LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu kết nêu Luận văn “Nghiên cứu chuyển đổi quy mô từ phòng thí nghiệm lên quy mô công nghiệp cho hệ thống thiết bị xử lý nước thải ứng dụng công nghệ Oxy hóa tiên tiến” trung thực hoàn toàn Đây công trình nghiên cứu riêng tôi, không trùng lặp với công trình khoa học khác, chưa công bố trước đó, trừ phần trích dẫn tham khảo nêu rõ Luận văn Tác giả Nguyễn Thị Yến Hòa LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn trước tiên xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới người thầy đáng kính TS Tạ Hồng Đức giúp đỡ, bảo cung cấp nguồn tài liệu quý báu cho suốt trình nghiên cứu Tiếp nữa, xin bày tỏ lòng nhiệt thành cảm ơn tới thầy cô môn Máy Thiết bị công nghiệp Hóa Chất, tới TS Nguyễn Minh Tân giám đốc trung tâm INAPRO toàn thể cán trung tâm, bạn bè, gia đình đồng nghiệp động viên, giúp đỡ tạo điều kiện tốt để hoàn thành luận văn Hơn tất cả, xin gửi lời cảm ơn cuối tới tập thể tác giả viết nên sách tham khảo giá trị, mà sử dụng làm sở lý thuyết tính toán luận văn Tác giả Nguyễn Thị Yến Hòa MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 10 1.1 TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM 10 1.1.1 Sơ đồ nguyên lý dệt nhuộm thuyết minh công đoạn 11 1.1.2 Các loại thuốc nhuộm thường dùng dệt nhuộm ngày 13 1.1.3 Tính chất nước thải dệt nhuộm 16 1.1.3.1 Các chất ô nhiễm 16 1.1.3.2 Tính chất đặc trưng nước thải dệt nhuộm trước xử lý 17 1.1.3.3 Tiêu chuẩn xả thải nước thải dệt nhuộm theo QCVN 18 1.1.4 Ảnh hưởng nước thải dệt nhuộm tới môi trường 22 1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI CƠ BẢN 23 1.2.1 Phương pháp học 23 1.2.2 Phương pháp Hóa – Lý 24 1.2.3 Phương pháp sinh học 26 1.2.4 Phương pháp hóa học 26 1.2.4.1 Phương pháp khử hóa học 27 1.2.4.2 Phương pháp Oxy hóa tiên tiến 27 1.2.5 So sánh ưu nhược điểm phương pháp 35 CHƯƠNG CỞ SỞ LÍ THUYẾT 36 2.1 ĐỘNG HỌC PHẢN ỨNG ĐỒNG THỂ BẬC MỘT 36 2.1.1 Những khái niệm 36 2.1.2 Phương trình động học phản ứng đồng thể bậc 36 2.2 CÂN BẰNG CHẤT CHO QUÁ TRÌNH KHUẤY LÝ TƯỞNG LIÊN TỤC ĐẲNG NHIỆT 37 2.2.1 Phương trình cân vật chất tổng quát 37 2.2.2 Phương trình CBVC cho trình khuấy lý tưởng liên tục đẳng nhiệt 38 2.3 CÁC ĐẠI LƯỢNG LIÊN QUAN TỚI QUÁ TRÌNH KHUẤY TRỘN 39 2.3.1 Thống kê đại lượng liên quan 39 2.3.2 Cơ cấu khuấy 40 2.3.3 Công suất khuấy trộn 40 2.4 TỔNG QUAN VỀ THUYẾT KHÔNG THỨ NGUYÊN, CƠ SỞ CỦA CHUYỂN QUY MÔ 43 2.4.1 Tổng quan phân tích thứ nguyên 43 2.4.1.1 Một số khái niệm 43 2.4.1.2 Sự đồng thứ nguyên sở Định lý Pi 47 2.4.2 Ma trận thứ nguyên, sở trình chuyển quy mô 48 2.4.3 Một số ví dụ đơn giản phân tích thứ nguyên chuyển quy mô 50 2.4.4 Ưu điểm phạm vi ứng dụng phân tích thứ nguyên 55 2.4.4.1 Ưu điểm việc sử dụng phân tích thứ nguyên 55 2.4.4.2 Phạm vi ứng dụng phân tích thứ nguyên 55 CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 57 3.1 KẾT QUẢ QUÁ TRÌNH OXY HÓA MB DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA H2O2/UV 57 3.1.1 Xác định λmax Methylene Blue 57 3.1.2 Xây dựng đường chuẩn độ hấp thụ quang nồng độ 58 3.1.3 Kết nghiên cứu xử lý MB với xúc tác H2O2/UV 59 3.2 XỬ LÝ SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM VÀ TÍNH TOÁN CHUYỂN QUY MÔ 60 3.2.1 Xây dựng phương trình động học hệ MB quy mô PTN 60 3.2.2 Phương pháp kết xử lý số liệu thực nghiệm quy mô PTN 61 3.2.3 Ứng dụng giải toán cân chất xác định thể tích phản ứng thực VR 62 3.2.4 Thiết lập giải ma trận thứ nguyên