Tài liệu ứng dụng của hấp phụ trong xử lý nước

Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾẾT TẮẾT.......................................................................................................... 2 DANH MỤC BẢNG BIỂU, HÌNH ẢNH............................................................................................3 CHƯƠNG 1. KẾẾ HOẠCH THỰC HIỆN...........................................................................................5 CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN.................................................................................................................. 7 2.1 Giới Thiệu..................................................................................................................................... 7 2.2 Vật liệu hấấp phụ:.................................................................................................................... 10 CHƯƠNG 3. CƠ CHẾẾ HẤẾP PHỤ.................................................................................................... 13 3.1 Cơ sở khoa học của quá trình hấấp phụ..............................................................................13 3.2 Sự cấn bằằng hấấp phụ............................................................................................................ 18 3.3 Cấn bằằng đẳng nhiệt Freundlich.....................................................................................20 3.4 Động nằng hấấp phụ............................................................................................................... 23 3.5 Phương pháp giải cho công thức cơ bản....................................................................24 CHƯƠNG 4. TÁI SINH VẬT LIỆU HẤẾP PHỤ...........................................................................28 4.1 Tái sinh nhiệt................................................................................................................................. 29 4.2 Các phương pháp khác.............................................................................................................. 30 CHƯƠNG 5. ỨNG DỤNG................................................................................................................... 32 5.1 Ứng dụng của vật liệu hấấp phụ...........................................................................................32 5.2 Ứng dụng hấấp phụ trong xử lý nước cấấp.........................................................................35 5.3 Ứng dụng hấấp phụ trong xử lý nước thải:.......................................................................36 5.4 Than hoạt tính trong xử lý nước thải................................................................................38 5.5 Ứng dụng thực tiển.................................................................................................................... 46 CHƯƠNG 6. KẾẾT LUẬN..................................................................................................................... 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................................................... 54 1 Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục 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. 2 Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục DANH MỤC BẢNG BIỂU, HÌNH ẢNH. A.Bảng Trang Biểu Bảng 1. Bảng 2. Đặc điểm của vật liệu hấấp phụ thương mại. So sánh giữa hấấp phụ vật lý và hấấp phụ hóa học. 12 16 Bảng 3. Hằằng sôấ K và n cho một sôấ chấất đã biếất. 22 Lượng hơi tiếu hao khi tái sinh than hoạt tính. 31 Bảng 4. Bảng 5. Ứng dụng của một sôấ chấất hấấp phụ. B.Hình Ảnh Hình 1 Hình 2 Hình 3 Cấấu trúc mở của carbon hoạt tính. Mặt cằất ngang và dọc của một bể lọc carbon. Vị trí của bộ lọc than hoạt tính trong qui trình xử lý Hình 4. Hình 5. Hình 6. Hình 7. Hình 8. Hình 9. nước đóng chai. Cơ chếấ hấấp phụ trến bếằ mặt. Quá trình hấấp phụ và giải hấấp phụ. Sơ đôằ đại diện của bể lọc than hoạt tính. Tiếấn độ của nôằng độ theo thời gian và chiếằu cao. Đường cong xuyến thấấu. Môấi liến hệ giữa thời gian tiếấp xúc và thời gian ch ạy b ể Hình 10. lọc. Các vấấn đếằ liến quan đếấn các chấất hấấp Hình 11. phụ chi tiếu và lợi ích tái sinh. Tiếu thụ vật liệu hấấp phụ trến thếấ giới. Hình 12. Hình 13. Hình 14. Hình 15. Hình 16. Hình 17. Hình 18. Hình 19. Hình 20. Hình 21. Bộ lọc than hoạt tính. Than hoạt tính trong xử lý nước. Sơ đôằ khôấi của quá trình. Mô hình hấấp phụ đẳng nhiệt. Sơ đôằ khôấi của quá trình hấấp phụ nhiếằu bậc xuôi dòng. Mô hình hấấp phụ đẳng nhiệt với nhiếằu bậc xuôi dòng. Sơ đôằ khôấi hấấp phụ 3 bậc ngược dòng. Mô hình hấấp phụ đẳng nhiệt với nhiếằu bậc ngược dòng. Đường cong xuyến thấấu đo được trong thực tiển. Sự giải hấấp phụ sau khi khử clo vận chuyếễn. 