Đề tài Ứng dụng của phương pháp trao đổi ion trong nước

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM VIỆN KHCN & QLMT --------e&f-------- MÔN : KỸ THUẬT XỬ LÝ NƯỚC CẤP ĐỀ TÀI : Thành phố Hồ Chí Minh,tháng7, năm 2010 MỤC LỤC I. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION…...2 I.1 Giới thiệu………………………………………………………. 2 I.2 Cơ sở của phương pháp trao đổi ion I.3 Vật liệu trao đổi ion………………………………………...2 I.3.1 Vật liệu trao đổi ion vô cơ………………………………….3 I.3.2 Vật liệu trao đổi ion trên than………………………...........4 I.4 Nhựa trao đổi ion……………………………………………… 6 I.4.1 Nguyên tắc chế tạo…………………………………………8 I.4.2 Cationit……………………………………………………..9 I.4.3 Anionit…………………………………………………….10 I.4.4 Điều kiện sử dụng của nhựa trao đổi ion………………….11 I.5 Thứ tự ưu tiên khi trao đổi……………………………………..11 I.6 Cơ chế trao đổi ion…………………………………………….12 I.7 Cân bằng trao đổi ion………………………………………….13 I.8 Thiết kế cột trao đổi ion……………………………………….16 I.9 Tái sinh các ionit………………………………………………17 I.10 Sơ đồ hệ thống thiết bị trao đổi ion…………………………...17 II. XỬ LÝ CÁC CHẤT ĐỘC HẠI TRONG ĐẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION. II.1 Xử lý amoni ( NH4+) trong nước ngầm…………………………19 II.2 Khử sắt trong nước ngầm……………………………………….20 II.2.1 Một số thiết bị khử sắt thường được sử dụng……………...20 II.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng quá trình khử sắt…………………...23 II.2.3 Áp dụng quá trình khử sắt vào việc xử lý nước ngầm để cấp nước cho cộng đồng dân cư nông thôn……………………………………………25 II.2.4 Khử sắt bằng phương pháp trao đổi ion……………………28 II.3 Xử lý arsen………………………………………………………28 II.3.1 Vai trò arsen và nguồn gốc arsen do hoạt động phát triển...28 II.3.2 Phương pháp xử lý…………………………………………29 II.4 Làm mềm nước…………………………………………………..30 II.5 Xừ lý nitrat……………………………………………………….31 III. QUÁ TRÌNH KHỬ NITRAT TRONG NƯỚC GIẾNG KHOAN BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION……………………………………………….32 III.1 Một số giai đoạn về công nghệ khử nitrat trong nước cấp……….32 III.2 Phương pháp khử nitrat…………………………………………..33 III.3 Nguyên lý trao đổi ion cột tháp…………………………………..35 III.4 Qúa trình hoàn nguyên…………………………………………...37 III.5 Qui trình công nghệ xử lý………………………………………..38. IV. KẾT LUẬN…………………………………………………………..38 І. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION I.1. Giới thiệu. Phương pháp trao đổi ion được sử dụng rộng rãi trong các quá trình xử lý nước thải cũng như nước cấp.  Trong xử lý nước cấp, phương pháp trao đổi ion thường được sử dụng để khử các muối, khử cứng, khử khoáng, khử nitrat, khử màu, khử kim loại và các ion kim loại nặng và các ion kim loại khác có trong nước.  Trong xử lý nước thải, phương pháp trao đổi ion được sử dụng để loại ra khỏi nước các kim loại (kẽm, đồng, crom, nikel, chì, thuỷ ngân, cadimi, vanadi, mangan,…),các hợp chất của asen, photpho, xianua và các chất phóng xạ. Phương pháp này cho phép thu hồi các chất có giá trị với độ làm sạch nước cao  Nhược điểm chính của phương pháp này là chi phí đầu tư và vận hành khá cao nên ít được sử dụng cho các công trình lớn và thường sử dụng cho các trường hợp đòi hỏi chất lượng xử lý cao. Ưu điểm của phương pháp là rất triệt để và xử lý có chọn lựa đốiØ tượng. I. 2- Cơ sở của phương pháp: Là quá trình trao đổi ion dựa trên sự tương tác hoá học giữa ion trong pha lỏng và ion trong pha rắn .Trao đổi ion là một quá trình gồm các phản ứng hoá học đổi chỗ (phản ứng thế ) giữa các ion trong pha lỏng và các ion trong pha rắn (là nhựa trao đổi). Sự ưu tiên hấp thu của nhựa trao đổi dành cho các ion trong pha lỏng nhờ đó các ion trong pha lỏng dễ dàng thế chổ các ion có trên khung mang của nhựa trao đổi. Quá trình này phụ thuộc vào từng loại nhựa trao đổi và các loại ion khác nhau . Có hai phương pháp sử dụng trao đổi ion là trao đổi ion với lớp nhựa chuyển động , vận hành và tái sinh liên tục ; và trao đổi ion với lớp nhựa trao đổi đứng yên ,vận hành và tái sinh gián đoạn. Trong đó trao đổi ion với lớp nhựa tĩnh là phổ biến. I.3 . Vật liệu trao đổi ion. Vật liệu có tính năng trao đổi ion có thể là loại tự nhiên hay tổng hợp, có nguồn gốc vô cơ hay hữu cơ, Chúng được coi là một nguồn tích trữ các ion và có thể trao dổi dược với bên ngoài, Chất trao đổi ion ở đây là dạng rắn không tan trong nước và hầu hết trong các dung môi hữu cơ. Trên bề mặt chất rắn tồn tại các nhóm chức, trong từng nhóm chức chứa hai thành phần tích điện: của nhóm chức cố định và của ion linh động có thể trao đổi được. Cấy trúc của chúng có thể được mô tả: Dạng chất trao đổi Mạng chất rắn Điện tích nhóm chức Ion linhđộng Cationit Anionit Lưỡngtính Vô cơ, hữu cơ Vô cơ, hữu cơ Vô cơ, hữu cơ Âm Dương Âm,dương Dương Âm Âm,dương Các loại chất trao đổi ion yếu chỉ có thể tích điện âm ở pH cao đối với cationit và ở vùng pH thấp đối với anionit nếu không nhóm chức của chúng tồn tại ở thái không phân li, điện tích tỏng của nhóm chức bằng không. Chất trao đổi ion lưỡng tính thì khác, ở vùng pH nhất định chúng thể hiện khả năng trao đổi anion hay cation, chỉ tồn tại ở thái trung hòa tại điểm đẳng điện. Phân loại vật liệu trao đổi ion: Loại cationit a.Vô cơ -tự nhiên (zeolit, khoáng sét). -tổng hợp(zeolit tổng hợp, permutit, silicat tỗng hợp). b. Hữu cơ -Tự nhiên (than bùn, ligin). -than sunfon hóa. -Tổng hợp (nhựa trao đổi ion trên cơ sở phản úng trùng ngưng. Polymer hóa). Loại anionit a.Vô cơ -Tự nhiên (dolomite, apatit,hydroxyl apatit). -Tổng hợp (silicat của kim loại nặng). b. Hữu cơ -Tổng hợp (nhựa trao đổi ion). I.3.1 Vật liệu trao đổi ion vô cơ. Chất trao đổi ion vô cơ tự nhiên chủ yếu là alumosilicat tinh thể, các loại zeolit tự nhiên và khoáng sét cấu trúc lớp. Các loại zeolit tự nhiên như analcite, chabazite, harmotome…Các loại zeolit này có hệ mao quản rộng thuận lợi cho quá trình trao đổi ion. Các ion có thể trao đổi linh động, chuyển dịch khá tự do trong các gốc zeolit, thường là nhiều loại như Na+, Ca2+, K+, Mg2+. Dung lương trao đổi của chúng phụ thuộc vào cấu trúc zeolit, độ sạch của sẩn phẫm. Khoáng sét cấu trúc lớp như montmorilonit, vermiculite cũng có tính năng trao đổi ion. Các ion này nằm giữa các lớp của cấu trúc mạng, quá trình hydrat hóa các ion này gây ra tính trương