Xây dựng dây chuyền sản xuất dung dịch phèn xử lý đông keo tụ cho nguồn nước cấp sinh hoạt ở Nhà máy nước Bắc Giang

LỜI CẢM ƠN Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành cảm ơn PGS – TS Nguyễn Văn Nội người trực tiếp giao đề tài và tận tình hướng dẫn tôi trong suốt thời gian làm khoá luận. Thầy đã chỉ ra hướng giải quyết cũng như cung cấp tài liệu để tôi hoàn thành được bản khoá luận này. Qua đây tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô trong Khoa Hoá Trường Đại Học Khoa học Tự Nhiên Hà nội, cùng các Thầy Cô giáo trường Cao Đẳng Hoá Chất – Phú Thọ đã trực tiếp giảng dậy, trang bị cho tôi kiến thức trong những năm tháng học tập tại trường để hôm nay tôi có thể hoàn thành bản khoá luận tốt nghiệp này của mình. Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn các Anh, Chị phòng phân tích của Nhà máy nước thuộc Công ty TNHH một thành viên Cấp Thoát Nước Bắc Giang, các bạn đồng nghiệp đã cùng tôi trao đổi, đóng góp ý kiến và giúp đỡ tôi trong quá trình làm khoá luận. Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn! Sinh viên : Nguyễn Trung Đặng  MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU 2 PHẦN 1: TỔNG QUAN 4 1.1 CHẤT LƯỢNG NƯỚC 4 1.1.1. Các chỉ tiêu hoá lý 4 1.1.2 . Các chỉ tiêu hoá học 5 1.1.3 . Chỉ tiêu về vi trùng. 7 1.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC. 8 1.2.1 . Các biện pháp xử lý cơ bản. 8 1.2.2 Xử lý nước bằng phương pháp đông keo tụ. 8 1.2.2. 2 . Lý thuyết về phương pháp đông keo tụ. 11 1.2.2.3. Các phương pháp đông keo tụ. 15 PHẦN 2:THỰC NGHIỆM 22 2.1.Dụng cụ và hoá chất. 22 2.2 Dây chuyền xử lý nước của công ty TNHH một thành viên cấp thoát nước Bắc Giang 22 2.3 khảo sát quá trình điều chế dung dịch phèn nhôm 25 2.3.1. nguyên liệu. 25 PHẦN III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN . 30 3.1 - Kết quả khảo sát quá trình phèn nhôm. 30 3.1.1 Kết quả khảo sát quá trình điều chế phèn nhôm phản ứng với axít Sunfuric . 30 3.1.2 Kết quả khảo sát quá trình điều chế phèn nhôm phản ứng với xút và axít Sunfuric. 30 3.2. Dự kiến xây dựng công nghệ sản xuất phèn nhôm. 31 3.2.1.Tính cân bằng vật chất. 31 3.2.2. Chỉ tiêu nguyên liệu . 31 3.2.3. Chỉ tiêu ngâm chiết. 31 3.2.4. Chỉ tiêu khâu lắng. 32 3.2.5. Thao tác ngâm chiết. 32 3.2.6. Chất lượng sản phẩm. 33 3.2.7. Mô tả công nghệ 33 3.2.8. Các thiết bị chính của dây chuyền 34 3.3. Tính toán giá thành và sử dụng công nghệ sản xuất : 35 3.3.1. Chi phí đầu tư. 35 3.3.2. Chi phí cho sản xuất 35 3.3.3. Hiệu quả kinh tế 36 PHẦN 3 : KẾT LUẬN 37 TÀI LIỆU THAM KHẢO 38 MỞ ĐẦU Nước là một yếu tố không thể thiếu được của cuộc sống, nước cần thiết không những đối với con người, mà còn đối với động vật và thực vật. Ngày nay, nước được thừa nhận như một tài nguyên chiến lược và là một trong những nguồn tài nguyên của trái đất, đảm bảo sự an toàn thực phẩm, duy trì cân bằng hệ sinh thái và đảm bảo sự hoạt động của con người trong một thế giới đầy biến động nhanh chóng về địa lý xã hội và môi trường. Trong những năm gần đây cùng với sự phát triển các ngành công nghiệp thì tình trạng ô nhiễm môi trường ngày càng nặng nề hơn, vấn đề ô nhiễm môi trường và phòng chống ô nhiễm môi trường là vấn đề toàn cầu đòi hỏi cộng đồng quốc tế cùng quan tâm. Ô nhiễm môi trường làm mất đi sự cân bằng sinh thái gây hiểm hoạ thiên tai, tuyệt chủng một số loài động vật quí hiếm, tác động trực tiếp đến sức khoẻ con người . Hiện nay vấn đề cấp nước sinh hoạt cho đô thị, nước sạch cho nông thôn đã trở thành mối quan tâm lớn của Đảng và Nhà nước. Để thực hiện việc này ngoài nguồn nước ngầm đang được khai thác và sử dụng còn cần phải sử dụng nguồn nước mặt như, sông suối, ao hồ …. Nước cung cấp cho sinh hoạt cho các nhu cầu của sản xuất công nghiệp đòi hỏi phải có chất lượng phù hợp. Nước thiên nhiên khai thác từ các nguồn nước mặt, hoặc nước ngầm thường chứa các tạp chất ở dạng hoà tan, có các nguồn gốc vô cơ hoặc hữu cơ, ngoài ra trong nước nhất là nước mặt còn chứa vi sinh vật như các các loại vi khuẩn, sinh vật phù du và các loại vi sinh vật khác, vì vậy khi khai thác nước thiên nhiên thường phải tiến hành xử lý một cách thích đáng . Để chọn các biện pháp xử lý cần căn cứ vào các chỉ tiêu, tính chất của nước nguồn nước và yêu cầu cụ thể về chất lượng nước cấp. Việc lựa chọn chất đông keo tụ phụ thuộc vào tính chất hoá lý, nồng độ tạp chất có trong nước, pH và thành phần muối trong nước. Trong thực tế thường được sử dụng các chất đông keo tụ sau Al2(SO4)3.18H2O ; NaAlO2 ; Al2(OH)5Cl ; KAl(SO4)212H2O ; NH4Al(SO4).12H2O ; Fe2(SO4)3.2H2O ; Fe2(SO4)3..3H2O; … Trong đó được sử dụng nhiều nhất trong keo tụ nước là Al2 (SO4)3 vì Al2(SO4)3 hoà tan tốt trong nước, chi phí thấp và hiệu quả cao Bản khoá luận này sẽ đề cập đến việc sử dụng chất đông keo tụ để xử lý nước bề mặt của nguồn nước Sông Thương, tại Công ty TNHH một thành viên Cấp Thoát Nước Bắc Giang, định hướng nghiên cứu xử lý nước đi từ nguyên liệu chính là xỉ nhôm Ôxít (Al2O3) và Axítsunfuríc 98% (H2SO4) để sản xuất chất đông keo tụ cho nguồn nước của công ty khai thác nhằm giảm giá thành sản xuất và tạo việc làm cho công nhân. Công ty ngoài việc sản xuất và kinh doanh nước sạch còn mở thêm một số dây chuyền sản xuất phụ như : dây chuyền sản xuất dung dịch phèn nhôm, dây chuyền sản xuất nước tinh lọc, và một số xưởng sản xuất phụ khác. Hiện nay dây chuyền sản xuất dung dịch phèn nhôm đã được đưa vào sử dụng từ ngày 01 tháng 11 năm 2006 . PHẦN 1: TỔNG QUAN 1.1 CHẤT LƯỢNG NƯỚC Muốn xử lý một nguồn nước nào đó cần phải phân tích chính xác 3 loại chỉ tiêu cơ bản của nguồn nước đó là : các chỉ tiêu hoá lý, hoá học và vi sinh vật 1.1.1. Các chỉ tiêu hoá lý 1.1.1 .1 Nhiệt độ (OC). Nhiệt độ của nước có ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình xử lý nước. Sự thay đổi nhiệt độ của nước phụ thuộc vào từng loại nguồn nước. Nhiệt độ của nguồn nước mặt dao động rất lớn từ 4 ( 40oC, nó phụ thuộc thời tiết và độ sâu của nguồn nước. Nước ngầm có nhiệt độ tương đối ổn định từ 17 (27oC 1.1.1. 2 Hàm lượng cặn không tan (mg/l) Hàm lượng cặn không tan được xác định bằng cách lọc 1 đơn vị thể tích mẫu nước qua giấy lọc và xác định luợng chất rắn trên giấy lọc. Hàm lượng cặn của nước ngầm thường nhỏ từ (30 (50 mg/l) chủ yếu là do cát mịn có trong nước gây ra. Hàm lượng cặn của nước sông dao động lớn từ (20 (5000 mg/l). Cùng một nguồn nước hàm lượng cặn dao động theo mùa, mùa khô nhỏ, mùa mưa lớn. Hàm lượng cặn có trong nước sông là do các hạt cát, sét, bùn bị dòng nước xói rửa mang theo và các chất hữu cơ nguồn gốc động thực vật mục nát hoà tan trong nước. Hàm lượng cặn là một trong những chỉ tiêu cơ bản để chọn biện pháp xử lý đối với các nguồn nước mặt. Hàm lượng cặn của nguồn nước càng cao thì việc xử lý càng phức tạp, tốn kém . 