từ đại lượng 63 3.2.5 Chuyển quy mô lên hệ Thực công nghiệp thông qua chuẩn số Πi 65 3.2.5.1 Thống kê giá trị đại lượng quy mô PTN 65 3.2.5.2 Tính toán thông số chưa biết hệ thực 66 3.2.5.3 So sánh hệ Mẫu hệ Thực 67 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ý nghĩa STT Ký hiệu Abs Độ hấp thụ quang AOPs Advanced Oxydation Processes, Công nghệ Oxy hóa tiên tiến AOX BOD Absorbable Organic Cholorinated Compounds, Các hợp chất Halogen hữu Nhu cầu Oxy sinh học COD Nhu cầu Oxy hóa học EU Liên minh nước Châu Âu MB Methylen blue trihydrat – Metyl xanh MO Methylen Orange – Metyl da cam PTCBVC Phương trình cân vật chất 10 PTN Phòng thí nghiệm 11 QCVN Quy chuẩn Việt Nam 12 TOC Tổng lượng Cácbon hữu 13 TS Total Solids – Tổng hàm lượng chất rắn 14 TSS Total Suspended Solids – Tổng hàm lượng chất rắn lơ lửng 15 UV Ultra violet – Vùng xạ tử ngoại DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Các chất gây ô nhiễm đặc tính nước thải ngành dệt nhuộm Bảng 1.2 Đặc trưng ô nhiễm nước thải số loại hình dệt nhuộm Bảng 1.3 Nhu cầu cấp nước xả thải số ngành công nghiệp Bảng 1.4 Giá trị C để làm sở tính giá trị tối đa cho phép thông số ô nhiễm nước thải công nghiệp dệt nhuộm Bảng 1.5 Hệ số Kq ứng với lưu lượng dòng chảy nguồn tiếp nhận nước thải Bảng 1.6 Hệ số Kqứng với dung tích nguồn tiếp nhận nước thải Bảng 1.7 Hệ số lưu lượng nguồn thải Kf Bảng 1.8 Đặc điểm trình oxy hóa pha lỏng quan trọng Bảng 1.9 So sánh ưu nhược điểm số phương pháp APOs Bảng 1.10 Ưu nhược điểm số phương pháp xử lý nước thải dệt nhuộm Bảng 2.1 Các đại lượng liên quan tới trình khuấy trộn Bảng 2.2 Các thứ nguyên đại lượng đơn sị SI Bảng 2.3 Các đơn vị đo thứ cấp quan trọng kỹ thuật học, mang tên nhà nghiên cứu tiếng Bảng 2.4 Các đại lượng thứ cấp thứ nguyên tương ứng chúng Theo đơn vị SI thường dùng toán nhiệt Bảng 2.5 Ma trận thứ nguyên có chứa đại lượng khối lượng riêng Bảng 2.6 Ma trận thứ nguyên n đại lượng Bảng 2.7 Ma trận thứ nguyên chuẩn số Πi Bảng 2.8 Ma trận thứ nguyên trình truyền nhiệt từ dây sang dòng khí Bảng 3.1 Sự biến đổi độ hấp thụ quang theo nồng độ MB Bảng 3.2 Kết đo biến đổi nồng độ MB theo thời gian xử lý quy mô PTN Bảng 3.3 Bảng số liệu xây dựng đồ thị động học củ phản ứng MB/H2O2/UV Bảng 3.4 Bảng tóm kết xử lý số liệu thực nghiệm quy mô phòng thí nghiệm Bảng 3.5 Các đại lượng qá trình khuấy trộn Bảng 3.6 Ma trận thứ nguyên đại lượng khuấy Bảng 3.7 Biến đổi ma trận thứ nguyên theo phép toán Gauss Bảng 3.8 Thống kê đại lượng tiến hành nghiên cứu quy mô PTN Bảng 3.9 Các đại lượng trình xử lý MB hệ Mẫu hệ Thực DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý công nghệ dệt nhuộm nguồn nước thải Hình 2.1 Sơ đồ cánh khuấy để xác định chế độ làm việc hệ xử lý MB Hình 2.2 Khả ứng dụng phân tích thứ nguyên, phụ thuộc vào kiến thức có sẵn theo J Pawlowski Hình 3.1 Công thức cấu tạo phân tử Methylene Blue trihydrat Hình 3.2 Máy UV – vis dải quang phổ hấp thụ dung dịch MB Hình 3.3 Đườg quan hệ độ hấp thụ quang nồng độ CMB Hình 3.4 Đồ thị biểu diễn nồng độ MB theo thời gian Hình 3.5 Đồ thị động học hệ xử lý MB H2O2/UV nồng độ 4ml/l Hình 3.6 Sơ đồ mô hình đại lượng chuyển quy mô Hình 3.7 Mô hình hệ Mẫu tiến hành phòng thí nghiệm Hình 3.8 Mô hình kiểu hệ thực chạy thử sau thiết kế MỞ ĐẦU Sự phát triển loài người với cách mạng công nghiệp, đô thị hóa nâng cao chất lượng sống kéo theo biến đổi môi trường trầm trọng Đặc biệt, ô nhiễm nguồn nước vấn đề thiết xã hội quan tâm Nước coi