Chương 3 Phương pháp hấp phụ

219 June 2010 TRẦN THỊ NGỌC DIỆU HẤP PHỤ MỤC ĐÍCH Thu hồi sản phẩm quý Khử các chất gây cản trở cho quá trình oxy hóa sinh hóa 3 19 June 2010 TRẦN THỊ NGỌC DIỆU HẤP PHỤ KHÁI NIỆM CƠ BẢN Hấp phụ là hiện tượng bề mặt, nó là sự ngưng kết chất khí hoặc chất tan trên bề mặt phân chia pha. 4 19 June 2010 TRẦN THỊ NGỌC DIỆU HẤP PHỤ KHÁI NIỆM CƠ BẢN Hấp phụ là quá trình tăng nồng độ của chất tan (chất bị hấp phụ) trên bề mặt chất rắn (chất hấp phụ) Quá trình hấp phụ xảy ra trên cơ sở lực hút tĩnh điện, lực định hướng, lực tán xạ (lực hấp phụ vật lý) Nếu lực tương tác đủ lớn có thể xảy ra liên kết hoá học hoặc tạo phức, trao đổi ion 519 June 2010 TRẦN THỊ NGỌC DIỆU HẤP PHỤ ỨNG DỤNG Ứng dụng: khử độc nước thải khỏi thuốc diệt cỏ, phenol, thuốc sát trùng, các hợp chất nitơ vòng thơm, chất hoạt động bề mặt, thuốc nhuộm, các chất ô nhiễm vi lượng, các chất có mùi, các chất khó phân hủy sinh học... Xử lí, tách và thu hồi các chất hoà tan trong nước thải Hiệu quả đạt 80 - 95%. Phụ thuộc vào bản chất hóa học của chất hấp phụ, diện tích bề mặt chất hấp phụ, cấu trúc hóa học chất được hấp phụ. 6 19 June 2010 TRẦN THỊ NGỌC DIỆU HẤP PHỤ CÁC TƯƠNG TÁC GÂY RA HẤP PHỤ VẬT LÝ Lực tĩnh điện: hai điện tích trái dấu thì hút nhau và cùng dấu thì đẩy nhau. Lực định hướng: do độ âm điện khác nhau của các nguyên tố, trong một phân tử có sự phân bố điện tích không đều. Lực tán xạ: xảy ra đối với cả các chất có phân bố điện tích đều. Nguyên nhân do sự phân bố điện tích không đều một cách tức thời trong phân tử, sự phân bố không đều lan truyền xung quanh gây tương tác. 7 19 June 2010 TRẦN THỊ NGỌC DIỆU HẤP PHỤ Lực cảm ứng: phân tử khi bị tác động của điện trường khác sẽ bị phân cực tạo thành moment cảm ứng và gây ra tương tác. Tương tác này phụ thuộc vào độ phân cực và cường độ điện trường tác dụng lên nó. CÁC TƯƠNG TÁC GÂY RA HẤP PHỤ VẬT LÝ 8 19 June 2010 TRẦN THỊ NGỌC DIỆU HẤP PHỤ LỰC TÁC DỤNG XẢY RA KHI XỬ LÝ NƯỚC Quá trình hấp phụ dưới tác dụng của trường lực, gồm hai dạng: Hydrat hóa các phân tử chất tan: tác dụng tương hỗ giữa những phân tử chất bẩn hòa tan với những phân tử nước trong dung dịch. Tác dụng tương hỗ giữa những phân tử chất bẩn bị hấp phụ với các nguyên tử trên bề mặt chất rắn 919 June 2010 TRẦN THỊ NGỌC DIỆU HẤP PHỤ LỰC TÁC DỤNG XẢY RA KHI XỬ LÝ NƯỚC Hydrat càng mạnh Chất bẩn càng khó hấp phụ Phân tử chất bẩn có điện tích Phân tử có liên kết π Khó hấp phụ hơn Năng lượng hấp phụ lớn → Hấp phụ tốt 10 19 June 2010 TRẦN THỊ NGỌC DIỆU HẤP PHỤ KHẢ NĂNG HẤP PHỤ MỘT SỐ CHẤT Các chất kỵ nước sẽ hấp phụ tốt hơn chất ưa nước Các chất không phân ly bị hấp phụ như nhau ở bất kỳ giá trị pH 11 19 June 2010 TRẦN THỊ NGỌC DIỆU HẤP PHỤ CÁC GIAI ĐOẠN HẤP PHỤ Di chuyển chất bị hấp phụ đến bề mặt chất hấp phụ Thực hiện quá trình hấp phụ Di chuyển chất bị hấp phụ bên trong chất hấp phụ 12 19 June 2010 TRẦN THỊ NGỌC DIỆU HẤP PHỤ CƠ CHẾ HẤP PHỤ 13 19 June 2010 TRẦN THỊ NGỌC DIỆU HẤP PHỤ PHÂN LOẠI Dựa vào bản chất của quá trình hấp phụ – Hấp phụ vật lý – Hấp phụ hoá học Dựa vào điều kiện hấp phụ – Hấp phụ trong điều kiện tĩnh – Hấp phụ trong điều kiện động Hấp phụ chọn lọc Hấp phụ trao đổi 15 19 June 2010 TRẦN THỊ NGỌC DIỆU HẤP PHỤ CHẤT HẤP PHỤ TỰ NHIÊN Zeolit tự nhiên Diatomit (SiO2 vô định hình) Montmorillonit (bentonit) Mordenit Chabazit 16 19 June 2010 TRẦN THỊ NGỌC DIỆU HẤP PHỤ CHẤT HẤP PHỤ NHÂN TẠO Than hoạt tính Zeolit Nhôm oxyt Silicagen Các polymer – Thành phần chính của các loại hấp phụ trên là các oxyt kim loại, oxyt silisic hay hỗn hợp giữa chúng – Than hoạt tính thành phần chủ yếu là cacbon 17 19 June 2010 TRẦN THỊ NGỌC DIỆU HẤP PHỤ CHẤT HẤP PHỤ NHÂN TẠO Dựa vào kích thước mao quản gồm ba loại: – Mao quản nhỏ có đường kính < 20 A0 – Mao quản trung bình có đường kính 20 – 500 A0 – Mao quản lớn có đường kính > 500 A0 19 19 June 2010 TRẦN THỊ NGỌC DIỆU HẤP PHỤ THAN HOẠT TÍNH 20 19 June 2010 TRẦN THỊ NGỌC DIỆU HẤP PHỤ THAN HOẠT TÍNH 21 19 June 2010 TRẦN THỊ NGỌC DIỆU HẤP PHỤ BỀ MẶT THAN HOẠT TÍNH 22 19 June 2010 TRẦN THỊ NGỌC DIỆU HẤP PHỤ CÁC CHẤT KHÁC SILICAGEN ZEOLIT N H Ô M H O Ạ T T ÍN H 25 19 June 2010 TRẦN THỊ NGỌC DIỆU HẤP PHỤ HẤP PHỤ TRONG ĐIỀU KIỆN TĨNH Chất hấp phụ ở trạng thái lơ lửng nhờ thiết bị khuấy trộn. Thời gian tiếp xúc được xác định bằng thực nghiệm. Dựng đồ thị ΔC = f(t), trong đó trục hoành là thời gian, trung tung là ΔC = C0 – C. Thời gian tiếp xúc giới hạn, khi giữa hai giá trị ΔC gần nhau (nồng độ chất bẩn còn lại trong nước hầu như không thay đổi). Nồng độ này đôi khi được gọi là nồng độ cân bằng. 26 19 June 2010 TRẦN THỊ NGỌC DIỆU HẤP PHỤ HẤP PHỤ TRONG ĐIỀU KIỆN TĨNH Thời gian đạt trạng thái cân bằng hoàn toàn (tgh) ứng với ΔCgh = C0 - Cgh 0 0 0,7 0,8gh gh cb cb C C C C C C D - = = - D - Lượng chất hấp phụ cần thiết phải cho vào nước thải để giảm nồng độ chất bẩn từ C0 ® Ccb ( )0 0. . . cb cb Q C C m a Q C Q C m a - + = Þ = g hoặc kg Hấp phụ đơn vị tĩnh, g/1g chất HP g/l 27 19 June 2010 TRẦN THỊ NGỌC DIỆU HẤP PHỤ HẤP PHỤ TRONG ĐIỀU KIỆN TĨNH Thay a = Khp. Ccb ( )0 cb hp cb Q C C m K C - = ´ 0 cb hp Q CC Q K m ´ = + ´ Nếu cho chất hấp phụ nối tiếp vào nước với liều lượng không đổi, nồng độ chất bẩn còn lại trong nước sau n: 0. n n hp QC C Q K m æ ö = ´ç ÷ç ÷+è ø Nếu hấp phụ nhiều lần nối tiếp sẽ sử dụng triệt để khả năng hấpp hụ của chất rắn và giảm chi phí hấp phụ 28 19 June 2010 TRẦN THỊ NGỌC DIỆU HẤP PHỤ HẤP PHỤ TRONG ĐIỀU KIỆN TĨNH Số bậc hấp phụ khi nối tiếp xuôi dòng: ( ) 0lg lg lg . lg n hp C Cn Q K m Q - = + - Có thể tính m từ công thức trên: 0 1n hp n CQm K C æ ö = -ç ÷ç ÷ è ø 29 19 June 2010 TRẦN THỊ NGỌC DIỆU HẤP PHỤ VÍ DỤ Q = 5m3/h, C0 = 100 mg/l, Khp = 10000. Xác định nồng độ chất bẩn còn lại trong nước khi xử lý bằng chất hấp phụ với liều lượng 1g/l theo 1, 2, 4 bậc? Nếu sử dụng 1bậc thì liều lượng chất hấp phụ là bao nhiêu? 30 19 June 2010 TRẦN THỊ NGỌC DIỆU HẤP PHỤ GIẢI Hấp phụ 1 lần, lượng chất hấp phụ sử dụng: m = 0,001 × 5 × 1000 = 5kg/h Nồng độ chất bẩn còn lại trong nước sau một bậc hấp phụ: 1 5000 0,1 0,0091 / 9,1 / 5000 10000 5 C g l mg l´= = = + ´ 31 19 June 2010 TRẦN THỊ NGỌC DIỆU HẤP PHỤ GIẢI Khi n = 2, lượng chất hấp phụ cho vào mỗi bậc m = 5/2 = 2,5kg Nồng độ chất bẩn còn lại trong nước sau bậc hấp phụ thứ 2: 2 2 5000 0,1 0,028 / 2,8 / 5000 10000 2,5 C g l mg læ ö= ´ = =ç ÷+ ´è ø 32 19 June 2010 TRẦN THỊ NGỌC DIỆU HẤP PHỤ GIẢI Khi n = 4, lượng chất hấp phụ cho vào mỗi bậc m = 5/2 = 1,25kg Nồng độ chất bẩn còn lại trong nước sau bậc hấp phụ thứ 4: 4 2 5000 0,1 0,00067 / 0,67 / 5000 10000 1,25 C g l mg læ ö= ´ = =ç ÷+ ´è ø 33 19 June 2010 TRẦN THỊ NGỌC DIỆU HẤP PHỤ GIẢI Như vậy nếu muốn giảm từ C0 = 100 mg/l tới C = 0,67 mg/l. Lượng chất hấp phụ cần là: ( )5000 0,1 0,00067 75 / 10000 0,00067 m kg h ´ - = = ´ 34 19 June 2010 TRẦN THỊ NGỌC DIỆU HẤP PHỤ SƠ ĐỒ HẤP PHỤ NHIỀU BẬC NỐI TIẾP XUÔI DÒNG Nöôùc thaûi Chaát haáp phuï Chaát haáp phuï Chaát haáp phuï Nöôùc saïch 222 1 1 1 Chaát haáp phuï ñaõ söû duïng 1. Bể trộn 2. Bể lắng 35 19 June 2010 TRẦN THỊ NGỌC DIỆU HẤP PHỤ HẤP PHỤ NHIỀU BẬC NGƯỢC DÒNG Nồng độ chất bẩn còn lại sau khi ra khỏi bậc n với sơ đồ ngược dòng: 01 1 1 hp n n hp mK QC C mK Q + ´ - = ´ æ ö ´ -ç ÷ è ø 36 19 June 2010 TRẦN THỊ NGỌC DIỆU HẤP PHỤ HẤP PHỤ NHIỀU BẬC NGƯỢC DÒNG Số bậc hấp phụ khi nối tiếp ngược dòng: 0lg 1 lg lg hp n n hp mC K C C Q n mK Q é ùæ ö ´ - + -ê úç ÷ è øë û= ´ Có thể tính m từ công thức trên: 1 01 0. 