Tìm hiểu các phương pháp xử lý nước

Phần I: NƯỚC VÀ CÁC CHỈ TIÊU VỀ NƯỚC TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM A. Giới thiệu về các nguồn nước Hiện nay chúng ta có ba nguồn nước dùng được để khai thác để sản xuất: Nguồn nước bề mặt:được lấy từ sông, suối, hồ....tại việt Nam và các nước đang phát triển, nước bề mặt hiện nay bị ô nhiễm khá nặng chủ yếu là do sản xuất công nghiệp và các hoạt động sinh hoạt( trong pp sẽ chèn hình vô) Nguồn nước do thành phố cung cấp: ở nước ta chất lượng nước do thành phố cung cấp đạt tiêu chuẩn nước dùng trong sinh hoạy hàng ngày. nếu sử dụng nguồn nước này làm sản xuất với lượng lớn sẽ không kinh tế, và gặp nhìu bất cập. Nguồn nướcngầm: do mưa thấm vào lòng đất tạo nên được dùng như nguồn cung cấp chính cho các quá trình chế biến thực phẩm do nó có những đặc điểm sau: Nguồn nước ngầm ít chịu tác động của con người, chất lượng nước thường tốt hơn chất lượng nước bề mặt Trong nước ngầm không có các hạt keo hay các hạt cặn lơ lửng Chỉ tiêu vi sinh vật thấp hơn nước bề mặt Nước ngầm không chứa rong tảo (thứ dễ gây ô nhiễm nguồn nước) Bảng -Những điểm khác giữa nước ngầm & nước bề mặt Thông số Nước bề mặt Nước ngầm Nhiệt độ Thay đổi theo mùa Tương đối ổn định Hàm lượng chất rắn lơ lửng Thường cao & thay đổi theo mùa Thấp hoặc hầu như không thay đổi Chất khoáng hòa tan Thay đổi theo chất lượng nước mưa Ít thay đổi, cao hơn nước bề mặt ở cùng một vùng Hàm lượng sắt (Fe2+), mangan(Mn2+) Rất thấp trừ dưới đáy hồ Thường xuyên có Khí CO2 hòa tan Rất hấp hoặc gần bằng không Xuất hiện ở nồng độ cao Khí O2 hòa tan Thường gần bão hòa Thường không tồn tại Khí NH3 Xuất hiện ở nguồn nước nhiễm bẩn Thường có SiO2 Có ở nồng độ trung bình Thường có ở nồng độ cao Nitrat Thường thấp Thường ở nồng độ cao do phân bón hóa chất Các vi sinh vật Vi trùng (nhiều loại gây bệnh), virus các loại & tảo Các vi trùng do sắt gây ra thường xuất hiện B. Các chỉ tiêu về nước trong công nghệ sản xuất đồ uống 1. Chỉ số cảm quan Trong công ngệ sản xuất đồ uống, nước nguyên liệu phải đạt các yêu cầu sau: trong suốt, không màu, không mùi , không vị. Độ đục: Nước có độ đục cao làm cho khả năng truyền ánh sáng qua nước giảm. Có thể đo độ đuc bằng những cách sau: Sử dụng máy đo độ đục để xác định độ đục Lượng hóa độ đục bằng SiO2: tiến hành với mẫu cần phân tích và mẫu đối chứng Quan sát bằng mắt giữa mẫu đối chứng và mẫu phân tích trên nền trắng Tiêu chuẩn Việt Nam, độ đục được xác định bằng chiều sâu lớp nước thấy được. Độ màu :của nước là do các hợp chất màu tan được trong nước tạo nên. Và để biết được độ màu của nước ta có thể dùng: Phương pháo cảm qua bằng mắt Sử dụng máy so màu Mùi:của nước do các hợp chất dễ bay hơi có trong nước tạo nên.Nước ở 20oC ít khi phát hiện là có mùi lại vì các chất ít bay hơi ở nhiệt độ này. Thông thường để xác định xem nước có mùi lại không ta thường gia nhiệt mẫu nước lên 50-60oC Vị: Nước trongrửa nguyên liệu Nước trong trộn thực phẩm Tên chỉ tiêu Giới hạn tối đa Giới hạn tối đa Màu sắc 15 mg/l Pt 15 TCU Mùi vị Không có mùi vị lạ Không có mùi vị lạ Độ đục 5 NTU 2 NTU Nước tinh khiết được xem là không có vị. Có ba nhóm chất gây mùi vị Nguồn gốc vô cơ: NaCl (trong nước 250mg/l-300mg/l sẽ tạo vị mặn), MgSO4 (trong nước > 500mg/l gây vị mặn), muối đồng có vị tanh, mùi clo, mùi trứng thối H2S Nguồn gốc hữu cơ: dầu mỡ, phenol Nguồn gốc sinh hóa: hoạt động của vi khuẩn, rong tảo. Các chỉ tiêu cảm quan 2. Chỉ tiêu hóa lý Chỉ tiêu hóa lý của nước liên quan đến thành phần các hợp chất hóa học có trong nước. Hàm lượng của chúng được xác định bằng những phương pháp phân tích và công cụ. Dưới đây là những chỉ tiêu hóa lý quan trọng của nước: + Độ cứng:độ cứng của nước do các muối calcium và magnesium hòa tan trong nước tạo nên, Độ cứng được chua thành ba loại:tạm thời , vĩnh cửu và toàn phần. Độ cứng tạm thời: do Ca(HCO3)2 và Mg(HCO3)2 qui định. Khi đun nóng lên Ca(HCO3)2 = CaCO3 + H2O + CO2 Mg(HCO3)2 = MgCO3 + H2O + CO2 → tạo ra carbonat không tan và khí carbondioxide và nước.Như vậy độ cứng tạo thời của nước sẽ mất đi Độ cứng vĩnh cữu :chứa các muối CaSO4, CaCl2,MgSO4,..... Độ cứng toàn phần bao gồm cả hai loại độ cứng tạm thời và độ cứng vĩnh cửu. Bảng phân loại nước theo độ cứng (theo Kalunhans và cộng sự, 1992) Giá trị độ cứng (mg đương lượng /l) Phân loại 0-1.5 Rất mềm 1.5-3.0 Mềm 3.0-6.0 Hơi cứng 6.0-9.0 Cứng >9.0 Rất cứng Trong công nghệ sản xuất nước uống người ta thường sử dụng nước có độ cứng từ rất mềm tới mềm + Độ kiềm: của nước chủ yếu do các hydroxyde (NaOH, KOH). Xác định độ kiềm bằng phenoltalein + Giá trị PH: của nước di nồng độ của các ion H+tự do quy định nên.Trong công nghệ sản xuất nước giải khát , yếu cầu nước phải có pH nằm trong vùng trung tính +Tổng chất khô : giá trị này do các hợp chất không bay hơi có tring nước tạo nên. Giá trị này càng thấp thì chấy lượng mẫu nước càng cao + Độ oxy hóa: Hàm lượng oxy hòa tan DO (Dissolued Oxygen) Phụ thuộc vào nhiều yếu tố: áp suất, nhiệt độ, đặc tính của nguồn nước(vi sinh,hóa học, thuỷ sinh) Oxy hòa tan không tác dụng với nước Độ hoà tan tăng khi áp suất tăng, độ hòa tan