Tài liệu Nghiên cứu khả năng ứng dụng phương pháp hấp phụ trong xử lý nước thải dệt nhuộm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ---------------------------- NGUYỄN VIẾT HOÀNG NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM NGÀNH: CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN HỒNG KHÁNH HÀ NỘI - 2005 LỜI CẢM ƠN Tôi mong muốn gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. Nguyễn Hồng Khánh vì những gợi ý và hướng dẫn của Cô trong quá trình làm luận văn. Xin chân thành cảm ơn GS. TSKH Nguyễn Văn Điệp vì sự giúp đỡ của Giáo sư trong trong quá trình xây dựng mô hình thiết bị. Xin chân thành cảm ơn những nhân viên trong phòng thí nghiệm của dự án KOICA, viện Công nghệ Môi trường, Viện Khoa học Việt Nam vì những giúp đỡ của họ trong quá trình tiến hành thực nghiệm. Cảm ơn những người bạn của tôi vì họ luôn khuyến khích tôi trong những giai đoạn gặp khó khăn, luôn chia sẻ kiến thức, giúp đỡ trong quá trình hoàn thành luận văn. Xin chân thành cám ơn những người thân trong gia đình bởi họ là chỗ dựa vững chắc về tinh thần để tôi luôn có được động lực và sự tập trung cao trong quá trình nghiên cứu. 1 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................... 4 CH-¬ng 1. TỔNG QUAN..........................................................................8 1.1. Đặt vấn đề .................................................................................... 8 1.2. Vai trò của công đoạn hấp phụ trong dây chuyền xử lý nước thải............... ................................................................................................. 9 1.3. Các nghiên cứu về quá trình hấp phụ tại Việt Nam và trên Thế Giới ......... ............................................................................................ 12 1.3.1. Các nghiên cứu về cơ chế và động học của quá trình hấp phụ13 1.3.2. Các nghiên cứu về ứng dụng phương pháp mô hình hoá trong công nghệ hấp phụ .................................................................................. 15 1.4. Nội dung và giới hạn nghiên cứu của luận văn ...................... 16 CH-¬ng 2. PHƯƠNG PHÁP LUẬN NGHIÊN CỨU...............................19 2.1. Cơ sở lý thuyết của quá trình hấp phụ ................................... 19 2.1.1. Tổng quan về phương pháp hấp phụ ....................................... 19 2.1.2. Các tính chất cơ bản của vật liệu hấp phụ .............................. 20 2.1.3. Vật liệu hấp phụ ...................................................................... 21 2.1.4. Cân bằng hấp phụ - Đường đẳng nhiệt hấp phụ ..................... 27 2.1.5. Cơ chế và động học của quá trình hấp phụ ............................. 29 2.1.6. Thiết bị hấp phụ dạng cột ........................................................ 32 2.2. Mô hình thiết bị hấp phụ .......................................................... 34 2 2.2.1. Các dạng mô hình của thiết bị hấp phụ dạng tầng cố định ..... 35 2.2.2. Mô hình thiết bị dạng đẩy không có khuếch tán dọc trục ....... 36 2.2.3. Phương pháp giải mô hình thiết bị hấp phụ loại tầng cố định 39 Cơ sở lý thuyết của phương pháp xác định hệ số khuếch tán 2.3. trong pha rắn ............................................................................................. 42 Phương pháp phân tích và xử lý số liệu .................................. 44 2.4. CH-¬ng 3. THÍ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ..............................................46 Thiết bị và vật liệu dùng cho thí nghiệm ............................... 46 3.1. 3.1.1. Than hoạt tính và mẫu nước thải............................................. 46 3.1.2. Dụng cụ thí nghiệm ................................................................. 