Nghiên cứu khả năng ứng dụng phương pháp hấp phụ trong xử lý nước thải dệt nhuộm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
----------------------------

NGUYỄN VIẾT HOÀNG

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP HẤP
PHỤ TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM

NGÀNH: CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN HỒNG KHÁNH

HÀ NỘI - 2005


LỜI CẢM ƠN
Tôi mong muốn gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. Nguyễn Hồng Khánh vì
những gợi ý và hướng dẫn của Cô trong quá trình làm luận văn. Xin chân thành
cảm ơn GS. TSKH Nguyễn Văn Điệp vì sự giúp đỡ của Giáo sư trong trong quá
trình xây dựng mô hình thiết bị. Xin chân thành cảm ơn những nhân viên trong
phòng thí nghiệm của dự án KOICA, viện Công nghệ Môi trường, Viện Khoa
học Việt Nam vì những giúp đỡ của họ trong quá trình tiến hành thực nghiệm.
Cảm ơn những người bạn của tôi vì họ luôn khuyến khích tôi trong những giai
đoạn gặp khó khăn, luôn chia sẻ kiến thức, giúp đỡ trong quá trình hoàn thành
luận văn. Xin chân thành cám ơn những người thân trong gia đình bởi họ là chỗ
dựa vững chắc về tinh thần để tôi luôn có được động lực và sự tập trung cao
trong quá trình nghiên cứu.

1

MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................... 4
CH-¬ng 1.

TỔNG QUAN..........................................................................8

1.1.

Đặt vấn đề .................................................................................... 8

1.2.

Vai trò của công đoạn hấp phụ trong dây chuyền xử lý nước

thải............... ................................................................................................. 9
1.3.

Các nghiên cứu về quá trình hấp phụ tại Việt Nam và trên

Thế Giới ......... ............................................................................................ 12
1.3.1.

Các nghiên cứu về cơ chế và động học của quá trình hấp phụ13

1.3.2.

Các nghiên cứu về ứng dụng phương pháp mô hình hoá trong

công nghệ hấp phụ .................................................................................. 15
1.4.

Nội dung và giới hạn nghiên cứu của luận văn ...................... 16

CH-¬ng 2.

PHƯƠNG

PHÁP

LUẬN

NGHIÊN

CỨU...............................19
2.1.

Cơ sở lý thuyết của quá trình hấp phụ ................................... 19

2.1.1.

Tổng quan về phương pháp hấp phụ ....................................... 19

2.1.2.

Các tính chất cơ bản của vật liệu hấp phụ .............................. 20

2.1.3.

Vật liệu hấp phụ ...................................................................... 21

2.1.4.

Cân bằng hấp phụ - Đường đẳng nhiệt hấp phụ ..................... 27

2.1.5.

Cơ chế và động học của quá trình hấp phụ ............................. 29

2.1.6.

Thiết bị hấp phụ dạng cột ........................................................ 32

2.2.

Mô hình thiết bị hấp phụ .......................................................... 34


2

2.2.1.

Các dạng mô hình của thiết bị hấp phụ dạng tầng cố định ..... 35

2.2.2.

Mô hình thiết bị dạng đẩy không có khuếch tán dọc trục ....... 36

2.2.3.

Phương pháp giải mô hình thiết bị hấp phụ loại tầng cố định 39
Cơ sở lý thuyết của phương pháp xác định hệ số khuếch tán

2.3.

trong pha rắn ............................................................................................. 42
Phương pháp phân tích và xử lý số liệu .................................. 44

2.4.

CH-¬ng 3.

THÍ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ..............................................46

Thiết bị và vật liệu dùng cho thí nghiệm ............................... 46

3.1.
3.1.1.

Than hoạt tính và mẫu nước thải............................................. 46

3.1.2.

Dụng cụ thí nghiệm ................................................................. 51

3.1.3.

Phương pháp xác định nồng độ của chất màu Auramin: ........ 53
Phương pháp tiến hành thí nghiệm ......................................... 55

3.2.
3.2.1.

Thí nghiệm lựa chọn loại than phù hợp .................................. 55

3.2.2.

Thí nghiệm xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ ................... 55

3.2.3.

Thí nghiệm về động học của quá trình hấp phụ ...................... 58

3.1.4.

Thí nghiệm xây dựng đường cong hấp phụ (Breakthrough

curve).............. ......................................................................................... 59
Kết quả thí nghiệm .................................................................... 61

3.3.
3.3.1.

Thí nghiệm lựa chọn loại than phù hợp .................................. 61

3.3.2.

Thí nghiệm xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ ................... 66

3.3.2.1. Kết quả thí nghiệm với nước thải nhà máy dệt Minh Khai: 66
3.3.2.2. Kết quả thí nghiệm với dung dịch Auramin ....................... 68


3

3.3.3.

Kết quả thí nghiệm về động học của quá trình hấp phụ ......... 71

3.3.4.

Kết quả thí nghiệm xây dựng đường cong hấp phụ

(Breakthrouhg curve) .............................................................................. 74
3.3.4.1. Thí nghiệm với nước thải dệt nhuộm .................................. 74
3.3.4.2. Kết quả thí nghiệm với chất mầu Auramin ......................... 76
CH-¬ng 4.

SO SÁNH KẾT QUẢ MÔ HÌNH VÀ KẾT QUẢ THỰC

NGHIỆM.................................................................................................81
4.1.

Kết quả đối với nước thải dệt nhuộm...................................... 81

4.1.1.

Các thống số đầu vào của mô hình: ........................................ 81

4.1.2.

Nhận xét kết quả mô phỏng đối với nước thải của nhà máy dệt

Minh Khai ............................................................................................... 82
4.2.

Kết quả đối với chất màu Auramin ......................................... 86

4.2.1.

Thông số đầu vào của mô hình: .............................................. 87

4.2.2.