giảm khi nhiệt độ tăng Nhu cầu oxy hóa học COD(Chemical Oxygen Demand) Là lượng oxy cần thiết dể oxy hóa các hợp chất hữu cơ trong nước, tạo thành CO2,H2O Dùng đánh giá mức độ nhiễm bẩn của nguồn nước Nhu cầu oxy sinh học BOD(Biologycal Oxygen Demand) Là lượng oxy cần thiết để vi khuẩn phân huỷ các chất hữu cơ trong điều kiện hiếu khí Là chỉ tiêu dùng để đánh giá mức độ nhiễm bẩn của nguồn nước + Độ dẫn điện: nước chứa nhiều cation và anion khác nhau nên có tính dẫn điện. Giá trị độ dẫn điện sẽ tỉ lệ thuận với tổng chất khô của nước. THÀNH PHẦN VÔ CƠ Nước trongrửa nguyên liệu Nước trong trộn thực phẩm Tên chỉ tiêu Giới hạn tối đa Giới hạn tối đa pH 6 - 8,5 6,5 - 8,5 Tổng chất rắn hòa tan 1000 mg/l 1000 mg/l Độ cứng 300 mg/l 300 mg/l Hàm lượng Chlorua 250 mg/l 250 mg/l Hàm lựợng Sulphate 250 mg/l Hàm lượng Natri 200 mg/l Hàm lượng Nitrat 10 mg/l 50 mg/l Hàm lượng oxy hóa tan,tính theo oxy 6 mg/l 2 mg/l Hàm lượng Kẽm 3 mg/l 3 mg/l Hàm lượng Ammoniac 3 mg/l 1,5 mg/l Hàm lượng Đồng 1 mg/l 2 mg/l Hàm lượng Nitrit 1 mg/l 3 mg/l Hàm lượng Bari 0.7 mg/l Hàm lượng Florua 0,7 - 1,5 mg/l 0,7 - 1,5 mg/l Hàm lượng Mangan 0,5 mg/l 0.5 mg/l Hàm lượng tổng số Sắt(Fe2+ và Fe3+) 0,5 mg/l 0,5 mg/l Hàm lượng Nhôm 0,5 mg/l 0,5 mg/l Hàm lượng Bo tính chung cho cả Borat và Acid Boric 0,3 mg/l Hàm lượng Cianua 0,07 mg/l 0,07 mg/l Hàm lượng Molybden 0,07 mg/l Hàm lượng Crome 0,05 mg/l 0,05 mg/l Hàm lượng Niken 0,02 mg/l Hàm lượng Chì 0,01 mg/l 0,01 mg/l Hàm lượng Asen 0,01 mg/l 0,01 mg/l Hàm lượng Selen 0,01 mg/l Hàm lượng Atimon 0,005 mg/l 0,005 mg/l Hàm lượng Cadimi 0,003 mg/l Hàm lượng Thủy Ngân 0,001 mg/l 0,001 mg/l THÀNH PHẦN HỮU CƠ Nhóm Alkan chlo hóa: Nước trongrửa nguyên liệu Nước trong trộn thực phẩm Tên chỉ tiêu Giới hạn tối đa Giới hạn tối đa Chất hoạt động bề mặt tính theo Linear Ankyl Benzen Sunfonat (LAS) 0,5 mg/l 1,1,1 - Trichloroethane 2 mg/l Trichloroethen 0,07 mg/l 1,2 - Dichloroethene 0,05 mg/l Tetrachloroethen 0,04 mg/l 1,2 - Dichloroethane 0,03 mg/l Dichloromethane 0,02 mg/l Vinyl chlorua 0,005 mg/l Carbontetrachlorua 0,002 mg/l Hydrocarbua Thơm: Nước trongrửa nguyên liệu Nước trong trộn thực phẩm Tên chỉ tiêu Giới hạn tối đa Giới hạn tối đa Hàm lượng thuốc trừ sâu chlo hữu cơ 0,1 mg/l Benzen 0,01 mg/l 0,01 mg/l Phenol và dẫn xuất của phenol 0,01 mg/l Hàm lượng thuốc trừ sâu lân hữu cơ 0,01 mg/l Toluen 0,7 mg/l Xylen 0,5 mg/l Ethylbenzen 0,3 mg/l Styren 0,02 mg/l Benzo(a)pyren 0,0007 mg/l Nhóm Benzen Chlo hóa: Nước trong trộn thực phẩm Tên chỉ tiêu Giới hạn tối đa 1,2 - Dichlorobenzen 1 mg/l Monochlorobenzen 0,3 mg/l 1,4 - Dichlorobenzen 0,3 mg/l Trichlorobenzen 0,02 mg/l d) Nhóm các chất hữu cơ phức tạp: Nước trong trộn thực phẩm Tên chỉ tiêu Giới hạn tối đa Acid Adetic (EDRA) 0,2 mg/l Acid nitrilotriacetic 0,2 mg/l Di(2-ethylhexyl)adipate 0.08 mg/l Di(2-ethylhexyl)phtalate 0.008 mg/l Hexachloro butadien 0.0006 mg/l Acrylamide 0.0005 mg/l Epichlohydrin 0.0004 mg/l HÓA CHẤT KHỬ TRÙNGVÀ SẢN PHẨM PHỤ Nước trong trộn thực phẩm Tên chỉ tiêu Giới hạn tối đa Focmaldehyt 0.9 mg/l Chlorit 0.2 mg/l 2,4,6 triclorophenol 0.2 mg/l Chlorofoc 0.2 mg/l Bromofoc 0.1 mg/l Acid trichloroacetic 0.1 mg/l Dibromoacetonitril 0.1 mg/l Dibromchlorometan 0.1 mg/l Dichloroacetonitril 0.09 mg/l Cyano chloride 0.07 mg/l Bromodichlorometan 0.06 mg/l Acid dichloroacetic 0.05 mg/l Bromat 0.025 mg/l Chloral hydrat(trichloroacetaldehyt) 0.01 mg/l Monocloramin 0.003 mg/l Chlo dư 0.0003 - 0.0005 mg/l Trichloroacetonitril 0.001 mg/l Hóa chất bảo vệ thực vật: Nước trong trộn thực phẩm Tên chỉ tiêu Giới hạn tối đa Dichloprop 0.1 mg/l Pyridate 0.1 mg/l 2,4 DB 0.09 mg/l Clorotoluron 0.03 mg/l Bentazone 0.03 mg/l 1,3-Dichlopropan 0.03 mg/l Pendimetalin 0.02 mg/l Methoxychlor 0.02 mg/l Alachlor 0.02 mg/l Permethrin 0.02 mg/l Propanil 0.02 mg/l Simazine 0.02 mg/l Trifuralin 0.02 mg/l Aldicarb 0.01 mg/l Methachlor 0.01 mg/l Mecoprop 0.01 mg/l Penthachhlorophenol 0.009 mg/l Feneprop 0.009 mg/l 2,4,5-T 0.009 mg/l Isoproturon 0.009 mg/l Feneprop 0.009 mg/l Molinate 0.006 mg/l Carbofuran 0.005 mg/l Lindane 0.002 mg/l MCPA 0.002 mg/l Atrazine 0.002 mg/l DDT 0.002 mg/l 1,2-Dichlopropan 0.001 mg/l Aldrin / Dieldrin 0.00003 mg/l Heptachlo va heptachlo epxit 0.00003 mg/l Clodane 0.0002 mg/l Hexachlorobenzen 0.0001 mg/l 3. Chỉ tiêu vi sinh: a. Vi trùng Vi trùng trong nước gây bệnh: lỵ, thương hàn, dịch tả, bại liệt… Việc xác định sự có mặt của vi trùng gây bệnh thường rất khó. Người ta dựa vào sự tồn tại của E.Coli để xác định, do nó khả năng tồn tại cao hơn các loài vi khuẩn khác b. Các loại rong tảo Rong tảo phát triển trong nước làm nhiễm bẩn nguồn nước, làm nước có màu xanh Đối với nước sinh hoạt, nước chế biến thực phẩm thông thường các nước trong cộng đồng châu Âu quy định 66 chỉ tiêu xếp vào 6 nhóm: Cảm quan (4 chỉ tiêu) Hóa lý (15 chỉ tiêu) Chỉ tiêu cần phải được khống chế về nồng độ (24 chỉ tiêu) Độc tố (13 chỉ tiêu) Vi sinh (6 chỉ tiêu) Chỉ tiêu cần phải có: pH, oxy hoà tan (4 chỉ tiêu) Bảng chỉ tiêu đối với nước của các nước EU, Mỹ, WHO, Việt Nam Thông số Đơn vị VN EU USA WHO Màu Độ đục pH Độ dẫn Cl SO4 Ca Mg