Bài giảng Trao đổi khí: sục khí và khử khí

TRAO ĐỔI KHÍ: SỤC KHÍ VÀ KHỬ KHÍ Mục tiêu Giúp sinh viên nắm vững các nội dung: • Khái niệm về tổng áp lực và áp lực thành phần khí trong không khí và trong nước • Khái niệm hệ số chuyển tải (KLa), các yếu tố ảnh hưởng đến sự chuyển tải khí qua bề mặt tiếp xúc khí-chất lỏng • Tính hệ số KLa của máy sục khí • Ảnh hưởng của CO2 đếi pH và độ kiềm • Cách điều khiển CO2 trong hệ thống tuần hoàn Tác động của các chất khí Thông số Ảnh hưởng Tổng áp lực khí Bệnh bọt khí N2 Bệnh bọt khí O2 Sinh trưởng chậm Oxy thấp gây chết cá Oxy cao gây độc cho cá CO2 Sinh trưởng chậm Gây chết cá Giảm hấp thụ oxy Gây pH thấp NH3 Sinh trưởng chậm Gây chết cá Áp lực khí Định luật Dalton: 222 COArNOatm PPPPP +++= mmHg 159,2(0,20946)*)760( 2 ==OP mmHg 8,925(0,78)*)760( 2 ==NP Độ bão hòa oxy Độ hòa tan của các chất khí phụ thuộc vào nhiệt độ, độ mặn và áp lực khí Độ mặn (ppt) Nhiệt độ (oC) Hiệu chỉnh hàm lượng oxy bão hòa Khi biết áp lực khí: 760 * Atc PDODO = DOc: Hàm lượng oxy bão hòa hiệu chỉnh DOt: Hàm lượng oxy bão hòa ở PA= 760 mmHg (Po2 = 159,2 mmHg) PA: Áp lực không khí đo được Giả định: PA tại Lâm Đồng là 730 mmHg, nhiệt độ là 25oC. DOc tại đó là bao nhiêu? DOc = 8,24 * (730/760) = 7,91 mg/L Hiệu chỉnh hàm lượng oxy bão hòa Khi không biết áp lực khí, ước lượng PA theo cách sau: Từ 0-600m, PA giảm 4%/300m Từ 600-1500m, PA giảm 3%/300m Từ 1500-3000m, PA giảm 2,5%/300m Giả định: PA tại Bảo Lộc có độ cao 250m, nhiệt độ là 25oC. DOc tại đó là bao nhiêu? PA = 760-{760*[(250*0,04)/300]} = 734,7 mmHg DOc = 8,24*(734,7/760) = 7,97 mg/L Trao đổi khí giữa nước và không khí PP = Áp lực khí thành phần PPkhông khí > PPnước PPkhông khí < PPnước Nước Không khí Trao đổi khí giữa nước và không khí PP(O2)không khí > PP(O2)nước PP(CO2)không khí < PP(CO2)nước Nước Không khí BarrAtmPPPPP COArNOatm 11222 ==+++= Trao đổi khí giữa nước và không khí Khí Không khí Nước Tỉ lệ % L/L L/mole g/mole mg/L mg/L O2 21 0,21 22,4 32 300 9,08 N2 78 0,78 22,4 28 975 14,87 CO2 0,03 0,0003 22,4 44 0,59 0,54 Tổng KL 1275,59 KL không khí 1293,00 Câu hỏi: Trong không khí chứa 300 mgO2/L, trong nước chứa 11 mgO2/L ⇒ Hướng khuếch tán của O2? 300 mg/L = 100% bão hòa ⇒ PP(O2)Không khí = 159,2 mmHg 11 mg/L = 121,15% bão hòa ⇒ PP(O2)nước = 192,9 mmHg Chuyển tải oxy qua mặt nước Đánh giá hiệu quả của máy sục khí )C-(C V AK dt dC mSL= KL: Hệ số chuyển tải khối lượng đặc biệt (m/ngày) A : Diện tích bề mặt (m2) V: Thể tích (m3) CS: Hàm lượng oxy bão hòa Cm: Hàm lượng oxy đo được KLa: Hệ số chuyển tải khối lượng (/ngày) V AKaK LL = Làm tăng trao đổi khí Làm tăng sự trao đổi khí bằng cách: • Tăng diện tích bề mặt tiếp xúc giữa khí và nước • Giảm độ dày của bề mặt tiếp xúc giữa khí và nước • Thay đổi thành phần khí của môi trường xung quanh và áp lực khí V AKaK LL = Ước tính hệ số chuyển tải khí LnD LnD1 LnD2 t t2t1 t1-t2 LnD1-LnD2 21 21 L t-t lnD-lnD aK = mst C-CD = Độ thiếu hụt oxy ở thời điểm t (Dt) Hàm lượng khí N2 trong nước N2 là khí trơ ⇒ rất khó đo Tổng áp lực đo bằng áp lực kế Áp lực khí N2 trong nước: PN2 = PT - PO2 – Pco2 – Phơi nước – Pkhí khác Nhiều cách đo/tính toán