1.1.1. 3. Độ màu của nước. Được xác định theo phương pháp so sánh với thang mầu Côban. Độ màu của nước là do trong nước có các hợp chất hữu cơ, các hợp chất keo sắt, nước thải công nghiệp hoặc do sự phát triển của rong rêu, tảo. Thường nước ao hồ có độ màu cao . 1.1.1 . 4. Mùi vị của nước. Nước có mùi là do trong nước có các chất khí, các muối khoáng hoà tan, các hợp chất vô cơ và vi sinh vật. Nước có thể có mùi bùn mùi mốc, mùi tanh, mùi cỏ, mùi Clo, mùi phênol. Vị mặn, vị chua, vị chát, vị đắng . 1.1.2 . Các chỉ tiêu hoá học 1.1.2.1. Hàm lượng cặn toàn phần (mg/l). Bao gồm tất cả các chất vô cơ và hữu cơ có trong nước, không kể các chất khí . 1.1.2. 2. Độ cứng của nước. Là đại lượng biểu thị hàm lượng các muối canxi và magiê có trong nước. Nước có độ cứng cao gây trở ngại cho sinh hoạt và sản xuất, như giặt quần áo tốn xà phòng, nấu thức ăn lâu chín, gây đóng cặn nồi hơi, giảm chất lượng sản phẩm . Qúa trình gây cản trở của nước cứng được mô tả theo cơ chế sau: Ca(HCO3)2 → CaCO3 ( + CO2 + H2O Mg(HCO3)  → MgCO3 (+ CO2+ H2O Mg(OH)2 + CO2 1.1.2.3. Độ pH của nước. Được đặc trưng bởi nồng độ ion H+ trong nước(pH = -lg[H+] ).Tính chất của nước được xác định theo các giá trị khác nhau của pH. Khi pH = 7 nước có tính trung tính, pH 7 nước có tính kiềm. Nước nguồn có độ pH thấp sẽ gây khó khăn trong quá trình xử lý nước . 1.1.2.4. Độ kiềm của nước (mg/l). Độ kiềm của nước có ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ và hiệu quả xử lý nước vì thế trong nước nguồn có độ kiềm thấp, cần phải bổ sung hoá chất để kiềm hoá nước . 1.1.2. 5. Độ ôxy hoá KMnO4 ( mg/l). Là lượng ôxy cần thiết để ôxy hoá hết các hợp chất hữu cơ có trong nước. Chỉ tiêu ôxy hoá là đại lượng để đánh giá sơ bộ mức độ nhiễm bẩn của nguồn nước. Độ ôxy hoá của nguồn nước càng cao chứng tỏ nước bị nhiễm bẩn và chứa nhiều vi sinh vật . 1.1.2 .6. Hàm lượng sắt ( mg/l ). Sắt tồn tại trong nước dưới dạng Fe (II) hoặc Fe (III). Trong nước ngầm, sắt thường tồn tại trong nước dưới dạng Fe (II) hoà tan dưới dạng các muối bicácbônat, sufatclorua, đôi khi ở dạng keo của ôxít humic hoặc keo silíc. Khi tiếp xúc với ôxy hoặc các chất ôxy hoá khử Fe (II) bị ôxy hoá lên Fe (III) và kết tủa thành bông cặn Fe(OH)3 có mầu đỏ nâu. Nước ngầm có chứa hàm lượng sắt cao đôi khi lên tới 30 mg/l hoặc có thể cao hơn nữa. Nước mặt chứa Fe (III) ở dạng keo hữu cơ hoặc cặn huyền phù, thường có hàm lượng không cao và có thể xử lý sắt kết hợp với việc khử độ đục. Việc tiến hành xử lý sắt chủ yếu đối với các nguồn nước ngầm. Khi hàm lượng sắt > 0,5 mg/l nước có mùi tanh khó chịu làm vàng quần áo khi giặt, làm hư hỏng sản phẩm của ngành dệt, giấy đồ hộp và làm giảm tiết diện vận chuyển nước của đường ống . 1.1.2 .7. Các hợp chất của axít silíc (mg/l). Các trường hợp chất này thường gặp trong nước tự nhiên, ở dạng keo hay ion hoà tan tuỳ thuộc vào pH của nước. Nồng độ axít silíc có trong nước cao gây khó khăn cho việc xử lý sắt. Trong nước cấp nồi hơi áp lực, hợp chất axít silíc rất nguy hiểm do cặn silíc lắng đọng trên thành nồi . 1.1.2 .8 .Các hợp chất chứa nitơ (mg/l). Tồn tại trong nước thiên nhiên dưới dạng nitrit (NO2-), nitrat (NO3-) và amôniăc (NH3) Các hợp chất chứa nitơ có trong nước chứng tỏ nước đã nhiễm bẩn bởi nước thải sinh hoạt. Khi mới bị nhiễm bẩn trong nước có chứa nitrit, nitrat và amôniăc, sau một thời gian amôniăc và nitrit bị ôxy hoá thành nitrat. Việc sử dụng các loại phân bón nhân tạo cũng làm tăng hàm lượng amôniăc trong nước thiên nhiên . 1.1.2. 9 .Chất khí hoà tan (mg/l). Các chất khí O2, CO2, H2S trong nước thiên nhiên dao động rất lớn. Khí H2S là sản phẩm của quá trình phân huỷ các chất hữu cơ, phân rác. Hàm lượng O2 hoà tan trong nước phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất đặc tính của nguồn nước. 1.1.3 . Chỉ tiêu về vi trùng. Trong thiên nhiên có rất nhiều loại vi trùng và siêu vi trùng trong đó có các loại vi trùng gây bệnh rất nguy hiểm đó là bệnh kiết lị, thương hàn, dịch tả, bại liệt … Việc xác định sự có mặt của các loại vi trùng gây bệnh này thường rất khó khăn và mất nhiều thời gian do sự đa dạng về chủng loại. Vì vậy trong thực tế người ta áp dụng phương pháp xác định chỉ số vi khuẩn đặc trưng, đó là loại vi khuẩn đường ruột Ecoli . 1.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC. 1.2.1 . Các biện pháp xử lý cơ bản. Trong quá trình xử lý nước cần phải áp dụng các biện pháp xử lý sau : + Biện pháp cơ học : dùng các công trình và thiết bị để làm sạch nước như song chắn rác, lưới chắn rác, bể lắng, bể lọc . + Biện pháp hoá lý : dùng các chất cho vào nước để xử lý nước như dùng phèn làm chất keo tụ, dùng vôi để kiềm hoá nước, cho Clo để khử trùng, khí ôzôn ... + Biện pháp vật lý: dùng các tia vật lý để khử trùng nước như tia tử ngoại, sóng siêu âm khử khí CO2 hoà tan trong nước bằng phương pháp làm thoáng. 1.2.2 Xử lý nước bằng phương pháp đông keo tụ. 1.2.2.1 Giới thiệu về phương pháp đông keo tụ. Tạp chất trong nước thiên nhiên thường đa dạng về chủng loại và kích thước, chúng có thể là các hạt cát, sét, mùn, sinh vật phù du, sản phẩm hữu cơ phân huỷ. Kích thước hạt dao động từ vài phần triệu milimét đến vài milimét. Bằng các biện pháp xử lý cơ học như lắng lọc, tuyển nổi, chỉ có thể loại bỏ được các hạt có kích thước nhỏ hơn 10- 4 mm, nếu dùng quá trình lắng tĩnh thì phải tốn rất nhiều thời gian và cũng rất khó có thể có hiệu quả cao, do vậy cần phải áp dụng phương pháp xử lý, hoá học, đó là phương pháp đông keo tụ . Đông keo tụ là một phương pháp xử lý nước có sử dụng hoá chất, trong đó các hạt keo nhỏ lơ lửng trong nước nhờ tác dụng của các chất keo tụ mà liên kết với nhau tạo thành bông keo có kích thước lớn và người ta có thể tách chúng ra khỏi nước dễ dàng bằng các biện pháp lắng lọc hay tuyển nổi . Các chất keo tụ thường được sử dụng là phèn nhôm, phèn sắt dưới dạng dung dịch hoà tan, các chất điện ly hoặc các chất cao phân tử. Bằng cách sử dụng quá trình đông keo tụ người ta còn có thể tách được hoặc làm giảm đi các thành phần có trong nước như các kim loại nặng, các chất bẩn lơ lửng, các anion PO4- 3 và có thể cải thiện được độ đục và màu sắc của nước. Bảng (1) thống kê các khả năng có thể đạt được khi xử lý bằng phương pháp đông keo tụ.