Na K Al Cặn khô Nitrat Nitrit Amoni Nitơ seldahl Độ oxy hóa (KMnO4) H2S Phenol Bor Fe Mn Cu Zn P F Ba Ag As Be Cd CN Cr Hg Ni Pb Sb Se Va mg/lPt/Co NTU - ms/cm 200C mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg NO3/l mg NO2/l mg NH4/l mg N/l mg O2/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg P2O5/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l _ 1.5 6.5-8.5 _ 300 250 75 50 _ _ 0.2 1000 5 0.1 3.0 _ 2 _ _ _ 0.3 0.1 0.1 5.0 2500 _ _ _ _ _ _ _ _ 10 10 100 _ _ _ 20 4 6.5-8.5 400 250 250 100 50 150 12 0.2 1500 50 0.1 0.5 1 5 _ 0.5 1000 0.2 0.05 0.01 0.01 5000 1.5 0.1 10 50 _ 5 50 50 1 50 50 10 10 _ 15 2 6.5-8.5 _ 250 250 _ _ _ _ _ _ 45 3.3 _ _ _ _ _ _ 0.3 0.05 1 5 _ 2 2 0 50 4 5 200 100 2 100 15 6 50 _ 15 5 _ _ 250 250 _ _ 200 _ 0.2 1000 50 3 1.5 _ _ 0.05 _ 300 0.3 0.5 2 3 _ 1.5 0.7 _ 100 _ 3 70 50 1 20 100 5 10 _ Tiêu chuẩn nước dùng trong công nghiệp thực phẩm Chỉ tiêu vật lý Tiêu chuẩn Mùi vị không Độ trong (ống Dienert) 100ml Màu sắc(thang màu Coban) 5o Chỉ tiêu hóa học pH 6-7,8 Độ cặn cố định (đốt ở 600oC) 75-150mg/l Độ cứng toàn phần (độ Đức) <15o Độ cứng vĩnh viễn 7o CaO 50-100mg/l MgO 50mg/l Fe2O3 0,3mg/l MnO 0,2mg/l BO43- 1,2-2,5mg/l SO42- 0,5mg/l NH4+ 0,1-0,3mg/l NO2- không có NO3- không có Pb 0,1mg/l As 0,05mg/l Cu 2,00mg/l Zn 5,00mg/l F 0,3-0,5mg/l Chỉ tiêu vi sinh vật Tổng số vi sinh vật hiếu khí < 100con/ml Chỉ số Coli < 20con Chuẩn số Coli(1) > 50 Vi sinh vật gây bệnh không có (1)chỉ số Coli: Số con vi khuẩn coli trong một lít nước, chuẩn số coli: lượng ml nước có 1 vi khuẩn coli Yêu cầu chất lượng nước cho quá trình làm nguội Các chỉ tiêu Làm nguội một lần Làm nguội nhiều lần pH 7,2 đến 9,5 7,2 đến 9,5 Axit cacbonic xam thực, mg/l < 20 < 3 Độ cứng tạm thời, dH 8 đến 15 8 đến 15 Độ cứng toàn phần, dH < 50 < 80 Tổng hàm lượng muối, mg/l < 3000 < 1000 Hợp chất clorua, mg/l < 1000 < 1000 Sắt, mg/l < 1,0 < 1,0 Mangan, mg/l < 0,15 < 0,15 Chất lơ lửng, mg/l < 5 < 5 Yêu cầu chất lượng nước cấp nồi hơi Các chỉ tiêu Áp suất nồi hơi, at 13 16 52 112 158 Độ cứng toàn phần, dH < 0,1 0,1 < 0,05 < 0,01 < 0,01 Axit cacbonic, mg/l < 10 < 10 < 5 < 5 Oxy hòa tan, mg/l < 50 < 50 < 50 < 20 < 20 Dầu mỡ, mg/l < 3 < 3 < 3 < 1 < 1 Độ oxy hóa, KmnO4 mg/l Càng thấp càng tốt Sắt, mg/l < 30 SiO2, mg/l < 240 < 180 < 72 < 2 < 0,4 Phần II: CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC Stt Tên phương pháp Mục đích xử lý Phương pháp vật lý 1 Lắng Tách một số tạp chất không tan có kích thước khá lớn. 2 Lọc Tách các tạp chất có kích thước khác nhau tùy theo đường kính mao quản của màng lọc. 3 Phân riêng bằng membrane Vi lọc. Siêu lọc. Lọc nano. Thẩm thấu ngược. Tách tế bào vi sinh vật. Tách các hợp chất keo, đại phân tử, virus. Làm mềm nước, tách một số muối hòa tan. Tách các ion. 4 Điện thẩm tích Tách các chất tích điện. 5 Nhiệt Giảm độ cứng tạm thời, bài khí, ức chế hoặc tiêu diệt một số loài vi sinh vật 6 Xử lý chân không Bài khí, khử mùi. 7 Xử lý bằng tia UV Ức chế hoặc tiêu diệt vi sinh vật. Phương pháp hóa học 8 Phản ứng trao đổi Làm mềm nước 9 Phản ứng oxy hóa Tách sắt 10 Xử lý bằng acid, kiềm hoặc các hợp chất hóa học khác Chỉnh pH 11 Xử lý bằng các chất ức chế vi sinh vật Ức chế hoặc tiêu diệt vi sinh vật. Phương pháp hóa lý 12 Kết lắng Tách một số tạp chất lơ lửng dạng keo 13 Trao đổi ion Làm mềm nước, tách các ion. 14 Hấp phụ Tách một số tạp chất màu, mùi,… 1. Phương pháp lắng Khi nước chứa một số tạp chất không tan thì có thể được xem như một hệ huyền phù. Chúng ta có thể tách các cấu tử thuộc pha rắn ra khỏi pha lỏng (pha liên tục) bằng phương pháp lắng. Lắng là một phương pháp phân riêng dựa vào sự khác nhau về khối lượng riêng của các cấu tử trong hệ huyền phù. Động lực của quá trình ly tâm có thể là trọng lực, lực ly tâm hay lực tĩnh điện. Các thiết bị lắng được sử dụng trong xử lý nước hiện nay chủ yếu gồm hai loại: hoạt động gián đoạn và hoạt động liên tục. Thiết bị lắng gián đoạn Thiết bị lắng gián đoạn hoạt động theo chu kỳ. Đầu tiên, người ta bơm nước cần xử lý vào thiết bị. Sau đó, chờ một khoảng thời gian để các cấu tử không tan có khối lượng riêng lớn hơn nước lắng xuống đáy thiết bị. Cuối cùng, người ta tiến hành tháo nước sạch ở phần trên của thiết bị rồi mở cửa đáy để tách bỏ phần cặn lắng. Nước sạch ra Cặn Nước cần xử lý vào Một dạng của thiết bị lắng gián đoạn Thiết bị lắng liên tục Trong thiết bị lắng liên tục, huyền phù (nước và các tạp chất không tan) sẽ được bơm liên tục vào thiết bị, đồng thời phần nước trong (pha lỏng cùa huyền phù) cũng sẽ được liên tục tháo ra khỏi thiết bị. Việc tháo bỏ các cấu tử rắn được thực hiệnđịnh kỳ hoặc liên tục. Tùy thuộc vào cấu hình của thiết bị lắng mà người ta có thể bơm huyền phù vào thiết bị theo phương nằm ngang, phương thẳng đứng hoặc các phương khác. 2. Phương pháp lọc Để tách các cấu tử không tan ra khỏi nước, ngoài phương pháp lắng, chúng ta có thể sử dụng phương pháp lọc. Khi cho một huyền phù đi qua một màng lọc, các cấu tử rắn không tan sẽ bị giữ lại, pha liện tục sẽ chui qua màng lọc và tạo nên dịch lọc. Có hai phương pháp lọc, đó là lọc bề mặt và lọc bề sâu. Trong phương pháp