QUÁ TRÌNH KEO TỤ, TRUYỀN CHẤT, KHUYẾCH TÁN, HẤP PHỤ, HẤP THỤ

Chia sẻ: Vu Hoai Nam | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:21

Thêm vào BST

Báo xấu

528
lượt xem 95
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Hiện tượng các hạt keo cùng loại có thể hút nhau tạo thành những tập hợp hạt có kích thước và khối lượng đủ lớn để có thể lắng xuống do trọng lực trong thời gian đủ ngắn được gọi là hiện tượng keo tụ. Hiện tượng này xảy ra khi thế ζ được triệt tiêu. Nguyên tắc chung: Đối với hệ phân tán có diện tích bề mặt riêng lớn (bụi trong không khí, bùn, phù sa trong nước...) các hạt luôn có xu hướng co cụm lại tạo hạt lớn hơn để giảm năng lượng bề mặt (tương tự hiện tượng giọt nước, giọt thủy...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: QUÁ TRÌNH KEO TỤ, TRUYỀN CHẤT, KHUYẾCH TÁN, HẤP PHỤ, HẤP THỤ

MỤC LỤC
I. QUÁ TRÌNH KEO TỤ 1. Cơ sở khoa học 1.1. Khái niệm và cơ chế Hiện tượng các hạt keo cùng loại có thể hút nhau tạo thành nh ững tập hợp hạt có kích thước và khối lượng đủ lớn để có thể lắng xuống do trọng lực trong thời gian đủ ngắn được gọi là hiện tượng keo tụ. Hiện tượng này xảy ra khi thế ζ được triệt tiêu. Nguyên tắc chung: Đối với hệ phân tán có diện tích bề mặt riêng lớn (bụi trong không khí, bùn, phù sa trong nước...) các hạt luôn có xu hướng co cụm lại tạo hạt lớn hơn để giảm năng lượng bề mặt (tương tự hiện tượng giọt nước, giọt thủy ngân luôn tự vo tròn để giảm diện tích bề mặt). V ề nguyên tắc do độ phân tán lớn, diện tích bề mặt riêng l ớn, h ạt keo có xu th ế hút nhau nhờ các lực bề mặt. Mặt khác do các h ạt keo cùng lo ại luôn tích điện cùng dấu (đặc trưng bởi thế ζ) nên các hạt keo luôn đẩy nhau bởi lực đẩy tĩnh điện giữa các hạt cùng dấu theo định luật Culong, xu h ướng này làm hạt keo không thể hút nhau để tạo hạt lớn hơn và lắng xuống nhờ trọng l ực như những hạt không tích điện. Như vậy thế ζ càng lớn (hạt keo càng tích điện) thì hệ keo càng bền (khó kết tủa). Trong trường hợp lý tưởng: n ếu th ế ζ = 0 thì hạt keo biến thành cấu tạo tụ đi ện ph ẳng, h ạt s ẽ không khác gì các hạt không tích điện nên dễ dàng hút nhau để tạo hạt l ớn h ơn có th ể l ắng được. Một cách khác làm các hạt keo co cụm thành bông cặn lớn dễ l ắng là dùng các tác nhân thích hợp “khâu” chúng lại thành các h ạt lớn hơn đủ l ớn, nặng để lắng. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng tạo bông được thực hiện nhờ những phân tử các chất cao phân tử tan trong nước và có ái lực tốt với các hạt keo hoặc các hạt cặn nhỏ. Khác với keo t ụ có tính thu ận ngh ịch, các chất có khả năng tạo bông được gọi là các ch ất tạo bông hay trợ keo t ụ, quá trình tạo bông là bất thuận nghịch.
Các cơ chế chính của quá trình keo tụ tạo bông gồm: 1. Quá trình nến lớp điện tích kép, giảm thế ζ nhờ ion trái dấu: Phá tính bền của hệ keo (do lực đẩy tĩnh điện) bằng cách thu h ẹp l ớp đi ện kép t ới mức thế zeta = 0, khi đó lực đẩy tĩnh điện h ạt – h ạt b ằng không, t ạo đi ều kiện cho các hạt keo hút nhau bằng các lực bề mặt tạo hạt lớn hơn dễ kết tủa. Cách này có thể thực hiện khi cho h ạt keo hấp ph ụ đủ đi ện tích trái d ấu để trung hoà điện tích hạt keo. Điện tích trái dấu này thường là các ion kim loại đa hoá trị. 2. Quá trình hấp phụ ion trái dấu trên bề mặt, trung hòa đi ện tích t ạo ra điểm đẳng điện zeta = 0: Tạo điều kiện cho các hạt keo va chạm với các bông kết tủa của chính chất keo tụ nhờ hiện tượng hấp phụ bám dính (hiệu ứng quét). 3. Quá trình keo hấp phụ cùng lắng trong quá trình lắng: Dùng những chất cao phân tử – trợ keo tụ để hấp phụ “khâu” các hạt nhỏ lại với nhau tạo hạt kích thước lớn (gọi là bông hay bông cặn) dễ lắng. 4. Hấp phụ tạo cầu nối: các polymer vô cơ hoặc hữu cơ có thể ion hóa nhờ cấu trúc mạch dài chúng tạ ra các cầu nối giữa các hạt keo. Ta quan tâm chủ yếu đến sự keo tụ bằng chất điện ly, vì điều đó có ý nghĩa lý thuyết và thực tế quan trọng: a. Keo tụ keo ghét lưu bằng chất điện ly. Nguyên tắc Khi tăng nồng độ hoặc hoá trị của ion trong dung d ịch, s ẽ làm gi ảm bề dày lớp điện kép, làm giảm điện thế ζ của hạt. Khi thế điện động giảm đến cực tiểu hoặc khi ζ →0 thì lực đẩy của hạt giảm đến cực tiểu, lực hút trội trơn sự keo tụ sẽ xẩy ra. Các hạt sẽ sa l ắng độc thân, nh ưng th ường k ết dính, tập hợp lại và sa lắng. Các quy tắc keo tụ bằng chất điện ly. - Ion gây keo tụ có điện tích ngược dấu với ion keo.