Nhận xét kết quả: .................................................................... 87

KẾT LUẬN ..................................................................................................... 94
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... 97


4

LỜI MỞ ĐẦU
Hấp phụ là một trong những phương pháp quan trọng được ứng dụng
để xử lý các chất ô nhiễm, đặc biệt là các chất hữu cơ khó phân huỷ sinh học,
các sản phẩm phụ của quá trình khử trùng (By-disinfection products –
BDPs)… Mặc dù, hiệu quả của phương pháp hấp phụ khá cao (trong một số
trường hợp, còn cao hơn hiệu quả của công nghệ màng) và có thể áp dụng
trong những trường hợp mà một số phương pháp cổ điển khó áp dụng [11],

nhưng việc sử dụng rộng rãi phương pháp này vẫn còn hạn chế. Một trong
những lý do cơ bản là giá thành của các chất hấp phụ khá đắt. Đã có nhiều tác
giả tập trung nghiên cứu để tạo ra những chất hấp phụ có giá thành thấp, tuy
nhiên, những nghiên cứu này mới chỉ dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm.
Chính vì vậy, các nhà nghiên cứu cũng như các nhà công nghệ cố gắng tìm ra
một phương pháp tiếp cận khác để giảm giá thành xử lý bằng phương pháp
hấp phụ, đó là, tối ưu hoá quá trình thiết kế và vận hành hệ thống hấp phụ.
Thực tế, Việt Nam là một trong những quốc gia có nguồn nguyên liệu
phong phú và có chất lượng cao để chế tạo than hoạt tính và đã có một số cơ ở
sản xuất vật liệu hấp phụ nổi tiếng (như than Trà Bắc, sản xuất từ sọ dừa). Tại
viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, một số nghiên cứu về quá trình hấp
phụ cũng được phát triển mạnh (các nghiên cứu về quá trình và vật liệu hấp
phụ của PG.STS Lê Văn Cát). Đây là một trong những ưu thế lớn để chúng ta
có thể sản xuất và ứng dụng than hoạt tính trong lĩnh vực công nghệ môi
trường, nói riêng, một cách rộng rãi với giá thành chấp nhận được. Hơn nữa,
ngành công nghệ môi trường là một trong những ngành mới, xuất hiện trong
khoảng 10 năm gần đây. Khi các ngành công nghiệp sản xuất phát triển mạnh
mẽ cùng với tải lượng ô nhiễm cao thì hiển nhiên các tiêu chuẩn môi trường
phải được xiết chặt hơn để đảm bảo cho sự phát triển bền vững của môi
trường cũng như chất lượng sống của người dân. Khi các tiêu chuẩn được xiết


5

chặt, khả năng đáp ứng tiêu chuẩn môi trường của các phương pháp xử lý
truyền thống (như đông keo tụ, tuyển nổi, phương pháp sinh học …) sẽ bị hạn
chế. Do đó, người ta cần phải áp dụng các phương pháp có hiệu quả cao hơn
như công nghệ màng, các công nghệ oxy hoá tiên tiến (Fenton, oxy hoá bằng
peroxide ướt - WPO – wet peroxide oxidation…) và hấp phụ. Trong đó,
phương pháp hấp phụ có một số ưu điểm hơn so với các phương pháp khác

(ví dụ: fenton và công nghệ màng) như: đơn giản trong vận hành, nguồn
nguyên liệu phong phú, hiệu quả xử lý cao, có khả năng hoàn nguyên vật liệu
sau sử dụng.
Hiện nay, có hai phương pháp tiếp cận chính trong quá trình thiết kết
thiết bị hấp phụ là: nghiên cứu trên thiết bị trong phòng thí nghiệm và mô
hình hoá thiết bị hấp phụ (ứng dụng mô hình để mô phỏng thiết bị hấp phụ).
Tuy nhiên, việc nghiên cứu trong phòng thí nghiệm đòi hỏi rất nhiều công
sức, thời gian cũng như đầu tư cho thí nghiệm. Thông thường, thí nghiệm xây
dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ phải mất ít nhất 2h. Để có thể xây dựng được
một đường cong hấp phụ (breakthrough curve), cần đến hàng ngày thậm chí
hàng tuần. Ngoài ra, việc đánh giá và sử dụng các số liệu thí nghiệm để áp
dụng cho công trình thực tế cũng đòi hỏi những kinh nghiệm và các kỹ thuất
xử lý số liệu nhất định mới có thể áp dụng được chính xác.
Trong những năm gần đây, phương pháp mô hình hoá ngày càng thể
hiện nhiều ưu điểm so với việc tiến hành các nghiên cứu truyền thống trong
phòng thí nghiệm. Đặc biệt, khi ngày càng có nhiều tác giả nghiên cứu về quá
trình hấp phụ nên cơ chế và bản chất của quá trình này cũng được hiểu một
cách chính xác hơn. Do vậy, ta có thể mô tả gần đúng quá trình này bằng các
công thức toán học và giải chúng trên máy tính. Trên thế giới, đã có rất nhiều
tác giả khác nhau nghiên cứu về lĩnh vực này như: Gordon McKay, Buning
Chen, Chi Wai Hui [4], Tongbao Chen, Yi Jiang, Yinping Zhang,


6

Shuanquiang

Liu

[27],

Michelle

Edith

Jarvie,

David

W

Hand,

Shanmugalingam Bhuvendralingam, John C Crittenden, Dave R Hokanson
[18]. Trong đó, đặc biệt có hai tác giả là David O Cooney [6] và Chi Tien [5]
đã có những nghiên cứu rất sâu trong lĩnh vực mô hình hoá thiết bị hấp phụ.
Tuy nhiên, tại Việt Nam, đây vẫn còn là một lĩnh vực mới và có ít nghiên cứu
riêng cho việc ứng dụng phương pháp mô hình hoá để mô phỏng cũng như
thiết kế thiết bị hấp phụ. Việc áp dụng phương pháp mô hình hoá giảm thiểu
được khá nhiều thí nghiệm cũng như thời gian nghiên cứu. Do đó, đề tài
“Nghiên cứu khả năng ứng dụng phương pháp hấp phụ trong xử lý nước thải
dệt nhuộm” được lựa chọn. Với đề tài này, việc mô phỏng và dự đoán quá
trình xảy ra trong thiết bị hấp phụ dạng tầng cố định sẽ là nội dung chính của
luận văn. Đồng thời, cũng đề ra được một quy trình tiến hành thí nghiệm để
xác định các thông số quan trọng của mô hình. Với các kết quả đạt được,việc
thiết kế thiết bị hấp phụ có thể được tiến hành một cách hiệu quả và nhanh
chóng hơn so với phương pháp truyền thống (tiến hành các thí nghiệm trong
phòng thí nghiệm rồi sau đó mở rộng quy mô cho thiết bị thực). Trong quá
trình nghiên cứu thực nghiệm, chất hấp phụ sử dụng là than hoạt tính. Đối
tượng nước xử lý gồm hai loại chính: nước thải của nhà máy dệt Minh Khai