khởi nguồn sống 70% thể người nước Vậy nên, xử lý nước thải thời kỳ công nghiệp tàn phá sinh thái vấn đề cần kíp với quốc gia, quốc gia đà phát triển Việt Nam Đứng trước toán này, đề tài xử lý nước thải có ý nghĩa giá trị thực tiễn công bố khắp giới Tuy nhiên, hầu hết dừng lại phạm vi phòng thí nghiệm với suất xử lý nhỏ Vì vậy, việc đưa khoa học vào ứng dụng thực tiễn hướng đắn mẻ Trên sở đó, tác giả định chọn đề tài: “Nghiên cứu chuyển đổi quy mô từ phòng thí nghiệm lên quy mô công nghiệp cho hệ thống thiết bị xử lý nước thải ứng dụng công nghệ Oxy hóa tiên tiến” Vì so với nguồn nước thải thông thường nước thải dệt nhuộm chứa nhiều hợp chất màu hữu phức tạp, bền khó xử lý triệt để Trong đó, Việt Nam quốc gia có kim ngạch xuất dệt may đứng thứ thị trường Châu Âu, nêntrong phạm vi luận văn tác giả sâu vào giải vấn đề nước thải dệt nhuộm Đối với yếu tố ô nhiễm khác COD, BOD, TSS, pH, chất hoạt động bề mặt…thì giới có nhiều phương pháp xử lý hiệu Tuy nhiên, Để xử lý độ màu phương pháp AOPs phương pháp chiếm ưu gần giới khoa học quan tâm Cụ thể, bố cục Luận văn chia thành chương với cấu trúcnhư sau:  Chương 1: Tổng quan Chương trình bày tình hình tính chất nước thải dệt nhuộm, loại thuốc nhuộm thường dùng, tiêu chuẩn xả thải nước thải dệt nhuộm phương pháp xử lý nước thải  Chương 2: Cơ sở lý thuyết Trình bày động học phản ứng đồng thể bậc nhằm xây dựng đồ thị động học cho hệ mẫu Giới thiệu phương trình cân vật chất tổng quát PTCBVC hệ thiết bị khuấy lý tưởng liên tục đẳng nhiệt, áp dụng tính thể tích phản ứng thiết bị Cuối thuyết không thứ nguyên, sở thành lập ma trận thứ nguyên tạo chuẩn số độc lập không thứ nguyên, tảng trình chuyển quy mô  Chương 3: Kết nghiên cứu thảo luận Thông qua kết Oxy hóa MB đạt phòng thí nghiệm, tiến hành xử lý số liệu dựa sở lý thuyết chương hoàn thành việc tính toánchuyển quy mô đại lượng cụ thể hệ thực (quy mô công nghiệp) cần thiết kế CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan nước thải dệt nhuộm Dệt may ngành nghề chiếm vị trí quan trọng kinh tế nước ta, Không thỏa mãn thị hiếu thời trang ngày phong phú khách hàng nội địa mà hướng tới tăng kim ngạch xuất sang thị trường lớn Mỹ EU Ngành nghề dệt nhuộm ngành nghề công nghiệp đa sản phẩm, áp dụng nhiều quy trình sản xuất khác nhau, sử dụng nhiều chủng loại nguyên liệu hóa chất Do vậy, nước thải dệt nhuộm đặc biệt nước thải từ số công đoạn nhuộm, nấu có độ ô nhiễm cao (chỉ số COD độ màu cao gấp hàng chục lần so với tiêu chuẩn thải cho phép) Mặt khác, có chứa nhiều hợp chất màu hưu có cấu trúc bền khó phân hủy sinh học gây mỹ quan, độc tính cao thủy sinh cản quang giảm DO làm ảnh hưởng tới nguồn tiếp nhận Ngoài số thuốc nhuộm với cấu trúc mạch vòng chứa nhóm azo tác nhân gây ung thư cho người động vật [14] Để giải vấn đề này, trước việc xử lý nước thải chủ yếu dừng lại mức độ xử lý đơn giản, hiệu thấp keo tụ – tụ, khử màu yếm khí…tuy nhiên chất hóa học biến đổi tính chất mà trình yếm khí sinh hợp chất có khả gây ung thư cao dẫn đến chất lượng nước thải đầu không ổn định chưa đạt tiêu chuẩn xả thải.Trước thực tế đó, Trên giới Việt Nam có nhiều hướng nghiên cứu xử lý triệt để vấn đề Một phương pháp tối ưu đánh giá cao phương pháp Oxy hóa tiên tiến AOPs tính chất không độc, hiệu xử lý cao Đây trình xử lý hóa học dựa tính chất Oxy hóa không chọn lọc gốc OH* tự do, xử lý loại màu bền chất hữu có có cấu trúc phức tạp với giá thành thấp Vậy nước thải ngành dệt nhuộm lại quan