Thí nghiệm Jar Test

THÍ NGHIEÄM JAR TEST Thời gian lắng tự nhiên của một số tạp chất trong nước Chọn lựa công nghệ xử lý nước phụ thuộc rất nhiều vào kích thước hạt Trong kỹ thuật xử lý nước thải, các hạt cặn trong nước có nguồn gốc khác nhau và có kích thước khác nhau. Dùng biện pháp xử lý cơ học như lắng lọc có thể loại bỏ được các cặn có kích thước lớn hơn 10-4 mm, còn các hạt có kích thước nhỏ hơn 10-4 mm không thể tự lắng được mà luôn tồn tại ở trạng thái lơ lửng. Phương pháp xử lý dựa trên quá trình keo tụ và tạo bông là biện pháp xử lý hiệu quả các hạt cặn lơ lửng trên. Cơ sở khoa học của phương pháp keo tụ Độ phân tán và diện tích bề mặt lớn =>hạt keo hút nhau Hạt keo cùng loại =>đt cùng dấu => hạt keo đẩy nhau Hạt keo không thể hút nhau mà lắng xuống nhờ trọng lực Thế Zeta càng lớn (hạt keo càng tích điện) thì hệ keo càng bền (khó kết tủa) Thế Zeta = 0 => hệ keo thành tụ điện phẳng ( không tích điện) => dễ dàng hút => dễ lắng Hiện tượng keo tụ Keo tụ (Coagulation): hiện tượng hạt keo cùng loại hút nhau tạo thành tập hợp hạt có kích thước và khối lượng đủ lớn để lắng xuống do trọng lực trong thời gian đủ ngắn GIAI ĐOẠN KEO TỤ Colloidal particles (0.001 - 1 m) floc (1 - 100 m) Keo tụ gồm 2 giai đoạn chính: khử tính bền của hạt keo tạo liên kết giữa chúng Nguyên tắc: Khi cho chất trợ keo vào nước keo chứa cặn lắng chậm hay không lắng thì các bông cặn mịn kết tụ với nhau hình thành bông cặn lớn hơn và nặng, có thể tách khỏi nước bằng lắng trọng lực. Mục tiêu: Giảm độ đục, khử màu, cặn lơ lửng và vi sinh Cơ chế của quá trình keo tụ:1. Nén ép làm giảm độ dày lớp điện kép Ion của chất điện ly cùng dấu với điện tích bề mặt thì bị đẩy và ion đối với nó thì bị hút Khi 2 tương tác hút giữa 2 loại điện tích khác nhau xảy ra lớp khuếch tán bị co lại tỉ lệ thuận với nồng độ hóa trị của ion trong lớp khuếch tán cũng như trong dung dịch Thể tích lớp khuếch tán nhỏ đi => giảm độ dày => tạo điều kiện cho tương tác Van der Waals => giảm hàng rào thế năng giữa các hạt keo => quá trình keo tụ xảy ra 2. Cơ chế hấp phụ và trung hòa điện tích Tính năng phá hủy độ bền của các chất keo tụ có liên quan chặt chẽ với tương tác tổ hợp của các cặp chất keo tụ - hạt keo, chất keo tụ - nước và hạt keo – nước, đặc biệt đối với hệ có thế năng thấp và lớp khuếch tán rộng. Trong quá trình keo tụ, các ion đối sẽ được hấp phụ trong lớp khuếch tán làm giảm điện tích bề mặt, khi điện tích bề mặt giảm sẽ làm giảm tương tác đẩy giữa các hạt keo tạo điều kiện chúng tiến lại gần nhau hơn và tạo thành tập hợp lớn. 3. Cơ chế hấp phụ tạo cầu nối giữa các hạt keo Các polyme hình thành trong hệ hay các polyme được bổ sung vào (chất trợ keo tụ) được hấp thụ trên bề mặt các hạt keo khác nhau tạo ra một cầu nối giữa chúng, tạo điều kiện tạo thành tập hợp lớn … 4. Cơ chế tạo kết tủa quét Do quá trình thủy phân và tạo polyme khi nồng độ ở trạng thái siêu bão hòa, các polyme kết hợp lại tạo thành tập hợp lớn và lắng. Trong quá trình lắng chúng lôi kéo các hạt keo lắng theo. Chất keo tụ (Coagulant) Hợp chất hoá học thêm vào nước nhằm thúc đẩy sự keo tụ (làm giảm lực đẩy tĩnh điện các hạt, tạo điều kiện để các hạt tiếp xúc nhau). Các chất keo tụ thông dụng nhất: AlCl3, Al2(S04)3 FeCl3, Fe2(S04)3 Aln(0H)mClx(S04)y (PAC) Lieàu löôïng CKT toái öu ñoái vôùi moät loaïi nöôùc caàn xöû lyù nhaát ñònh ñöôïc xaùc ñònh thoâng qua thí nghieäm Jar test Thí nghiệm Jartest - TN Jartest xác định pH tối ưu: vì mỗi loại nước thải có một giá trị pH tối ưu nhất định ứng với mọi lừu