nở của khoáng sét. Dung lượng trao đổi của khoáng sét thấp hơn so với zeoli, nằm trong khoảng trên dưới 1mdl/g. Glauconite là khoáng sắt (П) alumosilicat chứa ion có thể trao đổi được là kali. Cấu trúc mạng của nó khá chặt nên quá trình trao đổi ion chỉ diễn ra ở bề mặt bên ngoài, tuy nhiên nếu ở trạng thái phân tán cao, dạng keo, khả năng trao đổi ion cũng rất đáng kể. Một số vật liệu trong tự nhiên có tính năng trao anion như dolomite, silicat kim loại nặng. Tuy vậy chỉ có apatit [Ca5(PO4)3]F và hydroxyl apatit [Ca5(PO4)3]OH là có ứng dụng trọng thực tiễn. Zeolit là loại khoáng vật khá mềm, độ chịu mài mòn thấp, hệ mao quản nhỏ, độ dẻo thấp. Khả năng trương nở thấp và hệ mao quản nhỏ nên các ion trao đổi trong đó có độ linh động không cao, Khoáng sét cấu trúc lớp có khả năng trương nở cao, quá trình trao đổi ion dễ dàng hơn nhưng loại vật liệu này có độ bền cơ học tháp, kích thước nhỏ khó sử dụng trong thực tiễn. Tất cả vật liệu trao9 đổi ion vô cơ ( tự nhiên và tổng hợp) đều kém bền về mặt hóa học, bị axit và kiềm phá hủy, điều đó hạn chế ứng dụng trong thực tiễn, tức là chỉ sử dụng chúng trong khoảng pH hẹp. Nhiều loại cũng không bền trong dung dịch một số muối. Giai đoạn tỏng hợp các loại zeolit, ngoài khả năng hấp phụ các phân tử trung hòa, zeolit tổng hợp có dung lượng trao đổi cao hơn nhiều so với zeolit yu75 nhiên. Một số loại oxit kim loại: Fe2O3,Al2O3, MnO2, Cr2O3, Tio2, ZrO2, ThO2, SnO2 là chất lưỡng tính axit- bazo, chúng có khả năng trao đổi cation nếu pH của môi trường cao hơn điểm đẳng điện, chúng được sử dụng cho một số trường hợp đặc thù như hấp phụ flo, asen trên nhôm oxit. I. 3. 2 Vật liệu trao đổi ion trên than. Rất nhiều loại than có khả năng trao đổi ion. Các nhóm chức trên bề mặt than như COOH, OH là các axit1 yếu có khả năng trao đổi H+ trong điều kiện thích hợp. Tuy vậy các vật liệu này dễ bị kiềm phá hủy và có xu hướng petit hóa. Vì vậy trước khi sử dụng chúng cần được ổn định thong qua các biện pháp xử lí. I.4- Nhựa trao đổi ion. Nhựa trao đổi ion còn gọi là ionit ,các ionit có khả năng hấp thu các ion dương gọi là cationit, ngược lại các ionit có khả năng hấp thu các ion âm gọi là anionit. Còn các ionit vừa có khả năng hấp thu cation ,vừa có khả năng hấp thu anion thì được gọi là ionit lưỡng tính . Về cấu tạo : trong cấu tạo của chất trao đổi ion, có thể phân ra hai phầnü .Một phần gọi là gốc của chất trao đổi ion, một phần khác gọi là nhóm ion có thể trao đổi (nhóm hoạt tính ). Chúng hoá hợp trên cốt cao phân tử.Dùng phương pháp tổng hợp hoá học ,người ta chế tạo được chất trao đổi ion hữu cơ gọi là nhựa trao đổi ion (resin) .Resin được tạo ra bởi sự trùng ngưng từ styren vàdivinylbenzen(DVB). Phân tử styren tạo nên cấu trúc cơ bản của Resin. DVB là những cầu nối giữa các polime có tính không hoà tan và giai bền. Cầu nối trong Resin Chất trao đổi ion thông là cầu nối 3 chiều. Trong Resin có cấu trúc rỗng .Phân loại : có 4 loại Resin- Resin Cation acid mạnh- Resin Cation acid yếu - Resin Anion bazơ mạnh- Resin Anion bazơ yếu Tính chất vật lý o Màu sắc : vàng, nâu, đen, thẩm. Trong quá trình sử dụng nhựa , màu sắc của nhựa mất hiệu lực thường thâm hơn một chút.o Hình thái : nhựa trao đổi ion thường ở dạng tròn o Độ nở : khi đem nhựa dạng keo ngâm vào trong nước ,thể tích của nó biến đổi lớn.o Độ ẩm : là % khối lượng nước trên khối lượng nhựa ở dạng khô (độ ẩm khô) , hoặc ở dạng ướt (độ ẩm ướt).o Tính chịu nhiệt : các loại nhựa bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ đều có giới hạn nhất định , vượt quá giới hạn này nhựa bị nhiệt phân giải không sử dụng được . Nhiệt độ hoạt động tốt từ 20-50o C.o Tính dẩn điện : chất trao đổi ion ẩm dẩn điện tốt, tính dẫn điện của nó phụ thuộc vào dạng ion.o Kích thước hạt : Resin có dạng hình cầu d= 0,04-1,00 mm.o Tính chịu mài mòn : trong vận hành các chất trao đổi ion cọ sát lẫn nhau và nở ngót , có khả năng dể vỡ vụn . Đây là một chỉ tiêu ảnh hưởng đến tính năng thực dụng của nó.o Tính chịu oxy hoá: chất oxy hoá mạnh có thể làm cho nhựa bị lão hoá (trơ)  Tính năng hoá học:Dung lượng trao đổi Dung lượng trao đổi là biểu thị mức độ nhiều ít của lượng ion có thể trao đổi trong một loại chất trao đổi ion. Có 2 phuơng pháp biểu thị dung lượng trao đổi .Theo thể tích đlg/m3; theo khối lượng mgđl/g.Tổng dung lượng trao đổi : chỉ tiêu này biểu thị lượng gốc hoạt tính có trong chất trao đổi . Dung lượng trao đổi cân bằng : biểu thị dung lượng trao đổi lớn nhất của chất trao đổi ion trong một loại dung dịch nào đó đã định ,nên không phải là hằng số  Dung lượng trao đổi làm việc : Dung lượng trao đổi được xác định dưới điều kiện vận hành thực tế. Tính năng thuận nghịch của phản ứng trao đổi ion:Phản ứng trao đổi ion là phản ứng thuận nghịch . Dựa trên tính chất này người ta dùng dung dịch chất hoàn nguyên , thông qua chất trao đổi ion đã mất hiệu lực để khôi phục lại năng lực trao đổi của nó . CaR 2 + 2H +( nhựa trao®Thí dụ : 2HR + Ca 2+ đổi) 2HR + Ca 2+(hoàn nguyên)®CaR 2 + 2H+  Tính acid , kiềm : tính năng của chất Cationit RH và chất Anionit ROH ,giống chất điện giải acid, kiềm. Tính trung hoà và thuỷ phân : tính năng trung hoà và thuỷ phân của chất trao đổi ion giống chất điện giải thông thường . Tính chọn lựa của chất trao đổi ion - Ở hàm lượng ion thấp trong dung dịch , nhiệt độ bình thường, khả năng trao đổi tăng khi hoá trị của ion trao đổi tăng. I.4.1. Nguyên tắc chế tạo Nhựa trao đổi ion bắt buộc phải bao gồm: mạng hidrocacbon ba chiều và các nhóm chức phân li gắn trên mạng đó. Có nhiều phương àn để đật được mục tiêu trên: monome là các chất điện li hữu cơ được tạo thành các polymer có liên kết ngang tạo cấu trúc không gian ba chiều, monomer là các phân tử trung hòa, các nhóm chức phân li được gắn vào mạng khi đã tạo thành mạng polymer, hình thành các nhóm chức điện li đồng thời và sự hình thành polymer. Polyme không được tan nhưng cần phải có độ trương nở nhất định, điều đó có thể thực hiện thông qua việc điều chỉnh chất lượng khâu mạch. Polymeco1 mang nhóm chức mạch thẳng tan trong nước (các chất trợ keo tụ), polymer có mức có mức đọ liên kết ngang cao, tạo ra mạng ba chiều đặc sẽ không có độ trương nở, khi đó các ion