33 8 9 10 13 14 20 25 25 26 28 32 36 39 39 42 43 44 45 46 46 48 3 Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục Hình 22. Hình 23. Cấấu tạo của bể lọc lớp di chuyển. Đường cong xuyến thấấu cho bể lọc carbon hoạt tính có Hình 24. Hình 25. lớp di chuyển. Bể lọc áp lực bằằng thép với carbon hoạt tính. Sự ảnh hưởng của tiếằn ozone hóa trong thời gian tiếấp xúc yếu cấằu. 48 49 50 51 CHƯƠNG 1. KẾẾ HOẠCH THỰC HIỆN 4 Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục I. GIỚI THIỆU Xử lý nước thải và nước cấấp có tấằm quan trọng rấất lớn không chỉ đôấi với môi trường tự nhiến mà còn đôấi với sức khỏe con người. M ức sôấng ng ười dấn ngày một tằng đôằi hỏi chấất lượng nước được xử lý cũng tằng theo. Đặc biệt là từ khi có các luật , quy định vếằ chấất lượng nước th ải. Các doanh nghiệp, xưởng công nghiệp cũng đã đấằu tư các hệ thôấng x ử lý nước thải đạt tiếu chuẩn theo quy định. Hấấp phụ, trong hóa học là quá trình xảy ra khi một chấất khí hay chấất lỏng bị hút trến bếằ mặt một chấất rằấn xôấp. Chấất khí, hơi hay chấất hòa tan đ ược gọi là chấất bị hấấp phụ (adsorbate), chấất rằấn xôấp dùng để hút khí, hơi hay chấất hòa tan gọi là chấất hấấp phụ (adsorbent) và những khí không b ị hấấp phụ gọi là khí trơ. Quá trình ngược lại của hấấp phụ gọi là quá trình gi ải hấấp phụ hay nhả hấấp phụ.. Các chấất hấấp phụ như là than hoạt tính , zeolite, silicagel … được s ử d ụng nhiếằu trong các công nghệ xử lý nước cấấp và nước thải. Giai đoạn l ọc thường là giai đoạn ứng dụng hấấp phụ để lọc đi các tạp chấất , chấất b ẩn , chấất ô nhiểm sau khi nước đã được xử lý cấấp một và cấấp hai. Hấấp ph ụ không chỉ được ứng dụng trong các công trình xử lý n ước cho thành phôấ hay công ty xí nghiệp mà còn được sử dụng cho lọc n ước trong nhà dấn như vòi lọc , bình lọc. Thông qua chuyến đếằ “ Ứng dụng của hấấp phụ trong xử lý nước” , chúng tôi sẻ giới thiệu vếằ cơ chếấ hấấp phụ cũng như là ứng dụng của hấấp ph ụ trong xử lý nước cấấp và nước thải , đánh giá hiệu quả của hấấp phụ trong xử lý nước. Chuyến để này được thực hiện qua việc tổng hợp các tài liệu trong nước cũng như là tài liệu quôấc tếấ. I. MỤC TIẾU Mục tiếu chính của đếằ tài là giới thiệu vếằ quá trình hấấp ph ụ, và ứng d ụng c ủa quá trình hấấp phụ vào xử lý nước thải cũng như nước cấấp. 5 Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục PHẠM VI, ĐỐẾI TƯỢNG NGHIẾN CỨU II. Đốối tượng nghiên cứu: Quá trình hấấp phụ và những ứng dụng của hấấp ph ụ trong xử lý nước thải cũng như nước cấấp. Phạm vi nghiên cứu : Những vấấn đếằ có liến quan tới quá trình hấấp phụ và những ứng dụng của hấấp phụ trong xử lý nước thải cũng như nước cấấp. Có thể mở rộng ra các bài báo, tạp chí quôấc tếấ đã được công bôấ có liến quan đếấn đếằ tài. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIẾN CỨU III. Phương pháp nghiên cứu: sử dụng nhiếằu bài báo, tạp chí nước ngoài đã được công bôấ, có chọn lọc những thông tin hay, m ới, hi ệu qu ả đ ể xấy d ựng chuyến đếằ. Ngoài ra, tham khảo ý kiếấn giảng viến để hôễ tr ợ kiếấn th ức trong quá trình thực hiện. Nội dung nghiên cứu: Để hoàn thành chuyến đếằ, chúng tôi phải thực hiện các bước. - Dịch tài liệu tham khảo chính, đọc hiểu nội dung chính. - Hình thành ý tưởng dàn bài, cấn nhằấc các nội dụng cấằn thiếất cho chuyến đếằ - Tìm kiếấm các bài báo nước ngoài (trong nước) đã được công bôấ có liến quan. Sàng lọc các thông tin phù hợp và có tính m ới l ạ. - Tham khảo tài liệu tiếấng Việt và giảng viến để nằấm chằấc thông tin. - Chỉnh sửa bài làm. 6 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. 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. 7 Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục Lỗỗ lớn (> 25nm) , lỗỗ nhỏ (1- 25nm), vi lỗỗ (<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 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. 8 Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục 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 cắắt 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. 9 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 10 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. 11 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 12 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 hấấp phụ là giảm bếằ (bếằ mặt) cằng giữa chấất l ỏng và chấất rằấn hấấp phụ là kếất quả của sự hấấp thụ của chấất bị hấấp ph ụ trến bếằ mặt của chấất rằấn. 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 khuếắch tán giữa các hạt Khối chất lỏng Màn truyền khối ngoài giữa các hạt Hấắp phụ Lỗỗ Hạt carbon Hình 4. Cơ chế hấp phụ trên bề mặt. Vật liệu hấp phụ: Các chất trên có bề mặt hấp phụ xảy ra được gọi là vật liệu hấp phụ. 13 Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục 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 Hấắp phụ của phấn tử phản ứng Phấn tử phản ứng Chấắt hấắp phụ Hấắp phụ của phấn tử phản ứng Giải hấắp phụ của những phấn tử Phấn tử được tách Chấắt hấắp phụ Lớp trung gian Hình 5. Quá trình hấp phụ và giải hấp phụ. Các ví dụ bao gồm: 14 Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục - 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). 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. ð 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: - 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): 15 Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục 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 2. 3. Lực hấp dẫn là lực Vander Waal 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. 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 16 Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục - - - - - 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. 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. 17 Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục 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. 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) 18 Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục 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) Hình 6.Sơ đồ đại diện của bể lọc than hoạt tính. 19 Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục 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 =- v dc  dy với : v : tốc độ lọc = Q/BL (m/h) q :tải lượng (g/g) : 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. 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) 20