51 3.1.3. Phương pháp xác định nồng độ của chất màu Auramin: ........ 53 Phương pháp tiến hành thí nghiệm ......................................... 55 3.2. 3.2.1. Thí nghiệm lựa chọn loại than phù hợp .................................. 55 3.2.2. Thí nghiệm xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ ................... 55 3.2.3. Thí nghiệm về động học của quá trình hấp phụ ...................... 58 3.1.4. Thí nghiệm xây dựng đường cong hấp phụ (Breakthrough curve).............. ......................................................................................... 59 Kết quả thí nghiệm .................................................................... 61 3.3. 3.3.1. Thí nghiệm lựa chọn loại than phù hợp .................................. 61 3.3.2. Thí nghiệm xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ ................... 66 3.3.2.1. Kết quả thí nghiệm với nước thải nhà máy dệt Minh Khai: 66 3.3.2.2. Kết quả thí nghiệm với dung dịch Auramin ....................... 68 3 3.3.3. Kết quả thí nghiệm về động học của quá trình hấp phụ ......... 71 3.3.4. Kết quả thí nghiệm xây dựng đường cong hấp phụ (Breakthrouhg curve) .............................................................................. 74 3.3.4.1. Thí nghiệm với nước thải dệt nhuộm .................................. 74 3.3.4.2. Kết quả thí nghiệm với chất mầu Auramin ......................... 76 CH-¬ng 4. SO SÁNH KẾT QUẢ MÔ HÌNH VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM.................................................................................................81 4.1. Kết quả đối với nước thải dệt nhuộm...................................... 81 4.1.1. Các thống số đầu vào của mô hình: ........................................ 81 4.1.2. Nhận xét kết quả mô phỏng đối với nước thải của nhà máy dệt Minh Khai ............................................................................................... 82 4.2. Kết quả đối với chất màu Auramin ......................................... 86 4.2.1. Thông số đầu vào của mô hình: .............................................. 87 4.2.2. Nhận xét kết quả: .................................................................... 87 KẾT LUẬN ..................................................................................................... 94 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... 97 4 LỜI MỞ ĐẦU Hấp phụ là một trong những phương pháp quan trọng được ứng dụng để xử lý các chất ô nhiễm, đặc biệt là các chất hữu cơ khó phân huỷ sinh học, các sản phẩm phụ của quá trình khử trùng (By-disinfection products – BDPs)… Mặc dù, hiệu quả của phương pháp hấp phụ khá cao (trong một số trường hợp, còn cao hơn hiệu quả của công nghệ màng) và có thể áp dụng trong những trường hợp mà một số phương pháp cổ điển khó áp dụng [11], nhưng việc sử dụng rộng rãi phương pháp này vẫn còn hạn chế. Một trong những lý do cơ bản là giá thành của các chất hấp phụ khá đắt. Đã có nhiều tác giả tập trung nghiên cứu để tạo ra những chất hấp phụ có giá thành thấp, tuy nhiên, những nghiên cứu này mới chỉ dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm. Chính vì vậy, các nhà nghiên cứu cũng như các nhà công nghệ cố gắng tìm ra một phương pháp tiếp cận khác để giảm giá thành xử lý bằng phương pháp hấp phụ, đó là, tối ưu hoá quá trình thiết kế và vận hành hệ thống hấp phụ. Thực tế, Việt Nam là một trong những quốc gia có nguồn nguyên liệu phong phú và có chất lượng cao để chế tạo than hoạt tính và đã có một số cơ ở sản xuất vật liệu hấp phụ nổi tiếng (như than Trà Bắc, sản xuất từ sọ dừa). Tại viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, một số nghiên cứu về quá trình hấp phụ cũng được phát triển mạnh (các nghiên cứu về