- Ngưỡng keo tụ tỷ lệ nghịch với hoá trị của ion gây keo tụ. Ngưỡng keo tụ (Cn) của chất điện ly đối với sự keo tụ là nồng độ tối thiểu của chất điện ly cần có trong hệ keo để hiện tượng keo t ụ b ắt đ ầu xuất hiện: C= C: nồng độ (mol/l, mmol/l) dung dịch điện ly Vk và Vđ: các thể tích hệ keo và thể tích dung dịch điện ly Đối với ion gây keo tụ cùng hoá trị, ion nào hydrat hoá càng mạnh (bán kính hydrat càng lớn) cường độ điện trường của nó càng nhỏ, tác dụng gây keo tụ của nó càng kém. Đối với các ion kim loại ki ềm, tác dụng gây keo tụ của chúng tăng dần như sau: Li+, Na+, K+, Cs+ do bán kính hydrat của ion giảm dần theo dẫy đó. b. Sự keo tụ keo ghét lưu bằng hỗn hợp chất điện ly. Về nguyên tắc chung, thì sự keo tụ ở đây cũng theo các quy t ắc trên, nhưng hiện tượng xẩy ra phức tạp hơn. Ngoài tác dụng tương hỗ giữa hat keo và ion gây keo tụ còn có tương tác giữa các chất điện ly với nhau. Đối với một hệ keo xác định, mỗi chất điện ly gây keo t ụ có m ột ngưỡng keo tụ riêng biệt. Nếu dùng hỗn hợp của các chất điện ly gây keo t ụ thì có 3 trường hợp khác nhau về ngưỡng keo tụ tổng hợp như sau: Tác dụng cộng tính của các ion gây keo tụ. Ngưỡng keo tụ tổng hợp Cn bằng tổng các ngưỡng keo tụ Ci của mỗi chất điện ly với tỷ lệ đã sử dụng trong tổ hợp: Cn = C1 + C2 = C1 + C2 = … C1và C2: ngưỡng tụ của chất điện ly 1 và 2 khi gây keo tụ riêng. Tác dụng giảm khả nang gây keo tụ của các ion. Nguỡng keo tụ tổng hợp C lớn hon nguỡng keo tụ Ci của mỗi chất diện ly với tỷ lệ dã sử dụng trong hỗn hợp.  Cn C1 + C2 ; Cn = C1 + C2 …
Tác dụng tăng cường khả năng gây keo tụ của các chất điện ly. Ngưỡng keo tụ tổng hợp Cn ở đây nhỏ hơn tổng các ngưỡng keo riêng với tỷ lệ đã dùng trong tổ hợp. Ngưỡng keo tụ tổng hợp Cn đối với 2 chất điện ly gây keo tụ c ộng tính (1), đối kháng (2) và tăng cường (3).  Cn C1 + C2… c. Sự keo tụ tương hỗ. Sự keo tụ tương hỗ ở đây bao gồm sự keo tụ một hệ keo bằng một hệ keo có điện tích trái dấu hoặc một hệ keo ưa lưu hoặc một dung dịch chất bán keo. Giữa keo ưa lưu và keo ghét lưu (Hệ keo ghét lưu kém bền. Hệ keo ưa lưu bền) Cơ chế: Nếu cho một lượng keo ưa lưu không quá ít vào keo ghét lưu thì tính bền của keo ghét lưu được tăng cường: Trái lại khi lượng keo ưa lưu (cao phân tử) quá ít thì nó l ại thúc đ ẩy quá trình keo tụ, nghĩa là làm cho keo ghét lưu dễ đông tụ hơn, đó là s ự keo t ụ
nhạy cảm. Điều đó được giải thích là: Hạt ưa lưu hấp ph ụ nhiều h ạt keo ghét lưu, đã thúc đẩy quá trình tập hợp cho các hạt keo ghét lưu. Ở đây các hạt ưa lưu bị ghét lưu hoá, hiện tượng đông tụ xẩy ra nhanh: Giữa keo ưu lưu và chất bán keo. Cơ chế: Khi thêm chất bán keo vào hệ keo ghét lưu thì hiện tượng hấp phụ chọn lọc và định hướng xẩy ra, hạt ghét lưu hấp phụ các chất hoạt động bề mặt cation hoặc anion tuỳ theo điện tích của h ạt là âm hay d ương. Khi nồng độ chất hoạt động bề mặt còn nhỏ, sự hấp ph ụ là đơn l ớp, tính k ỵ nước của hạt vô cơ tăng lên. Chúng dễ kết dính với nhau, sự keo t ụ s ẽ xu ất hiện, tương tự sự keo tụ nhạy cảm của keo ghét lưu đối với chất cao phân tử (keo ưa lưu). Nếu thế điện động giảm đột ngôt, thì đó là lúc độ ph ủ θ =100%, tính kỵ nước của bề mặt hạt Fe 2O3 tăng đến cực đại, tính bền nhiệt động học của nó giảm đến cực tiểu. Sau khi tạo lớp hấp phụ đơn phân tử hoàn toàn, nếu tiếp tục tăng nồng độ các chất hoạt động bề mặt thì lớp hấp ph ụ thứ hai xu ất hi ện và hoàn thiện (phụ thuộc vào nồng độ chất hoạt động bề mặt và điều kiện h ấp ph ụ). Hạt đổi dấu điện tích, điện thế ζ tăng dần, th ế đẩy của hạt tăng dần, tính bền của hệ tăng lên.
Hiện tượng tương tự cũng xẩy ra giữa hạt keo âm đối với cation hoạt động bề mặt. 1.1.2.Đặc điểm của quá trình keo tụ Hiện tượng keo tụ có tính thuận nghịch Lực giữa các hạt keo: lực hút và lực đẩy tĩnh điện hoặc lực Van der Waals. Các tổ hợp phân tử hay nguyên tử được liên kết lại t ạo thành các h ạt bông keo, các hạt bông keo này trong qúa trình được khuấy trộn được dính kết lại với nhau tạo thành các hạt bông keo lớn hơn và lắng xuống. Dùng chất đông tụ và trợi đông tụ: - Chất đông tụ: trung hòa các cực mang điện tích và giúp chúng k ết h ợp lại với nhau thành các hạt bông keo. Thường sử dụng là phen nhôm, phèn sắt. ̀ - Chất trợ đông tụ: tăng mật độ và tốc độ lắng của các h ạt bông keo đồng thời tăng sự bền vững của các hạt bông keo trong quá trình hòa tr ộn và lắng cặn. Thông dụng là polyacrylamid, natri silicat,..
Nhiệt độ càng cao phản ứng xảy ra càng nhanh và hiệu qu ả keo t ụ càng cao. Thời gian khuấy trộn và thời gian lưu đóng vai trò quan trọng trong quá trình keo tụ. Vận tốc khuấy trộn gây ra sự phá vỡ các bông keo, vận t ốc th ấp s ẽ giúp các bông keo lắng tốt. Vận tốc khoảng 0.3 m/giây giúp duy trì tốt quá trình keo tụ. Độ kiềm dùng để cung cấp ion điện tích âm như (OH -) để hình thành những hợp chất không hòa tan kết tủa. 1.1.3. Ưu, nhược điểm của quá trình keo tụ * Ưu điểm - Loại chất độc hữu cơ không thể oxy hóa bằng con đường sinh học - Đơn giản không yêu cầu thiết bị đắt tiền và chuyên môn cao - Hiệu quả xử lý cao và ổn định - Kích thước hệ thống xử lý bé hơn - Độ nhạy với thay đổi tải trọng ít hơn - Có thể tự động hóa - Không cần theo dõi VSV - Có thể thu hồi các chất khác nhau - Loại bỏ các hạt có đường kính nhỏ ( hạt keo) (
lắng của bể lắng. Giảm lượng cặn lơ lửng.Trong xử lý nước thải, xử lý nước vừa đục vừa màu… 1.2.2. Ví dụ cụ thể - Dùng phèn nhôm xử lý nước đục: Cho vào nuớc chúng phân ly thành Al3+ Al(OH)3 Al3+ + 3H2O Al(OH)3 +3H+ - Xử lý nước đục bằng Al2(SO4)3: Tùy theo hàm lượng cặn khác nhau mà ta sử dụng lượng Al2(SO4)3 khan cho hợp lý (chẳng hạn trong một lít nước hàm lượng cặn < 100 mg, ta dùng 25 – 35 mg Al2(SO4)3…). - Xử lý nước màu: Lượng phèn nhôm sử dụng: P Al =4 (M là độ màu của nguồn, Co-pt). - Xử lý cặn bẩn trong nước thải của nhà máy thông qua h ệ th ống b ể lắng (dùng phèn,…) - Giảm hàm lượng SS trước khi đưa vào xử lý sinh học - Tăng cường khả năng lắng của bể cấp 2 trong xử lý nước thải - Lọc trực tiếp nước thải nếu SS không quá cao. Ngoài những ứng dụng trong xử lý nước chất keo tụ còn áp dụng nhi ều trong việc xử lý bùn nhằm tăng khả năng tách nước khỏi bùn, áp dụng trong công nghiệp giấy nhằm điều chỉnh đặc trưng lưu biến của hỗn hợp bôt… II. QUÁ TRÌNH TRUYỀN CHẤT 2.1. Phương trình cấp chất Quá trình chuyển vật chất từ pha Φy sang pha Φx là quá trình v ật chất di chuyển trong hai pha đó do một tác động của yếu tố bên trong hoặc nhờ một tác động bên ngoài. Trong quá trình vất chất truyền đi, tốc độ của nó ph ụ thuộc vào c ả động lực và cả trở lực. + Động lực của truyền chất chính là độ chênh l ệch v ề năng l ượng (mà ở hệ lỏng hoặc hệ lỏng - hơi) thường là y ếu tố chênh l ệch v ề n ồng đ ộ, nó có thể xảy ra do tính chất của hệ cũng có th ể do cưỡng bức t ừ bên ngoài (bơm, nén v.v...).
+ Trở lực của quá trình truyền chất thường do khuếch tán ngược lại, do ma sát của dòng với dòng hoặc với thiết bị... Giả sử xét Φy và Φx thì: Quá trình truy ền chất t ừ pha y vào pha x, n ồng độ y và x ở giữa dòng coi như không đổi, còn ở tại lớp màng Φy n ồng đ ộ giảm từ y tới ybg (nồng độ biên giới) và trong lớp màng Φx nồng đ ộ gi ảm t ừ xbg (nồng độ biên giới) về x. Khi truyền chất, trở l ực trong 2 màng đ ược ký hiệu là R y và Rx. Do đó: Theo định luật Fick. + Tốc độ khuếch tán chất phân bố qua màng Φy là: = Qua màng Φx là: = Gọi nghịch đảo của trở lực (1/R) là hệ số cấp chất trong các pha và ký hiệu là β. Như vậy: 1/ R = β và 1/ R = β Ta có: dG = βdF. dτ (y -ybg) (20) và dG = βdF. dτ (x – xbg) (21) ybg và xbg là nồng độ biên tức nồng độ tại giới hạn tiếp xúc Công thức (20) và (21) được gọi là phương trình cấp ch ất qua màng Φy , Φx. 2.2 Thứ nguyên và ý nghĩa vật lý của hệ số cấp chất Trong kỹ thuật, việc truyền chất thường xảy ra với lượng lớn. Nếu lượng vật chất G tính bằng (Kg), bề mặt tiếp xúc F tính bằng (m2); thời gian dτ tính bằng giờ (h) và sử dụng ký hiệu: y - ybg = ∆y. xbg - x = ∆x Thì hệ số cấp chất β có thứ nguyên là: [βy] = (22) [βx] = (23)
Do phương pháp biểu diễn nồng độ khác nhau nên chưa có th ứ nguyên nồng độ. Giả sử nồng độ tính theo Kg/m3 thì th ứ nguyên c ủa (22) và (23) có dạng: [βx] = = [βy] = Hệ số cấp chất là lượng vật chất chuyển qua một đơn vị b ề mặt trong một đơn vị thời gian khi hiệu số nồng độ là một đơn vị. 2.3 Phương trình truyền chất Khi hai pha Φy và Φx tiếp xúc nhau, sự phân bố vật ch ất trong 2 pha phải theo một tỉ lệ xác định (giả sử tỉ số là m) thì: Y = mx : m g ọi là h ệ s ố phân bố nồng độ giữa 2 pha. Có thể viết khác là: xbg= ybg/m x= y*/m Hai biểu thức này tính cho nồng độ bất kỳ, và cho nồng độ biên (xbg, ybg) của pha Φx và Φy. Thay giá trị xbg và x vào phương trình (21) ta có: dG = β x dF dτ (ybg - y*) (24) (25) Từ phương trình (20) ta có: = Cộng (25) và (26) ta thu được : dG (= Đến đây, gọi = ky là hệ số truyền chất của quá trình và y-y*= ∆y là động lực của quá trình, thì ta có: dG = ky.dτdF∆y (28) Với toàn bộ bề mặt tiếp xúc F thì (28) sẽ có dạng: G = kY F .τ∆y tb (29) Tương tự vậy ta có: G = kx.F.τ .∆ xtb (30)
Trong các biểu thức đó ky = hệ số truyền chất khi tính theo nồng độở pha Φ y. k = hệ số truyền chất khi tính theo nồng độở pha Φ x. ∆ ytb = Động lực trung bình tính theo Φy. ∆ xtb = Động lực trung bình tính theo Φ x. Các phương trình (29) và (30) là các phương trình truyền chất. Ý nghĩa của phương trình truyền chất: + Có thể tính được lượng vật chất (G) truyền qua lớp tiếp xúc khi biết được diện tích bề mặt tiếp xúc (F) trong khoảng thời gian τ. Các giá trị kx (ky) và ∆x(∆y), là hệ số truyền chất, và động