1 0 . n hp hpn n n K K C Cm m Q Q C C + + æ öæ ö ´ - ´ - - =ç ÷ç ÷ è ø è ø 37 19 June 2010 TRẦN THỊ NGỌC DIỆU HẤP PHỤ SƠ ĐỒ HẤP PHỤ NHIỀU BẬC NỐI TIẾP NGƯỢC DÒNG Nöôùc thaûi Chaát haáp phuï Chaát haáp phuï Chaát haáp phuï Nöôùc saïch 222 1 1 1 Chất hấp phụ đưa đi hòan nguyên 1. Bể trộn 2. Bể lắng 39 19 June 2010 TRẦN THỊ NGỌC DIỆU HẤP PHỤ LỌC QUA LỚP VẬT LIỆU CỐ ĐỊNH Là quá trình diễn ra khi cho nước thải lọc qua lớp vật liệu lọc hấp phụ 40 19 June 2010 TRẦN THỊ NGỌC DIỆU HẤP PHỤ LỌC QUA LỚP VẬT LIỆU CỐ ĐỊNH Cho hiệu suất xử lý tin cậy và ổn định Không cần lấy chất hấp phụ ra khỏi bể lọc →tự động hóa và điều khiển từ xa Sử dụng tối đa dung tích vật liệu hấp phụ ƯU ĐIỂM 41 19 June 2010 TRẦN THỊ NGỌC DIỆU HẤP PHỤ LỌC QUA LỚP VẬT LIỆU LƠ LỬNG Khi hàm lượng chất đa phân tán cao, vật liệu hấp phụ dùng có kích thước 0,5 – 1mm. Lớp lơ lửng được hình thành khi tăng tốc độ dòng chảy ở tháp lọc hoặc dòng khí từ dưới lên đến giá trị cho các hạt vật liệu ở trạngthái lơ lửng.. Hiệu suất hấp phụ lơ lửng thường cao hơ lọc qua lớp vật liệu cố định. 42 19 June 2010 TRẦN THỊ NGỌC DIỆU HẤP PHỤ ĐIỀU KIỆN TỐI ƯU KHI LỌC QUA LỚP VẬT LIỆU LƠ LỬNG Tỉ lệ Ht/H (độ nở) nhỏ (thường Ht/H = 1,5) – Ht: Chiều cao lớp vật liệu lơ lửng (do tốc độ dòng chảy tạo ra) – H: Chiều cao ban đầu của lớp vật liệu cố định (khi chưa cho nước đi qua) Các hạt vật liệu lọc càng đa phân tán và không đồng nhất (lấy khỏang 0,25 – 0,75 hoặc 0,25 – 1mm) thì càng tốt, để tốc độ nước qua lọc không nhỏ quá Chiều cao lớp vật liệu lọc phải đủ để hấp phụ các chất bản hòa tan trong nước. 44 19 June 2010 TRẦN THỊ NGỌC DIỆU HẤP PHỤ MỤC ĐÍCH Tách chất bẩn ra khỏi chất hấp phụ 46 19 June 2010 TRẦN THỊ NGỌC DIỆU HẤP PHỤ TÁI SINH BẰNG NHIỆT Đốt ở nhiệt độ 8000C, với áp suất có thể điều chỉnh, tránh không cháy than Chất chất hữu cơ hấp phụ bị phân huỷ Có thể thu hồi kim loại Thích hợp khi làm thông bề mặt hạt. Diệt trùng cho than Thường dùng hỗn hợp các khí để đốt than với hơi nước ở nhiệt độ 700 – 8000C trong điều kiện thiếu oxy. 47 19 June 2010 TRẦN THỊ NGỌC DIỆU HẤP PHỤ TÁI SINH BẰNG HƠI Dùng hơi nước bão hòa hay hơi quá nhiệt bằng khí trơ nóng. Nhiệt độ hơi quá nhiệt tái sinh: 200 – 3000C. Áp suất dư 3 – 6at. Khí trơ ở nhiệt độ khỏang 120 – 1400C Hơi được tiêu hao: – Cho nước còn lại trong các lỗ rỗng của than – Đun nóng lớp vật liệu tới nhiệt độ bay hơi 48 19 June 2010 TRẦN THỊ NGỌC DIỆU HẤP PHỤ TÁI SINH BẰNG HƠI Dùng khí trơ khử hấp phụ bằng cách cho các phân tử chất bẩn bay hơi và đi theo khí trơ, sau đó đi qua tháp lọc lạnh đi và chất bẩn sẽ ngưng lại. Thích hợp cho nước thải chứa acid axetic. 