quá trình và vật liệu hấp phụ của PG.STS Lê Văn Cát). Đây là một trong những ưu thế lớn để chúng ta có thể sản xuất và ứng dụng than hoạt tính trong lĩnh vực công nghệ môi trường, nói riêng, một cách rộng rãi với giá thành chấp nhận được. Hơn nữa, ngành công nghệ môi trường là một trong những ngành mới, xuất hiện trong khoảng 10 năm gần đây. Khi các ngành công nghiệp sản xuất phát triển mạnh mẽ cùng với tải lượng ô nhiễm cao thì hiển nhiên các tiêu chuẩn môi trường phải được xiết chặt hơn để đảm bảo cho sự phát triển bền vững của môi trường cũng như chất lượng sống của người dân. Khi các tiêu chuẩn được xiết 5 chặt, khả năng đáp ứng tiêu chuẩn môi trường của các phương pháp xử lý truyền thống (như đông keo tụ, tuyển nổi, phương pháp sinh học …) sẽ bị hạn chế. Do đó, người ta cần phải áp dụng các phương pháp có hiệu quả cao hơn như công nghệ màng, các công nghệ oxy hoá tiên tiến (Fenton, oxy hoá bằng peroxide ướt - WPO – wet peroxide oxidation…) và hấp phụ. Trong đó, phương pháp hấp phụ có một số ưu điểm hơn so với các phương pháp khác (ví dụ: fenton và công nghệ màng) như: đơn giản trong vận hành, nguồn nguyên liệu phong phú, hiệu quả xử lý cao, có khả năng hoàn nguyên vật liệu sau sử dụng. Hiện nay, có hai phương pháp tiếp cận chính trong quá trình thiết kết thiết bị hấp phụ là: nghiên cứu trên thiết bị trong phòng thí nghiệm và mô hình hoá thiết bị hấp phụ (ứng dụng mô hình để mô phỏng thiết bị hấp phụ). Tuy nhiên, việc nghiên cứu trong phòng thí nghiệm đòi hỏi rất nhiều công sức, thời gian cũng như đầu tư cho thí nghiệm. Thông thường, thí nghiệm xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ phải mất ít nhất 2h. Để có thể xây dựng được một đường cong hấp phụ (breakthrough curve), cần đến hàng ngày thậm chí hàng tuần. Ngoài ra, việc đánh giá và sử dụng các số liệu thí nghiệm để áp dụng cho công trình thực tế cũng đòi hỏi những kinh nghiệm và các kỹ thuất xử lý số liệu nhất định mới có thể áp dụng được chính xác. Trong những năm gần đây, phương pháp mô hình hoá ngày càng thể hiện nhiều ưu điểm so với việc tiến hành các nghiên cứu truyền thống trong phòng thí nghiệm. Đặc biệt, khi ngày càng có nhiều tác giả nghiên cứu về quá trình hấp phụ nên cơ chế và bản chất của quá trình này cũng được hiểu một cách chính xác hơn. Do vậy, ta có thể mô tả gần đúng quá trình này bằng các công thức toán học và giải chúng trên máy tính. Trên thế giới, đã có rất nhiều tác giả khác nhau nghiên cứu về lĩnh vực này như: Gordon McKay, Buning Chen, Chi Wai Hui [4], Tongbao Chen, Yi Jiang, Yinping Zhang, 6 Shuanquiang Liu [27], Michelle Edith Jarvie, David W Hand, Shanmugalingam Bhuvendralingam, John C Crittenden, Dave R Hokanson [18]. Trong đó, đặc biệt có hai tác giả là David O Cooney [6] và Chi Tien [5] đã có những nghiên cứu rất sâu trong lĩnh vực mô hình hoá thiết bị hấp phụ. Tuy nhiên, tại Việt Nam, đây vẫn còn là một lĩnh vực mới và có ít nghiên cứu riêng cho việc ứng dụng phương pháp mô hình hoá để mô phỏng cũng như thiết kế thiết bị hấp phụ. Việc áp dụng phương pháp mô hình hoá giảm thiểu được khá nhiều thí nghiệm cũng như thời gian nghiên cứu. Do đó, đề tài “Nghiên cứu khả năng ứng dụng phương pháp hấp phụ trong xử lý nước thải dệt nhuộm” được lựa chọn. Với đề tài này, việc mô phỏng và dự đoán quá trình xảy ra trong thiết bị hấp phụ dạng tầng cố định sẽ là nội dung chính của luận văn. Đồng thời, cũng đề ra được một quy trình tiến hành thí nghiệm để xác định các thông số quan trọng của mô hình. Với các kết quả đạt được,việc thiết kế thiết bị hấp phụ có thể được tiến hành một cách hiệu quả và nhanh chóng hơn so với phương pháp truyền thống (tiến hành các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm rồi sau đó mở rộng quy mô cho thiết bị