bị “nhốt” trong đó không trao đổi được. Vì vậy cần phải kiểm soát mức độ liên kết ngang của mạng. Để tạo ra mạng polymer ba chiều cần có monomer thích hợp và chất khâu mạch. Phản úng trùng ngưng và polymer hóa cho phép đạt được mục tiêu đó. I.4.2 Cationit. Sản phẩm trùng ngưng của phenol và fomaldehyd hoặc các loại polyphenol với các aldehyd khác là các cationit được chế tạo sớm nhất. Các sản phẩm này chỉ chứa nhóm OH có cường độ axit rất thấp. Ngưới ta gắn các nhóm axit mạnh qua phản ứng sufon hóa với axit sunfuric trước khi tiến hành phản ứng trùng ngưng. Sản phẩm tạo thành chứa hai loại nhóm chức (-SO3H và OH). Loại cationit mạnh thông dụng là loại copolymer trùng hợp từ styren và divinyl benzene với hàm lượng divinyl benzene thường nằm trong khoảng 8- 20%, quá trình sulfon hóa được tiến hành sau phản ứng polymer hóa. Sản phẩm loại này có độ bền nhiệt và bền hóa cao hơn loại sản phẩm trùng ngưng. Cationit yếu chứa nhóm hoạt động COOH điều chế qua phản ứng copolymer hóa của axit hữu cơ hoặc axit anhidrid với chất khâu mạch divinyl benzene. Sản phẩm thông dụng được điều chế từ axit acrylic hoặc methacrylic với divinyl benzene. Do có tính axit yếu, mức độ phân ly của chúng phụ thuộc vào pH. Các nhóm chức này phần lớn ở dạng trung hòa khi pH < 3, độ phân li tăng dần khi pH tăng và phân li hoàn toàn ở Ph = 10. Nhựa trao đổi chứa hai loại nhóm chức SO3H và COOH có thể chế tạo thông qua sulfon hóa polymer acrylic hay methacrylic. Cationit đặc thù là loại có độ chọn lọc cao đối với một loại cationit nào đó. Loại đặc thù dựa trên nguyên tắc là các ion tạo phức bền hay kết tủa (tạo hợp chất không tan) với các nhóm chức của nhựa. Cationit yếu chứa nhóm COOH có độ chon lọc cao với proton vì nó tạo thành axit yếu khó phân li. Nhựa trao đổi chứa nhóm chức dipicryl amin có độ chọn lọc cao đối với K+, nhóm axit anthranilic tạo phức vòng với kẽm và các kim loại chuyễn tiếp. Thông thường các catioint có độ chọn lọc cao thì có tốc độ trao đổi chậm. Mặt khác, quá trình tái sinh các ion đặc hiệu khá khó khăn, đôi khi khong tái sinh được. Vì vậy, việc chọn lựa vật liệu trao đổi cho một mục tiêu nào đó cần phải cân nhắc lĩ để tìm được sự hài hòa giữa độ chọn lọc, tốc độ trao đổi và khả năng tái sinh. I.4.3 Anionit. Anionit đang được sử dụng là loại hữu cơ tổng hợp. Nhóm chức trong anionit là các amin. Nhóm amin bậc một (-NH2), bậc hai (-NHR), bậc ba (-NR2) là các nhóm bazo yếu, amin bậc bốn (-N+R3OH-) là loại bazo mạnh. Anionit bân đầu được chế tạo là sản phẩm polymer trùng ngưng, và nó bị thay thế bởi các polymer trùng hợp có độ bền cao hơn cũng giồng như trường hợp đối với cationit. Anionit có mùi tanh của amin ngay ở nhiệt độ thường, ở khoảng 60oC chúng bắt đầu phân hủy và nhả ra methanol và amin bậc 3. Anionit có khả năng phá hủy bởi các chất hữu cơ có kích thước lớn như axit humic, fulvic tồn tại trong nước thiên nhiên, loại có tính bền đối với các tác nhân trên được chế tạo với mạng polymer là polyacrylamide và chất khâu mạch là divinyl benzene. Trong khi các anionit mạng phân li ở mọi pH thì các anionit yếu chỉ hoạt động trong vùng pH < 7. Trong vùng pH cao các nhóm chức tồn tại ở trạng thái trung hòa, ở vùng pH thấp lien kết với proton tạo rat rung tâm mang điện tích dương. Anionit yếu bền nhiệt hơn loại mạnh, anionit yếu dạng polystyrene có thể hoạt động ở vùng 100oC. I.4.4 Điều kiện sử dụng của nhựa trao đổi ion.  Nhựa chỉ sử dụng để trao đổi ion chứ không dùng để lọc huyền phù ,chất keo và nhũ màu .Sự có mặt các chất này có thể rút ngắn tuổi thọ của nhựa . Loại bỏ các chất hữu cơ bằng nhựa rất phức tạp ,cần có nghiên cứu đặc biệt.  Sự có mặt của khí hoà tan trong nước với lượng lớn có thể gây nhiễu loạn hoạt động của nhựa . Các chất oxy hoá mạnh Cl 2,O3,….có thể tác dụng xấu lên nhựa. I.5 . Thứ tự ưu tiên khi trao đổi Đối với nhựa Cationit acid mạnh(SAC) ,Fe 3+>Al 3+> Ca 2+>Mg 2+ > K+>H+>Li+ Đối với nhựa Cationit acid yếu (WAC) H+>Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+> Na+>Li+ Đối với nhựa Anionit kiềm mạnh (SBA)  Đối với nhựa anionit kiềm yếu (WBA)  Ở hàm lượng ion thấp ,nhiệt độ bình thường và những ion cùng hoá trị ,khả năng trao đổi tăng khi số điện tử của ion trao đổi lớn (bán kính hydrat hoá lớn)  Ở hàm lượng ion cao ,khả năng trao đổi của các ion không khác nhau nhiều lắm . I.6. Cơ chế trao đổi ion. Qúa trình trao đổi ion có thể biểu diễn: R- -I+ + M+X ↔ R-M+ + I+X R+Y +M+X ↔ R+X +M+Y R-I+ là cationit vì nó có ion dương I+ có thể trao đổi được với ion M+ trong dung dịch, R+Y là anionit có khả năng trao đổi với các ion âm X- trong dung dịch. R- , R-+ là mạng chất không tan của chất trao đổi ion, với các loại nhựa trao đổi ion nó gồm mạng polymer ba chiều của liên kết hidrocacbon và các nhóm chức tích điện âm như SO, COO- ( đối với cationit) và nhóm chức tích điện dương –NR+ (đối với anionit). Với các cationit, I+ thường là H+ hay Na+, tương ứng nó được gọi là cationit dạng H+ hay Na+. Anionit cũng thường tồn tại ở hai dạng là Cl- vá OH. Ion trong lớp điện tích kép theo mức độ hoạt động lớn nhỏ có thể phân ra : lớp hấp phụ và lớp khuếch tán .Lớp ion có tính hoạt động tương đối kém bị hấp phụ bám chặt vào bề mặt cao phân tử gọi là lớp hấp phụ hay lớp cố định ,nó bao gồm lớp ion bên trong và một bộ phận ion ngược dấu .Cạnh ngoài lớp hấp phụ ,các ion có tính hoạt động tương đối lớn , có khả năng khuếch tán vào trong dung dịch nên gọi là lớp khuếch tán . Khi nhựa trao đối ion gặp dung dịch nước có chất điện giải, các tác dụng sau đây sẽ diễn ra: o Tác dụng trao đổi : Các ion ngược dấu trong lớp khuếch tán và ion ngựoc dấu khác trong dung dịch trao đổi vị trí lẫn nhau .Nhưnh do quá trình trao đổi ion không giới hạn ở lớp khuếch tán ,do quan hệ cân bằng động ,trong dung dịch cũng có một số ion ngược dấu trước tiên trao đổi đến lớp khuếch tán ,sau đó sẽ trao đổi với các ion ngược dấu trong lớp hấp phụ. o Tác dụng nén ép: Khi nồng độ muối trong các dung dịch tăng lớn ,có thể làm cho lớp khuếch tán bị nén ép lại .Từ đó , một số ion ngược dấu trong lớp khuếch tán biến thành ion ngược dấu trong lớp khuếch tán biến thành ion ngược dấu trong lớp hấp phụ …, Pham vi hoạt động của lớp khuếch tán nhỏ lại làm bất lợi cho quá trình trao đổi ion . Do đó cần chú ý nếu nồng độ dung dịch hoàn nguyên quá lớn ,không những không thể nâng cao mà còn giảm thấp hiệu quả hoàn nguyên. Tốc dộ quá trình trao đổi ionNhư trong quá trình hấp phụ ,tốc độ trao đổi ion tuỳ thuộc trên tốc độ của các quá trình thành phần sau:- Khuếch tán của các ion từ trong pha lỏng đến bề mặt của hạt rắn .