49 19 June 2010 TRẦN THỊ NGỌC DIỆU HẤP PHỤ TÁI SINH BẰNG TRÍCH LY Dùng các chất hữu cơ có nhiệt độ sôi thấp và dễ chưng bằng hơi nước: Metanol, benzen, toluen, dicloetanol 50 19 June 2010 TRẦN THỊ NGỌC DIỆU HẤP PHỤ TÁI SINH BẰNG HÓA HỌC Khi không cần thu hồi chất bị hấp phụ, khi hòan nguyên than kết hợp khử luôn những chất đó. Nguyên tắc: biến đổi chất đó thành chất khác dễ tách hơn hoặc phá vỡ cấu trúc của chúng bằng tác nhân hóa học hay bằng phương pháp nhiệt. 51 19 June 2010 TRẦN THỊ NGỌC DIỆU HẤP PHỤ TÁI SINH BẰNG SINH HỌC Áp dụng cho các chất bị hấp phụ có thể oxy hoá sinh hóa Phương pháp này kéo dài được thời hạn sử dụng chất hấp phụ một cách đáng kể 52 19 June 2010 TRẦN THỊ NGỌC DIỆU HẤP PHỤ HỆ THỐNG HÒAN NGUYÊN THAN HOẠT TÍNH 54 19 June 2010 TRẦN THỊ NGỌC DIỆU HẤP PHỤ CÁC YẾU TỐ LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ Giá thành sản phẩm thu hồi Giá thành vật liệu hấp phụ Chi phí tái sinh vật liệu Nếu không tái sinh dùng sơ đồ hấp phụ tĩnh là đơn giản nhất 55 19 June 2010 TRẦN THỊ NGỌC DIỆU HẤP PHỤ TRẠM XỬ LÝ VỚI TÁI SINH BẰNG HƠI 1. Thùng chứa phèn để điều chỉnh pH của nước thải 2. Thùng định lượng 3. Đài áp lực 4. Bơm 5,6 Tháp hấp phụ công tác 7 Tháp hấp phụ ngắt ra để tái sinh vật liệu bằng hơi nước nóng 8 Thiết bị làm lạnh 9 Bình tách nước ngưng 10 Bể lọc trung hòa nước đã xử lý 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Ống dẫn hơi nước Đến thiết bị làm lạnh Xả vào hệ thống thóat nước sạch Sản phẩm Đến hệ thống thông gió Nước 56 19 June 2010 TRẦN THỊ NGỌC DIỆU HẤP PHỤ TRẠM XỬ LÝ VỚI TÁI SINH BẰNG HỖN HỢP HƠI NƯỚC - KHÍ 1. Bể chứa nước thải 2. Máy bơm 3. Đài nước 4. Điều chỉnh tốc độ 5. Tháp hấp phụ chứa than hoạt tính 6. Thiết bị lạnh 7. Bình chứa nước ngưng 8. Tháp lọc hấp phụ để xử lý khí (đã nguội) trước khi đưa vào khí quyển 1 2 3 4 5 6 7 8 57 19 June 2010 TRẦN THỊ NGỌC DIỆU HẤP PHỤ TRẠM XỬ LÝ VỚI TÁI SINH BẰNG HÓA CHẤT 1. Bể lắng 2. Máy bơm 3. Thùng hòa trộn 4. Thiết bị đo 5. Tháp lọc hấp phụ để xử lý nước 6. Tháp lọc hấp phụ để tái sinh vật liệu than 7. Máy bơm kiềm để tái sinh 8. Nồi đun kiềm – nước rửa 9. Định lượng kiềm xút (40%) 1 3 5 6 9 7 4 8 Nước sạch Nước rửa Nước bẩn 58 19 June 2010 TRẦN THỊ NGỌC DIỆU HẤP PHỤ XỬ LÝ VỚI TÁI SINH BẰNG PHÂN HỦY 1. Nước axit 2. Nước kiềm 3. Bể lắng chứa hỗn hợp nước thải 4. Bơm 5. Bể trộn 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 6, 7. Định lượng phèn 8. Bể lắng 9. Trộn nước + than 10. Định lượng than 11. Bơm 12. Tháp hấp phụ lơ lửng 13. Máy bơm cặn 14. Máy ép lọc chân không 15. Lò tái sinh than 16. Bể chứa than 17. Bể lắng 18. Bể lọc 59 19 June 2010 TRẦN THỊ NGỌC DIỆU HẤP PHỤ QUY TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI