Đang tải... (xem toàn văn)
xây dựng mô hình khí mn và fe trong nước ngầm dùng tấm cascade sử dụng trong hộ gia đình
Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: TS. Nguyễn Văn Sức Nước là nhu cầu tất yếu của mọi sinh vật. Không có nước cuộc sống trên trái đất không thể tồn tại được. Hàng ngày trung bình mọi người cần từ 3-10 lít đáp ứng cho nhu cầu ăn uống và sinh hoạt hằng ngày. Lượng nước này phần lớn được lấy từ nguồn nước ngầm với hàm lượng sắt và mangan tương đối cao. Kết quả làm cho sức khoẻ của người dân suy giảm nghiêm trọng và hư hại thiết bị sinh hoạt và làm thức ăn mất ngon. Một vấn đề nữa chúng ta muốn nói đến đó là nước ta phần lớn dân số sống ở vùng nông thôn, nơi mà nước cấp được xử lý chưa đến với họ đặt biệt là người dân sống ở miền núi. Cùng với sự phát triển của công nghiệp, khoa học và công nghệ đã đưa yêu cầu chất lượng cuộc sống của con người lên cao hơn và yêu cầu sử dụng nước cũng vậy. Nói thì vậy nhưng nước ta số người dân sử dụng nước sinh hoạt được xử lý trong hộ gia dình rất ít và gần như chưa có đây là vấn đề quan trọng cần được quan tâm. Nhằm nâng cao chất lượng nước sinh hoạt cho người dân ở nông thôn và không quá tốn kém về kinh tế, đây là lý do chúng làm đề tài “xây dựng mô hình khí Mn và Fe trong nước ngầm dùng tấm cascade sử dụng trong hộ gia đình”. 1 Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: TS. Nguyễn Văn Sức Trang PHẦN 1 : ĐẶT VẤN ĐỀ 4 Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ NƯỚC NGẦM 5 1. Nguồn nước ngầm 5 2. Thành phần nước ngầm 5 3. Ảnh hưởng của nước ngầm đến sức khỏe 6 Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỬ SẮT TRONG NƯỚC NGẦM 7 1. Các phương pháp khử sắt trong nước ngầm 7 1.1. Phương pháp oxy hóa sắt 8 1.2. Phương pháp khử sắt bằng quá trình oxy hóa 8 1.3. Khử sắt bằng hóa chất 9 2. Một số thiết bị khử sắt 11 2.1. Làm thoáng đơn giản trên bề mặt bể lọc 11 2.2. Tháp làm thoáng tự nhiên 11 2.3. Tháp làm thoáng cưỡng bức 11 3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử sắt 13 PHẦN 2 : GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 14 Chương 1 : MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 15 Chương 2 : PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 16 1. Phương pháp xác định kim loại bằng máy quang phổ UV-VIS 16 2. Các phương pháp xác định lượng bằng phương pháp trắc quang 18 3. Hóa chất và thiết bị 19 3.1. Thiết bị 19 2 Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: TS. Nguyễn Văn Sức 3.2. Hóa chất 20 4. Xây dựng đường chuẩn 21 5. Tiến hành nghiên cứu hiệu quả xử lý 23 PHẦN 3 : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 32 1. Kết luận 33 2. Kiến nghị 33 Tài liệu tham khảo 34 3 Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: TS. Nguyễn Văn Sức ĐẶT VẤN ĐỀ 4 1 Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: TS. Nguyễn Văn Sức Chương 1: !" Nước ngầm tạo thành bởi nước mưa trên mặt đất, thấm qua các lớp đất, được lọc sạch và giữ lại trong các lớp đất chứa nước. Lớp đất giữ nước thường là cát ,sỏi, cuội hoặc lẫn lộn các thứ trên với các cỡ hạt và thành phần khác nhau.Lớp đất cản nước thường là đất sét, đất thịt…Ngoài ra nước ngầm có thể còn do nước thấm từ đáy, thành sông hoặc hồ tạo ra. • Nước ngầm không áp: thường là nước ngầm mạch nông ở độ sâu từ 3 đến 10 met. Loại này thường bị nhiễm bẩn nhiều, trữ lượng ít và chịu ảnh hưởng trực tiếp của thời tiết. • Nước ngầm có áp: thường là nước ngầm mạch sâu trên 20m chất lượng nước tốt hơn, trữ lượng nước tương đối phong phú. Đôi khi nước ngầm còn gọi là nước mạch từ các sườn núi hoặc thung lũng chảy lộ thiên ra ngoài mặt đất đó là do các kẽ nứt thông với các lớp đất chứa nước gây ra. Nước ngầm có ưu điểm là rất trong sạch hàm lượng cặn nhỏ, ít vi trùng,xử lý đơn giản,vì vậy nước ngầm thường được ưu tiên chọn làm nước sinh hoạt. Ở nước ta nước ngầm tương đối phong phú và được sử dụng hầu hết trong cả nước. #$%$&$! !" Thành phần chất lượng của nước ngầm phụ thuộc vào nguồn gốc của nước ngầm, cấu trúc địa tầng của khu vực và chiều sâu địa tầng nơi khai thác nước. Ở các khu vực được bảo vệ tốt, ít có nguồn thải gây nhiễm bẩn , dựa theo thành phần nước ngầm thì nước ngầm cũng có 2 loại khác nhau. 5 Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: TS. Nguyễn Văn Sức Thông thường nước có oxy có chất lượng tốt. Trong nước có oxy sẽ không có các chất khử như H 2 S ,CH 4 , NH 4 Tóm lại trong nước ngầm có chứa các anion và các cation chủ yếu là Na + , Ca 2+ , Mg 2+ , Fe 2+ , NH 4+ và các anion chủ yếu là HCO 3 - , SO 4 2- , Cl - , cần chú ý là tổng đương lượng các anion bằng tổng đương lượng các cation. Nồng độ các tạp chất chứa trong nước ngầm phụ thuộc vào vị trí địa lý của nguồn nước, thành phần các tầng đất đá trong khu vực, độ hòa tan của các tạp chất trong nước, sự có mặt của các chất dễ bị ph6n hủy bằng sinh hóa trong đất đá. Nước ngầm cũng có thể bị nhiễm bẩn do các hoạt động của con người, như phân bón, chất thải hóa học, nước thải sinh hoạt và công nghiệp, hóa chất bảo vệ thực vật… Các nguồn nước thường chứa hàm lượng lớn chất bẩn hữu cơ NH 4+ , PO 4 3- cũng như các loài vi sinh vật gây bệnh. Xử lý nước ngầm nhiễm bẩn là công việc khá khó khăn để đạt các chỉ tiêu chất lượng nước sạch. '($$) *+ !",-./ 0$12 Nước có hàm lượng sắt cao, làm cho nước có 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. Khi dùng nước uống nhiễm phèn lâu ngày, chất sắt trong phèn có thể tích tụ lại ở gan, gây xơ gan và ung thư gan. Sắt thừa cũng có thể dẫn đến các bệnh về tim, khớp và thần kinh Bệnh nhân nhiễm sắt thường có sắc mặt sạm đen hơn nhiều so với trước Ở nước ta, do có nhiều nguồn nước uống nhiễm phèn, nguy cơ ung thư và xơ gan do ngộ độc sắt là khá lớn. 6 Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: TS. Nguyễn Văn Sức Chương 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỬ SẮT TRONG NƯỚC NGẦM 3 &$4&$3&0$5.67789 !" 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(HCO3)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 có mùi tanh và có màu vàng, gây ảnh hưởng không tốt đến chất l ượng 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 Các hợp chất vô cơ của ion sắt hoá trị II: - FeS, 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 v à 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)3 xảy ra hoàn toàn trong các bể lắng, bể lọc tiếp xúc v à các bể lọc Các phức chất vô cơ của ion sắt với silicat, photphat FeSiO(OH) 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 ph ương 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 các chất oxy hoá như: Cl-, KMnO4, Ozone, đã phá vỡ liên kết và oxy hoá ion sắt thành ion hoá trị III hoặc cho vào nước các chất keo tụ FeCl 3 , Al(SO4)3 và kiềm hoá để có giá 7 Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: TS. Nguyễn Văn Sức 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. $4&$3&9:;$93.67 Nguyên lý của phương pháp này là oxy hoá (II) thành s ắt (III) và tách chúng ra khỏi nước dưới dạng hyđroxyt sắt (III). Trong nước ngầm, sắt (II) bicacbonat là một muối không bền, nó dễ d àng thuỷ phân thành sắt (II) hyđroxyt theo phản ứng: Fe(HCO)3)2 + 2H2O → Fe(OH)2 + 2H2CO3 Nếu trong nước có oxy hoà tan, sắt (II) hyđroxyt sẽ bị oxy hoá th ành sắt (III) hyđroxyt theo phản ứng: 4Fe(OH) 2 + 2H 2 O + O2 4Fe(OH) 3 ↓ Sắt (III) hyđroxyt trong n ước kết tủa thành bông cặn màu vàng và có thể tách ra khỏi nước một cách dễ dàng nhờ quá trình lắng lọc. Kết hợp các phản ứng tr ên ta có phản ứng chung của quá trình oxy hoá sắt như sau: 4Fe 2+ + 8HCO 3 + O 2 + H 2 O → 4Fe(OH) 3 + 8H + + 8HCO 3 Nước ngầm thường không chứa ôxy hoà tan hoặc có hàm lượng ôxy hoà tan rất thấp. Để tăng nồng độ ôxy hoà tan trong nước ngầm, biện pháp đ ơn giản nhất là làm thoáng. Hiệu quả của bước làm thoáng được xác định theo nhu cầu ôxy cho quá trình khử sắt. #$4&$3&0$5.67<=>378?$@:;$93 ! Nước cần khử sắt được làm thoáng bằng dàn phun mưa ngay trên bề mặt lọc. Chiều cao giàn phun thường lấy cao khoảng 0,7m, lỗ phun có đường kính từ 5- 7mm, lưu lượng tưới vào khoảng 10 m 3 /m 2 .h. Lượng ôxy hoà tan trong nước sau khi làm thoáng ở nhiệt độ 25 0 C lấy bằng 40% lượng ôxy hoà tan bão hoà (ở 25 0 C lượng ôxy bão hoà bằng 8,1 mg/l). "#$ 8 Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: TS. Nguyễn Văn Sức Nước cần làm thoáng được tưới lên giàn làm thoáng một bặc hay nhiều bậc với các sàn rải xỉ hoặc tre gỗ. Lưu lượng tưới và chiều cao tháp cũng lấy nh ư trường hợp trên. Lượng ôxy hoà tan sau làm thoáng bằng 55% lượng ôxy hoà tan bão hoà. Hàm l ượng CO 2 sau làm thoáng giảm 50%. %& Cũng có thể dùng tháp làm thoáng cưỡng bức với lưu lượng tưới từ 30 đến 40 m 3 /h. Lượng không khí tiếpxúc lấy từ 4 đến 6 m 3 cho 1m 3 nước. Lượng ôxy hoà tan sau làm thoáng b ằng 70% hàm lượng ôxy hoà tan bão hoà.Hàm lượng CO 2 sau làm thoáng giảm 75%. 'A$5.67<=$93 $B7 Khi trong nước nguồn có hàm lượng tạp chất hữu cơ cao, các chất hữu cơ sẽ tạo ra dạng keo bảo vệ các ion sắt, như vậy muốn khử sắt phải phá vỡ được màng hữu cơ bảo vệ bằng tác dụng của các chất ôxy hoá mạnh. Đối vớinước ngầm, khi làm lượng sắt quá cao đồng thời tồn tại cả H 2 S thì lượng ôxy thu được nhờ làm thoáng không đủ để ôxy hoá hết H 2 S và sắt, trong trường hợp này cần phải dùng đến hoá chất để khử sắt. '())*+," Khi cho vôi vào nước, độ pH của nước tăng lên. Ở điều kiện giàu ion OH-, các ion Fe2+ thuỷ phân nhanh chóng thành Fe(OH)2 và lắng xuống một phần, thế ôxy hoá khử tiêu chuẩn của hệ Fe(OH)2/Fe(OH)3 giảm xuống, do đó sắt (II) dễ dàng chuyển hoá thành sắt (III). Sắt (III) hyđroxyt kết tụ th ành bông cặn, lắng trong bể lắng và có thể dễ dàng tách ra khỏi