lực của quá trình truy ền ch ất theo các pha có thể tính toán hoặc xác định bằng thực nghiệm. + Với một hệ thường xuyên nghiên cứu tại một cơ sở (ví dụ: Hệ nước thải trong nhà máy giấy, nhà máy xử lý nước sông làm nước cấp sinh ho ạt…) khi biết trước các đặc điểm kx (ky) và ∆xtb (∆ytb), có th ể tính đ ược giá tr ị F cần thiết theo yêu cầu của giá trị và ngược lại. III. QUÁ TRÌNH KHUẾCH TÁN 3.1. Cơ sở khoa học 3.1.1. Khái niệm Khuếch tán hay khuếch tán phân tử là sự dao động nhiệt của tất cả các phần tử (chất lỏng hay chất khí) ở nhiệt độ lớn hơn độ không tuyệt đối. Sự khuếch tán dẫn đến sự dịch chuyển các phân tử từ một khu vực có nồng độ cao hơn đến khu vực có nồng độ thấp hơn. Sự di chuyển các phân tử này có thể là do: - Chuyển động nhiệt của các phân tử gọi là phương thức khuếch tán phân tử. Hay nói cách khác sự chuyển động này là nhờ sự tiếp xúc giữa các phân tử và tác dụng tương hỗ giữa chúng. Vận tốc khuếch tán theo phương thức này rất chậm. - Tác động của những tia dao động xoáy tại từng điểm trong bản thân mỗi pha gọi là phương thức khuếch tán xoáy.
- Sự đối lưu vật chất trong bản thân mỗi pha gọi là phương thức khuếch tán đối lưu. Nhưng sự khuếch tán cũng có thể xảy ra khi không có gradient n ồng đ ộ (như quá trình hấp phụ Cd2+ từ dung dịch vào thanh nhựa trao đổi, sử dụng áp lực từ bên ngoài tác động vào – khi thổi bóng bay,…). Khi hai pha chuy ển động tiếp xúc nhau, do sự cản trở của pha này với pha kia, nghĩa là do s ự ma sát giữa chúng mà trên lớp tiếp xúc sẽ xuất hiện 1 lớp màng giữa 2 pha đó. Phần vật vất ở pha 1 và pha 2 xa lớp màng được gọi là nhân pha, ở đó luôn có quá trình xáo trộn vật chất. Nhân pha là nơi tập trung nồng độ vật ch ất lớn nhất. 3.1.2. Nguyên tắc Sự di chuyển vật chất xảy ra là nh ờ nồng độ khác nhau gi ữa tr ạng thái cân bằng (nồng độ của 2 pha sau khi diễn ra quá trình khuếch tán) và trạng thái công tác (nồng độ ban đầu của 2 pha khi chưa có quá trình kh ếch tán x ảy ra). Độ chênh lệch năng lượng giữa 2 trạng thái này chính là động lực c ủa quá trình khuếch tán – lực gây ra do quá trình chuy ển động c ủa 2 pha b ởi l ực tác động bên ngoài. 3.1.3. Đặc điểm Kết quả của sự khuếch tán là một pha trộn vật chất. Trong một giai đoạn với nhiệt độ đồng nhất, không có sự tác động của l ực t ừ bên ngoài lên các phần tử thì kết quả cuối cùng của quá trình khuếch tán là s ự cân b ằng nồng độ. Đây là quá trình cân bằng động: trong 1 đơn vị thời gian, 1 đơn v ị di ện tích có bao nhiêu phân tử di chuyển từ pha 1 sang pha 2 thì có b ấy nhiêu phân tử di chuyển ngược trở lại từ pha 2 sang pha 1 để t ổng s ố phân t ử trong m ột pha là không đổi. Khi có sự thay đổi của một yếu tố nào đó, cân bằng s ẽ d ịch chuyển về phía chống lại sự thay đổi đó.