Các thành phần trong nước Khả năng tách tối đa nhờ quá trình đông keo tụ
Các chất vô cơ - Độ đục +++ - Chất rắn lơ lửng +++
- Photphat PO4 - 3 +++ - Nitrat NO3- 0 - Amon NH4+ 0 - Clorua Cl - 0 tuỳ theo hoá chất sử dụng - Sunfat SO42 - 0 tuỳ theo hoá chất sử dụng - Florua F - ++
- Sắt +++ - Mangan + - Nhôm +++ - Đồng +++ - Kẽm ++ - Côban 0 - Niken 0 - Vanađi +++ - Asen +++
- Cađimi ++ +++ - Crôm ++ - Chì +++ - Selen +++ - Thuỷ ngân ++ - Bari + - Xianua CN 0
Các chất hữu cơ - Màu (theo mg Pt/l) +++ - Mùi 0, + - COD (theo O2) +++ - BOD (theo C ) +++ - Phenol (C6H5OH) 0 - Cacbon mạch vòng +++ - Hoá chất bảo vệ thực vật (parathion, BHC, dieldirin ) +++
Các vi sinh vật - Virut +++ - Vi trùng +++ - Tảo +++
ghi chú: 0 : không giảm, ( +) từ 0 đến 20% : (++) từ 20 đến 60% ;(+++) trên 60% 1.2.2. 2 . Lý thuyết về phương pháp đông keo tụ. Tuỳ thuộc vào nguồn gốc, thông thường các hạt cặn trong nước đều có thể mang điện tích âm hoặc dương. Ví dụ các hạt cặn gốc silíc, các tạp chất hữu cơ đều mang điện tích âm, các hyđrôxit sắt, hyđrôxit nhôm mang điện tích dương. Khi thế cân bằng điện động của nước bị phá vỡ, các thành phần mang điện tích sẽ kết dính với nhau nhờ lực liên kết phân tử và lực điện từ, tạo thành một tổ hợp các phân tử, nguyên tử hoặc các ion tự do. Các tổ hợp tạo thành được gọi là hạt keo. Tuỳ thuộc vào thành phần cấu tạo các hạt keo sẽ có các tính chất khác nhau. Người ta có thể chia các hạt keo thành hai loại : keo kỵ nước và keo ưa nước. Trong kỹ thuật xử lý nước bằng quá trình đông keo tụ, keo kỵ nước đóng vai trò chủ đạo. Ngoài ra người ta còn phân loại theo các dạng như sau: - Keo phân tử là những phân tử lớn (polyme) tạo thành hạt keo . - Keo phân tán gồm nhiều phần tử phân tán ( cát , đất sét ) tạo thành hạt keo. - Keo liên kết gồm nhiều phân tử khác nhau liên kết với nhau tạo thành hạt keo - Keo kỵ nước không tan, phân chia thành các hạt nhỏ, không ngậm dầu nước. Ví dụ các kim loại như vàng, bạc, silic. Keo ngậm nước có khả năng hấp phụ các phân tử nước. Ví dụ vi trùng ,vi rút, các polyme hoà tan, lòng trắng trứng. Keo kỵ nước hình thành sau quá trình thuỷ phân các chất xúc tác như phèn nhôm, phèn sắt. Ban đầu các phân tử mới hình thành liên kết lại với nhau tạo thành liên kết lại với nhau thành các khối đồng nhất. Ví dụ khi dùng phèn sắt, sau khi thuỷ phân sẽ tạo ra các khối liên kết gồm nhiều phân tử Fe(OH)3. Nhờ có diện tích bề mặt lớn, các khối này có khả năng hấp phụ chọn lọc một loại ion nào đó, hoặc có trong thành phần các ion của khối hoặc gần giống một trong các ion trong khối về tính chất và kích thước, tạo thành lớp vỏ bọc ion. Lớp vỏ ion này cùng với khối phân tử bên trong tạo thành hạt keo. Bề mặt nhân keo mang điện tích của lớp ion gắn chặt trên đó, có khả năng hút một số ion tự do mang điện tích trái dấu để bù lại một phần điện tích.
Hình 2 : Mô hình cấu trúc lớp điện tích kép của hạt keo. Như vậy, quanh khối liên kết phần tử ban đầu có hai lớp ion mang điện tích tráidấu bao bọc, gọi là lớp điện tích kép của hạt keo. Lớp ion ngoài cùng do lực liên kết yếu nên thường không có đủ điện tích trung hoà với lớp điện tích bên trong và do vậy hạt keo luôn mang một điện tích nhất định. Để cân bằng điện tích trong môi trường, hạt keo lại thu hút quanh mình một số ion trái dấu ở trạng thái khuyếch tán . Hình 3 : Mô hình miêu tả điện thế trên bề mặt hạt keo Nếu hạt keo ở trong trạng thái tĩnh thì điện tích của hạt được bù bởi điện tích của lớp ion khuyếch tán. Do chuyển động Brown, lớp ion khuyếch tán không di chuyển đồng thời với hạt keo, bởi vì lực liên kết không bền vững. Do đó, hạt keo trong nước luôn là hạt keo mang điện tích. Từ mô hình điện thế bề mặt hạt keo hình 3 ta thấy thế nhiệt động ( trên bề mặt nhân keo bằng tổng điện tích các ion của lớp vỏ nhân. Thế điện động ( trên bề mặt hạt keo. Thế điện động ( có giá trị nhỏ hơn thế nhiệt động ( một trị số bằng tổng điện tích của các ion trái dấu nằm trong lớp điện tích kép. Theo lý thuyết về lớp điện tích kép, nếu các hạt muốn keo tụ thì thế điện động ( cần phải giảm xuống dưới giá trị tới hạn (. Trong trường hợp keo đất sét, giá trị tới hạn này được quan sát thấy ở khoảng từ 0 (( 10 mV. Do vậy quá trình keo tụ được xem như bước đầu tiên trong việc kết hợp các hạt riêng rẽ nhờ việc giảm thế điện động (. Qúa trình tạo bông keo xảy ra nhờ khuấy trộn và hình thành do kết hợp các hạt bông keo nhỏ . Trong pha phân tán, điện tích bề mặt của các hạt keo có ảnh hưởng rất lớn đến các ion bao quanh. Các ion trái dấu bị thu hút về bề mặt và các ion cùng loại điện tích bị đẩy ra khỏi bề mặt. Kết hợp hỗn hợp các xu hướng chuyển động nhiệt và hút hoặc đẩy ion lẫn nhau sẽ tạo ra một lớp trong của bề mặt điện tích của hạt keo và một lớp ngoài có số đương lượng các ion trái dấu phân bố trong pha khuyếch tán tạo ra lớp kép bề mặt điện tích kép hình 2 Theo Stern, tác giả phân chia lớp điện tích kép thành hai lớp : lớp điện tích kép Stern với các ion trái dấu hút nhau rất mạnh trên bề mặt hạt keo và lớp khuếch tán, có bề dày phụ thuộc vào cường độ ion của dung dịch. Điện thế trên bề mặt giữa lớp ngoài của lớp Stern và lớp trong của lớp khuếch tán được gọi là thế điện động (. Các lực hút và lực đẩy tĩnh điện được xem như là các lực phân tán hoặc lực London - Van der Walls tồn tại giữa các hạt keo. Độ lớn của các lực này thay đổi tỷ lệ nghịch với khoảng cách giữa các hạt và chúng độc lập với cường độ ion của nước. Khả năng ổn định của hạt keo là kết quả tổng hợp giữa lực hút và lực đẩy. Nếu tổng hợp là lực hút xảy ra quá trình keo tụ .