lượng phèn, pH tối ưu tức là tại giá trị đó điện thế Zeta bằng không, khả năng keo tụ là tốt nhất. Trong TN Jartest có thể xác định pH tối ưu trước hoặc cũng có thể xác định liều lượng phèn tối ưu trước. Cả 2 trường hợp đều cho giá trị về pH tối ưu và liều lượng phèn tối ưu như nhau. Thông thường ta xác định pH tối ưu ứng với một liều lượng phèn nhất định, sau đó với pH tối ưu đã xác định ta xác định liều lượng phèn tối ưu về kinh tế, tiết kiệm chi phí hóa chất. I. Mục đích - Xác định giá trị pH tối ưu của quá trình keo tụ tạo bông - Xác định liều lượng phèn tối ưu của quá trình keo tụ tạo bông Khử độ đục, độ màu của nước cấp Khử độ đục, độ màu, COD, BOD5, SS của nước thải - Ngoài ra TN Jartest có thể cho biết thêm về tốc độ kết cụm theo tốc độ khuấy (năng lượng khuấy), đặc tính lắng của bông cặn… II. Cơ sở lý thuyết - Xử lý bằng phương pháp keo tụ là cho vào nước một loại hóa chất là chất keo tụ có thể đủ làm cho các hạt rất nhỏ biến thành những hạt lớn lắng xuống. Thông thường quá trình tạo bông tạo ra 2 giai đoạn: + Bản thân CKT phát sinh thủy phân, quá trình hình thành dung dịch keo và ngưng tụ + Trung hòa hấp phụ lọc các tạp chất trong nước => Kết quả của quá trình trên là hình thành các hạt lớn lắng xuống. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ tạo bông: Trị số pH của nước Độ kiềm Lượng dùng chất keo tụ Nhiệt độ nước Tốc độ hỗn hợp của nước và chất keo tụ Tạp chất trong nước Môi chất tiếp xúc Ảnh hưởng của liều lượng polyme (chất trợ keo tụ) a. Trị số pH: - Tốc độ keo tụ dung dịch keo và điện thế của nó có mối liên hệ. Trị số điện thế càng nhỏ lực đẩy giữa các hạt càng yếu vì vậy tốc độ keo tụ của nó càng nhanh. Ở pH tối ưu điện thế = 0 (điểm đẳng điện) => tốc độ keo tụ là lớn nhất pH ảnh hưởng đến độ hòa tan nhôm hydroxit. pH ảnh hưởng đến điện tích của hạt keo nhôm hydroxit. pH ảnh hưởng đối với chất hưu cơ trong nước. pH ảnh hưởng đến tốc độ keo tụ dung dịch keo. b. Độ kiềm Nếu độ kiềm của nước nguồn quá thấp sẽ không đủ để khử tính acid do chất keo tụ thủy phân sinh ra => pH của nước sau khi cho phèn vào quá thấp => tốc độ keo tụ giảm Kiểm tra điều chỉnh độ kiềm của dung dịch sau khi cho phèn vào bằng cách cho kiềm vào. c. Lượng dùng chất keo tụ Huyền phù trong nước càng nhiều thì lượng dùng chất keo tụ càng lớn. Cũng có trường hợp lượng chc ít nhưng lượng chất keo tụ nhiều do cặn lắng chậm Ở hàm lượng cao hơn hàm lượng giới hạn, phức làm đổi ngược điện tích hạt keo. Chất keo tụ thêm vào đủ lớn thì hiện tượng quét bông xảy ra Cần xác định lượng phèn tối ưu nhằm đảm bảo hiểu quả quá trình keo tụ và đảm bảo yếu tố kinh tế. Chất keo tụ PAC (Ấn Độ) Chất keo tụ PAC Chất keo tụ FAC d. Nhiệt độ nước Khi dùng muối nhôm làm chất keo tụ, nhiệt độ ảnh hưởng lớn đến hiệu quả keo tụ. Khi nhiệt độ nước rất thấp ( dd keo tụ => ion trái dấu là tạp chất ảnh hưởng quá trình keo tụ do lớp khuếch tán bị co lại, nồng độ ion đối trong lớp hấp phụ tăng lên, lớp điện kép bị đẩy sát vào bề mặt chất rắn, điện thế zeta giảm dần. Nếu pha loãng dung dịch, lớp khuếch tán giãn rộng ra, thế zeta tăng lên, tốc độ keo tụ giảm Khi trong nước có chứa một lượng lớn chất hữu cơ cao phân tử (acid humic) nó có thể hấp phụ trên bề mặt dung dịch keo => bảo vệ hạt keo => khó keo tụ => hiệu quả keo tụ giảm cho clo hoặc khí ozon để phá hủy các chất hữu cơ đó g. Môi chất tiếp xúc Khi tiến hành keo tụ mà trong nước duy trì một lớp cặn bùn nhất định, khiến quá trình kết tủa càng hoàn toàn, làm cho tốc độ kết tủa tăng lên. Lớp cặn bùn đó có tác