ĐẶT VẤN ĐỀ Hệ thống cấp nước ở nông thôn hiện nay còn nhiều khó khăn và thách thức. Tình trạng thiếu nước sạch vẫn diễn ra ở nhiều nơi đặc biệt những khu vực xa mạng lưới cấp nước, tại những khu vực này người dân sử dụng nguồn nước sinh hoạt chủ yếu từ sông, ao, hồ. Mặt khác chất lượng nguồn nước cấp từ mạng lưới chưa thật sự đảm bảo, hóa chất sử dụng trong quá trình xử lý còn nhiều hạn chế điển hình việc khử trùng bằng các hóa chất phổ biến có khả năng hình thành sản phẩm phụ ảnh hưởng đến sức khỏe con người ví dụ như: khử trùng bằng clo có nguy cơ hình thành trihalomethanes [1], sản phẩm phụ bromate sinh ra trong quá trình khử trùng nước có chứa bromide bằng ozone [2] gây ung thư. Do đó việc nghiên cứu, tìm ra những hóa chất mới có khả năng xử lý hiệu quả nhiều chất ô nhiễm, tiện dụng, đơn giản, không gây độc hại đặc biệt hạn chế sử dụng clo để khử trùng là một trong những vấn đề cần được quan tâm.
Ferrate là một chất xử lý đa mục đích đầy hứa hẹn và thân thiện với môi trường [3], chất oxi hoá mạnh nhất trong tất cả các chất oxi hoá/khử trùng [4], chất keo tụ cho hiệu quả xử lý cao hơn các chất keo tụ truyền thống như FeCl3 và Al2(SO4)3 [5], ngược lại theo nghiên cứu của Solo và Waite [6] cho rằng hiệu quả xử lý độ đục của FeCl3 và ferrate tương đương nhau. Mặt khác, ferrate xử lý UV254 và DOC hiệu quả hơn so với sắt sulfat nhưng kém hiệu quả khi loại bỏ axit humic ở nồng độ cao [4]. Tuy nhiên theo Panagoulopoulos [7] lại cho rằng ferrate loại bỏ chất hữu cơ kém hơn sắt sulfat khi xử lý mẫu nước chứa axit humic…Từ nhiều nghiên cứu cho thấy khả năng oxi hóa của ferrate ảnh hưởng không nhỏ đến hiệu quả keo tụ. Do đó để phát huy đặc tính của ferrate khi sử dụng, vấn đề cần được quan tâm là đánh giá, đưa ra điều kiện tối ưu để nâng cao khả năng oxi hóa của ferrate đồng thời hạn chế tối thiểu ảnh hưởng lên quá trình keo tụ.
Đề tài được thực hiện nhằm mục đích đánh giá khả năng loại bỏ chất hữu cơ và cặn lơ lửng trên cơ sở so sánh với các loại phèn truyền thống và phổ biến như phèn sắt (clorua sắt III) và phèn nhôm (PAC). HVTH: NGUYỄN THỊ NGỌC DUY Trang 1 LUẬN VĂN THẠC SĨ Tháng 7/2015 1. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Đánh giá và so sánh hiệu suất của kali ferrate với phèn sắt và PAC ở các điều kiện thử nghiệm khi xử lý nước tổng hợp chứa kaolin và axit humic thông qua các thông số chính như: độ đục, COD, độ màu. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Nội dung nghiên cứu của đề tài bao gồm: Thử nghiệm điều chế ferrate Đánh giá và so sánh hiệu suất xử lý chất rắn lơ lửng và chất hữu cơ của kali ferrate trên cơ sở so sánh với phèn sắt và PAC trên mẫu nước tổng hợp chứa kaolin và axit humic thông qua các thông số độ đục, COD, độ màu ở liều lượng 8, 10, 12, 14, 16, 18, 24 mgFe/l (đối với ferrate và phèn sắt); 40, 60, 80, 100, 120 mg/l (đối với PAC) trong phạm vi pH từ 5 – 9 Nghiên cứu bổ sung hiệu quả xử lý của kali ferrate, phèn sắt và PAC trên mẫu nước mặt ở điều kiện hoạt động tối ưu của các chất keo tụ.