lọc bề mặt, các cấu tử rắn có kích thước lớn hơn đường kính mao quản của màng lọc sẽ bị giữ lại trên màng và tạo nên lớp bã lọc. Chiếu cao của lớp bã lọc sẽ tăng dần theo thời gian và làm cho trở lực của lớp bã lọc tăng theo. Ngược lại, trong phương pháp lọc bề sâu, các cấu tử không tan của huyền phù có kích thước nhỏ hơn đường kính mao quản của màng lọc. Chúng sẽ khuếch tán vào bên trong các mao quản của màng lọc, bị giữ lại bên trong màng và “bã lọc” được hình thành trong các mao quản. Tùy theo chất lượng nguồn nước đầu vào mà ta có thể sử dụng phương pháp lọc bề mặt hay bề sâu. Màng lọc Bã lọc Huyền phù Huyền phù Bã lọc Màng lọc Lọc bề mặt Lọc bề sâu Động lực của quá trình lọc là sự chênh lệch áp suất giữa hai bên màng lọc. Để quá trình lọc có thể diễn ra ta cần có: ∆P = P1- P2 > 0. Theo lý thuyết, để ∆P > 0, ta có 3 giải pháp sau: Sử dụng áp suất thủy tĩnh ( áp suất của cột chất lỏng phía trên màng lọc ngang): giải pháp này giúp tiết kiệm chi phí vận hành nhưng thời gian lọc kéo dài. Sử dụng bơm để đưa huyền phù qua màng lọc, kho đó: P1 > P2 = 1 atm. Tạo áp lực chân không từ phía bên dưới màng lọc, khi đó: P1 = 1 atm > P2 Trong thực tế, hai giải pháp đầu được sử dụng phổ biến để xử lý nguồn nước ngầm trong ngành công nghiệp thực phẩm. 3. Phương pháp phân riêng bằng mambrane. Phân riêng bằng membrane là một phương pháp triển vọng, nhiều nhà máy thực phẩm đã sử dụng membrane để xử lý nước công nghiệp trước khi đưa vào sản xuất. Do membrane có kích thước rất nhỏ nên dễ bị tắc nghe4nm trong quá trình xử lý, để khắc phục hiện tượng này, nguồn nước tại nhà máy cần phải được xử lý sơ bộ bằng các phương pháp khác để tách bớt các tạp chất thô trước khi đưa qua xử lý bằng membrane. a. Vi lọc (Microfiltration) Mục đích chủ yếu của phương pháp này là tách các tế bào vi sinh vật. Đường kính mao quản của membrane vi lọc dao động trong khoảng từ 0,1µm đến 5,0µm. Với kích thước này, membrane vi lọc có thể giữ lại các tế bào vi khuẩn, nấm men, nấm mốc trên bề mặt membrane, ngoại trừ các virus là có thể chui qua được membrane vi lọc. Trong số các phương pháp khử trùng nước hiện nay, phương pháp sử dụng chlorine được xem là ức chế vi sinh vật hiệu quả và ít tốn kém chi phí. Tuy nhiên, các loài vi sinh vật bền với chlorine như Giardia lamblia, Cryptosporidium parvum,… sẽ không bị ảnh huo73ngtrong quá trình xử lý bằng chlorine. Riêng phương pháp vi lọc sẽ khắc phục được những tồn tại trên. Nếu chúng ta so sánh với các phương pháp xử lý vi sinh khác thì phương pháp vi lọc sẽ tạo ra nguồn nước đạt chất lượng vi sinh rất tốt đảm bảo an toàn cho người sử dụng. Ngoài chức năng tách vi sinh vật, phương pháp vi lọc có thể loại bớt một số tạp chất hữu cơ và làm giảm độ đục của nước. Nước qua vi lọc sẽ có hàm lượng tổng carbon hữu cơ và carbon hữu cơ hòa tan giảm đi. Bảng: Kết quả xứ lý nước bằng phương pháp vi lọc (Morris và cộng sự, 1993) Chỉ tiêu Đơn vị đo Trước khi qua vi lọc Sau khi qua vi lọc pH 6,80 ÷ 7,41 6,60 ÷ 7,40 Độ kiềm mg/l 2,1÷ 4,5 2,1 ÷ 4,4 Độ đục NTU 0,5 ÷ 12,0 < 2,0 Tổng carbon hữu cơ mg/l 1,3 ÷ 5,4 0,8 ÷ 4,4 Carbon hữu cơ hòa tan mg/l 0,9 ÷ 3,9 0,8 ÷ 3,5 Coliform tổng cfu/ml 10 ÷ 100 < 1 Phương pháp này ảnh hưởng tốt đến một số chỉ tiêu hóa lý của nước Để hạn chế hiện tượng tắc nghẽn mao quản membrane trong quá trình sử dụng, người ta dùng khí nén ( áp suất 90 ÷ 100 psi) để thổi ngược định kỳ, kết hợp với quá trình rửa ngược nhằm tách bỏ các cấu tử bám trên bề mặt membrane. Ngoài ra, sau 4 ÷ 6 tuần sử dụng, người ta dùng hóa chất để vệ sinh membrane, đồng thời để ức chế vi sinh vật bám trên membrane. b. Siêu lọc (Ultrafiltration) Phương pháp siêu lọc sử dụng các membrane với kích thước mao quản xấp xỉ 0,01µm hoặc thấp hơn. Do đó, các vi sinh vật có kích thước nhỏ nhất như virus cũng bị loại bỏ. Phương pháp này có thể tách một số đại phân tử ra khỏi nước, đáng chú ý là pyrogen – là hợp chất tiêm vào máu người sẽ gây sốt. Hầu hết các pyrogen là lipopolysaccharide có nguồn gốc từ tế bào vi khuẩn, chúng không bị biến đổi torng quá trình xử lý nhiệt. c. Lọc nano (Nanofiltration) Phương pháp lọc nano có thể loại bỏ được các muối hòa tan ra khỏi nước, do đó sẽ làm giảm độ cứng của nguồn nước cần xử lý. Theo Cardew và cộng sự (1998) thì hàm lượng muối trong dòng permeate sẽ giảm đi 50 ÷ 70% so với nguyên liệu, riêng hàm lượng muối hóa trị II có thể giảm tới 95%. Ngoài chức năng làm mềm ước, phương pháp lọc nano cũng làm giảm hàm lượng tổng carbon hữu cơ, độ kiềm và độ màu của nước (Cardew, 1998). Hầu hết các nhà máy xử lý nước sử dụng thiết bị lọc nano với cấu hình dạng sợi rỗng, kích thước mao quản có thể dao động từ 200 ÷ 300Da đến 400 ÷ 600Da. d. Thẩm thấu ngược Phương pháp thẩm thấu ngược chỉ cho dung môi (nước đi) đi qua membrane và tạo nên dòng permeate, toàn bộ các cấu tử tan và không tan sẽ bị giữ lại trên bề mặt membrane và tạo nên dòng retentate. Nếu hiệu quả phân riêng trong phương pháp thẩm thấu ngược là tuyệt đối thì sản phẩm thu được ở dòng permeate là nước không bị lẫn bất kì tạp chất hóa học nào khác (nước tinh khiết). 