và nước thải tự pha với chất mầu Auramin.
Với những nội dung như trên, luận văn được chia thành 5 chương
chính như sau:
Chương 1: Tổng quan, nêu lên tổng quan về công đoạn hấp phụ, các
nghiên cứu và nội dung chính của luận văn.
Chương 2: Phương pháp luận nghiên cứu, trình bày các cơ sở lý
thuyết quan trọng phục vụ cho quá trình nghiên cứu thực nghiệm và xây dựng
mô hình thiết bị hấp phụ.


7

Chương 3: Thí nghiệm và kết quả, trình bày về vật liệu, phương pháp
thí nghiệm và các kết quả thí nghiệm đạt được.
Chương 4: So sánh kết quả của mô hình với kết quả thực nghiệm, tiến
hành giải mô hình và so sánh kết quả của mô hình với kết quả thí nghiệm.
Kết luận, đưa ra các kết luận về kết quả của luận văn, xuất và phương
hướng mở rộng quá trình nghiên cứu trong tương lai.


8

Ch-¬ng 1
TỔNG QUAN

1.1.

Đặt vấn đề
Chất hấp phụ là một trong những loại vật liệu được ứng dụng trong

thực tế từ rất lâu. Các tài liệu lịch sử cho thấy, từ những năm 1550 trước công
nguyên, than hoạt gỗ đã được ứng dụng trong ngành dược phẩm. Vào những
năm 200 sau công nguyên, than được sử dụng để loại bỏ các chất gây vị khó
chịu trong nước. Tới năm 1785, các nhà khoa học đã tiến hành thí nghiệm và
nhận ra khả năng hấp phụ của than đối với các chất ô nhiễm trong nước. Vào
những năm 1800, than hoạt tính bắt đầu được sử dụng làm vật liệu lọc. Năm
1929, thiết bị lọc nước bằng than hoạt tính dạng hạt được lắp đặt lần đầu tiên
tại châu Âu. Tại Mỹ, thiết bị lọc bằng than hoạt tính được lắp đặt lần đầu tiên
tại thành phố Bay, Michigan vào năm 1930. Trong những năm 1940, các nhà
khoa học bắt đầu nhận thấy tính hiệu quả của than hoạt tính dạng hạt
(Granular Activated Carbon – GAC) trong việc tinh lọc và tách các sản phẩm
trong ngành công nghiệp hoá chất nhân tạo. Cho tới cuối những năm 1960 và
đầu 1970, người ta bắt đầu biết tới khả năng loại bỏ các hợp chất hữu cơ tổng
hợp (Synthesis Organic compounds - SOCs) trong nước và khí của GAC. Tới
nay, hấp phụ một trong những giai doạn không thể thiếu trong dây chuyền xử
lý nước thải và xử lý khí thải. Mặc dù, đây là một trong những công nghệ
truyền thống nhưng việc tìm hiểu cơ chế, tính toán quá trình vẫn rất cần thiết,
bởi vì, rất nhiều công nghệ mới được phát triển trên nền tảng của quá trình
hấp phụ như công nghệ siêu lọc, màng …Ngoài ra, cũng có nhiều công nghệ
tiên tiến cũng được phát triển bằng cách kết hợp giữa công doạn hấp phụ với
công đoạn xử lý khác như kết hợp giữa phương pháp hấp phụ dùng than dạng


9

bột với phương pháp bùn hoạt tính (công nghệ PACT - Powdered Activated
Carbon – Activated Sludge System), kết hợp giữa phương pháp hấp phụ với
công nghệ xúc tác quang học để xử lý VOCs ở nồng độ thấp… Cơ chế của
quá trình hấp phụ còn được áp dụng nhiều trong lĩnh vực mô hình hoá nước
ngầm, mô phỏng hiện tượng xâm thực, các quá trình phong hoá trong tự

nhiên. Do đó, hiện nay, có nhiều nhà khoa học vẫn tiếp tục tập trung nghiên
cứu trên lĩnh vực này để có thể mô tả nó ngày một chính xác hơn. Một trong
những hướng nghiên cứu chính là mô hình hoá thiết bị hấp phụ ứng dụng để
mô phỏng và thiết kế thiết bị. Với cách thức tiếp cận này, quá trình thiết kế
cũng như vận hành được tối ưu hoá nhằm giảm giá thành cũng như các rủi ro
xảy ra trong quá trình hoạt động. Đặc biệt, với thiết bị hấp phụ dạng cột, mô
hình hoá là một công cụ cần thiết cho cả quá trình thiết kế và vận hành. Với
thiết bị dạng khuấy trộn, hiệu quả quá trình có thể được tính toán gần đúng
bằng các công thức toán đơn giản, do quá trình xảy ra gần đúng với quá trình
lý tưởng. Tuy nhiên, với thiết bị dạng cột, quá trình xảy ra hoàn toàn khác với
quá trình lý tưởng, do đó, không thể ước tính thời gian xuất hiện "vết". Để
làm được điều này, mô hình toán cho thiết bị cần được xây dựng.
1.2.

Vai trò của công đoạn hấp phụ trong dây chuyền xử lý nước thải
Công nghệ hấp phụ được áp dụng trong hầu hết các dây chuyền xử lý

nước thải và nước cấp. Ngoài ra, nó cũng được sử dụng rất phổ biến trong
lĩnh vực xử lý ô nhiễm khí, xử lý khí thải (đặc biệt là khí thải của phương tiện
giao thông), xử lý các chất ô nhiễm khí dạng hữu cơ trong khu vực làm việc
(VOCs). Mục đích chính của thiết bị hấp phụ trong dây chuyền xử lý nước
thải là loại bỏ các hợp chất hữu cơ không có khả năng phân huỷ sinh học, các
chất gây mầu, mùi và một số hợp chất đặc biệt khác.