dụng làm môi chất tiếp xúc, trên bề mặt của nó có tác dụng hấp phụ, thúc đẩy và tác dụng của các cặn bùn đó như những hạt nhân kết dính. h. Ảnh hưởng của liều lương polyme (chất trợ keo tụ) - Chất trợ keo tụ được thêm vào nhằm tăng quá trình tạo thành bông keo với mục đích tăng tốc độ lắng của các bông keo Nếu liều lượng polyme dư nhiều, các hạt keo ổn định trở lại, tốc độ keo tụ giảm Chất trợ keo VCP1 Hạt nâng pH Chất trợ keo VAP1 Chất trợ keo PAM III. Mô hình và thiết bị, hóa chất thí nghiệm I: hộp số điều khiển II: cánh khuấy III: tua bin cánh khuấy IV: cốc 1000ml thủy tinh V: bệ đỡ Mô hình Jartest là một thiết bị gồm 6 cánh khuấy quay cùng tốc độ. Nhờ hộp số tốc độ quay có thể điều chỉnh từ 10 – 120 rpm. Cánh khuấy có dạng turbine gồm 2 bảng phẳng nằm trong cùng một mặt phẳng đứng, được đặt trong beaker dung tích 1000ml có chia vạch đựng cùng một loại nước thải. Một máy pectro xác định độ đục, độ màu nước thải Hóa chất phân tích COD, tủ sấy COD 3 pipet định lượng hóa chất phèn, xút, 3 ống hút cao su, găng tay và kính bảo hộ Hóa chất phèn nhôm, phèn sắt, xút Nước thải và nước cấp để chạy mô hình Điện 220v sử dụng thiết bị Các bước tiến hành Bước 1: - Bước 2: Cho vào mỗi cốc 15 ml phèn nhôm (Al2(SO4)3.5H2O) 5% - Bước 3: Cho thêm NaOH 0,1N vào các cốc theo bảng sau: Bước 4: Đo pH Bước 5: Khuấy với tốc độ 140 vòng/phút trong 20 phút Bước 6: Cho vào mỗi cốc 1 ml PAC 30%, giảm tốc độ khuấy còn 40 vòng/phút trong 15 phút, sau đó để lắng 10 phút rồi đem đi lọc lấy lớp nước trong, đem đi đo độ màu ở bước sóng 455 nm. - Bước 7: Kết quả Bước 8: Xác định pH tối ưu dựa vào hiệu suất cao nhất Nhận xét: Dựa vào đồ thị ta thấy vị trí cực đại của đồ thị ứng với hiệu quả xử lý cao nhất. Vì vậy, giá trị pH tối ưu của thí nghiệm này là pH = 3.41 ứng với 20mlNaOH 0.1N/900ml nước thải TH2: Xác định lượng phèn tối ưu - Lấy 1l nước thải cho vào cốc 1000ml sau đó đặt cốc vào thiết bị Jartest - Thay đổi liều lượng phèn ở 6 cốc chứa 1000ml nước thải sau đó thêm acid hoặc kiềm để pH dạt giá trị tối ưu như đã xác định ở TN 1 - Mở cánh khuấy quay ở tốc độ 100 vòng/phút trong 5’ - Sau đó quay chậm trong 15’ với tốc độ 15 – 20 vòng/phút - Tắt máy khuấy để lắng tĩnh 30’ - Lấy mẫu nước lắng (lớp nước phía trên) phân tích các chỉ tiêu pH, độ đục, độ màu. => Liều lượng phèn tối ưu là giá trị ứng với mẫu có độ đục(SS), độ màu thấp nhất. Các bước tiến hành: Bước 1: Bước 2: Cho vào mỗi cốc 1lượng phèn nhôm (Al2(SO4)3.5H2O) 5% theo bảng sau: Bước 3: Đo pH: Bước 4: Khuấy 140 vòng/phút trong 20 phút Bước 5: Cho vào mỗi cốc 1 ml PAC 30%, khuấy tiếp với tốc độ 40 vòng/phút trong 15 phút. Sau đó để lắng 10 phút, đem đi lọc lấy lớp nước trong, đem đi so màu ở bước sóng 455 nm. Bước 6: Kết quả Bước 7: Xác định lượng phèn tối ưu dựa vào hiệu suất cao nhất - Dựa vào đồ thị ta thấy: có 2 vị trí cực đại của đồ thị ứng với các hiệu quả xử lý cao nhất. Vị trí thứ nhất ứng với lượng phèn 15ml và hiệu suất xử lý là 13%, vị trí thứ 2 ứng với lượng phèn 25ml và hiệu suất xử lý là 13%. Như vậy, ta chọn vị trí thứ nhất sẽ tiết kiệm hơn. Vậy, lượng phèn tối ưu là 15ml phèn nhôm 5% / 900ml nước thải. Nguyên nhân sai số: Do điều chỉnh pH, beaker không được khuấy đều khi cho acid/baze Kết bông trước khi đưa vào thiết bị khuấy Jartest hay bông vỡ khi đưa vào khuấy nhanh Máy đo pH có kết quả sai, pH trong dung dịch thay đổi do có phản ứng xảy ra Sai số do dụng cụ TN Sai số trong quá trình khuấy trộn, thời gian lắng, cặn lắng bị nổi. Mẫu được so màu còn có căn do quá trình lấy mẫu