4. Phương pháp điện thẩm tích (Electrodialysis) Phương pháp điện thẩm tích dùng để tách các hợp chất tích điện ra khỏi nước. Trong phương pháp này, người ta thường sử dụng một cặp membrane – thường là memebrane siêu lọc. Thiết bị điện thẩm tích có dạng hình hộp chữ nhật và được chia thành 3 khoang nhờ hai membrane siêu lọc dạng tấm. Nước cần xử lý sẽ được bơm vào khoang giữa, còn nước sạch sẽ được bơm vào hai khoang biên. Người ta sẽ thiết lập một hệ thống catod và anod ở hai khoang biên. Nhờ đó, trong quá trình hoạt động, các anion bị lẫn trong nước cần xử lý sẽ di chuyển qua membrane siêu lọc A về anod, ngược lại, các cation sẽ di chuyển qua membrane B để về catod. Kết quản là tại cửa ra của khoang giũa chúng ta sẽ thu được phần ước đã được tách bớt các cation và anion. Theo Kalunhans và cộng sự (1992) th2i độ kiềm của nước sau khi xử lý sẽ giảm đi 2 ÷ 3 lần so với ban đầu; tương tự, độ cứng của nước giảm 2,5 ÷ 3 lần và giá trị pH giảm xuống từ 0,5 đến 1,5 đơn vị. Phương pháp điện thẩm tích chỉ cho phép loại bớt một phần các hợp chất tích điện ra khỏi nước. Hiệu sất tách không thể đạt giá trị tuyệt đối 100%. 5. Phương pháp nhiệt a. Giảm độ cứng tạm thời và bài khí Nước có độ cứng tạm thời:do Ca(HCO3)2 và Mg(HCO3)2 qui định. Khi đun nóng lên, tạo ra carbonat không tan và khí carbondioxide và nước.Như vậy độ cứng tạm thời của nước sẽ mất Đối với bicarbonate calcium Ca(HCO3)2 = CaCO3 + H2O + CO2 Quá trình đun nóng xảy ra ở nhiệt độ 60oC Muối carbonate calcium không hòa tan được trong nước lạnh nên kết tủa này ta có thể tách bỏ nhờ quá trình lắng hoặc lọc Phản ứng xảy ra nhanh và hoàn toàn nếu khí carbon dioxide được tách liên tịc ra khỏi nước nên ta cần tiến hành song song phương pháp khuấy trộn và thổi không khí vào trong nước để quá trình tách khí cacbonic đạt hiệu quả cao nhất Đối với muối bicarbonate magnesium Mg(HCO3)2 = MgCO3 + H2O + CO2 Phản ứng xảy ra chậm và không hoàn toàn ----> Phương pháp nhiệt thích hợp áp dụng khi nguồn nước cần xử lý có hàm lượng muối bicarbonate calcium cao và hàm lượng muối bicarbonatc magnesium thấp vì khi đó thời gian xử lý nhiệt sẽ không kéo dài, đồng thời phản ứng phân hủy các muối carbonate có tring nước sẽ đạt hiệu suất cao. b. Cải thiện chỉ tiêu vi sinh : một số loại vi sinh vật sẽ bị tiêu diệt trong quá trình gia nhiệt Phương pháp này ít được sử dụng vì cử lý nhệt tốn nhiều năng lượng 6. Phương pháp xử lý hóa chất - phương trình trao đổi Làm giảm độ cứng của nước bằng cách chuyển các muối của calcium và magnesium từ dạng hòa tan trong nước sang dạng kết tủa. Hóa chất được sử dụng là caxi hydroxit và natri carbonate Đối với nước ứng tạm thời : Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 = 2 CaCO3 + 2 H2O Mg(HCO3)2 + Ca(OH)2 = MgCO3 + CaCO3 + H2O MgCO3 + Ca(OH)2 = CaCO3 + Mg(OH)2 Đối với nước có độ cứng vĩnh cứng + Đối với muối Mg: MgCl2 +Ca(OH)2 = Mg(OH)2 + CaCl2 MgSO4 + Ca(OH)2 = Mg(OH)2 + CaSO4 Khi các phản ứng trên xảy ra sẽ tách được Mg2+ ra khỏi nước. tuy nhiên, nồng độ Ca2+ trong nước sẽ gia tăng. Để tách chúng ta cần sử dụng natri carbonate CaCl2 + Na2CO3 = CaCO3 + 2NaCl CaSO4 + Na2CO3 = CaCO3 + Na2SO4 Trong thực tế quá trình làm giảm nồng độ của nước bằng phương pháp sử dụng hóa chất ( các hóa chất bổ sung vào thiết bị xử lý nước ở dạng dung dịch ) sẽ được chia thành hai giai đoạn: Xử lý với calcium hydroxyde Xử lý với natri carbonat nước đã xử lý lắng tách cặn Na2CO3 Xử lý với Na2CO3 Ca(OH)2 Nước cần xử lý Xứ lý với Ca(OH)2 Các giai đoạn trong phương pháp làm giảm độ cứng của nước bằng hóa chất 7. Tách sắt bằng phương pháp hóa học Trong nguồn nước thiên nhiên, sắt thường tồn tại dưới dạng muối hóa trị II, phổ biến nhất là muối bicarbonate Với hàm lượng sắt từ 0.5 mg/l trở lên, nước sẽ có mùi tanh Cặn sắt bám trong hệ thống đường ống dẫn nước sẽ làm giảm lưu lượng dòng chảy và lâu ngày có thể gây tắc nghẽn Để tách sắt ra khỏi nước, thường sử dụng phương pháp chuyển hóa Fe2+ thành Fe3+ trong điều kiện có oxy 4Fe(HCO3)2 + 2H2O + O2 = 4Fe(OH)3 + 8CO2 Nguyên lý hoạt động chung của các thiết bị sử dụng trong quá trình tách sắt Môi trường được thổi không khí liên tục để cung cấp oxy Nước được phun theo dạng hạt để tăng diện tích bề mặt tiếp xúc Bổ dung vào nước một lượng chlorine như một chất xúc tác cho phản ứng oxy hóa các muối sắt 8. Phương pháp xử lý bằng tia UV Tia UV có khả năng ức chế và tiêu diệt vi sinh vật Khả năng khử trùng cao nhất khi bước sóng tia dao động trong khoảng 260-270 nm Tia UV có độ đâm xuyên rất kém Nguồn nước xử lý phải trong suốt, không có sự có mặt của các cấu tử rắn không tan hoặc các chất sinh vật của tia UV Thiết kế hệ thống chảy màng 4 1 2 3 5 1_ cửa vào của nguồn nước cần xử lý 2_ thân thiết bị 3_hộp thủy tinh cứa đèn UV 4_đèn UV 5_cửa ra vào đề tháo nước đã xử lý Sơ đồ hoạt động của thiết bị xử lý nước bằng tia UV Cơ chế tác động tác động của tia UV lên các tế bào vi sinh vật Đầu tiên, các electron sẽ bị ảnh hưởng, chúng sẽ thay đổi quĩ đạo chuyển động trong đám mây điện tử của nguyên tử hoặc bị bắn ra khỏi cấu trúc của nguyên tử. Nguyên tử sẽ bị khích thích hoặc ion hóa. → Những biến đổi trên ở cấp độ nguyên tử sẽ ảnh