10

Hiện nay, tồn tại rất nhiều dây chuyền xử lý nước thải khác nhau có áp
dụng công nghệ hấp phụ. Tuỳ thuộc vào tính chất của nước thải mà người ta
có thể áp dụng các sơ đồ dây chuyền phù hợp. Thông thường, thiết bị hấp phụ

được kết hợp với thiết bị xử lý bằng phương pháp sinh học hoặc xử lý hoá lý
(phương pháp đông keo tụ, tuyển nổi). Hình1.1 mô tả các vị trí của thiết bị
hấp phụ khi kết hợp với thiết bị xử lý sinh học. Hình 1.2 mô tả vị trí của thiết
bị hấp phụ khi kết hợp với thiết bị xử lý hoá lý (đông keo tụ và tuyển nổi).
P

S

F

AC

D

nước thải

xử lý

(1)
P

S

AC

nước sau

F

D

nước thải

xử lý

(2)
P

S

AC

nước thải
(3)

nước sau

D

nước sau
xử lý

Hình1.1: Hấp phụ kết hợp với phương pháp xử lý
sinh học [3]
P: các thiết bị xử lý sơ cấp (bể lắng, đông keo tụ, tuyển
nổi…)
S: thiết bị xử lý thứ cấp (xử lý bằng phương pháp sinh học).
AC: thiết bị hấp phụ bằng than hoạt tính
F: thiết bị lọc
D: thiết bị khử trùng

11

Khi kết hợp với hệ thống xử lý sinh học, thiết bị hấp phụ có 3 vị trí cơ
bản trong hệ thống. Với sơ đồ dây chuyền thứ nhất (1), thiết bị hấp phụ được
đặt sau thiết bị lọc, do đó, nó sẽ hoạt động có hiệu quả hơn. Thiết bị lọc có
nhiệm vụ loại bỏ phần lớn hàm lượng SS cuốn theo dòng nước sau sinh học,
tránh gây các hiện tượng tắc thiết bị cũng như ảnh hưởng do hoạt động của vi
sinh vật đối với cột hấp phụ. Với sơ đồ dây chuyền (2), thiết bị lọc được đặt
sau thiết bị hấp phụ. Mục đích của thiết bị lọc là loại bỏ phần than bị lôi cuốn
theo dòng nước (dùng khi than có tính bền cơ học kém). Nó đảm bảo cho hiệu
quả hoạt động của thiết bị khử trùng. Tuy nhiên, nếu bể lắng của thiết bị sinh
học hoạt động không tốt, thiết bị hấp phụ có khả năng bị tắc bởi hàm lượng
SS quá lớn trong dòng nước vào. Sơ đồ cuối, (3), có cấu trúc đơn giản, giá
thành đầu tư và vận hành cũng nhỏ hơn hai dây chuyền trên. Tuy nhiên, nó
đòi hỏi khắt khe hơn trong quá trình vận hành hệ thống.
Với một số loại nước thải có hàm lượng chất hữu cơ khó phân huỷ
sinh học cao (như nước thải dệt nhuộm), công đoạn hấp phụ thường được kết
hợp với công đoạn xử lý hoá lý (đông keo tụ, tuyển nổi) mà không cần có
bước xử lý sinh học (vì hiệu quả xử lý của phương pháp sinh học trong
trường hợp này thấp) (Hình 1.2). Công đoạn xử lý hoá lý có nhiệm vụ loại bỏ
phần lớn SS, COD (hiệu quả xử lý đạt khoảng 30 – 50 %). Để dòng thải đầu
ra đạt tiêu chuẩn về COD, độ mầu, phương pháp hấp phụ cần được sử dụng.
Vị trí của thiết bị hấp phụ trong trường hợp này cũng tương tự như trong
trường hợp kết hợp với thiết bị xử lý sinh học.
Đối với than dạng bột, các nhà nghiên cứu đã đưa ra một ứng dụng
khá đặc biệt nhằm nâng cao hiệu quả xử lý của phương pháp bùn hoạt tính,
công nghệ PACT [1]. Trong công nghệ này, than hoạt tính dạng bột được cấp
thẳng vào bể Aeroten. Nhờ có than hoạt tính, một số loại chất hữu cơ khó

hoặc không có khả năng phân huỷ sinh học được loại bỏ, ngoài ra, một số


12

P

F

AC

D
nước sau

nước thải

xử lý

(1)
P

AC

F

D
nước sau

nước thải

xử lý

(2)
P

AC

D
nước sau

nước thải
(3)

xử lý

Hình1.2: Hấp phụ kết hợp với phương pháp xử lý
hoá lý [3]

P: các thiết bị xử lý sơ cấp: bể lắng và đông keo tụ
AC: thiết bị hấp phụ bằng than hoạt tính
F: thiết bị lọc
D: thiết bị khử trùng
chất gây kìm hãm quá trình sinh học, quá trình nitrat hoá cũng bị loại bỏ nhờ
than hoạt tính. Do đó, các vi sinh vật có thể hoạt động với hiệu quả cao hơn.
Than hoạt tính kết hợp với các bông bùn sinh học nên làm tăng khối lượng
riêng của bùn giúp bùn dễ lắng hơn.

1.3.