3.1.4. Ưu điểm, nhược điểm Ưu điểm: Khuếch tán là sự di chuyển vật chất 1 cách thụ động, không đòi hỏi cung cấp năng lượng cho quá trình diễn ra. Nhược điểm: Để quá trình khuếch tán xảy ra cần có sự chênh lệch về nồng độ (gradient nồng độ), trừ một số trường hợp đặc biệt. 3.2 Ứng dụng 3.2.1. Phạm vi ứng dụng Ứng dụng tính toán quá trình chuyển khối, tính toán lượng vật ch ất khuếch tán giữa các pha. Ứng dụng của đĩa phân phối khí – đĩa khuếch tán khí: lắp đặt trong các bể lắng, bể khuấy của các trạm xử lí nước thải công nghiệp, dân dụng. Các quá trình tạo mầm, chuyển biến pha và cải thiện tính chất của vật liệu. 3.2.2.Ví dụ Quá trình khuếch tán được xem là một phương án rất quan trọng trong việc phân bổ chất ô nhiễm từ một nguồn điểm phát sinh, ví dụ nh ư 1 ống khói xả thải của một nhà máy: Khả năng khuếch tán của chất khí ô nhiễm càng tốt thì C max càng nhỏ ( với Cmax là nồng độ tối đa đo được trên mặt đất của 1 ch ất ô nhiễm theo chiều gió từ nguồn ô nhiễm). C max càng nhỏ thì càng tăng cường khả năng đồng hóa (tự làm sạch) chất ô nhiễm của môi trường. Giúp làm giảm áp lực của các vấn đề môi trường do chất khí ô  nhiễm gây ra. Nếu không chú ý đến khả năng khuếch tán khí thải khi thi ết k ế các ống khói sẽ gây ra những vấn đề môi trường vô cùng nghiêm trọng. Xem xét 1 trường hợp cụ thể về nhà máy nhiệt đện Ninh Bình: được thiết kế vào những năm 70, trong điều kiện chiến tranh. Để phù hợp với hoàn cảnh khi ấy, nhà máy buộc phải xây dựng ngay sát núi Cánh Diều, ống khói
thấp hơn núi khoảng 20 mét  Hạn chế quá trình khuếch tán bụi, khói bụi gây ô nhiễm nghiêm trọng môi trường khu vực xung quanh nhà máy. Buộc phải nâng chiều cao ống khói lên để tăng kh ả năng khuếch  tán chất ô nhiễm, vấn đề môi trường không còn trầm trọng nữa. IV. QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ 4.1. Cơ sở khoa học 4.1.1. Khái niệm Hấp phụ là quá trình chất lỏng hoặc chất khí bị hút lên b ề m ặt ch ất r ắn xốp. Chất khí hay hơi, chất lỏng bị cố định trên bề mặt rắn đ ược g ọi là ch ất bị hấp phụ ( adsorbent ), chất rắn xốp gọi là chất hấp phụ (adsorbate ). Cơ chế chung của quá trình hấp phụ là chuy ển một chất t ừ pha khí, pha lỏng sang pha rắn, bị giữ lại trên bề mặt chất rắn. 4.1.2. Phân loại và đặc điểm Căn cứ vào lực hấp phụ hay cơ chế hấp phụ chia ra làm 2 loại hấp phụ : hấp phụ vật lí và hấp phụ hóa học. Đặc điểm Hấp phụ vật lí Hấp phụ hóa học Lực hấp phụ Lực hấp dẫn ( lực Vander Wall) Lực liên kết hóa học (liên kết hydro, liên kết tĩnh điện, liên kết cộng hóa trị) Năng lượng Năng lượng giải phóng thấp ( 20 Năng lượng giải phóng cao ( 200 – 400 k.J/mole) – 40 k.J/mole ) Điều kiện phản Quá trình xảy ra ở nhiệt độ thấp Quá trình xảy ra ở nhiệt độ cao ứng Đặc trưng bề mặt Không đặc trưng Đặc trưng cao Lớp hấp phụ Quá trình hấp phụ đơn lớp – đa Quá trình hấp phụ đơn lớp là chủ yếu lớp Khả năng giải Quá trình thuận nghịch, giải hấp Quá trình không thuận nghịch, giải hấp khó khăn, hấp phụ dễ dàng ở những điều kiện thích chất hấp phụ + chất bị hấp phụ tạo ra sản phẩm hợp, chất hấp phụ và chất bị hấp thay đổi tính chất ban đầu phụ không thay đổi bản chất ban đầu 4.1.3.Cân bằng và cơ chế quá trình hấp phụ a) Hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freudlich là một ph ương trình th ực nghiệm mô tả quá trình hấp phụ chất hữu cơ trong nước. Phương trình này được viết trong điều kiện cân bằng nhiệt là : qe = Kf Ce1/n Hay: log qe = log K + (1/n)log Ce