- Khuếch tán của các ion qua chất rắn đến bề mặt trao đổi .- Trao đổi các ion (tốc độ phản ứng )- Khuếch tán của ion thay thế ra ngoài bề mặt hạt rắn - Khuếch tán của các ion được thay thế từ bề mặt hạt rắn vào trong dung dịch . I .7. Cân bằng trao đổi ion. Cân bằng trao đối ion xảy ra khi một chất trao đổi ion tiếp xúc với một dung dịch chất điện ly, ion trao đổi của dung dịch và trong nhựa trao đổi có bản chất khác nhau. Gỉa sử nhựa trao đổi chứa ion trao đổi là A, ion trao đổi trong dung dịch là B. Qúa trình trao đổi ion diễn ra: -R – A + B → -R – B + A - R là mạng polymer chứa nhóm chức. Trong trạng thái cân bằng các ion trao đổi A, B có mặt cả trong dung dịch lẫn trong chất trao đổi ion. Trao đổi ion là quá trình thuận nghịch và vì vậy rất khó phân biệt là cân bằng được tiệp cận từ phía nào, tức là A trao đổi với B hay ngược lại.Tuy nhiên sự phân bố cả A và B trong hai pha ở trạng thái cân bằng là như nhau đối với cả hai trường hợp miễn là tổng nồng độ của chúng trong hệ không thay đổi. Tỉ lệ nồng độ của hai ion trong từng pha là khác nhau. Cân bằng trao đổi ion có ý nghĩa quan trọng trong thực tiễn và về mặt lí thuyết. Quan hệ hàm số phụ thuộc ion trái dấu của chất trao đổi ionvao2 thành phần ion trái dấu của dung dịch ngoài ở nhiệt độ và áp suất không đổi gọi là đường đẳng nhiệt của trao đổi ion. Các đường đẳng nhiệt biểu thị bằng đồ thị ở hệ trục không thứ nguyên i – ai, với : = và = i và ai - phần tương đương của ion I trong chất trao đổi ion và dung dịch; i – nồng độ ion I trong chất trao đổi ion khi hệ đạt cân bằng mol ion/g chất trao đổi ion; ci – nồng độ ion I trong dung dịch khi hệ đạt cân bằng; zi – điện tích của ion i. các đại lượng i và ai thay đổi từ 0 đến 1, do đó trao đổi đẳng nhiệt i = f(ai) sẽ được biểu thị trong biểu đồ hình vuông có cạnh bằng 1. - Tỷ số được gọi là hệ số phân bố của ion i khi hệ số hút là . Hệ số này biểu thị mức làm giàu và làm nghèo của chất trao đổi ion bằng một chất; - khi < 1: chất trao đổi ion bị làm nghèo; - khi >1: chất trao đổi ion được làm giàu bởi cấu tử I so với dung dịch cân bằng. Nếu một dung dịch chứa một số ion, ví dụ như ion A và B thì tính chọn lọc của chất trao đổi ion được đánh giá bởi hệ số chọn lọc và bằng ti số giữa hệ số phân bố của các ion đó: === - khi , chất trao đổi ion lựa chọn ion A; -khi , chất trao đổi ion lựa chọn ion B; -khi , không lựa chọn ion nào cả. Khi nồng độ chất ô nhiễm trong nước thải nhỏ hơn 0,003 mol/l thì tốc độ trao đổi được xác định bởi quá trình khuếch tán của các ion qua màng chất lỏng. Khi nồng độ chất gây ô nhiễm bằng 0.1 mol/l tốc độ bởi quá trình được xác định bởi quá trình khuếch tán của các ion trong hạt. Trong vùng nồng độ từ 0,003 đên 0,1 mol/l tốc độ quá trình được xác định bởi hai quá trình khuếch tán. Số BIO được tính như sau: == số BIO Trong đó: – hệ số cấp khối: - bán kính của hạt; - hằng số henri; - hệ số dẫn khối. Hệ số khuếch tán của các ion trong nhựa trao đổi có giá trị trong khoảng 10-6 -10-9 cm2 /s , còn trong nước là 10-4 -10-5 cm2/s. Hệ số khuếch tán bị giảm khi tăng kích thước của các ion bị hidrat hóa trong dung dịch và tăng điện tích các ion trái dấu của nhựa trao đổi ion. I.8. Thiết kế cột trao đổi ion. Qúa trình trao đổi ion gồm các giai đoạn: di chuyển các ion trao đổiqua màng chất lỏng bao xung quanh hạt nhựa trao đổi: khuếch tán các ion trong mao quản của nhựa trao đổi và quá trình trao đổi. Trở lực của hai giai đoạn đầu có thể kết hợp trong hệ số chuyển khối tổng như trong hấp thụ. Khi đó có thể sử dụng phương trình tốc độ quá trình hấp phụ để tính tốc dộ trao đổi theo chiều cao chất trao đổi Dz: S.Dy = kt .a (Y-Y*) Dz Trong đó: S- lưu lượng dòng nước thải qua cột trao đổi; Kt – hệ số chuyển khối tổng; a-diện tích bề mặt ngoài của hạt rắn; Y* - nồng độ cân bằng Y- nồng độ làm việc Z- chiều cao lớp chất trao đổi ion Tổng số đơn vị chuyển khối của toàn bộ vùng trao đổi cũng có thể tính thoe công thức: = = = I.9. Tái sinh các ionit. Các cationit được tái sinh bằng dung dịch axit có nồng độ từ 2 đến 8% và chúng chuyển thành dạng –H+.Các dung dịch tái sinh chứa các cation. Sau khi nới lỏng và rửa, các cation sẽ nạp điện tích, ( ví dụ thành dạng –Na bằng cách cho dung dịch muối ăn đi quá chúng. Khi đó nhóm chức năng –H+ nhận được trong tái sinh các cationit bằng axit được thay đổi ở nhóm –Na, còn dung dịch muối ăn được sử dụng để tích điện sẽ bị oxy hóa tới HCl). Người ta tái sinh các anionit đã được sử dụng trong trao đỗi ion bằng dung dịch kiềm. Khi đó các anionit chuyển sang dạng OH-. Các dung dịch tái sinh chứa các anion được tách ra từ nước thải ở dạng nồng độ cao. Khi cần thiết anionit được tái sinh từ dạng –OH- có thể chuyển thành dạng-Cl- bằng cách cho dung dịch NaCl đi qua. Trong dung dịch tích điện, NaOH được tích tụ lại. Các dung dịch tái sinh là các dịch axit hoặc kiềm. Sự trung hòa được tiến hành bằng trộn các dung dịch tái sinh axit và kiềm. I.10. Sơ đồ hệ thống thiết bị trao đổi ion. Sự loại khoáng hoàn toàn bao gồm: một cột trao đổi cation và một cột trao đổi anion kiềm yếu như ở hình 1. Cũng có thể sử dụng trao đổi ion hỗn hợp cả cation và anion theo sơ đồ làm việc gián đoạn như ở hình 2. Chất trao đổi dạng C+ Chất trao đổi dạng D+ Dòng vào A+ B- C+ D- Hình 1 Nước rửa Nước thải Nước rửa Nước sạch 6 8 1 2 3 4 5 7 Hình 2: 1.cột trao đổi: 2. lười đỡ: 3. lớp ionit: 4 đến 6. bộ phận phân bố; 7. thùng chứa dung dịch tái sinh; 8. bơm. П. XỬ LÍ CÁC CHẤT ĐỘC HẠI TRONG NƯỚC BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION. П.1 Xử lý amoni (NH4 +) trong nước ngầm. Nghiên cứu xử lý amoni trong nước ngầm ứng dụng kỹ thuật trao đổi ion trên vật liệu trao đổi ion là nhựa cationit; các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trao đổi amoni là nồng độ amoni trong nước đầu vào, tốc độ dòng chảy, độ cứng của nước và thời gian hoàn nguyên… Theo đó, trong điều kiện trao đổi tĩnh, thời gian để hệ đạt cân bằng nằm trong khoảng 60 phút. Tuy nhiên ở thời điểm 30 phút đầu nhựa đã hấp thu được 84-90% ion amoni so với thời điểm hệ đạt cân bằng. Đẳng nhiệt trao đổi ion của nhựa C100 với ion amoni trong mẫu không có độ cứng và với mẫu có độ cứng đều tuân theo đường thẳng nhiệt Freundlich, không tuân theo đường đẳng nhiệt Langmuir ở nồng độ khảo sát 10 mg NH4 +/l đến 50 mg NH4 +/l. Tốc độ dòng vào ít ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý amoni của nhựa cationit C100. Tuy nhiên, chiều cao tầng chuyển khối trong cột phụ thuộc rất lớn vào tốc độ dòng chảy. Tốc độ dòng càng tăng thì chiều cao tầng chuyển khối càng tăng. Độ cứng trong nước đầu vào ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất xử lý amoni của nhựa cationit C100. Độ cứng tăng làm tăng chiều cao tầng chuyển khối nhưng ít ảnh hưởng đến tổng dung lượng hoạt động của nhựa. Nồng độ amoni đầu vào ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất xử lý amoni trong cột. Khi nồng độ amoni đầu vào tăng thì chiều cao tầng chuyển khối tăng và dung lượng hoạt động tổng của nhựa đối với ion amoni và ion canxi ít thay đổi (dao động trong khoảng 1,1 đl/l đến 1,14 đl/l). Độ chọn lọc của nhựa cationit C100 đối với ion Ca2+ cao hơn ion NH4 +, thể hiện rất rõ trong tất cả đường làm việc của cột. Các thông số như nồng độ amoni trong nước đầu vào và độ cứng trong nước đầu vào đều lựa chọn khoảng khảo sát rất phù hợp với đặc thù nước ngầm ô nhiễm amoni trong nước ngầm một số vùng của nước ta. Kết quả nghiên cứu có thể sử dụng để thiết kế cột trao đổi ion xử lý amoni trong nước ngầm phục vụ cấp nước. П.2 Khử sắt trong nước ngầm. Trong nước ngầm sắt thường tồn tại ở dạng ion, sắt có hoá trị 2 (Fe 2+) là thành phần của các muối hoà tan như: Fe(HCO)2; FeSO4…hàm lượng sắt có trong các nguồn nước ngầm thường cao và phân bố không đồng đều trong các lớp trầm tích dưới đất sâu. Nước có hàm lượng sắt cao, làm cho nước co mùi tanh và có màu vàng, gây ảnh hưởng không tốt đến chất lượng nước ăn uống sinh hoạt và sản xuất. Do đó, khi mà nước có hàm lượng sắt cao hơn giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn thì chúng ta phải tiến hành khử sắt. Các hợp chất vô cơ của ion sắt hoá trị II: , Fe(OH)2, FeCO3, Fe (HCO3)2, FeSO4, v.v… Các hợp chất vô cơ của ion sắt hoá trị III: Fe(OH)3, FeCl3 …trong đó Fe(OH)3 là chất keo tụ, dễ dàng lắng đọng trong các bể lắng và bể lọc. Vì thế các hợp chất vô cơ của sắt hoà tan trong nước hoàn toàn có thể xử lý bằng phương pháp lý học: làm thoáng lấy oxy của không khí để oxy hoá sắt hoá trị II th ành sắt hoá trị III và cho quá trình thuỷ phân, keo tụ Fe(OH) xảy ra hoàn toàn trong các bể lắng, bể lọc tiếp xúc và các bể lọc Các phức chất vô cơ của ion sắt với silicat, photphat FeSiO(OH)3 +3) Các phức chất hữu cơ của ion sắt với axit humic, funvic,… Các ion sắt hoà tan Fe(OH)+, Fe(OH)3 tồn tại tuỳ thuộc vào giá trị thế oxy hoá khử và pH của môi trường. Các loại phức chất và hỗn hợp các ion hoà tan của sắt không thể khử bằng phương pháp lý học thông thường, mà phải kết hợp với phương pháp hoá học. Muốn khử sắt ở dạng này phải cho thêm vào nước cá chất oxy hoá như: Cl -,KMnO4, Ozone, đã phá vỡ liên kết và oxy hoá ion sắt thànhion hoá trị III hoặc cho vào nước các chất keo tụ FeCl 3 , Al(SO4)3 và kiềm hoá để có giá trị pH thích hợp cho quá tr ình đồng keo tụ các loại keo sắt và phèn xảy ra triệt để trong các bể lắng, bể lọc tiếp xúc và bể lọc trong.` II.2.1. Một số thiết bị khử sắt thường được sử dụng Làm thoáng đơn giản trên bề mặt bể lọc Người ta dùng giàn ống khoan lỗ phun mưa trên bề mặt lọc, lỗ phun có đường kính 5 đến 7 mm, tia nước dùng áp lực phun lên với độ cao 0,5 đến 0,6m. Lưu lượng phun vào khoảng 10m3 /m2.h. Làm thoáng trực tiếp trên bề mặt bể lọc Nó chỉ nên áp dụng khi nước nguồn có hàm lượng sắt thấp và không phải khử CO2. Tháp làm thoáng tự nhiên Sử dụng tháp làm thoáng tự nhiên (giàn mưa) khi cần làm giàu ôxy kết hợpvới khử khí CO2. Do khả năng trao đổi của O2 lớn hơn CO2 nên tháp được thiết kế cho trường hợp khử CO2. Giàn mưa cho khả năng thu được lượng ôxy hoà tan bằng 55% lượng ôxy bão hoà và có khả năng khử được 75-80% lượng CO2 còn lại sau khi làm thoáng không xuống thấp hơn 5-6mg/l. Tháp làm thoáng cưỡng bức Cấu tạo của tháp làm thoáng cưỡng bức cũng gần giống như tháp làm thoáng tự hiên, ở đây chỉ khác là không khí được đưa vào tháp cưỡng bức bằng quạt gió. Không khí đi ng ược chiều với chiều rơi của các tia nước. Lưu lượng tưới thường lấy từ 30 đến 40 m3 /m2 .h. Lượng không khí cấp vào từ 4 đến 6m3 cho 1m3 nước cần làm thoáng. Bể lắng tiếp xúc Bể lắng tiếp xúc có chức năng giữ nước lại sau quá trình làm thoáng trong một thời gian đã để quá trình ôxy hoá và thuỷ phân dắt diễn ra hoàn toàn, đồng thời tách một phần cân nặng tr ước khi chuyển sang bể lọc. Trong thực tế thường lấy thời gian lưu của nước từ 30 đến 45 phút. Bể lắng tiếp xúc có thể đ ược thiết kế như bể lắng đứng và thường đặt ngay dưới giàn làm thoáng. Bể lọc tiếp xúc hay bể lọc sơ bộ được áp dụng khi hàm lượng sắt trong nước nguồn cao hoặc cần khử đồng thời cả mangan. Bể lọc tiếp xúc có cấu tạo như các bể lọc thông thường với lớp vật liệu lọc bằng sỏi , than antraxit, sành, sứ…có kích thước hạt lớn. Tốc độ lọc thường khống chế trong khoảng 15 đến 20m/h. Bể lọc cặn sắt Để lọc sạch nước có chứa cặn sắt, sử dụng các bể lọc nhanh thông thường. Do khác với bể lọc cạn bẩn bình thường ở chỗ quá trình ôxy hoá và thuỷ phân sắt con tiếp tục xảy ra trong lớp vật liệu lọc, n ên ngay từ đầu chu kỳ loc, cặn đã bám sẵn trong lớp vật liệu lọc và độ chứa cặn của lớp vật liệu lọc sẽ cao hơn. Vì vậy, vật liệu lọc có thể lấy cấp phối hạt lớn hơn, đương kính trung bình hạt từ 0,9 đến 1,3 mm, bề dày lớp vật liệu lọc 1,0 đến 1,2m, tốc độ lọc lấy từ 5 đến 10m/h. Do cặn sắt bám chắc n ên phải rửa lọc bằng nước và khí kết hợp, lưu lượng nước rửa thực tế thường dùng từ 10 đến 12 l/m2 .s. Nếu sử dụng bể lọc 2 lớp gốm antraxit và cát thạch anh thì hiệu quả xử lý sẽ cao hơn. II.