Các nghiên cứu về quá trình hấp phụ tại Việt Nam và trên Thế

Giới


13

Hấp phụ là một trong những quá trình quan trọng trong dây chuyền
công nghệ xử lý nước (nước thải và nước cấp). Cho tới nay, đã có rất nhiều
các nghiên cứu tập trung vào lĩnh vực này. Trong thời gian đầu, các nhà khoa
học tập trung vào nghiên cứu về cơ chế của quá trình hấp phụ (nghiên cứu về
cơ chế, động học, các quá trình chuyển khối và cấp khối xảy ra bên trong và
ngoài vật liệu hấp phụ). Từ những nghiên cứu cơ bản này, dòng nghiên cứu về
hấp phụ được chia làm hai. Một là nghiên cứu về hấp phụ nhằm cải tiến và
nâng cao hiệu quả của quá trình. Hai là, những nghiên cứu về vật liệu hấp phụ
với mục đích đạt được hiệu quả hấp phụ cao nhưng với giá thành thấp. Cho
tới nay, hướng nghiên cứu vật liệu hấp phụ có giá thành thấp vẫn đang được
các nhà khoa học quan tâm và theo đuổi. Ngoài ra, các nhà nghiên cứu còn
tập trung vào lĩnh vực mô hình hoá và tối ưu hoá thiết bị hấp phụ và trong
những năm gần đây, mô hình hoá ứng dụng để mô phỏng và thiết kế thiết bị
hấp phụ đã trở thành một xu hướng chính. Có thể nói, tất cả các nghiên cứu
hiện nay đều tập trung vào giải quyết một vấn đề chính là giảm giá thành của
phương pháp hấp phụ.
1.3.1. Các nghiên cứu về cơ chế và động học của quá trình hấp phụ
Tại Thái Lan, các nhà nghiên cứu của khoa Công nghệ Hoá học,
trường Đại học công nghệ Thonburi, tiến hành nghiên cứu khả năng xử lý
nước thải dệt của các làng nghề bằng than gỗ và than hoạt tính (chế tạo từ gỗ)
[29]. Các nghiên cứu được tiến hành với một số loại thuốc nhuộm khác nhau
như Red 23, Violet 9, Blue 201. Họ tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của pH,
nhiệt độ, thời gian tiếp xúc và nồng độ muối đối với hiệu quả của quá trình
hấp phụ. Các kết quả thí nghiệm chỉ ra rằng, với than hoạt tính, khả năng hấp
phụ chất mầu Red 23 và Violet 9 không phụ thuộc vào pH trong một dải rộng

(4.5 – 10), tuy nhiên, đối với chất mầu Blue 201, dung lượng hấp phụ tăng


14

một ít tại điều kiện pH thấp. Nồng độ muối nhỏ hơn 10,000 ppm không gây
ảnh hưởng tới quá trình hấp phụ. Ngoài ra, đường đẳng nhiệt hấp phụ tuân
theo phương trình của Fruendlich và Langmuir.
T.A. Albanis, D.G. Hela, T.M. Sakellarides và T.G. Danis tập trung
tìm kiếm những loại vật liệu hấp phụ có giá thành thấp để loại bỏ thuốc
nhuộm trong nước thải [26]. Chất hấp phụ được sản xuất từ tro của khí thải và
một số loại đất sét có hàm lượng chất hữu cơ thấp. Các loại thuốc nhuộm
được sử dụng trong quá trình nghiên cứu là thuốc nhuộm được dùng nhiều
trong thương mại như: orange 7, acid yellow 23, disperse blue 79, basic
yellow 28 và direct yellow 28. Với các thí nghiệm tiến hành trên thiết bị dạng
mẻ, hiệu quả xử lý chỉ cao với các loại thuốc nhuộm direct yellow 28
(99.2%), basic yellow 28 (96.8%) và disperse blue 79 (88.5%). Với các thí
nghiệm trên cột, hiệu quả xử lý cũng chi cao đối với các loại chất mầu nói
trên.
E. Voudrias, K. Fytianos và E. Bozani tiến hành nghiên cứu về quá
trình hấp phụ và nhả hấp phụ của một số loại chất hấp phụ khác nhau đối với
thuốc nhuộm hoạt tính [8]. Các chất hấp phụ được sử dụng trong quá trình
nghiên cứu là than hoạt tính và một số loại chất hấp phụ có giá thành sản xuất
thấp như tro khói thải, bentonite và một số loại đất. Kết quả của quá trình
nghiên cứu cho thấy, than hoạt tính có dung lượng hấp phụ lớn nhất rồi đến
tro khói thải và bentonite.
S. Netpradit, P. Thiravetyan và S. Towprayoon nghiên cứu khả năng
hấp phụ của hydroxide kim loại đối với thuốc nhuộm hoạt tính [25]. Chất hấp
phụ có nguồn gốc từ bùn thải của công trình xử lý nước thải mạ điện. Các kết
quả nghiên cứu cho thấy loại bùn này có khả năng xử lý được nước thải dệt

nhuộm có chứa thuốc nhuộm hoạt tính (Reactive red 141).


15

Kieth K.H. Choy, John F. Porter và Gordon McKay tập trung nghiên
cứu về hệ số khuếch tán của các loại thuốc nhuộm acid trên than hoạt tính
[14]. Các tác giả đã nghiên cứu và dánh giá hệ số khuêch tán của cả hệ đơn
cấu tử và hệ đa cấu tử. Các thí nghiệm được tiến hành gồm có 3 dung dịch
đơn cấu tử, 3 dung dịch lưỡng cấu tử và một dung dịch gồm 3 cấu tử. Các
chất mầu được sử dụng gồm có Acid Blue 80, Acid Red 114 và Acid Yellow
117. Qua quá trình nghiên cứu, các tác giả đã chỉ ra rằng, giai đoạn khuếch
tán trong mao quản là giai đoạn chậm nhất trong quá trình hấp phụ.
1.3.2. Các nghiên cứu về ứng dụng phương pháp mô hình hoá trong
công nghệ hấp phụ
L. Markovska, V. Meshko, V.Noveski, M. Marinkovski đã ứng dụng
phưong pháp mô hình hoá để thiết kế thiết bị dạng cột loại tầng cố định [16].
Các tác giả nghiên cứu khả năng hấp phụ của than hoạt tính dạng hạt và
zeolite tự nhiên với một số loại thuốc nhuộm khác nhau (gồm có MG – 400
và MS – 300). Để mô phỏng quá trình hấp phụ, tác giả đã dùng mô hình
khuếch tán trên bề mặt pha rắn.
Kieth K.H. Choy, John F. Porter, Gordon McKay nghiên cứu áp dụng
phương pháp mô hình hoá trong mô phỏng hiệu quả hấp phụ của một số loại
thuốc nhuộm trên than hoạt tính [13]. Thiết bị hấp phụ có dạng tầng cố định.
Loại chất mầu được sử dụng là Acid Blue 80, Acid Yellow 117. Tác giả sử
dụng 3 loại mô hình khác nhau dựa trên giả thuyết quá trình bị khống chế bởi
tốc độ chuyển khối trong lớp màng và trong mao quản.
Xiaoyan Yang và Bushra Al-Duri tiến hành các nghiên cứu về động
học của quá trình hấp phụ một số chất mầu trên than hoạt tính [30]. Quá trình
được tiến hành trong thiết bị dạng mẻ, dung dịch đơn cấu tử. Ba loại mầu hoạt