Trong đó: qe : lượng chất bị hấp phụ trên một đơn vị chất hấp phụ, mg/g Ce : nồng độ cân bằng của chất bị hấp phụ trong dung dịch, mg/l Kf : hệ số hấp phụ Freundlich, (mg/g)(l/mg)1/n n : hệ số thực nghiệm Hệ số K liên quan đến dung tượng hấp phụ của chất hấp phụ đối với chất bị hấp phụ. 1/n là hàm của cường độ hấp phụ. Từ phương trình hấp phụ đẳng nhiệt, có thể th ấy rằng, đ ối v ới 1 giá tr ị cho trước của K và Ce, giá trị 1/n càng nhỏ thì khả năng hấp phụ càng lớn. Khi 1/n rất nhỏ thì hấp phụ có xu hướng độc l ập v ới C e. Và đối với một giá trị cho trước Ce 1/n, giá trị K càng lớn thì khả năng hấp phụ qe càng lớn. b) Hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir Phương trình: x/m: khối lượng chất bị hấp phụ trên một đơn vị khối lượng chất hấp phụ, mg/g a, b: các hằng số thực nghiệm C : nồng độ cân bằng của chất bị hấp phụ trong dung dịch sau khi hấp e phụ, mg/l Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir được phát triển dựa trên các giả thiết: i/ số lượng tâm hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ là không đổi và giá trị năng lượng là như nhau tại mọi vị trí; ii/ hấp phụ là quá trình thuận nghịch. Cân bằng hấp phụ đạt được khi tốc độ hấp phụ các phân tử lên bề mặt chất hấp phụ bằng tốc độ nhả chất bị hấp phụ từ bề mặt này vào dung dịch. 4.1.4.Ưu nhược điểm
Ưu điểm: -Đơn giản, dễ sử dụng, hiệu suất xử lí chất ô nhiễm có nồng độ thấp là cao, khả năng làm sạch lớn. Nhược điểm - Quá trình hấp phụ chỉ áp dụng ở cuối hệ thống xử lí, đuợc xem là quá trình xử lí bậc cao - Thường áp dụng để xử lí nguồn thải có lưu lưọng lớn, nồng độ ch ất ô nhiễm là thấp. Vì nếu nồng độ chất bị hấp ph ụ lớn thì kh ả năng bão hoà c ủa vật liệu hấp phụ là nhanh vì vậy cần thay thế vật liệu lọc hoặc làm s ạch chúng→xét về mặt kinh tế thì hiệu quả của quá trình hấp phụ không cao. Vì vậy, hãy lựa chọn quá trình xử lí phù hợp trước sau đó mới áp dụng quá trình hấp phụ khi nồng độ chất ô nhiễm thấp hoặc ở dạng vết 4.2.Ứng dụng của quá trình hấp phụ 4.2.1. Ứng dụng quá trình hấp phụ trong xử lý khí thải Sử dụng quá trình hấp phụ trong xử lý nhiều loại khí thải trong đó - Xử lý mùi, các chất hữu cơ bay hơi (dung môi hữu cơ, mùi, hơi xăng dầu...) - Một số khí ô nhiễm cần phải thu hồi - Các chất khí có hàm lượng nhỏ, nguy hiểm (dioxin, furan, phóng xạ...) Do đó trong thiết kế của hệ thống xử lý khí th ải th ường ph ải thu h ồi chất bị hấp phụ và chất hấp phụ (quá trình giải hấp hay hoàn nguyên chất hấp phụ). Tùy vào khả năng giải hấp chất bị hấp phụ, hấp ph ụ ứng dụng trong công nghệ môi trường có thể chia thành hai loại: hấp ph ụ không hoàn nguyên và hấp phụ có hoàn nguyên. Hấp phụ không hoàn nguyên Ứng dụng trong xử lý môi trường xung quanh hoặc xử lý các ngu ồn th ải nhỏ: thiết kế các khay đựng vật liệu hấp phụ dạng một ngăn ho ặc nhi ều ngăn, lắp đặt trong phòng làm việc, kho bãi, phòng thí nghiệm, nhà x ưởng,
ống khói nhà bếp... Các ngăn này chứa một lớp mỏng chất h ấp ph ụ, sau m ột thời gian, chất hấp phụ này được loại bỏ và thay thế bằng một lớp mới. Loại công nghệ này chỉ áp dụng với những nơi có nồng độ chất th ải thấp, chất hấp phụ thường là than hoạt tính hoặc oxit nhôm. Hấp phụ có hoàn nguyên Ví dụ: Phương pháp xử lý khí SO2 bằng phương pháp hấp phụ sử dụng thiết bị dạng trống quay. Hấp phụ có hoàn nguyên áp dụng cho các hệ thống xử lý xử lý khí thải tại các nhà máy đốt nhiên liệu hóa thạch hoặc các nhà máy xản xu ất có phát sinh các loại khí thải độc hại với nồng độc cao. Quá trình h ấp ph ụ x ảy ra thường theo cơ chế hấp phụ vật lý là chủ yếu. Có nhiều phương pháp hoàn nguyên chất hấp phụ: Hoàn nguyên bằng nhiệt – Hoàn nguyên bằng hơi nước – Hoàn nguyên bằng giảm áp suất – Hoàn nguyên bằng khí trơ (N2) – Ưu điểm Hiệu suất hấp phụ cao – Có thể xử lý các chất ô nhiễm ở nồng độ nhỏ – Có thể thu hồi phần lớn các chất ô nhiễm – Hầu như không phát sinh chất thải mới – Quá trình vận hành đơn giản, có thể tự động hóa hoàn toàn. – Nhược điểm Không thích hợp với các chất khí ô nhiễm có nồng độ cao – Bị ảnh hưởng bởi bụi, hơi nước và nhiệt độ – Do phải thiết kế và vận hành đồng thời cả thiết bị hấp phụ và giải – hấp  cồng kềnh, tốn nhiều diện tích không gian. 4.2.2. Ứng dụng quá trình hấp phụ trong xử lý nước Quá trình hấp phụ có thể được sử dụng để tách chiết:
