Đang tải... (xem toàn văn)
Nước thải cutting hay dầu thải cắt gọt kim loại có chứa các kim loại nặng, dầu và chất hoạt động bề mặt, lượng cod và bod vượt qua ngưỡng cho phép. Có rất nhiều phương pháp xử lý khác nhau, trong đó phương pháp điện phân( đốt điện) cho hiệu quả cao, an toàn.
LỜI MỞ ĐẦU Khi đất nước phát triển, ngành công nghiệp lên, song song với điều tình trạng ô nhiễm môi trường nước, đất, không khí,… ngày gia tăng đến mức báo động Nhưng công nghiệp nước ta phát triển nên chưa có quy hoạch tổng thể thiếu kinh nghiệm việc xử lý chất thải Một phần, nghĩ đến chi phí lợi nhuận nên sở xí nghiệp, nhà máy thải thẳng môi trường Một ngành gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường phải nói đến ngành khí, cắt gọt kim loại Trong nước thải ngành này, gồm có lượng kiml loại, dầu, chất hoạt động bề mặt, hàm lượng COD cao gấp hàng nghìn lần vượt xa ngưỡng cho phép Có nhiều phương pháp xử lý nước thải này, chưa đạt yêu cầu thải môi trường Trong tiểu luận tìm hiểu thêm trình xử lý nước thải cắt gọt kim loại phương pháp Điện phân để bổ sung thêm vào phương pháp xửa lý để có thêm nhiều lựa chọn quy trình xử lý CHƯƠNG I – TỔNG QUAN 1.1 Dầu cắt gọt kim loại 1.1.1 Định nghĩa Dầu cắt gọt kim loại (tên tiếng Anh: Metalworking fluid hay Cutting fluid) loại chất lỏng sử dung gia công kim loại, nhằm làm mát bôi trơn vị trí kim loại gia công Đồng thời có tác dụng làm mảnh vụn kim loại xuất trình gia công khỏi bề mặt chi tiết Những năm gần đây, việc dùng dầu cắt mà thành phần chủ yếu nước trở nên nhiều, nên người ta gọi dầu cắt dung dịch cắt 1.1.2 Phân loại Dầu cắt gọt gồm hai loại chính: - Dầu không pha: dầu sử dụng không cần pha thêm dung môi Chúng thường sử dụng giai đoạn gia công phát sinh nhiệt cần bôi trơn tốt - Dầu pha: loại dầu sử dụng cần pha thêm dung môi (nước) để tạo thành dạng nhũ tương Loại thường sử dụng giai đoạn gia công phát sinh nhiệt lớn cần mức độ bôi trơn thấp Tùy theo yêu công công việc mà tỷ lệ dầu: nước thay đổi 1.2 Tổng quan điên phân 1.2.1 Điện phân 1.2.1.1 Định nghĩa Điện phân trình thực phản ứng oxy hóa khử theo hướng ngược lại với hướng tự diễn biến nhiệt động học, lượng điện Trong trình điện phân, lượng electron nhường từ anot lượng electron nhận catot Bình điện phân gồm điện cực anod, catod, dung dịch điện phân Các giai đoạn phản ứng điện hóa: có giai đoạn - Cấu tử di chuyển từ lòng dung dịch đến điện cực, với vận tộc di chuyển V dch - Quá trình phóng điện (trao đổi e), với vận tốc Vpđ - Quá trình tạo sản phẩm (rắn, loãng, khí), với vận tốc Vsp Hai giai đoạn đầu thường khống chế trình Phản ứng điện cực: Anod (+) : kh1 – n1e → ox1 , φcbA Catod (-) : ox2 + n2e → kh2 , φcbC φcbA, φcbC: điện cân anod, catod (V) Thế cân điện cưc: RT [ox]a φox/kh = φoox/kh + ( nF )ln( [kh]b )[H+]m Ở T = 298 oK : φox/kh = φoox/kh + ( [ox]a 0.059 ) lg( [kh]b )[H+]m n φoox/kh : oxh-khử tiêu chuẩn (V) Từ phương trình có nhận xét sau: - Thế hệ phụ thuộc vào giá trị thê oxh-khử tiêu chuẩn Eoox/kh, nồng độ chất oxh [ox], nồng độ chất khử, nồng độ ion H+ nhiệt độ - E tăng lên với tăng nhiệt độ, hệ số δ = RT/F tăng lên nhiệt độ tăng - Trong trường hợp ion hidro tham gia vào phản ứng, E tăng lên với tăng hoạt độ ion hidro - Nếu thêm ion hydro vào hệ oxh-khử không kèm theo tạo phức chất oxi hóa với phối tử đưa vào với ion hidro, thực hệ tăng lên với tăng nồng độ axit Do đó, cách thay đổi pH dung dịch, ta đưa chiều trình oxh-khử chiều cần thiết 1.2.1.2 Định luật Faraday Lượng chất hình hành anot catot tỉ lệ với điện lượng dùng để điện phân m= Trong đó: I: cường độ dòng điện (A) m: lượng chất hình thành (gam) M: khối lượng phân tử (gam) n: hệ số tỉ lượng trao đổi electron phương trình oxy hóa khử điện cực F: Faraday: điện tích mol electon = 96500 C (culong) 1.2.1.3 Điện áp điện phân Nếu gọi điện áp điện phân U hiệu điện áp vào hai cực để phản ứng xãy bình điện phân, U phụ thuộc vào yếu tố nhiệt động, động học tính chất dẫn điện hệ điện phân Xét bình điện phân: Hình 1: Sơ đồ bình điện phân (a), đường cong phân cực (b) Ở anot: có cặp Redox thực phản ứng: Red1 → Ox1 + ne Ở catot: có cặp Redox thực phản ứng: Ox2 + ne → Red2 - Nếu áp vào anot điện áp φ (Hình b) cao điện cân cặp Redox 1, φ1cb (φ1 = φ1cb + η1, η1 anot) phản ứng điện cực anot xảy với tốc độ tương ứng với mật độ dòng i1 - Ở catot, ứng với điện áp φ nhỏ (âm hơn) φ2cb cặp Redox2, (φ2 = φ2cb + η2, η2 canot), phản ứng xảy với mật độ dòng catot i2 Trong trường hợp này, anot catot phản ứng chậm, cần phải có tối thiểu ηm1, ηm2 điện phân bắt đầu xảy ứng với điện áp Umin Umin = (φ1cb – φ2cb) + (ηm1- ηm2) Ngoài ra, có sụt điện trở r bình điện phân: r.I (I cường độ dòng điện) Tóm lại, điện áp cân bằng: U = (φ1cb – φ2cb) + (ηm1- ηm2) + r.I U = φ1 – φ2 + r.I Trong đó: φ1= φ1cb + ηm1 φ2= φ2cb + ηm2 Tóm lại: Điện áp điện phân phụ thuộc vào: - Cường độ dòng điện - Nhiệt độ, chất nồng độ cấu tử dung dịch điện phân - Cấu tạo bình điện phân: khoảng cách điện cực, kích thước điện cực, điều kiện thoát khí, dạng hình học… 1.2.1.4 Quá Sự khác biệt điện φ áp vào điện cực điện cân điện cực φ cb gọi ký hiệu η Như điện cực dương , φ>φ cb điện cực anot (phản ứng oxy hóa) η > tạo dòng anot Khi âm , φ> ηe(lỏng)>> ηe(rắn) - ηC : phân cực nồng độ lòng dung dịch bề mặt điện cực Phương pháp làm giảm phân cực nồng độ khuấy trộn dung dịch ηR : điện trở bình điện phân điện trở mạng dây dẫn η phụ thuộc vào : chất điện cực, mật độ dòng, thành phần dung dịch điện phân, dạng sản phẩm sinh bề mặt điện cực (rắn, lỏng, khí), yếu tố khác 1.2.1.5 Mật độ điện Trong điện hóa, người ta thường sử dụng đại lượng mật độ dòng điện: Trong đó: i: mật độ dòng điện (A/m2); I: cường độ dòng điện (I) S: diện tích bề mặt điện cực (m2) i đại lượng đặc trưng cho tốc độ phản ứng điện hóa Do đó, nghiên cứu động học phản ứng điện hóa, người ta thường xác định đường cong biểu diễn quan hệ φ= f(i), gọi