PHẠM VI – GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI Thực nghiệm được tiến hành trên quy mô phòng thí nghiệm đặt tại trường Đại học An Giang. Mẫu nước sử dụng để tiến hành thí nghiệm bao gồm hai loại nước như sau: Nước tổng hợp được pha từ axit humic và kaolin tương đương mẫu nước mặt. Mẫu nước mặt được lấy từ một nhánh của sông Tiền, tại địa chỉ 27 khóm Tân Thuận, Thị Trấn Thanh Bình, huyện Thanh Bình, tỉnh Đồng Tháp (thuộc 10o33’46. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Thiết kế sơ bộ mô hình nghiên cứu sau khi tham khảo các tài liệu trong và ngoài nước liên quan đến đề tài.
Qua quá trình thử nghiệm ban đầu, mô hình sẽ được điều chỉnh sao cho phù hợp với thực tế. Sau khi mô hình được điều chỉnh ổn định sẽ tiến hành thực nghiệm chính thức, phân tích các chỉ tiêu đồng thời thu thập và xử lý số liệu. Tiếp đến nhận xét, đánh giá các kết quả thực nghiệm. Cuối cùng là viết và trình bày báo cáo.
HVTH: NGUYỄN THỊ NGỌC DUY Trang 2 LUẬN VĂN THẠC SĨ Tháng 7/2015 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2. XỬ LÝ NƯỚC BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA LÝ TRUYỀN THỐNG 2. Oxi hóa sơ bộ: Trong nhiều nguồn nước, hàm lượng sắt khoảng 3 mg/l tồn tại ở dạng ion hoá trị III dưới dạng các phức chất vô cơ với silicat, phosphat hoặc các chất hữu cơ với humic, fulvic ở thể keo hoặc huyền phù cùng với các chất rắn lơ lửng khác có sẵn trong nước. Phương pháp áp dụng khi sắt trong nước phần lớn ở dạng phức hợp hữu cơ.
Có thể sử dụng các hợp chất chlorine hoặc ozon để phân huỷ các hợp chất hữu cơ này, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình keo tụ tiếp theo. Phương pháp keo tụ: Tạp chất trong nước thiên nhiên 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 milimet đến vài milimet. Bằng các phương pháp xử lý như lắng, lọc chỉ có thể loại bỏ các hạt có kích thước lơn hơn 10-3 mm.
Đối với các hạt có kích thước nhỏ hơn đòi hỏi tốn rất nhiều thời gian và rất khó để đạt được hiệu quả xử lý cao. Do đó phương pháp keo tụ rất được phổ biến hiện nay. Keo tụ là 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 cặn có kích thước lớn hơn và có thể tách chúng ra khỏi nước dễ dàng bằng các biện pháp lắng, lọc. Kích thước hạt trong nước và khả năng tách [8] HVTH: NGUYỄN THỊ NGỌC DUY Trang 3 LUẬN VĂN THẠC SĨ Tháng 7/2015 Có 3 phương pháp keo tụ: Cho dung dịch keo mang điện tích ngược dấu vào nhằm trung hoà điện tích với dung dịch keo có sẵn trong nước, làm cho thế điện động zeta của cả hai loại dung dịch keo đều giảm nhỏ.
Cho vào trong nước các ion hoá trị cao có điện tích ngược dấu với điện tích hạt keo để giảm thấp thế điện động zeta của dung dịch keo này vì các ion phản hoá trị cao dễ đi từ lớp khuếch tán vào lớp hấp thụ. Tăng nồng độ các loại muối trong nước làm nén nhỏ các lớp hấp phụ và khuếch tán của hạt keo. Kết quả là rất nhiều ion trên bề mặt hạt keo sẽ sát lại gần nhau, đưa đến thế điện động của thế zeta của dung dịch keo giảm nhỏ. Sự lựa chọn hóa chất keo tụ phụ thuộc vào bản chất của chất rắn lơ lửng trong nước, các điều kiện nước thô, thiết kế cơ sở và chi phí hóa chất để tạo ra kết quả mong muốn.
Các chất keo tụ thông thường bao gồm: 2. Chất keo tụ vô cơ: Chất keo tụ vô cơ có 3 loại chính: dẫn xuất nhôm, dẫn xuất sắt và vôi Ngoài natri aluminat, tất cả các chất keo tụ nhôm và sắt thường là muối axit, do đó khi bổ sung các chất keo tụ này sẽ làm giảm giá trị pH của nước khi xử lý. Tuỳ thuộc pH đầu vào và độ kiềm (với sự hiện diện của HCO3-, CO32– và OH–), chất có tính kiềm như vôi, xút ăn da…được sử dụng để trung hoà pH. Dẫn xuất nhôm: Chất keo tụ nhôm thông thường bao gồm nhôm sulfat (phèn), natri aluminat, và polyaluminum clorua.
Phèn ở dạng khô có sẵn trong nhiều lớp, với hàm lượng nhôm tối thiểu là 17% (tính theo % Al2O3). Dung dịch phèn lỏng khoảng 49%, tương đương 8.3% trọng lượng nhôm Al2O3. Phèn hoạt động tốt ở phạm vi pH 5.0, tuy nhiên hiệu quả xử lý thực tế phụ thuộc vào ion cạnh tranh và nồng độ chất tạo phức Nhôm sulfat khi cho vào nước sẽ tác dụng tương hỗ với bicacbonat chứa trong nước và tạo thành nhôm hydroxit ở dạng gel HVTH: NGUYỄN THỊ NGỌC DUY Trang 4 LUẬN VĂN THẠC SĨ Tháng 7/2015 Al2 (SO4 )3 3Ca(HCO3 )2 2Al(OH)3 3CaSO4 6CO2 Nếu độ kiềm của nước không đủ ta phải tăng lên bằng cách cho thêm hóa chất kiềm như vôi, bicacbonat, xút…khi đó phương trình điển hình như sau: Al2 (SO4 )3 3Ca(OH)2 2Al(OH)3 3CaSO4 Bông hydroxit tạo thành sẽ hấp thụ và dính kết các chất huyền phù, các chất ở dạng keo trong nước chuyển sang trạng thái tập hợp không ổn định. Với các điều kiện thuỷ động học thích hợp, những bông đó sẽ lắng xuống đáy bể lắng ở dạng cặn.
Quá trình keo tụ [9] Natri aluminat thay thế cho phèn và có sẵn ở dạng khô hoặc lỏng. Natri aluminat cung cấp một lượng kiềm lớn để nhôm tan trong nước, điều này hữu ích khi thêm ion sulfat không mong muốn. Đôi khi nó được sử dụng kết hợp với phèn chua để kiểm soát pH. 2Na 2 Al2O4 Ca(HCO3 )2 8Al(OH)3 3Na 2CO3 6H 2O Polyaluminum clorua (PAC) đã được phát triển và sử dụng rộng rãi trong xử lý nước cấp và nước thải từ những năm 1980 [10].
PAC là dung dịch nhôm clorua được thuỷ phân một phần với chuỗi phân tử dài và điện tích cao (ảnh hưởng mạnh đến điện tích của hạt keo), do đó nó có hiệu quả keo tụ mạnh hơn hẳn các muối nhôm cùng loại. Tuy nhiên do có sự hiện diện của chloride nên khi sử dụng nhiều PAC sẽ gây ra hiện tượng ăn mòn, vì vậy nó không được sử dụng rộng rãi. Dẫn xuất sắt: Chất keo tụ sắt bao gồm sắt (III) sulfat Fe2(SO4)3, sắt (III) clorua FeCl3 và sắt (II) sulfat (Copperas) FeSO4. So với các dẫn xuất nhôm, chất keo tụ sắt được sử HVTH: NGUYỄN THỊ NGỌC DUY Trang 5 LUẬN VĂN THẠC SĨ Tháng 7/2015 dụng hiệu quả trên phạm vi pH rộng hơn từ 5.Tuy nhiên, khi sử dụng hợp chất sắt (II), dung dịch được clo hoá trước khi cho vào thiết bị keo tụ.
Phản ứng này tạo ra cả sắt (III) clorua FeCl3 và sắt (III) sulfat Fe2(SO4)3, sắt (II) sulfat FeSO4 sử dụng như các chất keo tụ sắt khác. So với chất keo tụ sắt (III), sắt (II) sulfat FeSO4 làm việc tốt trong các thiết bị, nên sắt (II) sulfat FeSO4 clo hoá được ưa thích. Bông cặn sắt (III) hydroxide nặng hơn nhôm hydroxide vì vậy sẽ lắng nhanh hơn.