thực). Trong quá trình nghiên cứu thực nghiệm, chất hấp phụ sử dụng là than hoạt tính. Đối tượng nước xử lý gồm hai loại chính: nước thải của nhà máy dệt Minh Khai và nước thải tự pha với chất mầu Auramin. Với những nội dung như trên, luận văn được chia thành 5 chương chính như sau: Chương 1: Tổng quan, nêu lên tổng quan về công đoạn hấp phụ, các nghiên cứu và nội dung chính của luận văn. Chương 2: Phương pháp luận nghiên cứu, trình bày các cơ sở lý thuyết quan trọng phục vụ cho quá trình nghiên cứu thực nghiệm và xây dựng mô hình thiết bị hấp phụ. 7 Chương 3: Thí nghiệm và kết quả, trình bày về vật liệu, phương pháp thí nghiệm và các kết quả thí nghiệm đạt được. Chương 4: So sánh kết quả của mô hình với kết quả thực nghiệm, tiến hành giải mô hình và so sánh kết quả của mô hình với kết quả thí nghiệm. Kết luận, đưa ra các kết luận về kết quả của luận văn, xuất và phương hướng mở rộng quá trình nghiên cứu trong tương lai. 8 Ch-¬ng 1 TỔNG QUAN 1.1. Đặt vấn đề Chất hấp phụ là một trong những loại vật liệu được ứng dụng trong thực tế từ rất lâu. Các tài liệu lịch sử cho thấy, từ những năm 1550 trước công nguyên, than hoạt gỗ đã được ứng dụng trong ngành dược phẩm. Vào những năm 200 sau công nguyên, than được sử dụng để loại bỏ các chất gây vị khó chịu trong nước. Tới năm 1785, các nhà khoa học đã tiến hành thí nghiệm và nhận ra khả năng hấp phụ của than đối với các chất ô nhiễm trong nước. Vào những năm 1800, than hoạt tính bắt đầu được sử dụng làm vật liệu lọc. Năm 1929, thiết bị lọc nước bằng than hoạt tính dạng hạt được lắp đặt lần đầu tiên tại châu Âu. Tại Mỹ, thiết bị lọc bằng than hoạt tính được lắp đặt lần đầu tiên tại thành phố Bay, Michigan vào năm 1930. Trong những năm 1940, các nhà khoa học bắt đầu nhận thấy tính hiệu quả của than hoạt tính dạng hạt (Granular Activated Carbon – GAC) trong việc tinh lọc và tách các sản phẩm trong ngành công nghiệp hoá chất nhân tạo. Cho tới cuối những năm 1960 và đầu 1970, người ta bắt đầu biết tới khả năng loại bỏ các hợp chất hữu cơ tổng hợp (Synthesis Organic compounds - SOCs) trong nước và khí của GAC. Tới nay, hấp phụ một trong những giai doạn không thể thiếu trong dây chuyền xử lý nước thải và xử lý khí thải. Mặc dù, đây là một trong những công nghệ truyền thống nhưng việc tìm hiểu cơ chế, tính toán quá trình vẫn rất cần thiết, bởi vì, rất nhiều công nghệ mới được phát triển trên nền tảng của quá trình hấp phụ như công nghệ siêu lọc, màng …Ngoài ra, cũng có nhiều công nghệ tiên tiến cũng được phát triển bằng cách kết hợp giữa công doạn hấp phụ với công đoạn xử lý khác như kết hợp giữa phương pháp hấp phụ dùng than dạng 9 bột với phương pháp bùn hoạt tính (công nghệ PACT - Powdered Activated Carbon – Activated Sludge System), kết hợp giữa phương pháp hấp phụ với công nghệ xúc tác quang học để xử lý VOCs ở nồng độ thấp… Cơ chế của quá trình hấp phụ còn được áp dụng nhiều trong lĩnh vực mô hình hoá nước ngầm, mô phỏng hiện tượng xâm thực, các quá trình phong hoá trong tự nhiên. Do đó, hiện nay, có nhiều nhà khoa học vẫn tiếp tục tập trung nghiên cứu trên lĩnh vực này để có thể mô tả nó ngày một chính xác hơn. Một trong những hướng nghiên cứu chính là mô hình hoá thiết bị hấp phụ ứng dụng để mô phỏng và thiết kế thiết bị. Với cách thức tiếp cận này, quá trình thiết kế cũng như vận hành được tối ưu hoá nhằm giảm giá thành cũng như các rủi ro xảy ra trong quá trình hoạt động. Đặc biệt, với thiết bị hấp phụ dạng cột, mô hình hoá là một công cụ cần thiết cho cả quá trình thiết kế và vận hành. Với thiết bị dạng khuấy trộn, hiệu quả quá trình có thể được tính toán gần đúng bằng các công thức toán đơn giản, do quá trình xảy ra gần đúng với quá trình lý tưởng. Tuy nhiên, với thiết bị dạng cột, quá trình xảy