Sai tổng của tất cả các khí 222 COArNOatm PPPPP +++= Ảnh hưởng của oxy hòa tan Tiêu thụ oxy của cá phụ thuộc vào các nhân tố: • Loài cá, khối lượng/tuổi, tình trạng hoạt động • Thức ăn • Nhiệt độ và hàm lượng oxy Số liệu về ảnh hưởng của nhiệt độ lên sinh trưởng, FCR rất hiếm Ảnh hưởng của nhiệt độ thường khó xác định DO dưới 80% bão hòa sẽ ảnh hưởng đến sinh trưởng pH và vận chuyển oxy của máu O 2 s a t u r a t i o n o f H e m o g l o b i n Partial O2 pressure 1 mm Hg ≅ 1 torr Ảnh hưởng Bohr: pH thấp (tăng tính acid) làm giảm khả năng vận chuyển oxy của Hemoglobin CO2 và vận chuyển oxy của máu Po2 (mm Hg) Đ ộ b ã o h ò a o x y ( % ) Pco2 cao, pH=7,2 Pco2 thấp, pH=8 Ảnh hưởng Root: pH thấp và hàm lượng CO2 cao làm giảm khả năng vận chuyển oxy của máu Máy sục khí Máy sục khí bề mặt (quạt nước) là loại sục khí phổ biến Tỉ lệ chuyển tải oxy của máy sục khí được tính như thế nào? Xác định tỉ lệ chuyển tải oxy - SOTR Bước 1: Khử oxy bằng Na2SO3 (8-10mg/L) và xúc tác CoCl2 (0,05-0,1 mg/L) Na2S2O3 + ½O2→ Na2SO4 LnD LnD1 LnD2 t t2t1 t1-t2 LnD1-LnD2 21 21 L t-t lnD-lnD aK = Xác định tỉ lệ chuyển tải oxy - SOTR Bước 2: Xác định KLaT /60)t-(t lnD-lnD aK 7010 7010 TL = KLaT: Hệ số chuyển tải ở nhiệt độ T (h) D10: Độ thiếu hụt oxy khi đạt 10% bão hòa (mg/L) D70: Độ thiếu hụt oxy khi đạt 70% bão hòa (mg/L) t10: Thời điểm oxy đạt 10% bão hòa (min) t70: Thời điểm oxy đạt 70% bão hòa (min) Xác định tỉ lệ chuyển tải oxy - SOTR Bước 3: Hệ số chuyển tải oxy ở nhiệt độ 20oC 20-T TL 20L 1.024 aK aK = Bước 4: Tính tỉ lệ chuyển tải oxy chuẩn (SOTR) )/( 10 V))(C(aKSOTR 23S2020L hOkg= Bước 5: Hiệu quả sục khí chuẩn (SAE) )//(SOTR/kWSAE 2 hkWOkg= Xác định tỉ lệ chuyển tải oxy - SOTR Tính tỉ lệ chuyển tải oxy của nước ao (AOTR) )/(024.1 C CCSOTRAOTR 2 20 S20 mST hOkgT α−−= Hiệu quả sục khí của nước ao(AAE) )/kW/(024,1 C CCSAEAAE 2 20 S20 mST hOkgT α−−= α = (KLa20 nước ao)/(KLa20 nước máy) Xác định tỉ lệ chuyển tải oxy - SOTR Đơn vị tính của SAE và AAE – kg O2/kW/h – kg O2/lít nhiên liệu/h Nhiên liệu – 2,26 kW/h = 1 lít xăng/h – 3,28 kW/h = 1 lít dầu diesel/h Hàm lượng CO2 trong nước Khi [HCO3-] = [CO2] thì [H+] = K1= 10-6,35 ⇒ pH = 6,35 (pH = -lg[H+]) Trong nước sạch, 25oC và khí áp là 760mmHg hàm lượng CO2 là 0,46mg/L (~ 10-5 eq) ⇒ pH = 5,68. Hàm lượng CO2 là 30 mg/L (~ 10-3,166 eq) ⇒ pH=4,8 CO2 không gây giảm pH dưới 4,5. Khi pH<4,5 là do acid khoáng Hằng số cân bằng của phương trình trên được trình bày như sau: 35,6 1 2 - 3 10k]CO[ ]HCO][H[ − + == Hàm lượng CO2 trong nước CO2 trong nước (mg/L) C O 2 t r o n g m á u ( m m o l e / L ) Ảnh hưởng Bohr – Root: Khả năng kết hợp của O2 và hemoglobin giảm khi CO2 cao > 40 mg CO2/l trong 3 tháng
SGR bị giảm 20%. Hàm lượng CO2 trong nước Có thể khử CO2 bằng 2 phương pháp: Khử khí: • Sự chệnh lệch CO2 giữa nước và không khí rất nhỏ, nhanh dẫn đến cân bằng • Thông khí tốt với tỉ lệ Khí:Nước bằng 10 hoặc lớn hơn • ↓ CO2, ↑ pH, ↓ TCC, ít ảnh hưởng đến độ kiềm Thêm bazơ: • Thay đổi cân bằng CO2, HCO3-, CO32- bằng cách tăng pH • ↓ CO2,,↑ pH, ↑ độ kiềm và khoáng ảnh hưởng đến TCC Hàm lượng CO2 trong nước • CO2 hàm lượng: CO2,, H2CO3, HCO3-, CO32-
khó tính toán • pH, độ kiềm và nhiệt độ phụ thuộc nhau • CO2 trong không khí thấp, CO2 trong nước cao ⇒ Chuyển CO2 từ nước sang không khí • Sử dụng cột khử khí (tripping column) • Kết hợp với lọc khô (trickling filter) Hàm lượng CO2 trong nước Cột khử khí với tỉ lệ G:L từ 5-10