tâm, quy trình sản xuất có sử dụng hóa chấtđộc hại nào, phương pháp xử lý sao… Để hiểu rõ ta nghiên cứu phần luận văn 10 Dựa vào đồ thị ta thấy MB có bốn đỉnh hấp thụ cực đại từ trái qua phải đỉnh số: 1, 2,3, Tuy nhiên,MB hấp thụ cực đại lớn đỉnh số 1, bước sóngλmax=664,0 nm 3.1.2 Xây dựng đường chuẩn độ hấp thụ quang nồng độ Pha Methylene Blue với nồng độ khác nhau: 0,2; 0,4;0,6; 1; 2; 4; 6; 10; 14, 18, 30mg/l vào bình định mức 10ml.Rồi đem mẫu đo quang Abs bước sóng cực đại λmax=664,0 nmta thu bảng kết sau: Bảng 3.1Sự biến đổi độ hấp thụ quang theo nồng độ MB STT CMB (mg/l) Độ hấp thụ quang (Abs) 0,2 0,007 0,4 0,008 0,6 0,010 0,014 0,021 0,041 0,055 10 0,095 14 0,137 10 18 0,180 11 30 0,296 Chú ý rằng, nồng độ MB cao hấp thụ hết toàn ánh sáng, ánh sáng không đủ để qua hết vùng dung dịch nên kết đo quang không xác Vậy nên kết đo có Abs > 0,8 phải pha loãng để cho Abs ≤ 0,8 tiến hành phép đo Từ kết đo quang Abs thu nồng độ MB dải 0,2 ÷ 30 mg/l, ta xây dựng đường chuẩn thể quan hệ CMB Độ hấp thụ quang Abs Đường sở để xác định nồng độ MB chưa biết nước thải cần xử lý Dạng đồ thị đường dựng nên từ kết Bảng 3.1 sau: 58 0.35 y = 0.0097x + 0.0023 R² = 0.999 0.30 Abs 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 10 15 20 25 30 35 CMB (mg/l) Hình 3.3 Đường quan hệ độ hấp thụ quang nồng độ CMB Đường quan hệ nồng độ CMB độ hấp thụ quang có R2 = 0,999 Với độ khớp cao hoàn toàn tin cậy sai số thực pháp đo quang để xác định nồng độ dựa phương trình đường chuẩn dựng 3.1.3 Kết nghiên cứu xử lý MB với xúc tác H2O2/UV Cân 0,01g MB cân phân tích Tiến hành pha dung dịch MB có nồng độ CMB = 20 mg/l vào cốc 500 ml Tiếp tục dùng pipet hút 2ml dung dịch H2O2 100% cho vào cốc 500 ml trên, đặt cốc lên máy khuấy từ để tối cho khuấy 15’ Lấy mẫu để xác định C0 MB Sau bật đèn UV đợi 5’ lấy mẫu đo lần Bảng 3.2.Kết đo biến đổi nồng độ MB theo thời gian xử lý quy mô PTN STT T (phút) CMB (mg/l) 13,279 10,253 10 7,768 15 5,831 20 4,396 25 3,597 30 2,811 35 2,195 40 1,707 10 45 1,235 11 50 0,917 59 3.2 Xử lý số liệu thực nghiệm tính toán chuyển quy mô 3.2.1.Xây dựng phương trình động học hệ MB quy mô PTN Từ kết thu Bảng 3.2 Ta dựng đồ thị biểu diễn quan hệ sau: 14 12 CMB (mg/l) 10 0 10 20 30 40 50 60 t (phút) Hình 3.4 Đồ thị biểu diễn nồng độ MB theo thời gian Theo đồ thị ta thấy, khoảng 20 phút phản ứng diễn nhanh chóngnên đồ thị có độ dốc cao Ở quãng thời gian tiếp theo, tốc độ phản ứng giảm khiến phản ứng chậm lại nênđộ dốc thấp hiệu xử lýcũng nhỏ Vậy thời gian đầu,nồng độ giảm mạnh từ C0 = 13,279 xuống 4,396 mg/l; nên thời gian định hiệu xử lý Còn 30 phút cuối để xử lý khoảng mg/l lại Với H2O2 trình xử lý độ màu MB đồng thể, hai chất dạng dung dịch nên phần lý thuyết ta giả sử phản ứng “giả đồng thể bậc một” Vậy xử lý số liệu xây dựng phương trình động học phản ứng phân hủy MB/H2O2/UV ta thu kết sau: Bảng 3.3 Bảng số liệu xây dựng đồ thị động học củ phản ứng MB/H2O2/UV STT 10 11 T (phút) 10 15 20 25 30 35 40 45 50 ln(C0/C) 0,259 0,536 0,823 1,105 1,306 1,553 1,800 2,051 2,375 2,673 60 3.0 2.5 y = 0.0523x + 0.0084 R² = 0.9985 ln(Co/C) 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 10 20 30 40 50 60 t (phút) Hình 3.5.