đường cong phân cực hay đường cong dòng - - Khi điện phân màng ngăn, tốc độ phản ứng điện phân phụ thuộc vào: + Trở lực dung dịch điện phân – điều kiện khuếch tán ion + Thế áp đặt – khác biệt điện điện cực CHƯƠNG II– XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHẤT LỎNG CẮT GỌT KIM LOẠI 2.1 Giới thiệu nước thải chất lỏng cắt gọt kim loại Chất lỏng cắt gọt kim loại sử dụng rộng rãi ngành công nghiệp kim loại, chẳng hạn như: nhà máy cán, tiện rèn kim loại; xưởng khí, chất lỏng cung cấp kết hợp làm mát bôi trơn theo yêu cầu hoạt động gia công kim loại khác Chất lỏng cắt gọt kim loại sử dụng để trôi phoi, mùn bào mỏng tinh luyện hoạt động sản xuất gia công cắt gọt kim loại Chất lỏng cắt gọt kim loại thường chứa dầu khoáng, hỗn hợp chất hoạt động bề mặt, số trường hợp sử dụng nước chất phụ gia, có để đáp ứng thông số kỹ thuật thương mại chống vi khuẩn phát triển khả chống ăn mòn xuống mức thấp Hàm lượng nước thay đổi tùy thuộc vào nơi sản xuất, dầu nhóm thường chứa từ đến 60% nước Nhiều loại nước bị ô nhiễm dầu nhũ tương qua sử dụng ("nước trắng") có chứa tới 15% dầu khoáng kết hợp loại dầu khoáng vật, thực vật động vật Vấn đề với chất lỏng cắt gọt kim loại trở nên bị ô nhiễm trình sử dụng, tính chất, công dụng không hiệu quả, thay chất mới, lượng chất thải chất lỏng cắt gọt kim loại có COD, TOC độ đục cao Lượng chất thải chất lỏng cắt gọt kim loại tạo từ hoạt động gia công kim loại tăng lên hàng năm, tạo thành mối nguy hiểm nghiêm trọng cho môi trường lượng chất hoạt động bề mặt lượng chất hữu gây ô nhiễm cao Những chất lỏng cần nghiên cứu trước xử lý đạt tiêu chuẩn xả cống thoát nước vùng đó, phải tuân theo điều luật, tiêu chuẩn địa phương đất nước đó, có phương pháp xử lý khác sử dụng để xử lý nước thải cắt gọt kim loại, vi lọc, siêu lọc, hấp phụ, dùng hóa chất để đông tụ phương pháp sinh học (quá trình hiếu khí kỵ khí) Gần đây, có quan tâm đáng kể việc xác định công nghệ có khả đáp ứng tiêu chuẩn xử lý nghiêm ngặt Với mục đích này, đốt điện có vai trò bật xử lý nước thải cắt gọt kim loại cung cấp số lợi đáng kể trang thiết bị nhỏ gọn, hoạt động dễ dàng tự động hóa, hóa chất, thời gian lưu ngắn hơn, vận tốc lắng cao, dễ dàng tách nước giảm lượng bùn hàm lượng nước thấp Nó ngăn chặn việc phát sinh sản phẩm phụ không mong muốn 2.2 Mô tả trình điện phân Điện phân trình với phản ứng (hoặc hòa tan) anode (điện cực sắt điện cực nhôm) Các hoạt động dòng điện hai điện cực cho phép hình thành ion kim loại (Al3+ Fe3+ ) trình oxy hóa anode Các phản ứng điện cực Al Fe là: Phản ứng anode: Al(s) → Al(aq)3+ + 3e- (1) Phản ứng cathode: 3H2O + 3e- → (3/2) H2 ↑ + 3OH- (2) Al3+ OH- ion tạo phản ứng điện cực (1) (2) phản ứng để tạo thành monome khác Al(OH) 2+, Al(OH)2+, Al(OH)24+, Al(OH )4- polyme Al6(OH)153+, Al7(OH)174+, Al8(OH)204+, Al13O4(OH)247+ Al13(OH)345+, chuyển đổi hình thức cuối vào Al(OH)3 theo động học kết tủa phức tạp Một vài chế tương tác xảy