trị của C và giá trị cân bằng tương ứng của q có thể được
thiết lập.
18

Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

Co : nồng độ chất bị hấp phụ ban đầu trong dung dịch (mg / L)
C : nồng độ cân bằng, nồng độ cuối của chất bị hấp phụ (mg / L)
qo : lượng ban đầu của chất bị hấp phụ trên một đơn vị khối lượng của vật liệu hấp phụ
(mg /g carbon)
q : lượng sau của chất bị hấp phụ trên một đơn vị khối lượng của vật liệu hấp phụ
(mg /g carbon)
M : khối lượng của vật liệu carbon (g)
V : lượng nước thải
q0 = 0 => q= V( C0 – C)/M
Lưu ý rằng kết quả thí nghiệm này chỉ trong một điểm cân bằng (C; q). Nếu một đường
cong cân bằng được yêu cầu thí nghiệm tương tự phải được lặp đi lặp lại với nồng độ
ban đầu khác nhau và, hoặc bổ sung khác nhau của bột carbon để tạo ra điểm khác cân
bằng C-q.
Cân bằng khối.
Trong hình 5 bể lọc carbon hoạt tính được biểu đồ hóa như là hình khối lập phương,
với :
Q : lưu lượng dòng chảy (m3/h)
B : độ rộng của bể lọc (m)
L : độ dài bể lọc (m)
dy : độ cao của bể lọc (m)
c : nồng độ của hợp chất hửu cơ (g/m3)

19


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

Hình 6.Sơ đồ đại diện của bể lọc than hoạt tính.

Một hợp chất hữu cơ với nồng độ c0 đi vào hệ thống với lưu lượng dòng chảy Q và
thoát ra khỏi hệ thống với một nồng độ c1. Sự khác nhau trong nồng độ giữa dòng chảy
vào và chảy ra là bị hấp phụ trên carbon hoạt tính và lượng tải tăng của carbon.
Công thức liên tiếp hay cân bằng khối là :
dq/dt =với :
v : tốc độ lọc = Q/BL (m/h)
q :tải lượng (g/g)
ρ: tỉ trọng của carbon (g/m3)
3.3 Cân bằng đẳng nhiệt Freundlich.

Để đánh giá khả năng hấp phụ của một hệ hấp phụ, đặc biệt là hấp phụ trong môi
trường nước, người ta thường áp dụng phương trình đẳng nhiệt Freundlich
Với các giả thuyết :
-

Bề mặtđồng nhất về năng lượng.
Cácchấtbị hấp phụ hình thành một lớp đơn phân tử.
Sự hấp phụ là thuận nghịch, có đạt đượccân bằng hấp phụ.
Tươngtácgiữacácphân tử bị hấp phụ có thể bỏ qua.
20


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

Lượng tải tối đa ( q) dựa trên nồng độ chất bị hấp phụ trong chất lỏng thô ( nước thô ).
Nồng độ càng cao, lượng tải càng cao.
Mối tương quan giữa tải lượng và nồng độ chất bị hấp phụ trong chất lỏng gọi là hấp
phụ đẳng nhiệt.
Công thức Freudlich được biết đến nhiều nhất :
q = X/M = K.Cn

Với : q : tải lượng hấp phụ, g (chất bị hấp phụ)/ Kg (vật liệu hấp phụ)
C : nồng độ cân bằng (g/m3)
X : lượng chất bị hấp phụ (g)
M : khối lượng chất hấp phụ (carbon hoạt tính) (kg)
K , n : hằng số Freundlich
Hằng số Freundlich K và n bị chi phối bởi nhiệt độ, pH, loại carbon và nồng độ các
hợp chất hữu cơ khác.
Dùng các thí nghiệm ở phòng thí nghiệm, các hằng số Freundlich có thể được xác định
cho một chất với một loại carbon nhất định.
Gía trị K càng lớn thì hấp phụ càng tốt.
Từ công thức cấu trúc của chất , khả năng hấp phụ có thể được phân chia. Nói chung,
chất không phân cực bị hấp phụ tốt hơn chất phân cực. Chất có có liên kết đôi bị hấp
phụ tốt hơn chất có liên kết đơn.

Bảng 3. Hằng số K và n cho một số chất đã biết.
21


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

Hợp chất
alkanes
CH3Cl
CH3Cl2
CH3Br
CHCl3
CHBr3
CH2Cl-CH2Cl
CH2Br-CH2Br
CH2Cl-CHCl-CH3

CH2Br-CHBr-CH2Cl
alkenes
CCl2-CHCl
CCl2-CCl2
pesticdes-organochlorides
Dieldrin
Lindane (HCH)
Heptachlor
Alachlor
pesticidesorgantitrogenes
Atrazine
Simazine
pesticides-fenolderivates
Dinoseb
PCP
Pesticidesfenoxycarbonicacid
2,4 D
2,4,5 TP
aromates
C6H6
C6H5Cl
CH5CH3
C6H5NO2
C6H5COOH
C6H5OH

K

N (- )

6.2
12.7
44.4
95.5
929
129
888
313
6910

0.80
12.7
0.81
0.67
0.66
0.53
0.47
0.59
0.60

2000
4050

0.48
0.52

17884
15000
16196
81700

0.51
0.43
0.92
0.26

38700
31300

0.29
0.23

30400
42600

0.28
0.34

10442
15392

0.27
0.38

1260
9170
5010
3488
2802
503

0.53
0.35
0.43
0.43
0.42
0.54

3.4 Động năng hấp phụ.