Đồ thị động học hệ xử lý MB H2O2/UV nồng độ 4ml/l Độ khớp R2 = 0,998 đồ thị cho thấy kết nghiên cứuphù hợp với giả thiết động học phản ứng bậc Khẳng định tính đắn đáng tin cậy lý thuyết 3.2.2.Phương pháp kết xử lý số liệu thực nghiệm quy mô PTN Ta lựa chọn phương pháp tích phân để xác định phương trình động học toán Lấy phương trình (2.7) làm sở xác định số tốc độ phản ứng phản ứng phân hủy MB, mặt khác kết hợpđồ thị Hình 3.4 ta thu được: y = 0,052x + 0,008 → k = 0,052 (3.1) Đối với phản ứng bậc riêng phần (2.1) theo MB hệ MB/H2O2/UVta có tốc độ phản ứng thời điểm thứ i xác định theo công thức: ri = k.Ci (3.2) Tốc độ phản ứng trung bình toàn phản ứn phân hủy MB xác định theo công thức sau: r = rtb = Σ ri/n (3.3) Vớin số phép đo tiến hành (i = 1÷n) Trong trường hợp toán ta thực n = 11 điểm đo Hiệu suất xử lý η (%) trình xử lý MB xác định dựa nồng độ gốc C0và nồng độ Citại thời điểm thứ i tính theo công thức sau: η = (C0 – Ci)*100/C0 61 (3.4) Bảng 3.4 Bảng tóm kết xử lý số liệu thực nghiệm quy mô phòng thí nghiệm STT t (phút) CMB (mg/l) ln(C0/C) Xử lý (%) ri (mg/lphút) 13,279 0,000 0,0 0,691 10,253 0,259 22,8 0,533 10 7,768 0,536 41,5 0,404 15 5,831 0,823 56,1 0,303 20 4,396 1,105 66,9 0,229 25 3,597 1,306 72,9 0,187 30 2,811 1,553 78,8 0,146 35 2,195 1,800 83,5 0,114 40 1,707 2,051 87,1 0,089 10 45 1,235 2,375 90,7 0,064 11 50 0,917 2,673 93,1 0,048 r = Σ ri/11 (kg/m3h) 15,313 VR (m3) 0,168 3.2.3.Ứng dụng giải toán cân chất xác định thể tích phản ứng thực VR Đối với hệ thực quy mô công nghiệp thông số ban đầu phải giống thông số quy mô PTN có trước đó, tức nồng độ trước sau xử lý hai quy mô lý thuyết giống nhau: Ci0 = 13,279(mg/l) CiE = 0,917(mg/l) Theo yêu cầu thiết kế hệ thực công suất cần xử lý hệ thực là: V 0̇ = V Ė = (m3/ngày) = 0,208 (m3/h) Vận dụng phần sở lý thuyết 2.2 trình bày, sử dụng phương trình cân vật chất (2.13) hệ phản ứng MB/H2O2/UV đồng thể bậc một, ta có: VR = Ci0 V 0̇ - CiE V Ė r 62 = (13,279 - 0,917).0,208 15,313 = 0,168 m3 (3.5) 3.2.4 Thiết lập giải ma trận thứ nguyên từ đại lượng Muốn thiết lập ma trận thứ nguyên trước tiên ta liệt kê đại lượng liên quan tới trình khuấy trộn sau: Bảng 3.5 Các đại lượng qá trình khuấy trộn STT Đại lượng liên quan Kí hiệu Đơn vị Thứ nguyên Thể tích khuấy VR m3 L3 Đường kính cánh khuấy dk m L Đường kính thùng khuấy D m L Chiều cao mực chất lỏng khuấy H m L Chiều cao đáy tới cánh khuấy h m L Chiều cao cánh khuấy b m L Tốc độ vòng cánh khuấy n s-1 T-1 Công suất cánh khuấy N kg.m2s-3 ML2T-3 Khối lượng riêng chất lỏng ρ kg.m-3 ML-3 10 Độ nhớt động lực học lỏng μ kg.m-1s-1 ML-1T-1 Để rút gọn tính toán giảm số đại lượng ma trận thứ nguyên, ta lập chuẩn số đơn giản không thứ nguyên từ đại lượng thứ nguyên: Π1 = D/dk ; Π2 = H/dk ; Π3 = h/dk ; Π4 = b/dk Khi lại n = đại lượng ảnh hưởng tới trình khuấy trộn là: VR, dk, n, N, ρ,μ Với loại thứ nguyên bản: M, L, T Ta lập ma trận thứ nguyên sau: Bảng 3.6 Ma trận thứ nguyên đại lượng khuấy Thứ nguyên sở Các đại lượng ρ μ VR N dk n Khối lượng M 1 0 Chiều dài L -3 -1 Thời gian T -3 -1 Dạng ma trận Ma trận gốc 63 Ma trận dư Biến đổi Gaussđối với ma trận thứ nguyên Bảng 3.6để ma trận gốc thành ma trận đơn vị ta thu kết quả: Bảng 3.7 Biến đổi ma trận thứ nguyên theo phép toán Gauss Thứ nguyên sở Các đại lượng ρ μ VR N dk n Khối lượng M 1 0 Chiều dài L -3 -1 Thời gian T -1 -3 -1 M 1 0 Z1 = 3M + L T -1 -3 -1 M 1 0 Z2 = Z1/2 3/2 5/2 1/2 T -1 -3 -1 M 1 0 Z2 3/2 5/2 1/2 Z3 = T + Z 0 3/2 -1/2 1/2 -1 M – Z5 0 -2 -1 Z5 = Z - Z3 Z4 = 2/3.Z3 0 -1/3 1/3 -2/3 Dạng ma trận Ma trận dư Ma trận gốc Tiếp dựa theo công thức (2.30) ta thành lập chuẩn số độc lập sau: Π5 = N ρ2μ-3VR⅓ Π6 = dkVR-⅓ Π7 = n ρ1μ-1VR⅔ Vậy để chuẩn quy mô cho hệ MB/H2O2/UV