Hình 4: Mô tả năng lượng tương tác của hệ keo Từ hình 4 trình bày năng lượng tương tác của hệ keo khi cường độ ion trong dung dịch cao và thấp được mô tả trên hình 4. Ở khoảng cách gần bề mặt, lực hấp dẫn London - Van der Walls thường mạnh. Ở khoảng cách xa bề mặt hơn, lực đẩy tĩnh điện có thể vượt quá lực hút tĩnh điện. Lực đẩy ở một khoảng cách nhất định sẽ mạnh hơn hoặc yếu hơn tuỳ thuộc vào điện tích bề mặt và vào khả năng các ion trái dấu có thể bù vào bề mặt đó (cường độ ion trong pha lỏng). Độ ổn định của hệ keo phụ thuộc vào lực tổng hợp. Khi xảy ra quá trình hấp thụ thuần tuý (hấp phụ nhờ lực tĩnh điện và lực Van der Walls), hấp thụ ion trái dấu thường chiếm ưu thế hơn hấp phụ ion cùng dấu. Khi thuỷ phân ion kim loại như Al 3 + hoặc Fe 3 + bổ xung vào nước, quá trình thuỷ phân xảy ra tức thời và hình thành các phức hyđrôxyl. Nồng độ các phức hyđrôxyl phụ thuộc vào nồng độ các ion kim loại và giá trị pH. Các phức hyđrôxyl có mang điện tích và thời gian tồn tại của chúng rất ngắn. Các ion dương bị hấp phụ trên bề mặt các hạt keo và điện tích bề mặt bị trung hoà do giảm thế điện động (. Số các ion trái dấu đòi hỏi để trung hoà điện tích bề mặt khá nhỏ so với số các ion yêu cầu để nén lớp điện tích kép. Nồng độ các ion trái dấu cần bổ sung tỷ lệ thuận với nồng độ các hạt keo trong nước và bổ sung dư lượng các ion trái dấu sẽ tạo ra sự tái ổn định của hệ keo do chuyển đổi nghịch chiều điện tích bề mặt. Khi các muối kim loại như Al2(SO4).18H2O và FeCl3.6H2O được bổ sung vào nước với nồng độ đủ, nhôm hoặc sắt hyđrôxit được hình thành và tạo ra kết tủa. Các hạt keo có mặt trong nước tác động như các hạt nhân để được kết tủa. Cơ chế này được gọi là: keo tụ nhanh . Khi năng lượng động học của các hạt keo không đủ để tạo ra sự chuyển động, huyền phù sẽ trở lên bền vững, bằng biện pháp khuấy trộn hoặc bổ sung các pôlyme có khả năng keo tụ, người ta có thể phá vỡ trạng thái cân bằng của hệ, làm cho các hạt keo xích lại gần nhau hơn, tăng lực hút, giảm lực đẩy và do vậy làm cho quá trình keo tụ đạt hiệu quả cao hơn Khi sử dụng biện pháp giảm thế điện động (, người ta nhận thấy rằng điện thế ( của hạt keo kỵ nước dao động trong giới hạn từ 0,05 ( 0,1V. Để lực hút phân tử thắng được lực đẩy tĩnh điện thì điện thế ( phải nhỏ hơn 0,03 V, và quá trình keo tụ càng đạt hiệu quả khi điện thế ( tiến đến 0. Trạng thái hệ keo khi điện thế ( bằng 0 được gọi là trạng thái đẳng điện và trị số pH của hệ ở trạng thái đẳng điện được gọi là điểm đẳng điện. 1.2.2.3. Các phương pháp đông keo tụ. Trong công nghệ xử lý nước bằng phương pháp keo tụ, người ta thường sử dụng: - Phương pháp keo tụ dùng các chất điện ly đơn giản . - Phương pháp keo tụ dùng hệ keo ngược dấu như các muối nhôm hoặc sắt . - Phương pháp keo tụ dùng các polyme. Phương pháp này còn sử dụng cả khi cần tăng cường quá trình keo tụ cho các phương pháp khác. Một trong các phương pháp keo tụ là làm giảm thế năng ( của hạt bằng cách tăng nồng độ của chất điện phân trong nước. Khi nồng độ của ion đối tăng lên thì càng nhiều ion chuyển từ lớp khuếch tán vào lớp điện tích kép, kết quả là làm giảm điện thế ( của lớp điện tích kép (hình 2) và chiều dày của lớp khuếch tán giảm. Khi khả năng làm giảm điện thế ( của các hạt keo bằng các ion đối tăng hoá trị của các ion này. Bảng (2- 1) ghi khả năng keo tụ tương đối của các ion và cation có hoá trị khác nhau, từ bảng (2-1) ta thấy rằng khả năng gây ra keo tụ của ion hoá trị một, hoá trị hai, hoá trị ba gần đúng theo tỷ số 1:30:100 Bảng(2-1) . Khả năng keo tụ tương đối của các chất điện phân Chất điện phân  Khả năng keo tụ tương đối của chất điện phân với keo tích điện    Keo dương  Keo âm   NaCl Na2SO4 Na3PO4 BaCl2 MgSO4 AlCl3 Al2(SO4)3 FeCl3 Fe2(SO4)3  1 30 1000 1 30 1 30 1 30  1 1 1 30 30 1000 1000 1000 1000   Khi keo tụ hệ keo bằng cách cho vào nước chất điện phân, điện thế ( của các hạt keo giảm dần tới 0. Nhưng nếu tăng nồng độ của chất điện phân trong dung dịch quá mức cần thiết có thể gây ra quá trình tích điện lại đối với hạt keo, khi đó điện tích hạt keo đổi dấu và thế năng ( của hạt keo tăng lên. Từ đó ta thấy nếu cho phèn vào nước nhiều hơn lượng cần thiết sẽ làm cản trở quá trình keo tụ . Có thể keo tụ hệ keo bằng cách đưa vào dung dịch một hệ keo mới, tích điện ngược dấu với hệ keo muốn keo tụ, lúc đó trong dung dịch xảy sự trung hoà lẫn nhau của các hạt keo tích điện trái dấu. Khi thực hiện quá trình keo tụ theo phương pháp này phải đảm bảo chính xác sự cân bằng tổng điện tích của hệ keo mới đưa vào dung dịch và tổng điện tích của hệ keo muốn keo tụ . Do trong quá trình keo tụ gồm hỗn hợp các hệ keo khác nhau, ví dụ hỗn hợp keo thiên nhiên làm bẩn nước và keo tạo ra do thuỷ phân phèn. Điều kiện keo tụ của hệ keo tụ tạo ra do thuỷ phân phèn không trùng với điều kiện keo tụ của các keo thiên nhiên, do đó lúc đầu chỉ một số cặn bông được tạo ra là do keo tụ của hệ keo do phèn thuỷ phân. Các bông cặn này có bề mặt hoạt tính phát triển nên chúng hấp phụ các keo tự nhiên làm bẩn nước, các chất hữu cơ hoà tan gây ra mùi vị của nước, và trong quá trình trong quá trình lắng, chúng thu hút các cặn kích thước bé lơ lửng trong nước. Trong thực tế phương pháp này được áp dụng rộng rãi để keo tụ cặn bẩn trong nước. Phèn thường dùng để lắng trong nước là phèn nhôm và phèn sắt trong đó chủ yếu là sunfat nhôm Al2(SO4)3 và FeCl3 . Ưu điểm của phèn là chúng