hưởng đến các đại phân tử như acid nucleic hoặc protein trong tế bào vi sinh vật. Những đại phân tử này có thể bị phân hủy hoặc biến tính.Tùy theo mức độ biến đổi của các đại phân tử này mà tế bào vi sinh vật có thể bị ức chế hoặc tiêu điệt → Trong một số trường hợp có thể xuất hiện một số tế bào bị đột biến dưới tác động xử lý của tia UV. 9. Xử lý chân không Nguồn nước trong tự nhiên như nước ngầm, nước bề mặt....có thể bị lẫn một số loại khí như : CO2, H2S, CH4...vì vậy để cải thiện chất lượng nước ta cần quá trình bài khí. Ngyên tắc hoạt động của quá trình bài khí trong điều kiện chân không: Phun nước vào bên trong bồn kín Nước sẽ được chảy qua hệ thống các đĩa tring bồn nhằm mục đích làm tăng diện tích tiếp xúc bề mặt nước --->quá trình bài khí đạt hiệu quả cao Phía đỉnh bồn kết nối hệ thống bơm chân không để hút các khí bị lẫn trong nước rồi thải nó ra ngoài môi trường bên ngoài. 10. Xử lý nứơc bằng acid hoặc kiềm Khi nguồn nước có độ cứng lớn hơn 10mg đượng lượng/l và tổng lượng khóang xấp xỉ 1g/l, quy định ở một số nứơc cho phép các nhà sản xuất sử dụng acid để làm gảim độ cứng. Thông dụng nhất là acid sulfuric (H2SO4). Ngòai ra ngừơi ta còn sử dụng cả acid chlohydric (HCl) hoặc acid lactic. Các acid vô cơ sẽ phản ứng với các múôn bicarbonate để tạo thành múôi trung tính và độ cứng tạm thời của nứơc sẽ đựơc chuyển qua dạng độ cứng vĩnh cửu. Còn khi sử dụng acid lactic để phản ứng với muối bicarbonate sẽ tạo thành các muối không tan lactate calcium và magnesium. Các kết tủa này sẽ đựơc tách ra khỏi nứơc bằng phương pháp lắng hoặc lọc. Để hổ trợ cho một số quá trình xử lý nứơc xảy ra nhanh và iệu quả, trong một số trừơng hợp, ngừơi ta cần phải hiệu chỉnh pH. Để tăng giá trị pH của nước, các nhà sản xuất có thể sử dụng sodium hydroxyde (NaOH), potassium hydroxyde (KOH), calcium hydroxyde (Ca(OH)2) hoặc sodium carbonate ( Na2CO3) 11. Ức chế vi sinh vật bằng hóa chất Nhiều hợp chất hóa học có khả năng ức chế vi sinh vật . Trong xử lý nứơc, sử dụng phổ biến nhất là sodium hypochloride, calcium hypochloride và ozone. a.Sodium hypochloride (NaClO): Nứơc Javel có độ chlore dao động từ 10-200 ( Độ Chlore là số lít chlore đựơc gải phóng ra tính trên 1kg sản phẩm). Khi cho NaOCl vào bể xử lý nứơc sẽ xảy ra các phản ứng chủ yếu sau đây: NaClO + H2O = HClO + NaOH HClO = HCl + O Oxy nguyên tử có khả năng oxy hóa rất mạnh và là một tác nhân diệt khuẩn. Nó sẽ chui vào bên trong tế bào vi sinh vật, tham gia phản ứng với một nhóm chức của protein và làm rối lọan quá trình trao đổi chất của tế bào. Lìêu lượng Sodium hypochloride cần sử dụng và thời gian xử lý sẽ thay đổi phụ thuộc vào nồng độ tế bào vi sinh vật có trong nứơc. Đề tiêu diệt được bào tử vi khuẩn, ta cần tăng liều lượng sử dụng và thời gian xử lý. Trong thực tế sản xuất, thời gian xử lý thường không thấp hơn 1 giờ. b.Calcium hypochloride Ca(ClO)2: Sản phẩm thương mại Ca(ClO)2 ở dạng bột màu trắng. Trước khi sử dụng, ta cần hòa Ca(ClO)2 vào nứơc, sau đó mới cho vào bể nước cần xử lý. Các phản ứng chủ yếu gồm có: Ca(ClO)2 + 2H2O = Ca(OH)2 + 2HClO HClO = HCl + O Tương tự như NaClO, Ca(ClO)2 khi phản ứng với nứơc cũng sẽ tạo ra oxy nguyên tử có tác dụng diệt vi sinh vật. Ngòai ra, còn có thể xảy ra các phản ứng sau: Ca(ClO)2 + 4HCl = CaCl2 + 2Cl2 + 2H2O Cl2 + H2O = HClO + HCl HClO = HCl + O Khí chlore sẽ phản ứng với nứơc tạo ra acid hypochloride; acid này bị phân hủy giải phóng oxy nguyên tử, góp phần ức chế hệ vi sinh vật có trong nước . Một điểm cần lưu ý là khi xử lý nứơc bằng Ca(ClO)2 thì độ cứng vĩnh cửu của nứơc sẽ tăng lên. Ưu điểm của phương pháp xử lý vi sinh vật trong nứơc bằng các hợp chất có chứa chlore là thiết bị sử dụng đơn giản, chi phí xử lý thấp, hiệu quả khử trùng khá cao. Nhựơc điểm quan trọng là nứơc sau khi xử lý có thể có mùi chlore. Để khắc phục vấn đề này ngừơi ta sẽ sử dụng than họat tính để cải thiện chỉ tiêu cảm quan ( mùi ) của nứơc. c.Ozone (O3): Ngừơi ta sử dụng ozone như một tác nhân diệt vi sinh vật. Trong nứơc, ozone không bền và sẽ bị phân giải tạo thành oxy phân tử và oxy nguyên tử. Oxy nguyên tử có khả năng oxy hóa rất mạnh: O3 = O2 + O Khả năng diệt vi sinh vật của ozone phụ thuộc vào lòai vi sinh vật, trạng thái sinh lý của tế bào, nồng độ ozone trong nứơc, thời gian xử lý và một số yếu tố khác. Ngòai chức năng ức chế hoặc tiêu diệt vi sinh vật thì ozone còn có thể phản ứng với một số tạp chất có trong nứơc, đặc biệt là các chất màu. Nước qua xử lý ozone sẽ cải thiện được độ màu và độ trong. Ozone đựơc sản xuất bằng cách cho một dòng không khí sạch ( đã đuợc tách bụi, vi sinh vật, ẩm…) đi qua giữa hai điện cực được đặt dứơi một điện áp xoay chiều. Khi đó, một số phân tử oxy trong không khí sẽ đựơc chuyển hóa thành ozone. Dòng không khí có chứa ozone sẽ theo một đường ống thóat ra ngòai và được sục vào bể nứớc cần xử lý. 12. Phương pháp kết lắng -Trong nứơc có chứa một số hợp chất hóa học ở dạng kẹo như gum, acid silicic và các muối của nó. Các hợp chất dạng keo có kích thứơc dao động trong khỏang 10-4–10-6mm. Quá trình lắng thông thường ( lắng dưới tác dụng của trường trọng