Các quá trình hóa lý trong xử lý nước thải - Khử mặn bằng phương pháp điện thẩm tách

Click to edit Master title style Click to edit Master text styles Second level Third level Fourth level Fifth level 12/5/2011 ‹#› Môn học: CÁC QUÁ TRÌNH HÓA LÝ TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI GVHD: Thầy Dương Hữu Huy Châu Thị Thanh Thủy 0922255 Đặng Thị Minh Tâm 0922220 Danh Phạm Hoàng Anh 0922001 Nguyễn Thị Hồng Anh 0922004 Phạm Diệp Linh Hương 0922112 Phan Tấn Dũng 0922046 Trần Thiện Thiên Thanh 0922228 Trịnh Xuân Đại 0922050 KHỬ MẶN BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN THẨM TÁCH (Electrodialysis Technologies for Desalination) Nhóm 5: MỤC LỤC: Giới thiệu chung Cơ chế Thiết kế hệ thống Quá trình điện thẩm tách ngược Quá trình loại ion do điện phân Ứng dụng Ưu và nhược điểm DANH MỤC THUẬT NGỮ, VIẾT TẮT: O&M: Operation & Management: Quản lý và điều hành hệ thống ED :Electrodialysis : Điện thẫm tách EDR :Electrodialysis reversal : Điện thẫm tách ngược RO : Reverse Osmosis : Thẫm thấu ngược EDI : Electrodeionization : Sự loại ion do điện phân IX : Ion Exchange : Trao đổi ion IX resins: ion exchange resins : Nhựa trao đổi ion TDS: total dissolved solid: tổng chất rắn hòa tan SDI: KHỬ MẶN BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN THẨM TÁCH Khử mặn: là giảm hàm lượng muối trong nước đến trị số thỏa mãn yêu cầu đối với nước dùng cho ăn uống.Các phương pháp khử mặn: Chưng cất, đóng băng, điện phân, lọc nước qua màng bán thấm, chiết ly, trao đổi ion. Khử muối: là giảm triệt để lượng muối hòa tan trong nước đến trị số thỏa mãn yêu cầu mà công nghệ sản xuất quy định.Các phương pháp khử muối: Chưng cất trong các thiết bị bốc hơi, trao đổi ion, điện phân trong chậu điện giải nhiều ngăn, lọc qua màng bán thấm. Khi chọn phương pháp khử mặn và khử muối cần phải tính đến: hàm lượng muối của nước nguồn, công suất yêu cầu của trạm khử muối hay khử mặn. KHỬ MẶN BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN THẨM TÁCH I .Giới Thiệu: Điện thẩm tách là quá trình loại ion khỏi dung dịch nước qua màng trao đổi ion bằng một lực điện trường. - Màng trao đổi ion là một lớp màng bán thấm có tính chọn lọc cao, nó chỉ cho cation hoặc anion đi qua. Một hệ thống điện thẩm tách có thể hoạt động trong một khoảng pH rộng (pH 1,0-13,0) cũng như phạm vi nhiệt độ rộng (lên đến 43 độ C) Hạn chế của quá trình này là bề mặt của các màng lọc có thể dễ dàng tắc nghẽn. Do đó, quá trình điện thẩm tách ngược (EDR) đã được phát triển. Bằng cách đảo chiều phân cực liên tục, bề mặt của các màng lọc được rửa sạch. Máy điện thẩm tách trong thực tế II. Cơ chế của quá trình điện thẩm tách Mô tả hệ thống: Các màng trao đổi ion được bố trí xen kẽ nhau, các màng chọn lọc anion xen kẽ với màng chọn lọc cation. Khoảng cách giữa 2 màng được gọi là một ô. Một đơn vị ô hay cặp ô được hình thành bởi 2 ô. Ô không có ion dẫn nước ngọt (kênh nước ngọt hay kênh nước đã loại muối), trong khi ô tập trung nhiều ion dẫn nước muối (kênh nước muối). Các ô luân phiên nhau dẫn nước ngọt và nước muối. Một hệ thống điện thẩm tách gồm nhiều ô đơn vị và 2 điện cực sắp xếp theo chiều ngang hoặc dọc. Một hệ thống điện thẩm tách đòi hỏi một nguồn điện một chiều (DC) rất lớn, chúng ta có thể dùng bộ chỉnh lưu để chuyển dòng điện 2 chiều (AC) thành 1 chiều (DC) Cơ chế hoạt động: - Dung dịch đầu vào chứa cả cation và anion, đi xuyên qua các ô có điện thế được duy trì bằng 2 điện cực Cation trong dung dịch sẽ đi về phía Cathode và anion sẽ đi về phía Anode. Cation có thể đi qua màng trao đổi cation (mang điện tích âm) nhưng bị giữ lại bởi màng trao đổi anion (mang điện tích dương).Tương tự, anion đi qua màng trao đổi anion, nhưng bị giữ lại bởi màng trao đổi cation. Nhờ sự di chuyển qua các lớp màng, kênh nước ngọt sẽ hầu như không còn ion trong khi kênh nước muối có rất nhiều ion. III. Thiết kế hệ thống Hệ thống xử lý thô Xử lý thô thường dùng để loại bỏ các phần tử lớn trong nước trước khi áp dụng phương pháp điện thẩm tách. Sự hiện diện của chất rắn lơ lửng, vi sinh vật, các ion hữu cơ, và oxit kim loại có thể gây ra các vấn đề nghiêm trọng và gây tắc nghẽn màng. Các hình thức và tính phức tạp của hệ thống xử lý sơ bộ phụ thuộc vào bản chất của nguồn nước cấp được xử lý. Phương pháp tiền xử lý cho các tạp chất là sử dụng than hoạt tính (cho các chất hữu cơ), keo tụ (cho dung dịch keo) và các kỹ thuật lọc. Sự phát triển của vi sinh vật có thể gây ra sự tắc nghẽn của màng. Clo được sử dụng để khử trùng sao cho các VSV không thể phát triển trên lớp màng nhưng clo phải được loại bỏ khỏi dòng trước khi vào các ngăn xếp của ED vì clo có thể gây ra thiệt hại cho màng.  Natri metahexaphosphate  được thêm vào để tránh sự tắc nghẽn của bề mặt màng bởi sự kết tủa muối ít tan như canxi sulfat.Sau khi tiền xử lý, nước cấp có thể được bơm qua các ngăn xếp của ED b. Hệ thống màng ngăn: Trong một màng ngăn, các miếng đệm tách rời với các tấm màng. Một cặp ô nhỏ đơn giản được tạo thành từ hai màng và hai miếng đệm. Các miếng đệm  khít nhau được sử dụng để tạo ra các kênh, nơi hòa trộn các dòng chảy. Các lỗ hổng trong các miếng đệm khớp với các lỗ hổng trên các tấm màng để hình thành các đường dẫn nước cần xử lý qua các kênh thích hợp, để loại bỏ các tạp chất và nước muối. Lớp đệm duy trì hình dạng của các màng, kiểm soát sự phân bổ dòng chảy trong ngăn xếp, và làm giảm độ dày lớp màng nhằm hạn chế ảnh hưởng của nồng độ phân cực Điều quan trọng là phải có một sự phân bố dòng chảy thống nhất trong các kênh dẫn để tránh rò rỉ bên trong, đặc biệt là từ các ô tập trung ion (ô nước muối) sang ô loại bỏ ion (ô nước ngọt).  Nguồn đầu vào (nước thải) thường được giữ lại khoảng 10-20 ngày trong hệ thống. Sự di chuyển có tính chọn lọc của ion qua màng c. Màng trao đổi ion: Trong màng trao đổi ion, các nhóm tích điện được gắn với cột trụ polime của vật liệu màng. Một màng cation với nhóm cố định điện tích âm sẽ loại bỏ các anion nhưng cho thấm qua các cation. Tương tự, màng anion với nhóm cố định dương sẽ loại bỏ cation nhưng cho thấm qua các anion Màng chọn lọc cation gồm có sulfonated polystryrene, trong khi đó màng chọn lọc anion gồm có polystyrene với ammonia bậc 4 Có hai loại màng IX: màng đồng nhất và màng không đồng nhất. Màng đồng nhất: Các nhóm mang điện được phân bố đều thông qua hệ thống màng. Màng chọn lọc cation thường do các liên kết của polystyrene (với divinyl benzene) đã được sulfonat hóa để sản xuất sunfonate gắn với polime. Màng chọn lọc anion đượclàm bằngliên kết polystyrenecó chứa nhóm amoni bậc 4 Màng không đồng nhất Các nhóm trao đổi ion tập trung thành từng vùng nhỏ phân bố khắp lưới trơ. Hình thức đơn giản nhất là có một lớp bột mịn hạt trao đổi cation và anion phân bố đồng đều trong polypropylene d. Hệ thống bơm: Bơm áp lực thấp giúp lưu thông nước qua hệ thống. Bơm phải có đủ năng lượng để thắng được sức cản của nước. Năng lượng cần thiết cho hệ thống bơm tăng lên khi nồng độ muối của nước đầu vào giảm. Tùy thuộc vào mức độ tách yêu yêu cầu, nước sẽ được bơm qua từ 2- 4 ô. Vì vậy có thể sẽ cần đến hệ thống bơm liên tầng. e. Hệ thống sau xử lý: Tiền xử lý bao gồm giai đoạn ổn định và chuẩn bị nước để phân phối vào hệ thống. Quá trình loại bỏ các khí không cần thiết như hidro sulfide và sự điều chỉnh pH được kiểm soát. Nếu hàm lượng muối trong nước vẫn quá cao, các quá trình như IX và RO có thể được sử dụng. Quá trình điện thẩm tách ngược (EDR) Hình minh họa quá trình điện thẫm tách ngược Vì màng sử dụng trong ED rất dễ bị tắc nghẽn, người ta đã tìm ra cách để khắc phục