tính khác nhau được lựa chọn cho quá trình nghiên cứu là RR, RN và RY


16

(thuốc nhuộm được cung cấp bởi hãng Ciba – Geigy). Qua các kết quả thí
nghiệm, tác giả cho thấy động học của quá trình hấp phụ tuân theo phương
trình bậc 1, bậc 2 và mô hình khuếch tán trong hệ mao quản.
Michelle

Edith

Jarvie,

David

W

Hand,

Shanmugalingam

Bhuvendralingam, John C Crittenden và Dave R Hokanson cũng có những
nghiên cứu áp dụng phương pháp mô hình hoá để mô phỏng sự hoạt động của
thiết bị hấp phụ dạng tầng cố định [18]. Tuy nhiên, các nghiên cứu của tác giả
lại tập trung vào việc loại bỏ các chất hữu cơ nhân tạo trong nước cấp. Nghiên
cứu đã đưa ra được mô hình phù hợp trong mô phỏng thiết bị, đồng thời, độ
chính xác của mô hình cũng được kiểm nghiệm bởi các số liệu của một số hệ
thống pilot đang vận hành với nhiều nguồn nước khác nhau (nguồn nước
ngầm và nước mặt từ 4 quốc gia khác nhau). Với mô hình, tác giả đã có thể

dự đoán khá chính xác hoạt động của thiết bị hấp phụ, đồng thời xác định
được tốc độ sử dụng cacbon và một số thông số quan trọng cho quá trình thiết
kế.
1.4.

Nội dung và giới hạn nghiên cứu của luận văn
Trên đây chỉ là một số nghiên cứu điển hình và gần gũi với mục tiêu

của luận văn. Ngoài ra còn rát nhiều các nghiên cứu khác tập trung vào lĩnh
vực chế tạo chất hấp phụ cho những ứng dụng đặc biệt (như loại bỏ kim loại
nặng trong nước…). Những nghiên cứu về quá trình hấp phụ đã khá hoàn
thiện, đặc biệt là về cơ chế và động học của quá trình. Những nghiên cứu
trong lĩnh vực mô hình hoá thiết bị hấp phụ cũng được phát triển mạnh trong
những năm gần đây và vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu, mặc dù, về cơ sở
lý thuyết của mô hình thiết bị hấp phụ đã được phát triển từ rất lâu (thông qua
các nghiên cứu của tác giả Chi Tien [5], David O. Cooney [6]). Tuy nhiên, tại
Việt Nam, những nghiên cứu về mô hình hoá thiết bị hấp phụ vẫn còn khiêm


17

tốn. Có rất nhiều lý do khiến các nghiên cứu về quá trình hấp phụ còn ít. Một
trong những lý do chính là ngành công nghệ môi trường vẫn còn là một ngành
mới. Các nghiên cứu đang tập trung vào hiệu quả xử lý nên các công đoạn cơ
bản như đông keo tụ, sinh học được chú ý nhiều hơn. Hấp phụ chỉ được áp
dụng như là một giải pháp để hoàn thiện về hiệu quả xử lý. Để phương pháp
hấp phụ có tính khả thi nhiều hơn trong thời gian hiện tại cũng như tương lai,
cần phải có những quy trình thiết kế chính xác hơn. Để làm được điều này,
hiện nay, tồn tại hai phương pháp tiếp cận phổ biến trong quá trình nghiên
cứu thiết bị hấp phụ là:

- Nghiên cứu trên thiết bị trong phòng thí nghiệm để xác định được
các thông số kỹ thuật quan trọng.
- Mô hình hoá phục vụ cho thiết kế và mô phỏng thiết bị hấp phụ.
Tuy nhiên, việc nghiên cứu trong phòng thí nghiệm đòi hỏi nhiều công
sức, thời gian cũng như kinh phí. Các thí nghiệm cơ bản nhất phục vụ cho quá
trình nghiên cứu thiết bị hấp phụ gồm có: thí nghiệm xây dựng đường đẳng
nhiệt hấp phụ, thí nghiệm về động học và thí nghiệm xây dựng đường cong
hấp phụ. Thông thường, thí nghiệm xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ phải
mất ít nhất 2h. Để có thể xây dựng được một đường cong hấp phụ
(breakthrough curve), cần đến hàng ngày thậm chí hàng tuần. Ngoài ra, việc
đánh giá và sử dụng các số liệu thí nghiệm để áp dụng cho công trình thực tế
cũng đòi hỏi những kinh nghiệm và các kỹ thuất xử lý số liệu nhất định mới
có thể áp dụng được chính xác.
Cách tiếp cận thứ hai là ứng dụng phương pháp mô hình hoá để thiết
kế cũng như mô phỏng thiết bị. Phương pháp mô hình hoá ngày càng thể hiện
nhiều ưu điểm so với việc tiến hành các nghiên cứu truyền thống trong phòng
thí nghiệm . Đặc biệt, khi ngày càng có nhiều tác giả nghiên cứu về quá trình


18

hấp phụ nên cơ chế và bản chất của quá trình này cũng được hiểu một cách
chính xác hơn. Do vậy, quá trình này có thể được mô tả lại bằng các công
thức toán học và giải chúng dựa trên các phần mềm thương mại hoặc không
thương mại. Việc áp dụng phương pháp mô hình hoá giảm thiểu được khá
nhiều thí nghiệm cũng như thời gian nghiên cứu. Chính vì lý do này, đề tài
“Nghiên cứu khả năng ứng dụng của phương pháp hấp phụ trong xử lý nước
thải dệt nhuộm” được lựa chọn. Với đề tài này, mô hình thiết bị hấp phụ dạng
tầng cố định được xây dựng nhằm mục đích dự đoán quá trình xảy ra trong
thiết bị. Đồng thời, cũng đưa ra một quy trình tiến hành thí nghiệm để xác