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử sắt. Tốc độ phản ứng của quá tr ình ôxy hoá và thuỷ phân Fe2+ thành Fe3+ tuỳ thuộc vào lượng oxy hoà tan trong nước tăng lên. Để oxy hoá 1mg sắt (II) tiêu tốn 0,143mg oxy. Thời gian oxy hoá và thuỷ phân sắt trên công trình phụ thuộc vào trị số pH của nước có thể lấy như sau: Thời gian tối ưu của quá trình keo tụ pH 6,0 6,5 6,6 6,7 6,8 6,9 7 ≥7,5 Thời gian tiếp xúc cần thiết trong bể lắng v à bể lọc (thời gian lưu nước) (phút) 90 60 45 30 25 20 15 10 Thời gian tiếp xúc cần thiết (thời gian l ưu nước) trong bể lọc tiếp xúc (bể lọc I) và bể lọc trong (bể lọc đợt II) (phút) 60 45 35 25 20 15 12 5 Tốc độ lọc qua bể tiếp xúc có thể lấy 5 -20 m/h tuỳ thuộc vào thời gian lưu nước cần thiết và lượng cặn cần giữ lại sao cho qua bể lọc đợt I hàm lượng cặn còn lại đi qua bể lọc trong (lọc đợt II) ≤ 15mg/l. Tốc độ lọc qua bể lọc trong lấy 3-9 m/h tuỳ thuộc vào chiều dày và cỡ hạt của lớp vật liệu lọc và thời gian lưu nước cần thiết. II.2.3. Áp dụng quá trình khử sắt vào việc xử lý nước ngầm để cấp nước cho cộng đồng dân cư nông thôn. Mục đích của việc xử lý nước cấpCung cấp đầy đủ lượng nước cho quá trình sử dụng của người dân và đảm bảo an toàn về mặt hoá học, vi trùng học…để thoả mãn các nhu cầu về ăn uống, sinh hoạt dịch vụ, sản xuất…N ước có chất lượng tốt, ngon không chứa các chấy gây đục, gây ra màu, mùi, vị của nước. Tóm lại, là mọi nguồn nước thô sau khi qua hệ thống xử lý phải đạt : “ti êu chuẩn vệ sinh đối với chất lượng nước cấp cho ăn uống và sinh hoạt – TCVN 5501 – 1991” Số liệu cần thiết để thiết kế trạm xử lý khử sắt Khi thiết kế trạm xử lý nước cấp có quá trình khử sắt, chúng ta cần phải thu thập các số liệu như sau: Công suất hữư ích của trạm, số giờ hoạt động trong ng ày hay công suất giờ. Bơm nước liên tục với lưu lượng đủ lớn để loại trừ hết nước tồn đọng, sau đó lấy mẫu ngay tại đầu bơm để phân tích các chỉ tiêu: 1. Độ đục 2. Độ màu 3. Độ oxy hóa 4. Độ kiềm 5. Độ cứng toàn phần và độ cứng cacbonat 6. pH 7. Tổng hàm lượng sắt 8. Hàm lượng Ion sắt hóa trị II 9. Hàm lượng Ion sắt hóa trị II 10. Hàm lượng silic, poliphotphat và các kim loại nặng 11. Hàm lượng CO2 tự do 12. Hàm lượng H2S Kết quả thí nghiệm khử sắt tại chỗ theo phương pháp lý học, hoá học. Phân loại nước ngầm theo hàm lượng sắt Phân loại nước ngầm Loại nước ngầm Hàm lượng sắt (mg/l) Nước ngầm có hàm lượng sắt thấp 0,4 - 10 Nước ngầm có hoàm lượng sắt trung bình 10 — 20 Nước ngầm có hàm lượng sắt cao >20 Theo TCVN <0,3 Xử lý nước ngầm có hàm lượng sắt thấp (hàm lượng sắt <10 Mg/L) Công nghệ xử lý: (Làm thoáng đơn giản và lọc) Điều kiện áp dụng: 1. Tổng hàm lượng sắt < 10 mg/l Xử lý nước ngầm có hàm lượng sắt cao (hàm lượng sắt > 10 mg/l Công nghệ xử lý: Làm thoáng - Lắng hoặc lọc tiếp xúc - Lọc trong Điều kiện áp dụng: Độ oxy hóa < ( Fe2+/ 28 + 5 ), mg/l Tổng hàm lượng sắt: > 10 mg/l Tổng hàm lượng muối khoáng <1000 mg/l Hàm lượng SiO22+ < 2mg/l Hàm lượng H2S < 1mg/l Hàm lượng NH4+ < 1.5 MG/L Nhu cầu oxy bằng độ oxy hóa + 0.47 H2S +0.15Fe2+ < 10mg/l pH < 6.8 thì tính toán thiết bị làm khoáng theo điều kiện khử khí CO2 nhằm tăng pH . pH > 6.8 thì tính toán thiết bị làm khoáng theo điều kiện lấy oxy để khử sắt. Nước ngầm được bơm lên từ giếng khoan hay giếng đào được đưa vào làm thoáng bằng dàn mưa, làm thoáng cưỡng bức để làm thoáng nước. Quá trình làm thoáng ở đây chủ yếu là cung cấp oxy cho nước. Nước sau khi làm thoáng được dẫn vào bể khuấy trộn và lắng cặn, trước khi đi vào bể nước được tiếp xúc với hoá chất có tác dụng đẩy nhanh quá trình oxy hoá hoà tan thành sắt III, nước từ bể lắng được dẫn qua bể lọc, bể lọc có chứa nhiều lớp vật liệu lọc.Nước sạch sau khi qua bể lọc được khử trùng bằng dung dịch clorine trước khi cung cấp cho người sử dụng. Để tránh hiện tượng tắc lọc ở bể lọc, do đó đến chu kỳ chúng ta phải tiến hành rửa lọc bằng nước (nước + khí). Cặn ở bể lắng được đưa vào bể nén cặn. П.2.4. Biện pháp khử sắt bằng phương pháp trao đổi ion. Phương pháp trao đổi ion được sử dụng khi kết hợp với quá trình khử cứng. Khi sử dụng thiết bị trao đổi ion để khử sắt, nước ngầm không được tiếp xúc với không khí vì Fe3+ sẽ làm giảm khả năng trao đổi của các ionic. Chỉ có hiệu quả khi khử nước ngầm có hàm lượng sắt thấp. II.3. Xử lí arsen. П.3.1. Vai trò của Arsen và nguồn gốc ô nhiễm Arsen do hoạt động phát triển. Như chúng ta đã biết, Arsen là nguyên tố vi lượng, rất cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển của con người và sinh vật. Arsen có vai trò trong trao đổi chất nuclein, tổng hợp protit và hemoglobin. Arsen là nguyên tố có mặt trong nhiều loại hóa chất sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau như: hóa chất, phân bón (lân - phốt phát, đạm- nitơ), thuốc bảo vệ thực vật, giấy, dệt nhuộm... Nhiều ngành công nghiệp sử dụng nhiên liệu hóa thạch như công nghiệp xi măng, nhiệt điện,... Công nghệ đốt chất thải rắn cũng là nguồn gây ô nhiễm không khí, nước bởi Arsen.  Các ngành công nghiệp khai thác và chế biến các loại quặng, nhất là quặng sunfua, luyện kim tạo ra nguồn ô nhiễm Arsen. Việc khai đào ở các mỏ nguyên sinh đã phơi lộ các quặng sunfua, làm gia tăng quá trình phong hóa, bào mòn và tạo ra khối lượng lớn đất đá thải có lẫn Asenopyrit ở lân cận khu mỏ. Tại các nhà máy tuyển quặng, Asenopyrit được tách ra khỏi các khoáng vật có ích và phơi ra không khí. Asenopyrit bị rửa lũa, dẫn đến hậu quả là một lượng lớn Arsen được đưa vào môi trường xung quanh. Những người khai thác tự do khi đãi quặng đã thêm vào axit sunphuric, xăng dầu, chất tẩy. Asenopyrit sau khi tách khỏi quặng sẽ thành chất thải và được chất đống ngoài trời và trôi vào sông suối, gây ô nhiễm tràn lan. Đó là những nguồn phát thải Asen gây ô nhiễm nước, đất, không khí. П.3.2. Phương pháp xử lí. Lựa chọn phương pháp hấp thụ hay trao đổi ion trước hết phụ thuộc vào hàm lượng sunfat và tổng lượng cặn tan( nồng độ ion tông của nguồn nước do nồng độ của arsen là rất nhỏ so với các ion khác. Phương pháp trao đổi ion không có lợi về mặt kinh tế nếu nồng độ sufat> 250mg/l và lượng chất tan vượt 500mg/l, trong khi hấp phụ arsen trên nhom6oxit ít bị ảnh hưởng bởi các yếu tố trên. Có thể loại bỏ các ion Asenat (As (V)) trong nước bằng phương pháp trao đổi ion