phân tử hữu sản phẩm thủy phân, tỷ lệ phụ thuộc vào độ pH môi trường loại ion Hai chế tương tác lớn xem xét năm gần đây: lượng kết tủa (pH 4,0-5,0 đói với monome Al pH 5,0-6,0 polyme Al) hấp phụ, phương án đề xuất cho phạm vi pH riêng biệt Keo tụ khoảng pH thấp giải thích kết tủa, khoảng pH cao (> 6.5) giải thích hấp phụ Tại giá trị pH cao 9.0, Al(OH)4- dùng phương pháp Al(OH) hình thành dạng vô định hình, có diện tích bề mặt lớn, có lợi cho hấp việc thụ nhanh chóng hợp chất hữu hòa tan thu hồi hạt keo Những flocs polymerize Al n(OH)3n loại bỏ cách dễ dàng từ môi trường nước cặn lắng xuống H2 lên Các phản ứng sau xảy điện phân sử dụng điện cực Fe giá trị pH khác nhau: Phản ứng anode: Fe(s) → Fe(aq)2+ + 2e- (3) Fe(s) → Fe(aq)3+ + 3e- (4) Phản ứng cathode: 3H2O + 3e- → (3/2)H2 ↑ + 3OH- (5) Tương tự vậy, ion sắt tạo trình oxy hóa điện hóa điện cực sắt hình thành loài monome (Fe(OH)2+, Fe (OH)2+, Fe(OH)63+, Fe(H2O)5OH2+, Fe(H2O)4OH2+, Fe(OH)3 Fe(OH)4-), polymer (Fe2(H2O)8OH24+, Fe2(H2O)6OH42+), tùy thuộc vào độ pH môi trường nước trình điện phân Các phức chất polymer (sản phẩm thủy phân) có xu hướng hình thành điện tích âm pH 3,5-7,0 Trong điều kiện có tính axit (pH [...]...2.3.1 Các nước thải chất lỏng cắt kim loại Nước thải chất lỏng cắt gọt kim loại thu được từ một công ty sản xuất kim loại nặng sản xuất các linh kiện, động cơ ô tô Mỗi tháng thải ra khoảng hai mét khối nước thải chất lỏng cắt gọt kim loại Các đặc tính của nước thải cắt gọt kim loại được sử dụng trong nghiên cứu này được đưa ra trong Bảng 1 Bảng 1: Đặc tính của nước thải cắt gọt kim loại 2.3.2 Thiết... 13 Điện phân là kỹ thuật được áp dụng để xử lý các nước thải dầu cắt gọt kim loại, nước thải này đặc trưng bởi nồng độ COD và TOC cao, thải ra từ các cơ sở sản xuất kim loại bao gồm: động cơ ô tô, xe máy; nhà máy hay xưởng cơ khí,… Những ảnh hưởng ban đầu của pH, mật độ và thời gian hoạt động đến hiệu suất điện phân được nghiên cứu bằng cách sử dụng Al và Fe làm điện cực hi sinh Sau khi xử lý bằng phương. .. Độ pH của nước thải đã được điều chỉnh đến các giá trị cần thiết với 0,1M NaOH và 0,1M H2SO4 Mỗi lần chạy, 800cm3 nước thải cắt gọt kim loại được đưa vào các bình phản ứng Mật độ hiện tại được điều chỉnh đến một giá trị mong muốn và quá trình điện phân được bắt đầu Vào cuối của quá trình điện phân, các dung dịch được lọc và mang đi phân tích Cuối cùng, các điện cực được rửa kỹ bằng nước để loại bỏ tất... $/kg loại bỏ TOC) đối với điện cực Fe, và 0,768 $/m3 (0,036 $/kg loại bỏ COD hoặc 0,228 $/kg loại bỏ TOC) đối với điện cực Al Điện cực Fe được xem là hiệu quả hơn so với điện cực Al cả về thông số cũng như hiệu quả xử lý COD và TOC và chi phí vận hành TÀI LIỆU THAM KHẢO 14 1 Giáo trình công nghệ xử lý nước thải – Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội - Ngô Thị Nga, Trần Văn Nhân 2 Nghiên cứu phân. .. phương pháp điện phân, COD của nước thải cắt gọt kim loại được