– Các chất hữu cơ như phenol, alkylbenzen, thuốc nhuộm, các hợp chất thơm từ nước thải bằng than hoạt tính (hấp phụ vật lý là chủ yếu). Tuy nhiên phương pháp này còn nhiều hạn chế do chi phí cao, hiệu suất thấp và chỉ áp dụng đối với loại nước thải có hàm lượng chất ô nhiễm thấp. – Các ion hòa tan (hấp phụ hóa học là ch ủ y ếu) trong n ước th ải. Quá trình này chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của hiệu ứng hấp phụ cạnh tranh giữa các ion. Nồng độ của các ion hòa tan trong nước cùng với nồng độ của các chất khác có tính chất tương tự ảnh hưởng đến hiệu quả và thời gian bão hòa của vật liệu hấp phụ. Quá trình này còn bao gồm h ấp ph ụ trao đ ổi cation trong nước. – Các chất hữu cơ phân cực và chất hoạt động b ề m ặt đ ược x ử lý trong nước theo cả hai cơ chế hấp phụ hóa học và hấp phụ vật lý. 4.2.3. Ứng dụng quá trình hấp phụ trong xử lý đất ô nhiễm Xử lý các chất ô nhiễm trong đất khó khăn hơn trong nước hay không khí do ô nhiễm đất xuất hiện trên diện rộng đồng thời khối lượng đất phải xử lý thường rất lớn. Mặt khác, thành phần trong đất tương đối phức tạp nên quá trình hấp phụ nếu có xảy ra trong đất cũng khác bi ệt đáng k ể so với các lo ại khí thải và nước thải. Quá trình hấp ph ụ tự nhiên xảy ra trong đ ất ở b ề m ặt các khoáng đất hoặc các hạt keo đất bao gồm cả quá trình hấp phụ trao đổi ion. Để tăng cường quá trình hấp phụ làm giảm độ linh động của các ch ất ô nhiễm, các chất hấp phụ tự nhiên hoặc nhân tạo có thể thêm vào đất. Ví dụ: trong xử lý bùn đáy, trầm tích ao nuôi trồng thủy sản có th ể bón Zeolite. Việc bón Zeolite cũng được sử dụng để hạn chế ảnh hưởng của kim loại năng linh động đến cây trồng. V. QUÁ TRÌNH HẤP THỤ 5.1. Cơ sở khoa học Hấp thụ khí bằng chất lỏng là quá trình hòa tan khí trong chất lỏng khi chúng tiếp xúc với nhau.
Dựa trên cơ sở của quá trình truyền khối, nghĩa là phân chia hai pha. Phụ thuộc vào sự tương tác giữa chất hấp thụ và chất bị hấp th ụ trong pha khí. 2 loại hấp thụ: + Hấp thụ vật lý dựa trên sự hòa tan của cấu tử pha khí trong pha lỏng. + Hấp thụ hóa học xảy ra phản ứng hóa học. Cơ cấu của quá trình này có thể chia thành ba bước: + Khuếch tán các phân tử chất ô nhiễm thể khí trong khối khí th ải đến bề mặt của chất lỏng hấp thụ + Thâm nhập và hòa tan chất khí vào bề mặt của chất h ấp th ụ. + Khuếch tán chất khí đã hòa tan trên bề mặt ngăn cách vào sâu trong lòng khối chất lỏng hấp thụ. 5.2. Các thiết bị hấp thụ và ưu, nhược điểm Tháp phun Tháp có dạng hình trụ đặt thẳng đứng, dựa trên nguyên t ắc t ạo ra s ự tiếp xúc giữa chất ô nhiễm và dòng nước phun. Dung dịch hấp thụ được phun thành giọt nhỏ xuyên qua dòng khí bốc lên trong th ể tích r ỗng c ủa thi ết bị. Ưu điểm: Vận tốc dòng khí cao nên tăng khả năng hấp thụ. - Tiết kiệm dung dịch hấp thụ mà hiệu suất vẫn cao. - Nhược điểm: Dễ bị ăn mòn, đòi hỏi phải có thiết bị bảo vệ nên giá thàng tăng. - Cần phải có hệ thống tự động điều chỉnh lưu lượng dung dịch hấp - thụ phun vào thiết bị, dung dịch phải phun đều khắp vào tiết diện tháp. Tháp đệm Chất lỏng được tưới trên lớp đệm rỗng và chảy xuống dưới tạo ra bề mặt ướt của lớp vật liệu đệm cho dòng khí từ dưới đi lên