lực) không thể tách được chúng ra khỏi nứơc. Khi đó, ta cần sử dụng các chất trợ lắng, phổ bíên nhất là phèn ngôm và phèn sắt. -Phèn nhôm có công thức hóa học là Al2(SO4)3.18H2O. Khi cho vào nứơc sẽ xảy ra các phản ứng sau: Al2(SO4)3.18H2O = 2Al3+ + 3SO42- Al3+ + 3H2O = Al(OH)3 + 3H+ -Hydroxyden nhôm tạo thành có độ hòa tan kém và có dạng bông. Nhờ đó, các hợp chất dạng keo sẽ hấp thụ lên bề mặt các bông hydroxyde nhôm, tạo nên những tập hợp (aggregate) với kích thứơc lớn hơn và nặn ghơn. Chúng ta có thể tách chúng ra khỏi nứơc dễ dàng bằng phương pháp lắng hoặc lọc. -Các bông hydroxyde nhôm tích điện dương do đó không chỉ có các hợp chất dạng keo mà những tạp chất tích điện âm có trong nứơc cũng sẽ liên kết với chúng, bị kết tủa và đựơc tách ra khỏi nứơc. Lưu ý là khi xử lý nứơc bằng phèn nhôm thì sẽ làm xuất hiện một lượng nhỏ acid sulfuric trong nứơc. Acid này sẽ phản ứng với múôi calcium bicarbonate để tạo thành muối calcium sulphate, khí CO2 và nứơc. Như vậy, một phần độ cứng tạm thời sẽ được chuểyn sang độ cứng vĩnh cửu. Liều lựơng phèn nhôm sử dụng phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng các hợp chất keo có trong nứơc và đựơc xác định bằng phương pháp thực nghệim. Kích thứơc bông hydroxide nhôm đựơc tạo thành từ phèn nhôm bị ảnh hửơng bởi giá trị pH của nguồn nứơc cần xử lý. Theo lý thuyết, kích thứơc bông càng lớn thì quá trình tách các hợp chất keo trong nứơc sẽ đạt hiệu quả càng cao. Khi giá trị pH của nứơc nhỏ hơn 4, các bông hydroxyde nhôm có kích thứơc rất bé. Ngựơc lại, khi giá trị pH của nứơc lớn hơn 4 , kích thước các bông hydroxyde sẽ lớn hơn. Giá trị pH tối ưu để xử lý nứơc bằng phèn nhôm dao động trong khỏang 7,5-7,8. Khi giá trị pH của nứơc lớn hơn 8 thì sẽ không tạo thành hydroxyde, phèn nhôm sẽ không còn tác dụng hỗ trợ sự kết lắng của các hợp chất keo trong nứơc. Phèn sắt có công thức hóa học là Fe2(SO4)3.9H2O. Tương tự như phèn nhôm, khi cho phèn sắt vào nứơc, cũng xảy ra các phản ứng: Fe2(SO4)3 = 2Fe3+ + 3SO42- Fe3+ + 3H2O = Fe(OH)3 + 3H+ Kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho thấy quá trình xử lý nước bằng phèn sắt đạt hiệu quả cao nhất khi giá trị pH của nứơc nằm trong khỏang 8,2-8,5 Để tiến hành xử lý nứơc bằng phèn nhôm hoặc phèn sắt, ngừơi ta sử dụng bể chứa nứơc hình trụ, đáy côn hoặc hình khối khối hộp chữ nhật, bên trong có cánh khuấy hoặc hệ thống đừơng ống sục khí để đảo trộn. Trứơc tiên, ngừơi ta cho phèn nhôm hoặc phèn sắt vào nứơc để tạo dung dịch có nồng độ xấp xỉ 5%, sau đó bổ sung dung dịch này vào bể nứơc cần xửlý. Cho cánh khuấy họat động hoặc sục khí trong thời gian đầu để phân bố đều hóa chất trong bể nứơc. Tiếp theo, tắt cánh khuấy hoặc ngưng sục khí để quá trình kết lắng xảy ra. Tại một số cơ sở sản xuất thức úông, ngừơi ta có thể châm dung dịch phèn nhôm hoặc phèn sắt ngay trên hệ thống đường ống dẫn nguồn nứơc ngầm vào bể lắng. Khi đó, chúng ta không cần sử dụng cánh khuấy hoặc hệ thống sục khí để đảo trộn. Thời gian cần thiết để xảy ra sự kết lắng các tạp chất keo trong nứơc bởi phèn nhôm hoặc phèn sắt có thể kéo dài đến 6-8 giờ 13. Phương pháp hấp phụ Để tách một số tạp chất ra khỏi nước, người ta có thể sử dụng phương pháp hấp phụ bằng than hoạt tính. Than hoạt tính là một thuật ngữ chung để chỉ nhóm vật liệu carbon có độ xốp cao. Bề mặt riêng của than hoạt tính có thể dao động trong khoàng 500- 1.500m2/g . Nhờ đó , than hoạt tính có thể hấp phụ nhiều hơn lao5i tạp chất, đặc biệt là các chất màu và mùi có trong nước. Khi ta sử dụng các hợp chất có chứa cchlore để ức chế hệ vi sinh vật trong nước, sau khi xử lý nước thường có mùi chlore. Cần cho nguồn nước này qua cột chứa than hoạt ti1ng. ngoài khà năng chất mùi được hấp phụ trên bề mặt các hạt than, còn có thể xảy ra phản ứng: C + 2Cl2 + 2H2O = CO2 + 4HCl Như vậy, việc khử mùi nước sẽ đạt hiệu quả cao. Hiệu quả của quá trình xử lý nước bằng than hoạt tính phụ thuộc vào thành phần hóa học của nguồn nước cần xử lý, những tính chất của loại than hoạt tính phụ thuộc vào thành phần hóa học của nguồn nước cần xử lý, những tính chất của loại than hoạt tính sử dụng và các thông số công nghệ của quá trình xử lý ( chiều cao của lớp than trong thiết bị xử lý, lưu lượng nước đi qua thiết bị...). Trong thực tế, để xử lý nước bằng than hoạt tính, người ta thường sử dụng thiết bị lọc với vật liệu lọc gồm ba thành phần là sỏi, cát và than ( hình 2.10). Thiết bị này có cấu tạo tương tự như thiết bị lọc sử dụng vật liệu lọc là cát và sỏi ( hình 2.5). Điểm khác biệt chủ yếu là trong thiết bị này có đến bốn lớp vật liệu lọc được ngăn cách nhau bởi bốn tấm đỡ. Dưới cùng là lớp sỏi với chiều cao 10 cm. Phía trên lớp sỏi lần lượt là lớp cát (dày 35 cm) rồi đến lớp than hoạt tính ( dày 15 cm). Trên cùng là lớp sỏi với chiều cao 10cm. Lớp sỏi và cát có chức năng giữ lại một số cấu tử khôg tan trong nước. Còn lớp than sẽ hấp thụ một số hợp chất màu mùi ...nhờ đó cải thiện các tính cảm quan của nước. 14. Phương pháp trao đổi ion Trong công nghệ xử lý nước, phương pháp trao đổi ion được sử dụng để tách các hợp chất tích điện ra khỏi nước. Như vậy, sau khi qua xử lý trao đổi ion, độ cứng và nồng độ các cation và anion có trong nước sẽ giảm xuống. Bản chất của phương pháp trao đổi ion là sự tương tác giữa nước với pha rắn có chứa sẵn các ion có thể đổi chỗ với cation có trong nguồn nước cần xử lý . Các chất tạo nên pha rắn được gọi là ionit ( nhựa trao đổi ion ) Ionit có khả năng tham gia trao đổi với các ion dương được gọi là cationit và ionit tham gia trao đổi với các ion âm được ghọi là anionit. Từ đó, phương pháp trao đổi ion có thể chia thành hai nhóm cơ bản là trao đổi cation và trao đổi anion. a. Giới thiệu về các ionit Hiện nay, có nhiều loại cationit và anionit khác nhau được sử dụng ở quy mô công nghiệp. Bản chất hóa học của các ionit là các hạt nhựa tổng hợp đã gắn sẵng các ion. Thường gặp nhất là nhựa Polystyrene_ diviylbenzen. Khi ta thực hiện phản ứng polymer hóa styrene sẽ tạo ra sản phẩm là các sợi polystyrene mạch thẳng. Nếu ta thực hiện phản ứng polymer hóa khi có mặt cả styrene và divinylbenzene thì các phản tử divinyl bezebe sẽ tạo nên những cầu nối để liên kết các mạch polystyrene lại với nhay, từ đó hình thành nên mạng lưới không gian ba chiều và tạo nên cấu trúc đặc trưng cho nhựa polystyrene divinylbezene Tỷ lệ hàm lượng divinylbezene trong hỗn hợp các chất tham gia phản ứng polymer hóa sẽ ảnh hưởng quyết định đến tính chất của nhựa polystyrene-divinylbezene. Thông thường, tỷ lệ này chiếm từ 6%-15% Cationit: Để tạo nên cationit, người ta có thể gắn một số chất hóa học lên các hạt nhựa polystyrene-divinylbezene, ví dụ như acid sulfonic Do các acid sulfonic dễ dàng bị phân ly thành _SO3- và H+ nên khả năng trao đổi cation của cationit là rất cao. Loại cationit này thường được sử dụng trong xử lý nước để tách các ion kim loại như Ca2+, Mg2+... Ngoài ra , để tạo nên các cationit có khả năng trao đổi yếu hơn, người ta thường sử dụng nhóm carboxylic. Nhóm này sẽ không được gắn trực tiếp lên vòng bezene trong cấu trúc của hạt nhựa mà sẽ được gắn với mạch carbon apliphatic. Để thực hiện điều này, người ta đồng trùng hợp một acid hữu cơ không bão hòa với divinylbezene: Anionit: Để tao nên anionit, người ta gắn lên vòng bezene của các hạt nhựa polystyrene-divinylbezene một nhóm amine. Trước tiên, ta cần thực hiện phản ứng chloromethyl hóa polystyrene – divinylbezene, sau đó xử lý sản phẩm với amine bậc 1, 2, 3 hoặc với NH3. Dưới đây là sơ đồ phản ứng sử dụng amine bậc 3: Tùy thuộc vào tác nhân sử dụng là ammoniac hoặc amin bậc 1, 2 hoặc 3 mà sản phẩm anioit sẽ có các mức độ phân ly mạnh hay yếu b. Quy trình xử lý nước bằng phương pháp trao đổi ion Vấn đề cần lưu ý trước tiên là nước khi vào thiết bị trao đổi ion không được chứa các cấu tử lơ lửng, chlorine và các khí hòa tan khác. Nhứ vậy, ta cần thực hiện quá trình lắng, lọc và bài khí trước khi sử dụng phương pháp trao đổi ion để xử lý nguồn nước có các tạp chất nói trên Khi cho nước qua cột cationit, các cation có trong nước sẽ bị giữ lại trên cột. Sơ đồ trao đổi ion của các muối hòa tan calcium được biểu diễn như sau:( phương trình) CaCl2 + H2_ Resin ----> Ca_Resin + 2HCl CaCO3 + H2_ Resin ----> Ca_Resin + H2O +CO2 CaSO4 + H2_ Resin ----> Ca_Resin + H2SO4 Ca(NO3)2 + H2_ Resin ----> Ca_Resin + 2HNO3 Như vậy, nồng độ các cation có trong nước sau khi xử lý sẽ giảm xuống. Tuy nhiên, trong nước sẽ xuất hiện các acid và làm giảm giá trị pH của nước. Để tách các acid ra khỏi nước, ta sử dụng phương pháo trao đ63i anion. Sơ đồ trao đổi như sau: HCl + HO_Resin ----> Cl_Resin + H2O H2SO4 + (HO)2_Resin ----> SO4_Resin + 2H2O HNO3 + HO_Resin ----> NO3_Resin + H2O Như vậy, các anion như Cl-, NO3-, SO42-... sẽ được tách khỏi nước sau khi cho nước qua cột anionit Trong thực tế sản xuất, người ta sẽ cho nước lần lượt qua cột cationit rồi cột anionit. Kết quả cuối cùng là sẽ làm giảm được độ cứng và nồng độ các ion khác có trong nước cần xử lý. Trong một số trường hợp, sau khi nước qua cột cationit, người ta sẽ tiến hành bài khí trong nước trước khi cho nước qua cột anionit. Sau một khoảng thời gian sử dụng, khả năng trao đổi ion của các hạt nhựa trong cột cationit và anionit bị giảm xuống. Ta cần phải tái sinh chúng Đối với cationit sạng H_ Resin, người ta thường sử dụng acid để tái sinh như dung dịch H2SO4 1-5 % hoặc dung dịch HCl 5-6%. Trong quá trình tái sinh sẽ xảy ra sự trao đổi ion như sau Ca_Resin + 2HCl ----> CaCl2 + H2_ Resin Hoặc Ca_Resin + H2SO4 ----> CaSO4 + H2_ Resin Nếu cationit dạng Na_Resin thì sử dụng dung dịch NaCl 5-10 % để tái sinh cột Đối với anionit dạng HO_Resin, người ta sừ dụng dung dịch base như dung dịch NaOH 1% để tái sinh:( 2 phương trình ) Cl_Resin + NaOH ---> HO_Resin + NaCl SO4_Resin + 2 NaOH ---> (HO)2_Resin + Na2SO4 Các muối NaCl , Na2SO4... hòa tan được trong nước và sẽ theo dòng dung dịch tái sinh thoát ra ngoài cột ionit. Ưu điểm cùa phương pháp trao đổi ion là cấu hình thiết bị đơn giản, quy trình dễ vận hành, không tốn kém nhiều chi phí trong một khoàng thời gian dài. Trong thực tế, người ta thường kết hợp phương pháp trao đổi ion với nhiều phương pháp khác để đảm bảo nguồn nước sau xử lý có độ cứng và nồng độ khoáng theo yêu cầu