định các thông số quan trọng cho mô hình. Đối với việc áp dụng phương
pháp mô hình hoá để mô phỏng, dự báo quá trình hấp phụ phục vụ thiết kế
công nghệ, có ba vấn đề chính cần quan tâm, gồm:
- Xác định giá trị của một số thông số đầu vào cho mô hình toán
(đường đẳng nhiệt hấp phụ, hệ số khuếch tán trong pha rắn). Giá trị
của các thông số đầu vào này có được thông qua quá trình thực
nghiệm.
- Một số thông số đầu vào khác như vận tốc, độ rỗng, khối lượng
riêng có được thông qua các tài liệu tham khảo (các nghiên cứu, tài
liệu của nhà sản xuất than).
- Bộ số liệu để kiểm chứng tính chính xác của mô hình: bộ số liệu
này có được qua các thí nghiệm tiến hành với cột hấp phụ trong
phòng thí nghiệm của dự án KOICA, Viện Khoa học và Công nghệ
Môi trường.
Với các kết quả đạt được, thiết bị hấp phụ có thể được thiết kế có hiệu
quả hơn việc tiến hành các thí nghiệm theo phương pháp cổ điển.


19

Ch-¬ng 2
PHƯƠNG PHÁP LUẬN NGHIÊN CỨU

2.1.

Cơ sở lý thuyết của quá trình hấp phụ

2.1.1. Tổng quan về phương pháp hấp phụ
Hấp phụ là quá trình tích luỹ có chọn lọc của một hoặc một vài cấu tử
trong pha lỏng (khí hoặc lỏng) trên bề mặt pha rắn. Quá trình có thể xảy ra

với hiệu quả cao nhờ vào diện tích bề mặt riêng lớn của chất hấp phụ, do
chúng có cấu trúc dạng mao quản xốp. Diện tích bề mặt riêng có thể dao động
từ vài trăm tới hàng nghìn m2/g (phụ thuộc vào nguyên liệu và quá trình sản
xuất). Có hai cơ chế hấp phụ chính là cơ chế hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá
học. Quá trình hấp phụ vật lý xảy ra do tác động của lực tĩnh điện hoặc lực
Vander Walls giữa cấu tử bị hấp phụ với bề mặt của chất hấp phụ Với hấp
phụ hoá học, các cấu tử bám dính trên bề mặt chất hấp phụ bởi các liên kết
hoá học.
Phương pháp hấp phụ được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực công nghệ
hoá học cũng như trong ngành công nghệ môi trường. Trong lĩnh vực công
nghệ hoá học, hấp phụ được ứng dụng rất rộng rãi, tuy nhiên, trong ngành
công nghệ môi trường, khả năng ứng dụng của phương pháp hấp phụ vẫn còn
hạn chế bởi yếu tố kinh tế. Hiện nay, phương pháp hấp phụ chỉ được ứng
dụng trong những trường hợp mà các phương pháp xử lý cổ điển không thể
tiến hành hoặc dùng để xử lý bậc ba. Cho tới nay, trên Thế Giới, hấp phụ đã
được ứng dụng trong hàng nghìn quá trình khác nhau [12]. Chính vì vậy, các
nhà công nghệ cũng như các nhà khoa học có những hiểu biết sâu sắc và rõ
ràng về quá trình này. Họ cũng có khả năng mô phỏng quá trình hấp phụ với
độ chính xác cao. Tuy nhiên, hầu hết các ứng dụng đều dừng ở mức lựa chọn


20

chất hấp phụ và quá trình hấp phụ phù hợp. Việc tìm ra các chất hấp phụ mới
có hiệu quả hấp phụ cao và giá thành thấp chỉ được tiến hành trong phòng thí
nghiệm.
Những ứng dụng phổ biến nhất của phương pháp hấp phụ trong lĩnh
vực công nghệ môi trường là: Xử lý các chất hữu cơ khó phân huỷ sinh học,
trong đó, các loại thuốc nhuộm là một trong những mảng áp dụng lớn của
công nghệ hấp phụ cũng như các hợp chất vô cơ dư sau quá trình xử lý sinh

học như N2, H2S và kim loại nặng; xử lý các chất sinh mùi và vị; xử lý các
nguyên tố vết trong nước và khí; xử lý các hợp chất dễ bay hơi (VOCs)…
2.1.2. Các tính chất cơ bản của vật liệu hấp phụ
Một số tính chất đặc trưng của chất hấp phụ (dung lượng hấp phụ,
phân bố kích thước hạt, bề mặt riêng, chuẩn số iod, chuẩn số molar, phần
không gian trống…) được sử dụng để đánh giá sơ bộ tính khả thi của phương
pháp đối với một loại chất bị hấp phụ cụ thể.
Dung lượng hấp phụ (mg/g): Dung lượng hấp phụ là lượng chất bị hấp
phụ lớn nhất có thể được hấp phụ lên một đơn vị khối lượng của chất hấp phụ.
Đây là một trong những thông số quan trọng hàng đầu của chất hấp phụ. Nó
giúp người sử dụng lựa chọn được loại chất hấp phụ phù hợp cho đối tượng
xử lý cũng như dự tính được tính kinh tế của hệ thống xử lý. Dung lượng hấp
phụ phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau nhưng có thể gộp lại thành 3 nhóm
chính: bản chất của chất hấp phụ; bản chất của cấu tử bị hấp phụ và điều kiện
tiến hành quá trình hấp phụ (nhiệt độ, áp suất).
Phân bố kích thước hạt: Kích thước hạt ảnh hưởng trực tiếp tới tốc độ
của quá trình khuếch tán ngoài và tổn thất áp suất cũng như cấu trúc dòng
trong cột hấp phụ. Với than hoạt tính, người ta định nghĩa ra hai loại kích
thước là: kích thước hiệu dụng (effective size) (kích thước của sàng cho phép


21

10% lượng hạt đi qua) và hệ số đồng nhất (uniform coefficient), (tỷ số của
kích thước sàng cho phép 60% lượng hạt đi qua với kích thước hiệu dụng).
Bề mặt riêng (m2/m3; m2/g): là bề mặt cho phép xảy ra quá trình hấp
phụ trên đó. Bề mặt của chất hấp phụ được xác định bằng quá trình hấp phụ
của N2 (dùng thuyết của BET). Bề mặt riêng của chất hấp phụ thường có giá
trị từ 100 – 3000m2/g. Tuy nhiên, hầu hết các chất hấp phụ cung cấp trên thị
trường có bề mặt riêng dao động từ 300 – 1200m2/g.