nước. Phương pháp này có thể áp dụng cho cả nước mặt và nước ngầm. Nhược điểm của phương pháp này là phải dùng đến các thiết bị pha chế cồng kềnh, quản lý phức tạp, cho nên thường kết hợp khử sắt với quá trình xử lý khác như xử lý ổn định nước bằng kiềm, làm mềm nước bằng vôi kết hợp với sôđa. 9 Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: TS. Nguyễn Văn Sức '())*+," Quá trình khử sắt bằng clo được thực hiện nhờ phản ứng sau: 2Fe(HCO 3 ) 2 + Cl 2 + Ca(HCO 3 ) 2 + 6H 2 O → 2Fe(OH) 3 CaCl 2 + 6H + + 6HCO 3 '())*+,"/0123/45 6 7 Khi dùng KMnO 4 để khử sắt, qua trình xảy ra rất nhanh vì cặn mangan (IV) hyđroxyt vừa được tạo thành sẽ là nhân tố xúc tác cho quá trình khử. Phản ứng xảy ra theo phương trình sau: 5Fe 2+ + MnO 4 + 8H + → 5Fe 3+ + Mn 2+ + 4H 2 O '())*+,"!8)-9( ( Các vật liệu đặc biệt có khả năng xúc tác, đẩy nhanh quá trình ôxy hoá khử Fe 2+ thành Fe 3+ và giữ lại trong tầng lọc. Quá trình diễn ra rẩt nhanh chóng v à có hiệu quả cao. Cát đen là một trong những chất có đặc tính như thế. '())*+,")))2: 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 Fe 3+ sẽ làm giảm khả năng trao đổi của các ionic. Chỉ có hiệu quả khi khử nước ngầm có hàm lượng sắt thấp. '())*+,")))-+ Một số loại vi sinh có khả năng ôxy hoá sắt trong điều kiện mà quá trình ôxy hoá hoá học xảy ra rất khó khăn. Chúng ta cấy các mầm khuẩn sắt trong lớp cáy lọc của bể lọc, thông qua hoạt động của các vi khuẩn sắt được loại ra khỏi nước. Thường sử dụng thiết bị bể lọc chậm để khử sắt. 10 [...]... cho 1g FeSO4.7H2O trong cốc cho 200ml nước và khuấy cho tan hoàn toàn sau đó ta cho vào bồn chứa 20l , cho nước vào đến vạch 10l, sau do khuấy đều và ta tiến hành thí nghiệm xả nước chảy từ từ qua tấm cascade và ở bên dưới ta dùng thau hứng nước vừa chay qua, và ta dùng cốc lấy một ít nước để tiến hành đo độ hấp thụ ở bước sống 510nm Tiến hành đo mẫu sau khi xử lý như sau: - Lấy 5ml nước cuối ( nước. .. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 32 Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: TS Nguyễn Văn Sức 1 KẾT LUẬN Sau quá trình nghiên cứu nhóm chúng tôi đưa ra mô hình cụ thể trong quá trình làm thoáng khử sắt và mangan trong nước ngầm dùng tấm cascade Kết quả xử lý đạt 25% Mô hình này chưa dạt hiệu quả cao trong xử lý sắt Trong quá trình nghiên cứu nhóm chỉ tiến hành thí nghiệm trong thời gian đo ngắn, lượng sắt trong mẫu... bằng nước và khí kết hợp, lưu lượng nước rửa 12 Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: TS Nguyễn Văn Sức thực tế thường dùng từ 10 đến 12 l/m2.s Nếu sử dụng bể lọc hai lớp gốm antraxit và cát thạch anh thì hiệu quả xử lý sẽ cao hơn 3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử sắt Tốc độ phản ứng của quá trình oxy hoá và thuỷ phân Fe2 + thành Fe3 + tuỳ thuộc vào lượng oxy hoà tan trong nước và nhiệt độ trong nước, ... tương tự như tấm cascade 3 bậc 30o ở bên trên Bảng 6 : hàm lượng sắt của tấm cascade 5 bậc nghiên 300 Bậc cascade 6,6 DO cuối 7.1 Bước sóng 0.504 Sắt có trong Hiệu quả xử mẫu, X 5 DO đầu lý (%) 0,0809 19,1 Tấm cascade 7 bậc độ nghiên 300 Bảng 7 : hàm lượng sắt của tấm cascade 7 bậc nghiên 300 Bậc cascade 6,6 DO cuối 7.2 Bước sóng 0.484 Tấm cascade 9 bậc độ nghiên 300 (hình 7) 28 Sắt có trong Hiệu quả... trong nước và nhiệt độ trong nước, pH trong nước Tốc độ phản ứng tăng khi nồng độ oxy hoà tan trong nước tăng lên 13 GVHD: PHẦN Văn Sức TS Nguyễn Báo cáo nghiên cứu khoa học 2 2 PHẦN GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ Chương 1: MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 14 Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: TS Nguyễn Văn Sức Nghiên cứu thiết kế mô hình xử lý sắt và mangan trong nước ngầm dùng trong hộ gia đình 15 Báo cáo nghiên cứu khoa học Chương... bo 4 cạnh của tấm kính trên bởi các tấm kính với chiều cao của hình hợp là 5cm Với tấm một bên của hình hộp chữ nhật ta chừa 10cm không bo nằm ở tâm cạnh đó - Đế của mô hình ta chọn vật liệu thanh nhôm với 2 chân khung để đảm bảo độ vững của mô hình, chân trước cố định với chiều cao 30cm, chân sau có thể di chuyên lên xuống để thay đổi độ cao Làm thay đổi độ nghiên của tấm cascade - Mô hình cơ bản đã... chất và thiết bị : 3.1 Thiết bị : Pipet 2ml : 2 Pipet 5ml : 2 Pipet 10ml : 2 Bình định mức 100ml : 1 Bình định mức 50ml : 6 Cốc 100ml : 3 Cốc 500ml : 2 Máy UV-VIS : 1 Mô hình cascade Sau quá trình nghiên cứu tài liệu và thảm khảo ý kiến thầy hướng dẫn chúng tôi đã đưa ra mô hình cascade được mô tả như sau : - Sử dụng 1 tấm kính dày 5mm, hình chữ nhật chiều dài 1,5m chiều rộng 0,5m - Sau đó tạo hình. .. lấy khoảng 200ml nước ban đầu (ở bình chứa 10l) đem đo DO, dùng máy DO đo độ hòa tan của ôxy trong nước Tương tự như vậy ta cũng lấy khoảng 200ml nước cuối ( nước khi đã xả qua tấm cascade ) và đem đo DO Bảng 2 : xác định hàm lượng sắt của tấm cascade 3 bậc nghiên 300 Độ Bước sóng DO đầu DO cuối 30 0,519 6,6 (%) 0,0834 7,1 Hiệu quả xử lý mg đo Sắt trong mẫu, x 16,6% Hàm lượng sắt trong mẫu tính dựa... 0,0855 14,5 Hình 5 : đồ thị hiệu quả xử lý Nhận xét Từ kết quả trên ta thấy ở góc nghiêng 30o hàm lượng sắt bị ôxy hóa nhiều nhất, đạt hiệu quả nhất Vì vậy ta sẽ chọn cố định độ nghiên tấm cascade là 30o, để tiến hành thí nghiệm, và ta tăng dần các bậc của tấm cascade lên đến 9 bậc Tấm cascade 5 bậc độ nghiên 300 (hình 6) 27 Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: TS Nguyễn Văn Sức Hình 6 : tấm cascade 5 bậc... dòng chảy và tăng tốc độ chảy nhanh nên đã làm giảm khả năng xử lý Tuy nhiên với kết quả này có thể dưa vào thực tế xử lý nước cho các hộ dân nông thôn.Với mô hình kết hợp bể lắng cát và thời gian lưu lâu nên hiệu quả xử lý sẽ tăng lên Với giá thành thấp, dễ sử dụng, phù hợp với vùng nông thôn 2 KIẾN NGHỊ Đề tài cần nghiên cứu với vật liệu có độ nhám cao hơn để tăng khả năng phân tán nước và kết hợp . lượng nước sinh hoạt cho người dân ở nông thôn và không quá tốn kém về kinh tế, đây là lý do chúng làm đề tài xây dựng mô hình khí Mn và Fe trong nước ngầm dùng tấm cascade sử dụng trong hộ gia. trình oxy hoá và thuỷ phân Fe 2+ thành Fe 3+ tuỳ thuộc vào lượng oxy hoà tan trong nước và nhiệt độ trong nước, pH trong nước. Tốc độ phản ứng tăng khi nồng độ oxy hoà tan trong nước tăng lên sống của con người lên cao hơn và yêu cầu sử dụng nước cũng vậy. Nói thì vậy nhưng nước ta số người dân sử dụng nước sinh hoạt được xử lý trong hộ gia dình rất ít và gần như chưa có đây là vấn