có khả năng tạo ra hệ keo kị nước và khi keo tụ thì tạo ra bông cặn có bề mặt hoạt tính phát triển cao, có khả năng hấp thụ, thu hút, dính kết các tạp chất và keo làm bẩn nước. Khi cho phèn sunfat nhôm vào nước nó phân ly theo phương trình : Al2(SO4)3 ( 2Al3 + + 3SO42 - và cation Al3+ tham gia vào quá trình trao đổi với các cation nằm trong lớp điện tích kép của hạt keo âm, làm giảm điện thế ( của hạt keo, và nén lớp khuếch tán của hệ keo dẫn đến keo tụ hạt sét. Qúa trình trao đổi ion của hạt sét diễn ra nhanh và kết thúc khi dung tích trao đổi của hạt keo sét bị sử dụng kiệt. Khi đó trạng thái cân bằng của các cation trong lớp điện tích kép của hạt keo sét và keo cation nằm trong dung dịch lại được thiết lập lại. Nhưng quá trình keo tụ hệ tự nhiên làm bẩn nước chủ yếu lại là sự thuỷ phân phèn để tạo ra keo mới. Qúa trình keo tụ hệ keo mới này bằng các anion có trong nước để tạo ra bông cặn có bề mặt hoạt tính phát triển cao có khả năng hấp thụ các cặn bẩn trong nước . 1.2.2.4. Cơ chế của quá trình xử lý nước băng phương pháp keo tụ sử dụng phèn. a -Sự thuỷ phân của phèn. Khi cho phèn nhôm vào nước, sau khi phân ly thành ion sẽ xảy ra quá trình thuỷ phân theo các giai đoạn : Al3 + + H2O ( Al(OH)2 + + H + Al(OH) 2 + + H2O ( Al(OH)2+ + H+ Al(OH) 2 + + H2O ( Al(OH)3 + H+ Al3 + + 3H2O ( Al(OH)3 + 3H+ Mức thuỷ phân tăng lên khi pha loãng dung dịch, khi nhiệt độ tăng và pH của dung dịch tăng. Tuỳ thuộc vào điều kiện thuỷ phân cùng với hyđroxit nhôm Al(OH)3 quá trình thuỷ phân có thể tạo ra cả muối kiềm của nhôm là những hợp chất khó tan như : Al3 + + SO42- + H2O ( Al(OH)SO4 + H+
2Al3 + + SO42 - +4H2O ( Al2(OH)4SO4 + 4H+ Ion H+ tách ra trong các phản ứng ngăn cản quá trình thuỷ phân của phèn, đồng thời giảm pH của nước, đẩy hệ keo hyđoxit nhôm và muối của chúng lệch khỏi điểm đẳng điện và làm giảm hiệu quả keo tụ. Vì vậy, cần phải khử ion H+. Qúa trình này thường được khử bằng độ kiềm tự nhiên của nước theo phản ứng H+ +HCO3
( CO2 +H2O Nếu độ kiềm có trong nước thiên nhiên không đủ để khử ion H+ thì phải kiềm hoá nước bằng cách pha với vôi hay sôđa (Na2CO3) Qúa trình khử H+ bằng vôi hoặc sôđa xảy ra theo các phản ứng : 2H+ +CO32- ( CO2 +H2O H++ OH- ( H2O Từ các phản ứng trung hoà axít ta nhận thấy rằng. Nếu trung hoà ion H+ tạo ra do thuỷ phân phèn bằng độ kiềm tự nhiên HCO3- thì lượng CO2 tạo ra lớn nhất. Khi trung hoà bằng sôđa, lượng CO2 tách ra chỉ bằng một nửa do đó pH của nước sẽ cao hơn . b.Sự keo tụ do phèn tạo ra. Khi xử lý nước bằng sulfat nhôm, nếu trị số pH < 7,5 thì ngoài keo của hyđrôxit nhôm Al(OH)3 trong thành phần bông cặn được tạo ra còn có keo của muối nhôm Al(OH)SO4 và Al2(OH)4SO4. Tỷ số của các hợp chất này trong cặn lắng phụ thuộc vào pH của nước được thể hiện trên hình 5 xây dựng theo tài liệu nghiên cứu của Martưnôva
Hình5 : Các hợp chất của nhôm trong cặn lắng phụ thuộc vào pH Trong môi trường trung hoà và axit yếu các hạt keo hyđrôxit và muối kiềm của nhôm hấp thụ ion H+ và ion Al3+ nên có điện tích dương. Quá trình keo tụ hệ keo này tăng nhanh khi tăng nồng độ trong nước của ion âm đa hoá trị như SO42-.Việc tăng nồng độ của ion âm hoá trị I như Cl- có tác dụng kích thích rất ít đến quá trình keo tụ. Khi pH ( 7,5 ( 8 hạt keo hyđrôxit nhôm tích điện âm do hấp thụ ion aluminat AlO2- và trong trường hợp này ion gây keo tụ là ion dương đa hoá trị. Từ đó cho thấy rằng pH và thành phần muối của nước ảnh hưởng rất lớn đến quá trình keo tụ. Khi pH( 8,0 ( 8,5 trong nước tạo ra aluminat hoà tan. Khi pH < 4,5 phản ứng thuỷ phân sunfat nhôm không xảy ra, và phèn nhôm tồn tại ở trạng thái hoà tan trong nước. Trong môi trường axit, ion Al3 + phản ứng trực tiếp với các chất hữu cơ, cụ thể với anion của axit mùn hữu cơ, tạo ra các hợp chất không tan, lắng đọng thành cặn. Nhiệt độ của nước có ảnh hưởng lớn đến quá trình keo tụ. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm chỉ ra rằng khi nhiệt độ của nước tăng lên thì lượng phèn cần thiết để keo tụ giảm xuống, thời gian và cường độ khuấy trộn cũng giảm xuống theo. Điều này dễ nhận thấy vì ở nhiệt độ cao chuyển động nhiệt của các hạt keo tăng lên, tăng số va chạm giữa các hạt, độ nhớt của nước giảm, chiều dày của lớp nước bọc quanh hạt keo giảm xuống. Do đó hiệu quả dính kết do va chạm giữa các hạt keo tăng lên. Hàm lượng và tính chất của cặn cũng ảnh hưởng đến quá trình keo tụ vì số va chạm giữa các hạt phụ thuộc vào nồng độ, còn hiệu quả va chạm phụ thuộc vào tính chất phân tán, hoạt tính bề mặt của cặn và phèn. Khi hàm lượng cặn trong nước tăng lên, liều lượng phèn cần thiết để keo tụ cũng tăng lên. Trong thực tế thường xác định liều lượng phèn cần thiết trên máy Jartest bằng thực nghiệm, từ đó ta xác định được liều lượng phèn tối ưu. Ngoài ra việc xác định liều lượng phèn để đưa vào xử lý nước ta có thể xác định theo công thức thực nghiệm sau : a = 4( M Trong đó : a là liều lượng tính theo Al2(SO4)3 (mg/l) : M là độ màu của nước tính theo thang màu platin-coban. PHẦN 2:THỰC NGHIỆM 2.1.Dụng cụ và hoá chất. a -Dụng cụ. - Cân phân tích hãng Hach . - Bome kế loại 0 ( 700 hãng Germany. - Buret 25ml, 50ml Germany - Đũa thuỷ tinh. - Ống đong loại 500ml. - Cốc thuỷ tinh chịu nhiệt loại 250ml. - Bình tam giác 250ml. - Máy khuấy từ hãng Hach - Bình bêsê 2,0 lít - Pipet thẳng loại 2ml,5 ml, 10ml. - Máy đo độ đục DR/700 hãng Hach - Máy đo pH để bàn. b- Hoá chất - Dung dịch NaOH nồng độ 0,1N công nghiệp. - Axít Sunfuric (H2S04) nồng độ 96 công nghiệp. 