Thể tích mao quản (m3/m3): Là tỷ lệ giữa tổng thể tích mao quản trên
một đơn vị thể tích chất hấp phụ.
Chuẩn số Iod: Chuẩn số Iod cho biết phần trăm thể tích mao quản có
kích thước từ 10 – 28 A (đường kính). thường dùng đánh giá khả năng hấp
phụ chất khí.
Chuẩn số Molar: Chuẩn số Molar cho biết phần mao quản có kích
thước lớn hơn 28A. Loại chất hấp phụ có chuẩn số Molar cao thường có khả
năng xử lý các loại chất có kích thước phân tử lớn như các chất mầu hay các
loại keo.
Khối lượng riêng (g/cm3): có hai khái niệm về khối lượng riêng của
chất hấp phụ: Khối lượng riêng đổ đống là khối lượng than tính cho một đơn
vị thể tích nó chiếm chỗ (tính cả thể tích mao quan và thể tích trống giữa các
hạt than và cho phép dùng với than ẩm) và khối lượng riêng trong thiết bị là
phần thể tích nó chiếm chỗ trong thiết bị (thường bằng khoảng 80 – 95% khối
lượng riêng đổ đống).
2.1.3. Vật liệu hấp phụ
2.1.3.1. Than hoạt tính


22

Than hoạt tính là chất hấp phụ được sử dụng phổ biến nhất trong lĩnh
vực công nghệ môi trường. Bề mặt riêng của than hoạt tính dao động trong
khoảng rất lớn từ 300 – 2500 m2/g (1200 m2/g) [23]. Loại than dùng cho pha
lỏng thường có kích thước mao quản lớn (>3.0 nm) để tạo điều kiện tốt cho
quá trình khuếch tán trong mao quản của các cấu tử bị hấp phụ. Trong khi,
loại than dùng cho pha khí thường có kích thước mao quản nhỏ hơn 3.0 nm.
Hiện nay, có một loại than hoạt tính mới là “sàng phân tử cacbon” [11], nó có
tính chất giống như sàng phân tử zeolite, tuy nhiên, lỗ của sàng phân tử
cácbon có dạng dẹt, do cấu trúc lớp của mạng tinh thể cacbon. Nó được ứng

dụng để loại bỏ nitrogen trong dòng khí.
Bảng 1.1: Các hợp chất điển hình có khả năng hấp phụ trên than hoạt tính[7]
Loại chất

Tên một số chất cụ thể

Dung môi hữu cơ mạch vòng

Benzene, toluene, xylene

Hợp chất thơm đa vòng

Naphthalene, biphenyl

Hợp chất hữu cơ mạch vòng có chứa

Chlorobenzen, PCBs, Endrin,

gốc Cl

Toxaphene, DDT
Phenol, cresol, resorcinol,

Hợp chất của phenol

nitrophenol, chlorophenol, alkyl
phenol

Hợp chất hữu cơ mạch vòng có
nhóm amine, amine béo phân tử

Alinine, toluene diamine

lượng lớn
Chất hoạt động bề mặt

Alkyl benzene sulfonate

Các hợp chất mầu hữu cơ tan

Xanh methylene, thuốc nhuộm

Dầu mỏ

Khí gas, dầu hoả, dầu (oil)

Dung môi chứa clo

Cacbon tetrachloride,


23

percholoroethylene
Acid béo, mạch vòng
Thuốc trừ sâu và thuốc diệt cỏ

Benzoic acid
2,4-D, atrazine, simazine, aldicarb,
alachlor, carbonfuran

(*Nguồn: U.S.EPA, 1984)
Than hoạt tính thường có tính kị nước, đặc biệt là loại than dùng trong
xử lý khí, khi mà điều kiện hoạt động của than thường ở nhiệt độ cao. Đối với
than sử dụng cho pha lỏng, than cần được hoạt hoá bằng những phương pháp
thích hợp để tạo tính thấm nước cao cho bề mặt than. Tính chất này đặc biệt
quan trọng đối với các ứng dụng trong khử mầu của dung dịch.
Than hoạt tính thường được sử dụng dưới dạng hình cầu (với đường
kính 1 – 3 mm), dạng hạt, dạng hình trụ (với đường kính 2 – 4 mm) và dạng
bột.
Các ứng dụng chính của than hoạt tính gồm có: khử mầu, khử mùi và
hấp phụ các chất hữu cơ gồm cả những chất hữu cơ có nguồn gốc tự nhiên và
nhân tạo như fulvic, humic và SOCs (do tính ưa chất hữu cơ của than), xử lý
VOCs. Một số loại than hoạt tính được cấy thêm các gốc để phục vụ cho
những mục đích đặc biệt, ví dụ như sulfuric acid (đối với hấp phụ amoniac
hoặc thuỷ ngân), oxit sắt (dùng trong hấp phụ H2S hoặc mecaptan), oxit kẽm
(đối với xử lý HCN), các muối của kim loại nặng (đối với xử lý khí phosgen,
asen, và các khí độc thần kinh) [11], [9], [20]. Bảng 1.1 liệt kê một số loại
chất hữu cơ có khả năng được xử lý bằng than hoạt tính.
a.

Phương pháp sản xuất than hoạt tính
Than hoạt tính có thể được sản xuất từ các loại nguyên liệu có hàm

lượng cacbon cao như xương động vật (dùng để làm trắng đường), gỗ, vỏ
trấu, sọ dừa, chất dư thừa trong quá trình tinh lọc dầu, than bùn, than non,