vấn đề này. Quy trình EDR được phát triển để giúp lọai bỏ sự tắc nghẽn màng. EDR được phát triển dựa trên nền tảng của công nghệ ED. Trong quy trình EDR, màng phân cực được đảo chiều nhiều lần trong một giờ như trong (Hình). Kênh nước muối trở thành kênh nước ngọt và ngược lại. Kết quả, các ion bây giờ bị hút theo hướng ngược lại Ngay sau khi điện cực và dòng chảy bị đảo ngược, nước sản phẩm bị thải ra cho đến khi toàn bộ hệ thống và các đường ống đã được xả hết. Quá trình đảo ngựơc có tác dụng trong việc làm tan và xả các cặn, chất nhầy, và những chất lắng khác trong các ô trước khi chúng tích tụ và gây tắc nghẽn. Việc xả thải cho phép cả đơn vị hoạt động với ít hóa chất tiền xử lý hơn và hạn chế hư hỏng màng Lợi thế lớn của EDR là khả năng làm sạch các hạt keo được hình thành trên màng Các hạt tương tác với nước để hình thành 1 lớp điện tích âm tại bề mặt của lớp nước bao quanh chúng. Dòng điện một chiều được sử dụng trong điện thẩm tách ngược như một động lực giúp di chuyển các chất keo tích điện âm đến các màng trao đổi anion. Khi các hạt keo đến bề mặt của màng, điện trường và lực hút tĩnh điện sẽ giữ lại những ion trao đổi trên bề mặt màng. Dòng điện 1 chiều tuần hoàn trong EDR (điện thẩm tách ngược) làm nguồn động lực cho sự lắng đọng và loại bỏ chất lắng Sự lắng đọng và thay thế của hạt keo trong quá trình điện thẩm tách ngược Ứng dụng: Nhiều nước áp dụng công nghệ này cho các ngành điện tử, dược phẩm (nghiên cứu về vi sinh, tế bào, gien...). Trước đây, ở Việt Nam đã áp dụng phương pháp RO (thẩm thấu ngược) để xử lý nước nhiễm mặn, tuy nhiên, theo các nhà khoa học, phương pháp này tuy loại được đến 95% các chất trong chỉ số đo TDS trong nước nhưng không phù hợp để làm nước ăn uống, vì làm mất các chất khoáng, muối tự nhiên cần thiết đối với cơ thể con người. . Công ty nước Thames Water tại London (Anh) sẽ đầu tư 200 triệu bảng Anh để xây dựng nhà máy lọc nước biển đầu tiên. Nhà máy sẽ sử dụng công nghệ thẩm thấu nghịch Công ty Nước South East Water cũng dự định xây dựng thí điểm một nhà máy lọc nước biển nhở tại Newhaven, East Sussex. Đã có nhiều nhà máy biến nước biển thành nước ngọt tại Trung Đông (Israel, Ảrập Xêút), Địa Trung Hải (Malta), châu Mỹ, Nam Âu, Caribbean, Nhật Bản, quần đảo Channel, đảo Tenerife và Gran Canaria, các bang Florida và California của Mỹ cũng bắt đầu xây dựng nhà máy lọc nước biển. 18 nhà máy kiểu này đang được xem xét xây dựng tại California. Ở Việt Nam, thiết bị điện thẩm tách đã được ứng dụng tại: Trung tâm y tế huyện Đông Sơn (Thanh Hóa), Trung tâm y tế huyện Kim Sơn (Ninh Bình), Trạm y tế xã Nam Cường (Thái Bình)... để xử lý nước nhiễm mặn. Các gia đình tại huyện Thanh Trì, Hà Nội sử dụng thiết bị này để xử lý nước nhiễm Arsen và các hợp chất nitơ. Qua hai năm sử dụng, kết quả cho thấy: các thiết bị ED xử lý nước nhiễm mặn loại bỏ được 65,5% - 73% muối, 83% - 98% độ cứng và 66-80% TDS từ nguồn nước nhiễm mặn. Các thiết bị ED xử lý nước nhiễm arsen và nitơ loại bỏ trung bình: 95% NH4+, 80% arsen, 55% TDS từ nguồn nước ô nhiễm Ưu và nhược điểm của ED và EDR Ưu điểm: ED và EDR có thể hoạt động với lượng hư hỏng, tróc vảy, hay hóa chất thêm vào giảm thiểu. • Nhu cầu áp lực thấp. • Cơ sở thiết bị của ED và EDR hoạt động yên tĩnh hơn RO • Tuổi thọ màng lọc cao. • Không bị ảnh hưởng bởi các chất gây nghẽn không-ion như silica. Sử dụng ít hóa chất trong tiền xử lý. • Khả năng xử lý nước đầu vào với lượng SDI, TOC và nồng độ silica cao hơn, và độ đục cao hơn so với RO. • Có thể hoạt động với lượng clo tự do trong nước đầu vào lên đến 0.5 ppm để kiểm soát lượng chất sinh học trong nước đầu vào Nhược điểm: Màng có thể bị tắc. Nguy cơ rủi ro và nguy hiểm do điện . Chỉ xử lý được những chất mang tính ion. Cám ơn thầy cô và các bạn đã lắng nghe