2.2 Dây chuyền xử lý nước của công ty TNHH một thành viên cấp thoát nước Bắc Giang Qúa trình xử lý nước phải qua nhiều công đoạn được thực hiện trong các công trình đơn vị khác nhau. Tập hợp các công trình đơn vị theo trình tự từ đầu đến cuối gọi là dây chuyền công nghệ xử lý nước. Nhà máy xử lý nước của Công ty TNHH một thành viên Cấp thoát nước Bắc Giang được sự đồng tài trợ của hai chính phủ là Việt Nam và Australia với tổng số vốn ban đầu là 98 tỷ Việt Nam đồng. Được khởi công xây dựng từ năm 1996 đến nay, với công suất thiết kế là 20.000 m3/ ngày đêm. Hiện nay do nhu cầu sử dụng của nhân dân thị xã ngày càng tăng đòi hỏi nhu cầu chất lượng nước và lưu lượng phải luôn đảm bảo cho người sử dụng. Công việc giám sát đảm bảo chất lượng nước đòi hỏi hết sức quan trọng của Phòng phân tích nói riêng và ngành cấp nước nói chung Sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý nước ăn uống, sinh hoạt của Công ty TNHH một thành viên Cấp thoát nước Bắc Giang đang sử dụng Sơ đồ nhà máy sử lý nớc của Công ty với công suất 20.000 m3/ngày đêm 2.3 khảo sát quá trình điều chế dung dịch phèn nhôm 2.3.1. nguyên liệu. - Xỉ nhôm (đã nghiền nhỏ) là phế liệu thải của nhà máy nhôm Sông Hồng Việt Trì, tỉnh Phú Thọ, chứa khoảng 38% hàm lượng nhôm ôxít (Al203) và một số thành phần kim loại khác có lẫn trong xỉ . - Axít Sunfuric (H2S04) nồng độ 96% công nghiệp - Nguồn nước cấp bổ xung cho mỗi mẻ phản ứng. 2.2.2.1. Qui trình điều chế phèn nhôm. a- Qui trình điều chế phèn nhôm từ xỉ nhôm phản ứng trực tiếp với axit sunfuric đặc trong phòng thí nghiệm. - Chuẩn bị mẫu xỉ nhôm cân chính xác 10gam xỉ (đã được sấy khô) cho vào cốc thuỷ tinh chịu nhiệt loại 250ml chứa 50ml nước, cho 15ml Axít Sunfuric (H2S04) đặc vào phản ứng với xỉ nhôm trong thời gian 10 ( 12h . - Đến khi kết thúc phản ứng sản phẩm này có dung dịch và một lượng bã, khí thoát ra bao gồm các khí như : H2S, H2, SO2, SO3, và hơi nước bay lên. -Tiến hành lọc phần dung dịch phễu Busne lọc lấy dung dịch. - Ở đây dung dịch được pha thêm nước với tỷ lệ dung dịch phèn đạt nồng độ 2% từ đây dung dịch phèn được bơm định lượng và được điều chỉnh hàm lượng dung dịch phèn theo độ đục nước thô cần xử lý. b. Qui trình điều chế phèn nhôm phản ứng với xút và axit sunfuric đặc trên thí nghiệm. Chuẩn bị 10g mẫu xỉ nhôm đã được sấy khô cho vào cốc thuỷ tinh loại 250ml có 55ml NaOH nồng độ 0,1N cho phản ứng xảy ra 8 ( 10 h. Độ pH =13 (14. Sau khi kết thúc phản ứng lọc gạn trên phễu Busne, - Phần dung dịch sau khi lọc được đem trung hoà với axit sunfuric về pH = 7 tạo kết tủa hyđroxit nhôm, tiếp tục cho dư axit sunfuric đến pH = 1( 2 lúc này kết tủa tan ra tạo thành dung dịch nhôm có độ tinh khiết cao vì khi kiềm hóa thì chỉ hoà tan lượng oxit nhôm. - Dung dịch phèn sau khi tạo ra được ta đem đi xác định nồng độ bằng Bomme kế. -- Ở đây dung dịch được pha thêm nước với tỷ lệ dung dịch phèn đạt nồng độ 2% từ đây dung dịch phèn được bơm định lượng và được điều chỉnh hàm lượng dung dịch phèn theo độ đục nước thô cần xử lý. 2.4.Khảo sát hàm lượng chất keo phèn nhôm tối ưu cho quá trình trên máy Jartest. a -Mục đích : -Xác định lượng chất phản ứng tối thiểu cho phép xử lý nước sông thương trong điều kiện tốt nhất. b -Nguyên tắc - Cho vào trong nước cần phân tích một lượng dung dịch phèn tăng dần đều, hàm lượng phần nhôm tối ưu được xác định nhờ vào việc đo độ đục hay đo hàm lượng chất hữu cơ có trong nước. c -Cách tiến hành : Kết quả được tiến hành trên máy Jartest. Với độ đục nước thô 34,2 NTU. pH = 7,4 -Thí nghiệm được tiến hành với 6 bình chứa nước thô với thể tích là 1lít. Đưa dung dịch phèn nhôm nồng độ 2% cho vào mỗi bình tăng dần từ :10, 12.5, 15, 17.5, 20, 22.5mg/l (từ bình 1 đến bình 6 ).Trong quá trình cho dung dịch phèn nhôm vào bình được khuâý trộn đều bằng máy khuấy từ với tốc độ là 200 vòng/phút. Sau khi kết thúc quá trình cho tác nhân keo tụ phèn nhôm hỗn hợp tiếp tục được khuâý trộn đến ổn định tốc độ khuấy là 200 vòng/phút trong 3phút. Sau đó tốc độ khuấy giảm xuống 40 vòng/phút và tiến hành khuấy trộn hỗn hợp trong 20 phút thì kết thúc thí nghiệm. Tách phần dung dịch nước sau khi lắng ở từng bình từ 1 đến 6 với thể tích 200ml và tiến hành đo các giá trị độ đục, pH và độ ôxi hoá. Tiến hành song song lấy phần nước sau khi lắng cho lọc qua giấy lọc băng vàng sau đó tiến hành đo các giá trị độ đục, pH, các chất ôxi hoá. Bảng (2) xác định hàm lượng dung dịch phèn trên máy Jartest. Bình bêsê  1  2  3  4  5  6   Thể tích dung dịch phèn (ml)  1  1,25  1,5  1,75  2,0  2,25   Nồng đô dung dịch phèn (g/m3)  10  12,5  15  17,5  20  22,5   Độ đục đo sau lắng (NTU)  12  10  8,5  8,1  8,0  8,0   Độ đục đo sau lọc (NTU)  1,4  1,0  0,6  0,5  0,5  0,45   pH  7,2  7,1  7,05  7,0  6,9  6,8   Độ ôxi hoá  1,4  1,3  1,3  1,25  1,2  1,2   d–Nhận xét. Với một lượng là 10g dung dịch phèn ta thấy đạt được độ giảm tối đa các chất hữu cơ. Trái lại độ đục còn rất lớn, với 10g dung dịch phèn nó sẽ giảm đi nhiều so với luợng dung dịch phèn là 12,5g đến 15g. Trên mức 15g dung dịch phèn thì độ đục không giảm nữa vậy lượng dung dịch phèn nhôm tối ưu cần dùng là 15g/m3 Bảng 3 Quan sát hiện tượng kết tủa Bình  1  2  3  4  5  6   Quan sát  Bông phèn có kích thước nhỏ  Bông phèn có kích thước nhỏ  Bông phèn có kích thước trung bình  Bông phèn có kích thước trung bình  