ta phải dựa vào số liệu có hệ mẫu quy mô PTN chuẩn số thiết lập sau: Π1 = D/dk ; Π2 = H/dk ; Π3 = h/dk ; Π5 = N ρ2μ-3VR⅓; Π4 = b/dk Π6 = dkVR-⅓; 64 Π7 = n ρ1μ-1VR⅔ 3.2.5.Chuyển quy mô lên hệ Thực công nghiệpthông qua chuẩn số Πi 3.2.5.1 Thống kê giá trị đại lượng quy mô PTN Để thống kê đại lượng liên quan tới hệ xử lý MB, Trước hết ta xây dựng mô hình hai hệ mẫu thực tương ứng với quy mô PTN quy mô công nghiệp: nT VR dkM HM nM M Chuyển quy mô HT Chuẩn số Πi bT b hM dkT DT DM hT Hình 3.6 Sơ đồ mô hình đại lượng cần chuyển quy mô Với hệ mẫu tiến hành quy mô phòng thí nghiệm thiết bị khuấy cốc thủy tinh 500 ml có chiều cao 110 mm, đường kính 85 mm Hệ khuấy máy khuấy từ AHTQ 85-2 có tốc độ khuấy tối đa nmax = 1000 vòng/phút Với cấu khuấy khuấy từ đường kính 10 mm chiều dài 50 mm, tốc độ khuấy từ tiến hành nM = 400 vòng/phút Công suất làm việc cấu khuấy phụ thuộc vào giá trị chuẩn số ReM sau: ReM = ρ.n.d2k 990,66.400.0,052 μ = 0,61.10−3 = 16,24.105> 50 Vậy ta áp dụng công thức (2.27) (2.28) để tính công suất NM cấu khuấy: N = 𝑓 0,845 ρ0,95 μ0,05 n2,95 d4,9 k (3.6) Với hệ số hiệu chỉnh: f=( D 3dk 1,1 ) H 0,6 ( ) dk 4b 0,3 0,085 1,1 dk 3.0,05 ( ) =( ) 0,088 0,6 ( 0,05 ) 4.0,01 0,3 ( 0,05 ) = 0,703 thay vào (3.6) ta có công suất NM là: N = 0,703.0,845.(990,66)0,95.(0,61.10-3)0,05.(400)2,95.(0,05)4,9 = 5,758 Kw 65 Vậy tổng hợp lại điều kiện tiến hành nghiên cứu hệ mẫu ta thu kết sau: Bảng 3.8 Thống kê đại lượng tiến hành nghiên cứu quy mô PTN Đại lượng VRM dkM DM HM hM bM 0,510-3 0,05 0,085 0,088 Giá trị nM ρM NM μM 0,01 400 5,758 990,66 0,61.10-3 3.2.5.2 Tính toán thông số chưa biết hệ thực Vì VR biết trước (3.5) nên biến đổi chuẩn số sau theo giá trị VR ta có: dkT Π6 = dkVR-⅓= idem →(dkVR-⅓)T = (dkVR-⅓)M→ dkM Π1 = D/dk = idem → (D/dk)T = (D/dk)M → Π2 = H/dk = idem → (H/dk)T = (H/dk)M → Π3 = h/dk= idem → → (h/dk)T = (h/dk)M Π4 = b/dk= idem→ (b/dk)T = (b/dk)M VRM dkT dkT dkM dkT dkM dkM = = = ) DT = dkM dkT → VRT = √( DM HT HM hT hM bT bM (3.7) (3.8) (3.9) (3.10) (3.11) Π7 = n ρ1μ-1VR⅔= idem: (n ρ1μ-1VR⅔)T = (n ρ1μ-1VR⅔)M nT → nM = √( VRM VRT ) (3.12) Π5 = N ρ2μ-3VR⅓ = idem: (N ρ2μ-3VR⅓)T = (N ρ2μ-3VR⅓)M NT → NM V = √ RM V RT (3.13) Từ kết VRT = 0,168 m3 (3.5) giá trị VRM = 0,510-3 Bảng 3.8 thay vào phương trình (3.7) tới (3.13) ta thu trị số sau: dkT dkM 3 V = √( RT ) = √( V dkT dkM DT DM ) = 6,95 → dkT = 6,95 dkM = 0,348 m 0,0005 RM = 0,168 V = √( RT ) = 6,95 → DT = 6,95 DM = 0,591 m V RM 66 (3.14) (3.15) dkT dkM dkT dkM nT NM bT = bM = √( V HM nM NT HT = = √( RT )= 6,95 → HT = 6,95 HM = 0,612 m V (3.16) RM V = √( RT )= 6,95 → bT = 6,95 bM = 0,07 m V (3.17) RM VRM VRT 0,0005 ) = √( V (3.18) )= 0,144 → NT = 0,144NM = 0,828 Kw (3.19) 0,0005 = √( RM ) = √( V RT ) = 0,021 → nT = 0,021nM = 8,276 v/ph 0,168 0,168 Do chuyển quy mô từ phòng thí nghiệm với cấu khuấy khuấy từ nên chiều cao khuấy tới đáy hM = 0, nên ta dùng quan hệ chuẩn số (3.10) để tính hT Tuy nhiên, phần chọn cấu cho hệ thực quy mô công nghiệp ta lựa chọn cấu khuấy mái chèo, nên dựa vào kích thước đặc trưng cấu khuấy mái chèo (2.14) ta chọn h = 0,3dk Thay số vào ta có: h = 0,3dk = 0,3.0,348 = 0,104 m (3.20) Sau tính toán chuyển quy mô cho hệ thực ta thu bảng kết quả: Bảng 3.9 Các đại lượng trình xử lý MB hệ Mẫu hệ Thực VRM Hệ Mẫu dkM DM HM hM 0,510-3 0,05 0,085 0,088 VRT Hệ Thực 0,168 dkT DT HT bM nM NM ρM μM 0,01 400 5,758 990,66 0,61.10-3 hT bT nT NT ρT μT 0,348 0,591 0,612 0,104 0,07 8,276 0,828 990.66 