ra hoàn toàn khác với quá trình lý tưởng, do đó, không thể ước tính thời gian xuất hiện "vết". Để làm được điều này, mô hình toán cho thiết bị cần được xây dựng. 1.2. Vai trò của công đoạn hấp phụ trong dây chuyền xử lý nước thải Công nghệ hấp phụ được áp dụng trong hầu hết các dây chuyền xử lý nước thải và nước cấp. Ngoài ra, nó cũng được sử dụng rất phổ biến trong lĩnh vực xử lý ô nhiễm khí, xử lý khí thải (đặc biệt là khí thải của phương tiện giao thông), xử lý các chất ô nhiễm khí dạng hữu cơ trong khu vực làm việc (VOCs). Mục đích chính của thiết bị hấp phụ trong dây chuyền xử lý nước thải là loại bỏ các hợp chất hữu cơ không có khả năng phân huỷ sinh học, các chất gây mầu, mùi và một số hợp chất đặc biệt khác. 10 Hiện nay, tồn tại rất nhiều dây chuyền xử lý nước thải khác nhau có áp dụng công nghệ hấp phụ. Tuỳ thuộc vào tính chất của nước thải mà người ta có thể áp dụng các sơ đồ dây chuyền phù hợp. Thông thường, thiết bị hấp phụ được kết hợp với thiết bị xử lý bằng phương pháp sinh học hoặc xử lý hoá lý (phương pháp đông keo tụ, tuyển nổi). Hình1.1 mô tả các vị trí của thiết bị hấp phụ khi kết hợp với thiết bị xử lý sinh học. Hình 1.2 mô tả vị trí của thiết bị hấp phụ khi kết hợp với thiết bị xử lý hoá lý (đông keo tụ và tuyển nổi). P S F AC D nước thải xử lý (1) P S AC nước sau F D nước thải xử lý (2) P S AC nước thải (3) nước sau D nước sau xử lý Hình1.1: Hấp phụ kết hợp với phương pháp xử lý sinh học [3] P: các thiết bị xử lý sơ cấp (bể lắng, đông keo tụ, tuyển nổi…) S: thiết bị xử lý thứ cấp (xử lý bằng phương pháp sinh học). AC: thiết bị hấp phụ bằng than hoạt tính F: thiết bị lọc D: thiết bị khử trùng 11 Khi kết hợp với hệ thống xử lý sinh học, thiết bị hấp phụ có 3 vị trí cơ bản trong hệ thống. Với sơ đồ dây chuyền thứ nhất (1), thiết bị hấp phụ được đặt sau thiết bị lọc, do đó, nó sẽ hoạt động có hiệu quả hơn. Thiết bị lọc có nhiệm vụ loại bỏ phần lớn hàm lượng SS cuốn theo dòng nước sau sinh học, tránh gây các hiện tượng tắc thiết bị cũng như ảnh hưởng do hoạt động của vi sinh vật đối với cột hấp phụ. Với sơ đồ dây chuyền (2), thiết bị lọc được đặt sau thiết bị hấp phụ. Mục đích của thiết bị lọc là loại bỏ phần than bị lôi cuốn theo dòng nước (dùng khi than có tính bền cơ học kém). Nó đảm bảo cho hiệu quả hoạt động của thiết bị khử trùng. Tuy nhiên, nếu bể lắng của thiết bị sinh học hoạt động không tốt, thiết bị hấp phụ có khả năng bị tắc bởi hàm lượng SS quá lớn trong dòng nước vào. Sơ đồ cuối, (3), có cấu trúc đơn giản, giá thành đầu tư và vận hành cũng nhỏ hơn hai dây chuyền trên. Tuy nhiên, nó đòi hỏi khắt khe hơn trong quá trình vận hành hệ thống. Với một số loại nước thải có hàm lượng chất hữu cơ khó phân huỷ sinh học cao (như nước thải dệt nhuộm), công đoạn hấp phụ thường được kết hợp với công đoạn xử lý hoá lý (đông keo tụ, tuyển nổi) mà không cần có bước xử lý sinh học (vì hiệu quả xử lý của phương pháp sinh học trong trường hợp này thấp) (Hình 1.2). Công đoạn xử lý hoá lý có nhiệm vụ loại bỏ phần lớn SS, COD (hiệu quả xử lý đạt khoảng 30 – 50 %). Để dòng thải đầu ra đạt tiêu chuẩn về COD, độ mầu, phương pháp hấp phụ cần được sử dụng. Vị trí của thiết bị hấp phụ trong trường hợp này cũng tương tự như trong trường hợp kết hợp với thiết bị xử lý sinh học. Đối với than dạng bột, các nhà nghiên cứu đã đưa ra một ứng dụng khá đặc biệt nhằm nâng cao hiệu quả xử lý của phương pháp bùn hoạt tính, công nghệ PACT [1]. Trong công nghệ này, than hoạt tính dạng bột được cấp thẳng vào bể Aeroten. Nhờ có than hoạt tính, một số loại chất hữu cơ khó hoặc không có khả năng phân huỷ sinh học được loại bỏ, ngoài ra, một số 12 P F AC D nước sau nước thải xử lý (1) P AC F D nước sau nước thải xử lý (2) P AC D nước sau nước thải (3) xử