Bông phèn có kích thước trung bình  Bông phèn có kích thước to   STT  Chỉ tiêu phân tích  Đơn vị  Kết quả phân tích  TTCC*      Mẫu 1  Mẫu 2    1  pH   6,91  6,89  6,5-8,5   2  Độ đục  NTU  0,46  0,22  2   3  Độ ôxy hoá(theo KMnO4)  mg/l  1,88  1,91  2   4  Nitrit(NO2-)  mg/l  0,00  0,00  3   5  Nitrat(NO3-)  mg/l  2,94  0,68  50,0   6  Sunfat(SO4)  mg/l  8,05  10,03  250,00   7  Clorua(Cl-)  mg/l  11,36  14,20  250,00   8  Amôniăc  mg/l  0,19  0,16  1,5   9  Sắt tổng số  mg/l  0,02  0,01  0,5   10  Canxi (Ca2+)  mg/l  40,00  36,00  -   11  Magie(Mg2+)  mg/l  7,20  8,64  -   12  Mangan(Mn2+)  mg/l  0,02  0,02  0,5   13  Nhôm(Al3+)  mg/l  0,02  0,01  0,2   14  Đồng(Cu2+)  mg/l  0,0030  0,001  2,0   15  Chì(Pb2+)  mg/l  0,00  0,0001  0,01   16  Kẽm(Zn2+)  mg/l  0,0190  0,021  3,0   17  Cadimi(Cd2+)  mg/l  0,0001  0,0001  0,0003   18  Thuỷ ngân(Hg)  mg/l  0,0002  0,0006  0,001   19  Asen(As)  mg/l  0,0018  0,0019  0,01   Kết quả phân tích nước hoá học sau khi đưa dung dịch phèn nhôm vào xử lý nước. Lấy mẫu phân tích : Mẫu số 1 vòi nước trạm bơm tăng áp. Mẫu số 2 vòi nước máy nhà ăn công ty. Bảng 4 phân tích các chỉ tiêu sau khi sử dụng phèn nhôm ở Công ty - nhận xét :Từ bảng phân tích trên cho ta thấy khi đưa lượng dung dịch phèn nhôm làm bông keo tụ nguồn nước Sông Thương mà Công ty đang khai thác. Lượng dung dịch đưa vào phù hợp và độ bông keo tụ xảy ra nhanh kết bông to, độ đục sau khi lọc đạt < 2 NTU. Chất lượng nước sau khi xử lý đo đạt tiêu chuẩn vệ sinh ăn uống theo quyết định 1329/BYT. - Kết quả mẫu xỉ nhôm được đo trên máy Rơnghen sau khi cho xỉ nhôm phản ứng với : +Axít suifuric H2SO4 96%. + Dung dịch NaOH nồng độ 0,1 N. - Kết quả cho thấy khi phản ứng với các hoá chất thì lượng nhôm oxít không được hoà tan hoàn toàn, ngay cả khi cho phản ứng với dung dịch NaOH như ( hình vẽ 5, 6, 7, ) PHẦN III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN . 3.1 - Kết quả khảo sát quá trình phèn nhôm. 3.1.1 Kết quả khảo sát quá trình điều chế phèn nhôm phản ứng với axít Sunfuric . - Phần dung dịch phèn khi điều chế được ta đo tỉ trọng của dung dịch là 200 bome. - Kết quả phân tích dung dịch phèn như sau. TT  Chỉ tiêu phân tích  Đơn vị  Kết quả phân tích      mẫu 1  mẫu 2   1  Al3+  mg/l  2377  13464   2  Fe2O3  mg/l  45,36  207,14   3  H2SO4 dư  mg/l  6430  36750   4  NH4+  mg/l  207,6  1340   5  NO2  mg/l  0,06  0,01   6  NO3  mg/l  0,200  0,100   7  Cu  mg/l  0,098  1,68   8  Ti  mg/l  3,7  14,9   9  Ni  mg/l  0,12  0,49   -Mẫu 1 dung dịch được pha loãng ra thành 2% trước khi đưa vào nước thô. -Mẫu 2 dung dung dịch được điều chế chưa pha loãng. 3.1.2 Kết quả khảo sát quá trình điều chế phèn nhôm phản ứng với xút và axít Sunfuric. - Phần dung dịch phèn khi điều chế được ta đo tỉ trọng của dung dịch là 250 bome. –Nhận xét. -Với một lượng là 10g dung dịch phèn ta thấy đạt được độ giảm tối đa các chất hữu cơ. Trái lại độ đục còn rất lớn, với 10g dung dịch phèn nó sẽ giảm đi nhiều so với luợng dung dịch phèn là 12,5g đến 15g. Trên mức 15g dung dịch phèn thì độ đục không giảm nữa vậy lượng dung dịch phèn nhôm tối ưu cần dùng là 15g/m3 - Khi cho dung dịch phèn nhôm vào với nước thô thì phản ứng thuỷ phân xảy ra nhanh bông căn kết bông to, tốc độ lắng nhanh độ đục nước sau khi lọc đạt ở mức thấp và một số thành phần kim loại hầu như giảm đi hoặc bị các bông cặn lôi xuống. 3.2. Dự kiến xây dựng công nghệ sản xuất phèn nhôm. 3.2.1.Tính cân bằng vật chất. Phản ứng 3H2SO4 + Al2O3 + 15H2O = Al2(SO4)3.18H2O - Theo phương trình phản ứng để sản xuất 1000 kg phèn ta cần phối liệu sau : + Xỉ nhôm 437,1kg + Axít sunfuric 453,1kg = 250 lít (d = 1,81 kg/l ) + Nước bổ xung 2,85m3 + Chất trợ lắng nếu cần tiến độ 3.2.2. Chỉ tiêu nguyên liệu . a - Xỉ nhôm. - Dạng bột mịn, không vón cục, không lẫn rác và tạp chất cơ học khác. - Hàm lượng Al203 hữu hiệu lớn hơn 38% khối lượng. - Hàm lượng Fe2O3 <1,5% - Hàm ẩm <13% - Thành phần Si02<55% b - Axít sunfuric (H2S04). - Nồng độ 96% - Dung dịch đồng nhất không lẫn tạp chất cơ học 3.2.3. Chỉ tiêu ngâm chiết. - Tổng thời gian ngâm chiết 4h - Độ pH của nước rửa bã trước khi thải bã (pH>6) - Tổng thể tích hỗn hợp 2,2m3 3.2.4. Chỉ tiêu khâu lắng. - Thời gian lắng 8h - Chất không tan trong dung dịch <0,3% - Dung dịch trong suốt không nhìn thấy các hạt huyền phù lơ lửng. - Nồng độ dung dịch phèn (quy về ngậm 18H2O) - Mở từ từ Axít từ thùng cao vị vào bể phản ứng, đảm bảo sau 2h mới hết lượng Axít trên thùng cao vị. - Trong 2h đầu phản ứng, khống chế nhiệt độ phản ứng <900C bằng lượng H2S04 từ thùng cao vị xuống, luôn bổ xung nước đến vạch qui định. - Sau phản ứng đo tỷ trọng dung dịch và kiểm tra pH. Khi đạt chỉ tiêu qui định thì kết thúc phản ứng. Mở van chuyển hỗn hợp bã và dịch sang bể ngâm chiết, khi tháo cạn ngừng sục khí đóng van chuyển dịch và chuẩn bị mẻ mới. 3.2.5. Thao tác ngâm chiết. - Mở van sục khí trộn trong 2(3 h đầu. Sau đó ngừng sục khí kiểm tra độ pH = 2. - Tỷ trọng d = 1,1448 - Nếu cần tỷ trọng thì dùng nước mới bổ sung. - Khi đạt chỉ tiêu qui định ngừng sục khí để lắng tự nhiên bã rắn - Chạy bơm chuyển dịch sang bể lắng hút cạn dịch còn bã rắn ngừng bơm. -Đưa nước rửa bã, mở sục khí để chiết phần dịch còn lẫn trong bã sau đó dừng sục khí. Quy trình này được làm nhiều lần, mỗi lần đưa lượng nước vừa phải đo lượng nước rửa về (pH>6) thì ngừng rửa bã. 3.2.6. Chất lượng sản phẩm. a - Dạng dung dịch. - Đồng