0.61.10-3 3.2.5.3 So sánh hệ Mẫu hệ Thực Sau kiểm tra lại hệ thiết kế với hệ thực ta thấy kết động học tương tự đường cong động học đồng dạng với nhau.Hiệu xử lý, thời gian xử lý tốc độ xử lý kiểm tra hệ thực tương tự phù hợp với nghiên cứu thu phòng thí nghiệm Điều lần khẳng định tính đắn phương pháp không thứ nguyên nghiên cứu ứng dụng chuyển đổi quy mô lĩnh vực kỹ thuật hóa học nói chung 67 Nếu có sai khác hai mô hình tất sai khác không tương đồng cấu khuấy (con khuấy từ chuyển quy mô sang dạng mái chèo), dạng khuấy liên tục gián đoạn (khuấy gián đoạn cố thủy tinh phòng thí nghiệm khuấy liên tụcở hệ thực – dòng MB vào không ngừng), sai số phép đo hệ mẫu sai số làm tròn tính toán chuyển đổi quy mô Hình 3.7.Mô hình hệ Mẫu tiến hành phòng thí nghiệm Hình 3.8 Mô hình kiểu hệ Thực chạy thử sau thiết kế 68 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Qua kết nghiên cứu chuyển đổi quy mô từ phòng thí nghiệm lên công nghiệp cho hệ thống xử lý nước thải ứng dụng công nghệ Oxy hóa tiên tiến, ta rút số kết luận sau: Đã thực nghiên cứu hiệu xử lý MB tác nhân H2O2/UV quy mô phòng thí nghiệm.Xây dựng phương trình động học phản ứng Dựa vào đồ thị động học ta nhận thấy thời gian xử lý nhanh, khoảng 50 xử lý độ màu triệt để 93% mà phản ứng tiếp tục xảy với tốc độ phản ứng r = 0,048 mg/lphút Từ xác định tốc độ phản ứng rtb toàn trình Giải toán cân vật chất trình khuấy lý tưởng liên tục đẳng nhiệt, từ tìm thể tích phản ứng thực cần thiết kế: VRT= 0,168 m3của hệ xử lý MB/H2O2/UV với công suất m3/ngày Dựa sở học thuyết không thứ nguyên, xây dựng ma trận thứ nguyên đại lượng liên quan tới hệ khuấy xử lý MB/H2O2/UV Ứng dụng thuật toán biến đổi Gauss để tìm chuẩn số không thứ nguyên Πi hệ xử lý màu MB/H2O2/UV sau: Π1 = D/dk ; Π2 = H/dk ; Π5 = N ρ2μ-3VR⅓ Π3 = h/dk ; Π4 = b/dk Π6 = dkVR-⅓ Π7 = n ρ1μ-1VR⅔ Kết nghiên cứu tính toán thông số hai quy mô mẫu thực: Đại lượng Thể tích khuấy Đường kính cánh khuấy Đường kính thùng khuấy Chiều cao mực chất lỏng khuấy Kí hiệu VR dk D H Hệ Mẫu 0,510-3 0,05 0,085 0,088 Hệ Thực 0,168 0,348 0,591 0,612 0,01 400 0,104 Chiều cao cánh khuấy Tốc độ vòng cánh khuấy h b n Công suất cánh khuấy N 5,758 Khối lượng riêng chất lỏng Độ nhớt động lực học lỏng ρ μ 990,66 0,61.10-3 0,828 990,66 0,61.10-3 Chiều cao đáy tới cánh khuấy 69 0,07 8,276 Kết cho thấy việc tính toán chuyển đổi dựa vào phương pháp không thứ nguyên tương đối xác, đắn phù hợp với phương pháp mô hình vật lý trước Tuy nhiên, phương pháp không thứ nguyên có ưu điểm phương pháp đồng dạng mô hình vật lý chỗ, nóáp dụng cho đại lượng không thứ nguyên với Mặc dù có nhiều ưu điểm vậy, songquá trình chuyển đổi quy mô từ phòng thí nghiệm thường gặp phải sai số nhỏ phóng lên quy mô công nghiệp tới vài trăm lần sai số tăng theo Do vậy,cần phải chế tạo thiết bị kiểm tra lại kết hệ thực xem tính toán phù hợp với lý thuyết chưa? Nguyên nhân có sai khác điều chỉnh sai khác để hiệu trình chuyển đổi quy mô lớn 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1.Nguyễn Bin (2004), Các trình, thiết bị công nghệ hóa chất thực phẩm tập1 – Quá tình thủy lực, bơm quạt máy nén, NXB Khoa học Kỹ Thuật, Hà Nội 2.Nguyễn Bin (2004), Các trình, thiết bị công nghệ hóa chất thực phẩm tập – Phân riêng hệ không đồng nhất, khuấy trộn, đập, nghiền, sàng, NXB Khoa học Kỹ Thuật, Hà Nội 3.Nguyễn Bin – Đỗ Văn Đài – Phạm Xuân Toản tập thể tác giả (2006), Sổ tay Quá trình thiết bị công nghệ hóa chất tập 1, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 4.Bộ Tài Nguyên Môi trường (31/3/2015), Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia nước thải công nghệ dệt nhuộm, QCVN 13-MT:2015/BTNMT 5.Gianni Donati – Renato Paludetto(1997), Scale up of chemical reactors, chương 17, Tạp chí Catalysis Today 34-483-533, NXB Elsevier, Italy 6.Hoàng Văn Huệ – Trần Đức Hạ (2002), Thoát nước tập – xử lý nước thải, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội 7.Nguyễn Thị Hường, Bài giảng môn xử lý nước thải, Khoa Hóa, Trường Đại học sư phạm – Đại học Đà Nẵng 8.Mai Xuân Kỳ (2006), Thiết bị phản ứng công nghiệp hóa học tập – Nghiên cứu, tính toán thiết kế, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 9.Marko Zlokarnik (2006), Scale-Up in Chemical Engineeringsecond edition, NXB Wiley-VCH, Weinheim Đức 10.Octave Levenspiel (1999), Chemical Reaction Engineering, NXB John Wiley & Sons, Mỹ 11 Rein Munter (2001), Advanced Oxidation Processes – Current status and Prospects, Bộ môn Kỹ thuật hóa học, Đại học Bách Khoa Tallim, Estonia, rmunt@edu.ttu.ee 71 12 Vũ Đình Tiến, Bài giảng Tính toán thiết bị phản ứng số – Tính toán thiết bị phản ứng đồng thể, Bộ môn Máy Thiết bị công nghiệp Hóa chất, Viện Kỹ thuật hóa học, Đại học Bách Khoa Hà Nội 13.Nguyễn Thị Thu Trang (2015), Luận án tiến sỹ kỹ thuật môi trường – Nghiên cứu đánh giá hiệu xử lý nước thải dệt nhuộm vật liệu Nanotitandioxit pha tạp, Học viện Khoa học công nghệ, Hà Nội 14.Nguyễn Thị Thu Trang (2013), Đánh giá hiệu quang xúc tác màng mỏng TiO2 phản ứng phân hủy Metyl da cam, Tạp chí hóa học T.51(6) 696-699, Hà Nội 15.Nguyễn Thị Thu Trang (2013), Tổng hợp đặc trưng đánh giá hoạt tính quang xúc tác vật liệu Nano TiO2 biến tính tổng hợp phương pháp sol gel hỗ trợ siêu âm, Tạp chí hóa học T.51(6ABC) 477-483, Hà Nội 16.Nguyễn Minh Tuyển – Phạm Văn Thiêm (2005), Kỹ thuật hệ thống công nghệ hóa học tập 1, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 17 Nguyễn Minh Tuyển (1987), Các máy khuấy trộn công nghiệp, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 18 http://luanvan.net.vn/luan-van/luan-van-mot-so-phuong-phap-xu-ly-nuoc-thaidet-nhuom-45237/ , Ngày truy cập 17/11/2015 19 http://khoahocmoi.com.vn/he-thong-xu-ly-nuoc-thai/xu-ly-nuoc-thai-nganh-detnhuom-214.html?xu-ly-nuoc-thai-nganh-det-nhuom.html, Ngày 17/11/2015 20 https://sites.google.com/site/lamcuasatmaiton/su-ly-nuoc-thai,Ngày 17/11/2015 21 http://www.hoahocngaynay.com/vi/hoa-hoc-va-doi-song/hoa-hoc-va-suckhoe/117-vai-tro-cua-crom-doi-voi-suc-khoe.html, Ngày truy cập 27/12/2015 22 https://vi.wikipedia.org/wiki/Crom, Ngày truy cập 27/12/2015 23 http://iasir.net/IJETCASpapers/IJETCAS14-550.pdf,Ngày truy cập 24/03/2016 24 http://luanvan.net.vn/luan-van/luan-van-toi-uu-hoa-quy-trinh-xu-ly-nuoc-thaidet-nhuom-bang-he-xuc-tac-fenton-45193/, Ngày truy cập 24/03/2016 72 ... ứng dụng thực tiễn hướng đắn mẻ Trên sở đó, tác giả định chọn đề tài: Nghiên cứu chuyển đổi quy mô từ phòng thí nghiệm lên quy mô công nghiệp cho hệ thống thiết bị xử lý nước thải ứng dụng công. .. nước thải tuân thủ quy định quy chuẩn - Nước thải công nghiệp dệt nhuộm xả vào hệ thống thu gom nhà máy xử lý nước thải tập trung tuân thủ theo quy định đơn vị quản lý vận hành nhà máy xử lý nước. .. nước thải tập trung 18 c Giải thích thuật ngữ : Trong Quy chuẩn này, thuật ngữ hiểu sau: - Nước thải công nghiệp dệt nhuộm nước thải công nghiệp thải từ nhà máy, sở sử dụng quy trình công nghệ