lý Hình1.2: Hấp phụ kết hợp với phương pháp xử lý hoá lý [3] P: các thiết bị xử lý sơ cấp: bể lắng và đông keo tụ AC: thiết bị hấp phụ bằng than hoạt tính F: thiết bị lọc D: thiết bị khử trùng chất gây kìm hãm quá trình sinh học, quá trình nitrat hoá cũng bị loại bỏ nhờ than hoạt tính. Do đó, các vi sinh vật có thể hoạt động với hiệu quả cao hơn. Than hoạt tính kết hợp với các bông bùn sinh học nên làm tăng khối lượng riêng của bùn giúp bùn dễ lắng hơn. 1.3. Các nghiên cứu về quá trình hấp phụ tại Việt Nam và trên Thế Giới 13 Hấp phụ là một trong những quá trình quan trọng trong dây chuyền công nghệ xử lý nước (nước thải và nước cấp). Cho tới nay, đã có rất nhiều các nghiên cứu tập trung vào lĩnh vực này. Trong thời gian đầu, các nhà khoa học tập trung vào nghiên cứu về cơ chế của quá trình hấp phụ (nghiên cứu về cơ chế, động học, các quá trình chuyển khối và cấp khối xảy ra bên trong và ngoài vật liệu hấp phụ). Từ những nghiên cứu cơ bản này, dòng nghiên cứu về hấp phụ được chia làm hai. Một là nghiên cứu về hấp phụ nhằm cải tiến và nâng cao hiệu quả của quá trình. Hai là, những nghiên cứu về vật liệu hấp phụ với mục đích đạt được hiệu quả hấp phụ cao nhưng với giá thành thấp. Cho tới nay, hướng nghiên cứu vật liệu hấp phụ có giá thành thấp vẫn đang được các nhà khoa học quan tâm và theo đuổi. Ngoài ra, các nhà nghiên cứu còn tập trung vào lĩnh vực mô hình hoá và tối ưu hoá thiết bị hấp phụ và trong những năm gần đây, mô hình hoá ứng dụng để mô phỏng và thiết kế thiết bị hấp phụ đã trở thành một xu hướng chính. Có thể nói, tất cả các nghiên cứu hiện nay đều tập trung vào giải quyết một vấn đề chính là giảm giá thành của phương pháp hấp phụ. 1.3.1. Các nghiên cứu về cơ chế và động học của quá trình hấp phụ Tại Thái Lan, các nhà nghiên cứu của khoa Công nghệ Hoá học, trường Đại học công nghệ Thonburi, tiến hành nghiên cứu khả năng xử lý nước thải dệt của các làng nghề bằng than gỗ và than hoạt tính (chế tạo từ gỗ) [29]. Các nghiên cứu được tiến hành với một số loại thuốc nhuộm khác nhau như Red 23, Violet 9, Blue 201. Họ tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của pH, nhiệt độ, thời gian tiếp xúc và nồng độ muối đối với hiệu quả của quá trình hấp phụ. Các kết quả thí nghiệm chỉ ra rằng, với than hoạt tính, khả năng hấp phụ chất mầu Red 23 và Violet 9 không phụ thuộc vào pH trong một dải rộng (4.5 – 10), tuy nhiên, đối với chất mầu Blue 201, dung lượng hấp phụ tăng 14 một ít tại điều kiện pH thấp. Nồng độ muối nhỏ hơn 10,000 ppm không gây ảnh hưởng tới quá trình hấp phụ. Ngoài ra, đường đẳng nhiệt hấp phụ tuân theo phương trình của Fruendlich và Langmuir. T.A. Albanis, D.G. Hela, T.M. Sakellarides và T.G. Danis tập trung tìm kiếm những loại vật liệu hấp phụ có giá thành thấp để loại bỏ thuốc nhuộm trong nước thải [26]. Chất hấp phụ được sản xuất từ tro của khí thải và một số loại đất sét có hàm lượng chất hữu cơ thấp. Các loại thuốc nhuộm được sử dụng trong quá trình nghiên cứu là thuốc nhuộm được dùng nhiều trong thương mại như: orange 7, acid yellow 23, disperse blue 79, basic yellow 28 và direct yellow 28. Với các thí nghiệm tiến hành trên thiết bị dạng mẻ, hiệu quả xử lý chỉ cao với các loại thuốc nhuộm direct yellow 28 (99.2%), basic yellow 28 (96.8%) và disperse blue 79 (88.5%). Với các thí nghiệm trên cột, hiệu quả xử lý cũng chi cao đối với các loại chất mầu nói trên. E. Voudrias, K. Fytianos và E. Bozani tiến hành nghiên cứu về quá trình hấp phụ và nhả hấp phụ của một số loại chất hấp phụ khác nhau đối với thuốc nhuộm hoạt tính [8]. Các chất hấp phụ được sử dụng trong quá trình nghiên cứu là than hoạt tính và một số loại chất hấp phụ có giá thành sản xuất thấp như tro khói thải, bentonite và một số loại đất. Kết quả của quá trình nghiên cứu cho thấy, than hoạt tính có dung lượng hấp phụ lớn nhất rồi đến tro khói thải và bentonite. S. Netpradit, P. Thiravetyan và S. Towprayoon nghiên cứu khả năng hấp phụ của hydroxide kim loại đối với thuốc nhuộm hoạt tính [25]. Chất hấp phụ có nguồn gốc từ bùn thải của công trình xử lý nước thải mạ điện. Các kết quả nghiên cứu cho thấy loại bùn này có khả năng xử lý được nước thải dệt nhuộm có chứa thuốc nhuộm hoạt tính (Reactive red 141). 