giảm 93% và TOC được giảm 78% cho điện cực Al ở pH =5, mật độ dòng 60A/m 2 và thời gian thực hiên là 25 phút Đối với điện cực Fe, COD giảm 92% và TOC giảm 82% ở pH = 7, mật độ dòng là 60A/m 2 và thời gian thực hiện là 25 phút Trong điều kiện hoạt động tối ưu, chi phí thực hiện cho nghiên cứu này được tính như 0,497 $/m3 (0,023 $/kg loại bỏ... thiết bị dùng để điện phân bao gồm một bình điện phân được thể hiện trong Hình 1 Số 1 là bình phản ứng điện hóa Plexiglas, có kích thước 120mm x 110mm x 110mm Nó được trang bị với một máy ổn nhiệt, để kiểm soát nhiệt độ Tấm đúc nhôm và sắt (45 mm × 53 mm × 3 mm) được chọn làm điện cực anode / cực âm và các điện cực được nằm cách nhau 1cm Bốn điện cực được dùng trong các bình điện phân cho tất cả chạy... nhuộm trong nước bằng phương pháp điện hóa – tạp trí khoa học và công nghệ - Bùi Quang Cư, Đỗ Thế Hưng, Bùi Quang Minh, Nguyễn Văn Thạt 3 Giáo trình hóa lý tập 3: Điện hóa học – Nhà xuất bản ĐHQG TP HCM (2002) 4 Study on the treatment of waste metal cutting fluids using electrocoagulation - M Kobya, C Ciftci, M Bayramoglu, M.T Sensoy 5 H Bataller, S Lamaallam, J Lachaise, A Graciaa, C Dicharry, Cutting. .. bình điện phân cho tất cả chạy thử nghiệm Các điện cực được nhúng trong các bình phản ứng điện hóa đến độ sâu 80 mm, đạt tổng diện tích bề mặt điện cực 143cm 2 Các điện cực được kết nối với một ngồn cung cấp điện (120V, 18A) và hoạt động ở chế độ Galvanostatic 11 Hình 1: Sơ đồ thí nghiêm 1.Bình phản ứng điện hóa; 2.Nguồn điện 3 Máy ổn nhiệt 4 Máy khuấy từ 5 .Điện cực hi sinh 6 Thanh khuấy từ 2.3.3 Tiến... Nghiên cứu Nồng độ COD được đo bằng máy quang phổ, và tiến hành phân tích bởi các quy trình được mô tả trong phương pháp chuẩn Mức TOC được xác định thông qua đốt các mẫu ở 680◦C sử dụng một nguồn IR không tan (Tekmar DOHRMANN Apollo 9000) Độ đục của các mẫu được phân tích bằng một máy đo độ đục Hanna LP2000 Giá trị pH được đo bằng máy đo pH kiểu AZ 8601 và tính dẫn điện được xác định bởi máy đo độ... metal cutting fluids using electrocoagulation - M Kobya, C Ciftci, M Bayramoglu, M.T Sensoy 5 H Bataller, S Lamaallam, J Lachaise, A Graciaa, C Dicharry, Cutting fluid emulsions produced by dilution of a cutting fluid concentrate containing a cationic/nonionic surfactant mixture, J Mater Process Technol 152 (2004) 215–220 15 ... xử lý nước thải vấn đề quản lý nước khác có liên quan Quá trình điện phân áp dụng để xử lý nước thải dệt nhuộm, nước thải nhà hàng, nước thải chất bán dẫn, nước thải nhà máy chưng cất rượu, nước. .. dành cho việc xử lý chất lỏng cắt gọt kim loại tổng hợp trình điện phân Trong nghiên cứu này, hiệu suất xử lý chi phí vận hành việc xử lý COD TOC nước thải cắt gọt kim loại trình điện phân nghiên... cứu trước xử lý đạt tiêu chuẩn xả cống thoát nước vùng đó, phải tuân theo điều luật, tiêu chuẩn địa phương đất nước đó, có phương pháp xử lý khác sử dụng để xử lý nước thải cắt gọt kim loại, vi