với vật liệu trao đổi gốc anion axit mạnh (Cl-). Loại vật liệu trao đổi ion này có ưu điểm là có thể sử dụng dung dịch muối đậm đặc NaCl để hoàn nguyên hạt trao đổi ion đã bão hòa Asen. Nồng độ Asen sau xử lý có thể hạ thấp tới dưới 2 ppb. Tuy nhiên công nghệ trao đổi ion tương đối phức tạp, ít có khả năng áp dụng cho từng hộ gia đình đơn lẻ. Đây là quá trình trao đổi giữa các ion trong pha rắn và pha lỏng, mà không làm thay đổi cấu trúc của chất rắn. Nhìn chung, các anionit khác nhau it ảnh hưởng đến hiệu quả xử li1arsen, thời gian tiếp xúc từ 1,5 đến 5 phút cũng ảnh hưởng không đáng kể đến hiệu quả của cột. Tái sinh nhựa có thể sử dụng dòng cùng chiều. Dung dịch tái sinh có thể xử lí bằng cách là bổ sung muối sắt(III) hay muối nhôm ( phèn nhôm) hoặc vôi. Phản ứng hóa học xảy ra: 3 Na2HAsO4 + 3 H2O + 2FeCl3 Fe(OH)3 + Fe(H2AsO4)+6NaCl 2Na2HAsO4 + NaHCO3 + 4Ca(OH)2 CaCO3 +Ca3(AsO4) +3H2O +5NaOH П.4. Làm mềm nước. Nước cứng là nước có chứa một lượng đáng kể( trên 50 mg/l) ion canxi, magie, sắt (II), chủ yếu là Mg2+ và Ca2+ có nguồn gốc từ đá vôi và dolomit do hòa tan trong nước không chứa cacbonic. Vì vậy, nước chứa nhiều canxi, magie thì đồng thời cũng chứa nhiều anion bicacbonat. Nếu loại bỏ Ca, Mg thì nước trở thành nước mềm. Trao đổi ion là phương pháp loại bỏ các chất gây cứng. Trao đổi ion gồm việc loại bỏ các ion gây cứng ra khỏi nước và thay thế bằng các ion làm cho nước mềm. Khi các chất hòa yan trong nước, chúng sẻ ion hóa hoặc tạo ra các ion, các hạt nhân hoặc trong một vài trường hợp là một nhóm các hạt nhân mang điên (+) hoặc (-). Làm mềm nước với nhựa cationit mạnh dạng H+ xảy ra theo: -R-H + Na+ -R-Na + H+ -R-H + Ca2+ -R-Ca + H+ -R-H + Mg2+ -R-Mg + H+ HCO3- + H+ CO2 + H2O Trong quá trình làm mềm nước bằng trao đổi ion, các ion cứng Ca – Mg được thay thế bằng các ion mềm Na. để thúc đẩy quá trình trao đổi ion người ta cho bột nhựa trao đổi ion có clorua natri vào trước. Nước sẽ mềm đi khi chảy qua lớp bột nhựa. ( bột nhựa trao đổi ion nhân tạo gồm nhiều lỗ nhằm tăng điện tích bề mặt trao đổi và vì vậy làm tăng khả năng trao đổi ion). Tái sinh nhựa trao đổi ion có thể tiến hành cùng chiều hay ngược chiều dòng trao đổi, nó bao gồm các bước: sục rửa ngược, tái sinh. Rửa lần một thải ra ngoài, rửa lần hai và tích nước lại để dùng cho lần sau. П.5.Xử lý Nitrat. Nitrat là hợp chất vô cơ của nito có dạng hóa trị cao nhất( +5) nó khá phổ biến trong môi trường nước. Nitrat trong nước có hai loại nguồn gốc chính: Do thủy phân vi sinh các hợp chất hữu cơ chứa nito trong đất. Vì lý do nào đó cây cối không hấp thu được hoặc hấp thụ không hết nguồn nitrat hình thành, nó sẽ bị nước rửa trôi, thâm nhập vào nguồn nước mặt, nước ngầm. Do nguồn phân bón vô cơ không được thực vật sử dụng hết và nó được lan truyền vào môi trường nước. Bản thân nitrat không phải là yếu tố gây độc nhưng do quá trình chuyển hóa thành nitrit trong cơ thể nên nó gây tính độc. Trao đổi ion trên nhựa anionit mạnh dạng Cl- hiện là phương pháp đơn giản và có giá thành thấp nhất để loại bỏ nitrat ra khỏi nguồn nước dùng cho sinh hoạt. Tuy vậy, việc ứng dụng rất hạn chế và chỉ ở qui mô nhỏ. Các anion có mặt trong nước trao đổi cạnh tranh với nitrat, ảnh hưởng của các anion phụ thuộc vào dộ chon lọc của chúng đối với nhựa anionit mạnh. Thứ tự chọn lọc trên nhựa anionit mạnh là: sunfat > nitrat > clorua > bicacbonat. Từ đó cho thấy.ảnh hưởng của anion sunfat là mạnh nhất và của bicacbonat là thấp nhất. Do tất cả các loại anion mạnh thương phẩm đều có tính chọn lọc cao với sunfat trong vùng độ tan và cường độ ion của hầu hết các nguồn nước ngầm nên nitrat dễ bị đẩy ra khỏi cột, tạo nên sự tăng nồng độ của nước sau xử lí ở một thời điểm trước khi cột kết thúc chu kì hoạt động. III. QUI TRÌNH KHỬ NITRAT TRONG NƯỚC GIẾNG KHOAN BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION. Khử nitrat bằng phương pháp lọc qua màng có hiệu quả cao với thẩm thấu ngược(RO) và siêu lọc UF. Tuy nhiên hiệu quả chỉ khoảng 60 – 65% hàm lượng nitrat được loại trừ. Để khử nitrat triệt để, phương pháp RO thường được đưa vào dây chuyền công nghệ vận hành trước cột trao đổi ion. Hàm lượng cho phép của nitrat trong nước ăn uống theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN5501-91) là 45mg/l. III.1. Một số giai đoạn về công nghệ khử nitrat trong nước cấp Giai đoạn đưa các hoá chất vào nước. Giai đoạn nay gồm có quá trình làm thoáng nước để làm giàu oxy và khử khí cacbonic cùng với việc pha trộn hóa chất vào nước như vôi, phèn, clo, ozon, kali permanganate… Giai đoạn xử lý sơ bộ. Mục đích của giai đoạn này là nhằm tạo ra những điều kiện cho phản ứng ôxy hoá khử diễn ra được hoàn toàn, nhanh chóng. Các thiết bị cần thiết cho giai đoạn này là bể lắng tiếp xúc, bể lọc sơ bộ, bể lọc tiếp xúc, bể lắng ngang hoặc lắng trong. Giai đoạn làm sạch Giai đoạn này cần đến các bể lọc khác nhau. Tuỳ theo hàm lượng và thành phần nitrat trong nước nguồn cùng với chất lượng nứơc nguồn mà quyết định quy trình khử nitrat cụ thể, thường được xác định bằng thực nghiệm tại chỗ kết hợp với các kết quả tính toán sơ bộ. IП.2. Các phương pháp khử nitrat. Để khử nitrat người ta thường dùng các phương pháp: lọc thẩm thấu ngược RO, điện phân, trao đổi ion, sinh học. Phương pháp thẩm thấu ngược dùng màng bán thấm RO rất tốn kém chỉ dùng để khử nước có tổng lượng khoáng (TDS) cao, nước nhiễm mặn hoặc có nguồn gốc nước ven biển, nước biển. Chọn phương pháp khử nitrat cần phải dựa vào chất lượng nước yêu cầu sau xử lý, thành phần muối hòa tan trong nước nguồn: Khi tổng hàm lượng muối trong nước nguồn thấp: nitrat vượt quá tiêu chuẩn, lượng ion Cl- trong nước thấp dùng phương pháp trao đổi ion phù hợp. Khi tổng hàm lượng muối trong nước nguồn cao: Cl- , SO42- , NO3- ứng dụng phương pháp trao đổi ion không hiệu quả kinh tế, nên dùng phương pháp phối hợp với phương pháp thẩm thấu ngược dùng màng bán thấm RO. Trao đổi ion là quá trình hấp thu các ion trong dung dịch lên lớp vật liệu trao đổi và thay thế bằng những ion của lớp vật liệu trao đổi hòa tan vào dung dịch ấy. Để khử ion nitrat trong nước, khi sử dụng phương pháp trao đổi ion chất lượng nước sau xử lý sẽ đạt được độ an toàn