15 Kieth K.H. Choy, John F. Porter và Gordon McKay tập trung nghiên cứu về hệ số khuếch tán của các loại thuốc nhuộm acid trên than hoạt tính [14]. Các tác giả đã nghiên cứu và dánh giá hệ số khuêch tán của cả hệ đơn cấu tử và hệ đa cấu tử. Các thí nghiệm được tiến hành gồm có 3 dung dịch đơn cấu tử, 3 dung dịch lưỡng cấu tử và một dung dịch gồm 3 cấu tử. Các chất mầu được sử dụng gồm có Acid Blue 80, Acid Red 114 và Acid Yellow 117. Qua quá trình nghiên cứu, các tác giả đã chỉ ra rằng, giai đoạn khuếch tán trong mao quản là giai đoạn chậm nhất trong quá trình hấp phụ. 1.3.2. Các nghiên cứu về ứng dụng phương pháp mô hình hoá trong công nghệ hấp phụ L. Markovska, V. Meshko, V.Noveski, M. Marinkovski đã ứng dụng phưong pháp mô hình hoá để thiết kế thiết bị dạng cột loại tầng cố định [16]. Các tác giả nghiên cứu khả năng hấp phụ của than hoạt tính dạng hạt và zeolite tự nhiên với một số loại thuốc nhuộm khác nhau (gồm có MG – 400 và MS – 300). Để mô phỏng quá trình hấp phụ, tác giả đã dùng mô hình khuếch tán trên bề mặt pha rắn. Kieth K.H. Choy, John F. Porter, Gordon McKay nghiên cứu áp dụng phương pháp mô hình hoá trong mô phỏng hiệu quả hấp phụ của một số loại thuốc nhuộm trên than hoạt tính [13]. Thiết bị hấp phụ có dạng tầng cố định. Loại chất mầu được sử dụng là Acid Blue 80, Acid Yellow 117. Tác giả sử dụng 3 loại mô hình khác nhau dựa trên giả thuyết quá trình bị khống chế bởi tốc độ chuyển khối trong lớp màng và trong mao quản. Xiaoyan Yang và Bushra Al-Duri tiến hành các nghiên cứu về động học của quá trình hấp phụ một số chất mầu trên than hoạt tính [30]. Quá trình được tiến hành trong thiết bị dạng mẻ, dung dịch đơn cấu tử. Ba loại mầu hoạt tính khác nhau được lựa chọn cho quá trình nghiên cứu là RR, RN và RY 16 (thuốc nhuộm được cung cấp bởi hãng Ciba – Geigy). Qua các kết quả thí nghiệm, tác giả cho thấy động học của quá trình hấp phụ tuân theo phương trình bậc 1, bậc 2 và mô hình khuếch tán trong hệ mao quản. Michelle Edith Jarvie, David W Hand, Shanmugalingam Bhuvendralingam, John C Crittenden và Dave R Hokanson cũng có những nghiên cứu áp dụng phương pháp mô hình hoá để mô phỏng sự hoạt động của thiết bị hấp phụ dạng tầng cố định [18]. Tuy nhiên, các nghiên cứu của tác giả lại tập trung vào việc loại bỏ các chất hữu cơ nhân tạo trong nước cấp. Nghiên cứu đã đưa ra được mô hình phù hợp trong mô phỏng thiết bị, đồng thời, độ chính xác của mô hình cũng được kiểm nghiệm bởi các số liệu của một số hệ thống pilot đang vận hành với nhiều nguồn nước khác nhau (nguồn nước ngầm và nước mặt từ 4 quốc gia khác nhau). Với mô hình, tác giả đã có thể dự đoán khá chính xác hoạt động của thiết bị hấp phụ, đồng thời xác định được tốc độ sử dụng cacbon và một số thông số quan trọng cho quá trình thiết kế. 1.4. Nội dung và giới hạn nghiên cứu của luận văn Trên đây chỉ là một số nghiên cứu điển hình và gần gũi với mục tiêu của luận văn. Ngoài ra còn rát nhiều các nghiên cứu khác tập trung vào lĩnh vực chế tạo chất hấp phụ cho những ứng dụng đặc biệt (như loại bỏ kim loại nặng trong nước…). Những nghiên cứu về quá trình hấp phụ đã khá hoàn thiện, đặc biệt là về cơ chế và động học của quá trình. Những nghiên cứu trong lĩnh vực mô hình hoá thiết bị hấp phụ cũng được phát triển mạnh trong những