Công thức động năng ( công thức của chuyển động ) của lọc carbon hoạt tính là như
sau :
22


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

dc/dt= -u.dc/dy – k2.(c0-cs)
với :
k2 : hệ số truyền khối (d-1)
c0 : nồng độ ban đầu của hợp chất hữu cơ (mg/l)
u : vận tốc qua lỗ rỗng của nước (m/s)
cs : nồng độ cân bằng của các hợp chất hữu cơ liên kết với một tải nhất định của carbon
hoạt tính (mg/l)
Công thức động năng bao gồm một điều kiện đối lưu với điều mà sự vận chuyển của
hợp chất qua lớp lọc có thể được miêu tả :u.dc/dy
và một điều kiện loại bỏ :k2.(c0-cs)
Tốc độ của truyền khối thì giống nhau đến tỷ lệ thoáng khí đến sự khác nhau giữa nồng
độ hiện hành và nồng độ cân bằng. Nồng độ cân bằng dựa trên khả năng tải và được
quyết định bởi đẳng nhiệt Freundlich.

Khả năng tải của carbon càng thấp, nồng độ cân bằng càng thấp và tốc độ truyền khối
càng cao.
Hệ số truyền khối dựa trên hợp chất bị hấp phụ và loại carbon ( gồm cả kích thước
hạt).
Ngoài ra, hệ số truyền khối có thể bị ảnh hưởng bởi tốc độ của nước khi đi qua các hạt
carbon. Tốc độ của nước càng cao, truyền khối giữa chất lỏng và carbon càng tốt.
3.5 Phương pháp giải cho công thức cơ bản.

Hệ thống của công thức là không tuyến tính và không thể được giải bằng cách phân
tích.
Khi một tình huống cố định được giả định, và khi nồng độ dòng chảy vào và lưu lượng
dòng chảy được giả định là hằng số, nồng độ dòng chảy ra của bể lọc carbon hoạt tính
có thể được tính toán theo công thức Bohart-Adam. Công thức này được biến đổi từ
công thức cân bằng khối và công thức động năng.
23


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

c0/cs= 1 + exp(k2. EBCT .(1- ))
EBCT =V/Q
BV= Q.T/V = T/EBCT
với :
EBCT : thời gian tiếp xúc lớp rỗng (h)
BV : lượng nước lọc trên đơn vị thể tích lớp (m3/m3)
T : thời gian chạy bể lọc (h)
V: thể tích bể lọc (m3)
Hình 7 cho thấy tiến độ của nồng độ hợp chất hữu cơ trong lọc carbon hoạt tính.
Nước với một nồng độ của hợp chất hữu cơ c0 được cung cấp. Vì thế, vào ngay lúc
khởi đầu, carbon vẫn chưa được có tải, nồng độ hợp chất hữu cơ của dòng chảy ra giảm

xuống bằng 0.
Sau một khoảng thới gian, lượng tải carbon tăng, các chổ trống hấp phụ được lấp đầy,
và sự xuyên qua của hợp chất hữa cơ của dòng chảy ra xuất hiện.

Hình 7.Tiến độ của nồng độ theo thời gian và chiều cao.
24


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

Cuối cùng, carbon hoạt tính bị bão hòa mà không có việc loại bỏ chất hữu cơ.
Trong hình 8 nồng độ dòng chảy ra được biểu thị đối với thời gian chạy bể lọc ( thể
hiện trong số thể tích lớp ). Đường cong này được gọi là đường cong xuyên thấu.

Hình 8.Đường cong xuyên thấu.
Trong khoảng thời gian bắt đầu, nồng độ dòng chảy ra bằng 0. Sau một hoảng thời gian
nồng độ dòng chảy ra tăng cho đến khi carbon hoạt tính bị bão hòa và khi đó nồng độ
dòng chảy ra tương đương nồng độ dòng chảy vào.
Khi nồng độ dòng chảy ra của bể lọc carbon hoạt tính không còn đạt tiêu chuẩn nữa, bể
lọc phải được tái sinh.
Thời gian chạy của bể lọc carbon hoạt tính tùy thuộc vào mục tiêu.
Sự xuyên thấu cùa THM xảy ra tương đối nhanh (15000 BV); đối với loại bỏ chất tạo
vị, tuy nhiên, thời gian chạy dài hơn có thể được áp dụng (50000BV) mà không cần tái
sinh ngay tức thì (Hình 8).
25