nhất không mầu không lẫn tạp chất cơ học. - Nồng độ Al2(SO4)3 >13,4% khối lượng. -Tỷ trọng d = 1,1448 - Chất không tan <0,3% - Hàm lượng Fe2O3 <0,3% - Axít dư <0,8% b - Dạng rắn (nếu cô đặc) - Màu trắng tạo khối - Chất không tan <1% - Thời gian phản ứng 10 ( 12h - Thời gian cấp Axít đặc vào phản ứng 2h - Thời gian sục khí trộn 2h - Đo độ pH = 2 - Tỷ trọng dung dịch d =1,1448 3.2.7. Mô tả công nghệ - Nguyên liệu chính để sản xuất dung dịch phèn nhôm có hàm lượng Al203 lớn hơn 38% ở dạng bột mịn không lẫn các tạp chất cơ học và axít Sunfuric (H2S04) nồng độ lớn 96%. Hai nguyên liệu chính này được đưa vào bể phản ứng. Để duy trì và phản ứng triệt để ta pha thêm nước tới nồng độ Axít thích hợp ( khoảng 30%). Sản phẩm sau phản ứng bao gồm dung dịch phèn và bã, dung dịch được đưa sang bể ngâm chiết, bã được lắng và vận chuyển đến nơi thải. Nếu lấy sản phẩm ở dạng dung dịch, cần pha thêm nước đạt tới nồng độ thích hợp, dung dịch phèn được châm châm vào tạo phản ứng keo tụ với nước thô. - Nếu cô đặc thì từ bể ngâm chiết sản phẩm được gia nhiệt tạo bốc hơi nước ở nhiệt độ 1050C. Khi đạt nồng độ tiến hành làm nguội kết tinh trong khuôn. Tuy nhiên trong quá trình cô đặc cần chi phí thêm chất đốt, do mục đích sản xuất dung dịch phèn phục vụ riêng cho Nhà máy nước của Công ty vậy ta không cần công đoạn này. 3.2.8. Các thiết bị chính của dây chuyền Téc chứa axít sunfuric, thể tích V = 6m3 kích thước d = 1,5m, h =2,5m, téc làm bằng vật liệu C20, có gắn ống dịch diện kế chia vạch để xác định thể tích axít sunfuric. Téc được đặt ở vị trí cao có van dẫn axít sunfuric xuống thùng cao vị. + Thùng cao vị có tác dụng đong axít sunfuric theo liều lượng 1 mẻ + Bể phản ứng có thể tích V= 6m3 bể xây gạch chịu Axít + Bể ngâm chiết có thể tích V= 8m3 +Bể lắng trong có thể tích V= 8m3 +Bơm ly tâm (loại bơm chịu Axít) lưu lượng từ 4( 6 m3 + Máy nén khí áp suất 6 ( 10bar + Và một số dụng cụ khác 3.3. Tính toán giá thành và sử dụng công nghệ sản xuất : 3.3.1. Chi phí đầu tư. TT  Hạng mục  Đ vị  Số lượng  Đơn giá  Thành tiền   1  Téc V=8m3  cái  01  35 000 000  35 000 000   2  Thùng cao vị  cái  01  600 000  600 000   3  Máy nén khí  cái  01  10 000 000  10 000 000   4  Bơm ly tâm chịu axít  cái  02  9 500 000  19 000 000   5  Bể chị axít (3 bể =25m3)  m3  25  2 500 000  62 500 000   6  Thiết bị điện  tủ  01  3 000 000  3 000 000   7  Van, ống nhựa,vật liệu phụ     2 000 000   8  Cộng     132 000 000   9  Dự phòng 10%     13 200 000   10  Tổng cộng     145 200 000   3.3.2. Chi phí cho sản xuất. Tính cho 1000kg phèn a - Nguyên liệu chính : - Axít sunfuric : 2 200đ/kg (giá tại Bắc Giang) - Xỉ Nhôm : 900đ/kg (giá tại Bắc Giang). - Gía thành tiêu hao vật tư - Axít sunfuric (H2SO4 96% ) 453,1kg x 2 200 đ/ kg = 996 800 đ. - Xỉ nhôm 437,1kg x 900 đ/kg = 393 300 đ. - Điện năng 8 Kw x 1500đ/Kw = 12 000đ Chi phí nhân công cho 1000kg(1 tháng sản xuất 12tấn phèn) = 400 000đ/kg + Cộng chi phí nguyên liệu chính =1 802 100đ/1tấn . b - Chi phí sửa chữa bảo dưỡng tính 1% giá thành : 1% x 1 802 100đ = 1 802 1đ/tấn. c - Chi phí khấu hao : tính cho 10 năm với giá trị tài sản. 145 200 000 đ/10 năm =14 520 000đ/1 năm. - Khấu hao cho 1tấn phèn 14 520 000 = 100 834đ/tấn. 12 tấn x 12tháng Bỏ qua chi phí nước cho sản xuất, ta có tổng chi phí cho 1 tấn phèn như sau : Tổng chi phí = a + b + c 1 802 100 + 1 802 1+ 100 834 =1 920 955 đ/tấn. 3.3.3. Hiệu quả kinh tế - Trong 1 tháng sản xuất 12 tấn / 1tháng, vậy trong 1 năm sẽ là : 12tấn x 12 tháng =144 tấn /năm. -Hiện tại giá phèn Hải Dương mà công ty nhập là 2 100 đ/kg, giá tại Bắc Giang. Vậy 1 tấn phèn là 2 100 000 đ/tấn. - So sánh phèn nhà máy tự sản xuất với phèn nhà máy đang nhập phèn Hải Dương, giá trị làm lợi tính trên 1tấn phèn là : 2 100 000 - 1 920 955 = 179 045đ/tấn - Một năm giá trị sản xuất làm lợi là : 144 tấn x 179 045đ/tấn = 25 782 480 đ/năm Làm tròn 26 000 000 (Hai sáu triệu đồng). PHẦN 3 : KẾT LUẬN - Qua nhữngnghiên cứu thí nghiệm để đi đến việc xây dựng dây chuyền sản xuất dung dịch phèn xử lý đông keo tụ cho nguồn nước cấp sinh hoạt ở Nhà máy nước Bắc Giang.Rút ra một số kết luận sau: - Sản phẩm chất đông keo tụ mà Công ty nghiên cứu đưa vào sử dụng làm trong nguồn nước mặt được khai thác từ nước Sông Thương có độ pH ổn định và độ đục thấp, đáp ứng được yêu cầu xử lý nước cấp đặc biệt là nguồn nước mặt. - Dung dịch phèn này có ưu điểm là keo tụ xảy ra nhanh ,nhiều bông lớn, độ kết bông chắc, tốc độ lắng nhanh.Chất lượng nước sau xử lý đạt tốt. - Việc nghiên cứu sản xuất dung dịch phèn đi từ nguyên liệu xỉ nhôm không những đem lại nguồn thu nhập cho Công ty mà giải quyết được một số nhân công lao động. Do đó có thể khẳng định việc xây dựng dây chuyền sản xuất phèn góp phần làm giảm giá thành sản xuất đầu vào, và chủ động được trong sản xuất. - Nhà máy có thể mở dộng qui mô sản xuất dung dịch phèn nhôm không chỉ đáp ứng cho Nhà máy mà còn có thể cung cấp cho thị trường. - Qua thời gian nhận đề tài làm khoá luận tốt nghiệp em nhận được sự quan tâm giúp đỡ của PGS. TS Nguyễn Văn Nội và các thày cô trong khoa Hoá cùng các đồng nghiệp trong phòng thí nghiệm của Công ty đã tạo điều kiện cho em hoàn thành bản khoá luận này. - Tuy nhiên với thời gian có hạn, nên việc tìm hiểu đề tài còn hạn chế, không tránh khỏi những thiếu sót . Vậy em kính mong các thầy cô giáo trong bộ môn giúp đỡ và chỉ ra hướng khắc phục. Em xin chân thành cảm ơn!