năm gần đây và vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu, mặc dù, về cơ sở lý thuyết của mô hình thiết bị hấp phụ đã được phát triển từ rất lâu (thông qua các nghiên cứu của tác giả Chi Tien [5], David O. Cooney [6]). Tuy nhiên, tại Việt Nam, những nghiên cứu về mô hình hoá thiết bị hấp phụ vẫn còn khiêm 17 tốn. Có rất nhiều lý do khiến các nghiên cứu về quá trình hấp phụ còn ít. Một trong những lý do chính là ngành công nghệ môi trường vẫn còn là một ngành mới. Các nghiên cứu đang tập trung vào hiệu quả xử lý nên các công đoạn cơ bản như đông keo tụ, sinh học được chú ý nhiều hơn. Hấp phụ chỉ được áp dụng như là một giải pháp để hoàn thiện về hiệu quả xử lý. Để phương pháp hấp phụ có tính khả thi nhiều hơn trong thời gian hiện tại cũng như tương lai, cần phải có những quy trình thiết kế chính xác hơn. Để làm được điều này, hiện nay, tồn tại hai phương pháp tiếp cận phổ biến trong quá trình nghiên cứu thiết bị hấp phụ là: - Nghiên cứu trên thiết bị trong phòng thí nghiệm để xác định được các thông số kỹ thuật quan trọng. - Mô hình hoá phục vụ cho thiết kế và mô phỏng thiết bị hấp phụ. Tuy nhiên, việc nghiên cứu trong phòng thí nghiệm đòi hỏi nhiều công sức, thời gian cũng như kinh phí. Các thí nghiệm cơ bản nhất phục vụ cho quá trình nghiên cứu thiết bị hấp phụ gồm có: thí nghiệm xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ, thí nghiệm về động học và thí nghiệm xây dựng đường cong hấp phụ. Thông thường, thí nghiệm xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ phải mất ít nhất 2h. Để có thể xây dựng được một đường cong hấp phụ (breakthrough curve), cần đến hàng ngày thậm chí hàng tuần. Ngoài ra, việc đánh giá và sử dụng các số liệu thí nghiệm để áp dụng cho công trình thực tế cũng đòi hỏi những kinh nghiệm và các kỹ thuất xử lý số liệu nhất định mới có thể áp dụng được chính xác. Cách tiếp cận thứ hai là ứng dụng phương pháp mô hình hoá để thiết kế cũng như mô phỏng thiết bị. Phương pháp mô hình hoá ngày càng thể hiện nhiều ưu điểm so với việc tiến hành các nghiên cứu truyền thống trong phòng thí nghiệm . Đặc biệt, khi ngày càng có nhiều tác giả nghiên cứu về quá trình 18 hấp phụ nên cơ chế và bản chất của quá trình này cũng được hiểu một cách chính xác hơn. Do vậy, quá trình này có thể được mô tả lại bằng các công thức toán học và giải chúng dựa trên các phần mềm thương mại hoặc không thương mại. Việc áp dụng phương pháp mô hình hoá giảm thiểu được khá nhiều thí nghiệm cũng như thời gian nghiên cứu. Chính vì lý do này, đề tài “Nghiên cứu khả năng ứng dụng của phương pháp hấp phụ trong xử lý nước thải dệt nhuộm” được lựa chọn. Với đề tài này, mô hình thiết bị hấp phụ dạng tầng cố định được xây dựng nhằm mục đích dự đoán quá trình xảy ra trong thiết bị. Đồng thời, cũng đưa ra một quy trình tiến hành thí nghiệm để xác định các thông số quan trọng cho mô hình. Đối với việc áp dụng phương pháp mô hình hoá để mô phỏng, dự báo quá trình hấp phụ phục vụ thiết kế công nghệ, có ba vấn đề chính cần quan tâm, gồm: - Xác định giá trị của một số thông số đầu vào cho mô hình toán (đường đẳng nhiệt hấp phụ, hệ số khuếch tán trong pha rắn). Giá trị của các thông số đầu vào này có được thông qua quá trình thực nghiệm. - Một số thông số đầu vào khác như vận tốc, độ rỗng, khối lượng riêng có được thông qua các tài liệu tham khảo (các nghiên cứu, tài liệu của nhà sản xuất than). - Bộ số liệu để kiểm chứng tính chính xác của mô hình: bộ số liệu này có được qua các thí nghiệm tiến hành với cột hấp phụ trong phòng thí nghiệm của dự án KOICA, Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường. Với các kết quả đạt được, thiết bị hấp phụ có thể được thiết kế có hiệu quả hơn việc tiến hành các thí nghiệm theo phương pháp cổ điển.