cao. Ion nitrat sẽ được trao đổi với một ion của nhựa trao đổi ion với một lưu lượng dòng chảy được lựa chọn. Trong phương pháp xử lý nước ngầm nhiễm nitrat, loại nhựa anionit có tính kiềm mạnh rất thích hợp và thông dụng. Loại nhựa này có độ bền khá cao, hiệu quả trao đổi tốt, chất lượng trao đổi lớn. Nhựa trao đổi anionit thường có dạng tổng quát là R - Cl. Quá trình khử nitrat bằng phương pháp trao đổi ion dựa theo phản ứng sau: R - Cl + NO3- = R - NO3 + Cl- NO3- được hấp phụ kết nối trên nhựa trao đổi ion tạo thành R -NO3, còn ion Cl- ở trong hạt nhựa sẽ hòa tan trong nước. R - NO3 có thể được tái sinh lại dạng ban đầu R - Cl bằng cách hoàn nguyên nhựa trao đổi bởi dung dịch NaCl hay dung dịch NaOH theo phản ứng sau hóa học sau: R - NO3 + NaCl ® RCl + NO3- Hoặc R - NO3 + NaOH ® ROH + NO3- Tuy nhiên loại nhựa kiềm mạnh cũng khử các anion khác có trong nước. Tùy thuộc vào lượng SO42- trong nước nhiễm nitrat mà ảnh hưởng đến dung lượng trao đổi Nitrat của nhựa. Tùy theo yêu cầu chất lượng nước và từng điều kiện cụ thể có thể chọn phương pháp khử nitrat thích hợp, thông thường người ta thường dùng phương pháp trao đổi ion. Điều kiện áp dụng phương pháp trao đổi ion đạt hiệu quả cao: Nước có hàm lượng cặn < 1 g/l. Tổng hàm lượng ion nitrat, sulfat và clor có trong nước nguồn muốn xử lý phải nhỏ hơn 250 mg/l (vì hàm lượng clo lớn nhất cho phép trong nước ăn uống là 250 mg/l). III.3. Nguyên lý trao đổi ion cột tháp: Đây là một hình thức trao đổi trạng thái động. Phương thức vận hành thông thường là làm cho nước từ trên chảy xuống dưới liên tục xuyên qua lớp trao đổi. Do đó nước và lớp chất trao đổi ion phần trên và dưới tiếp xúc theo thứ tự trước, sau khác nhau. Thông thường trong nước có chứa các ion trao đổi (sulfat, nitrat…); để đơn giản, ta nghiên cứu nước chỉ có anion nitrat cần trao đổi. Trước tiên nước đầu vào gặp lớp bề mặt của nhựa trao đổi. Nitrat tiến hành trao đổi. cho nênchất trao đổi ion lớp đó sau khi cho nước chảy qua nhanh chóng mất hiệu lực. Sau đó nước có nitrat tiếp tục chảy qua ở lớp dưới. Cứ thế vận hành trao đổi đến khi nó đạt đến cân bằng ở lớp nhựa cuối cùng. Chất lượng nước ra thay đổi, có sự rò rỉ dần lượng nitrat cho đến điểm giới hạn cho phép về nitrat của nước uống và sinh hoạt, chấm dứt giai đoạn trao đổi. Bắt đầu giai đoạn hoàn nguyên: tái sinh hạt nhựa. Có nhiều loại nhựa trao đổi anion như Lewatit, M-600, M-500, MP 64, Purolite, A 400, đều là loại hạt nhựa trao đổi ion có tính kiềm mạnh. Đặc tính của các anionit được dùng phổ biến giới thiệu ở bảng sau: Qua thử nghiệm so sánh, Phòng Thí nghiệm chọn loại Lewatit Mono Plus M 600. - Lưu lượng trao đổi cao trong suốt quá trình tái sinh và vận hành. - Ít tốn nước rửa. - Có dòng chảy đều của các lưu chất. Hướng dẫn vận hành Nước qua cột lọc cát và qua cột khử nitrat theo vận tốc lựa chọn. Sau một thời gian hoạt động, cột trao đổi sẽ mất tác dụng (căn cứ trên đồng hồ đo tổng lưu lượng nước được xử lý). Cần ngừng hệ thống để tiến hành hoàn nguyên: Rửa bể lọc áp lực (rửa ngược - và nên rửa không thường xuyên nếu như không phải là cột lọc khử sắt); Hoàn nguyên cột trao đổi ion. Rửa ngược loại bỏ huyền phù và xới lỏng lớp vật liệu trao đổi với vận tốc 6 lít/ phút; thời gian 5 phút. Tái sinh ngược bằng dung dịch muối ăn 5 - 10% với vận tốc 0,6/ phút, thời gian 45 - 60 phút. Tráng rửa dung dịch tái sinh - quy cách rửa ngược với vận tốc 6 lít/ phút, thời gian 15 - 30 phút. Thể tích nước sạch để rửa khoảng bằng 10 lần thể tích nhựa. IП.4. Quá trình hoàn nguyên. Người ta rửa lớp vật liệu lọc bằng dung dịch có nồng độ cao của ion OH- hay Cl-. R-NO3 + NaCl = R-Cl + NaNO3 R-NO3 + NaOH = R-OH + NaNO3 Khi hoàn nguyên bằng NaOH, vật liệu lọc trao đổi sẽ có dạng R-OH. Trong quá trình trao đổi, pH và độ kiềm của nước đầu ra sẽ có sự thay đổi đáng kể. Thông thường pH và độ kiềm tổng sẽ được nâng lên. Hóa chất dùng để hoàn nguyên thường dùng là NaCl. ПI.5 Quy trình công nghệ xử lý. Quy trình này áp dụng cho nhu cầu dùng nước công suất 1m3/ngày. Nước giếng được bơm vào thùng chứa đá vôi: nước tiếp xúc với đá vôi giải phóng khí CO2 tự do và nâng pH, độ kiềm. Dùng bơm, bơm nước vào cột lọc cát áp lực. Vận tốc lọc được hiệu chỉnh từ 7 - 12 m/giờ. Để điều tiết và ổn định lưu lượng đầu vào, đồng thời tránh cho máy bơm khỏi bị tình trạng nóng máy do bị hạn chế lưu lượng nên cần đến một hệ thống hoàn lưu nước. Sau khi qua lọc cát, nước được dẫn qua cột trao đổi ion khử nitrat với các vận tốc lọc đã được điều chỉnh (từ 15 - 30 m/h) và nước được dẫn ra ngoài vào thùng chứa nước sạch. Khi hàm lượng nitrat vượt quá tiêu chuẩn cho phép, tiến hành thí nghiệm hoàn nguyên tái sinh nhựa bằng dung dịch muối ăn 10 %. Dung dịch sau tái sinh có thể xử lí bằng phương pháp vi sinh- quá trình khử nitrat với vi sinh dị dưỡng, quá trình có thể tiến hành với nồng độ muối NaCl dười 15.000 mg/l. IV. KẾT LUẬN. Nước sử dụng cho sinh hoạt và công nghiệp chiếm tỉ trọng rất lớn của nguồn nước sử dụng hằng ngày.Nước cấp cho công nghiệp đòi hỏi chất lượng khác nhau cho từng nghành: nước cấp cho công nghiệp sản xuất giấy, mía đường, chế biến tinh bột, cao su … đòi hỏi chất lượng vừa phải.Nước cấp cho công nghệ chế biến thực phẩm, sản xuất bia rượu, dệt nhộm yêu cầu cao hơn. Để đảm bảo chất lượng của sản phẩm, các cơ sở sản xuất lớn d0oi6 khi định ra tiue6 chuẩn chất lượng cho riêng mình. Công nghệ xử lí nước sinh hoạt ở VIỆT NAM tương đồi đơn giản.Với nguồn nước mặt sơ đồ chính của công nghệ bao gồm: keo tụ, lắng lọc, khử trùng với clo.Với nguồn nước ngầm công nghệ xử lý chỉ nhằm mục tiêu loại bỏ sắt… Phương pháp hấp thụ và phương pháp trao đổi ion là những Phuong pháp có hiệu quả trong kỹ thuật xử lý nước cấp và nước công nghệ. Các phương pháp đó cho phép loại bỏ phần lớn các chất độc tan trong nước, dạng hữu cơ hay ion kim loại, chúng có thể kết hợp với các phương pháp khác để năng cao hiệu quả xử lý. TÀI LIÊU THAM KHẢO Lê Văn Cát. Hấp phụ và trao đổi ion trong xử lý nước và nước thải- nhà xuất bản thống kê Hà Nội – 2002. Trần Văn Nhân và Ngô Thị Nga. Giáo trình công nghệ xử lý nước thải – nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật. Tài liệu tham khảo trên google.com