Tóm tắt luận án Tiến sĩ Kỹ thuật môi trường: Nghiên cứu cải tiến quy trình điều chế dung dịch siêu oxy hóa và ứng dụng trong khử trùng nước thải bệnh viện

Chia sẻ: Lê Thị Hồng Nhung | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

58
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận án hoàn thiện quy trình công nghệ điều chế dung dịch siêu oxy hóa, từ đó chế tạo thiết bị cho phù hợp với điều kiện Việt Nam và ứng dụng dung dịch này khử trùng nước thải bệnh viện.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt luận án Tiến sĩ Kỹ thuật môi trường: Nghiên cứu cải tiến quy trình điều chế dung dịch siêu oxy hóa và ứng dụng trong khử trùng nước thải bệnh viện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ……..….***………… NGUYỄN THỊ THANH HẢI NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN QUY TRÌNH ĐIỀU CHẾ DUNG DỊCH SIÊU OXY HÓA VÀ ỨNG DỤNG TRONG KHỬ TRÙNG NƢỚC THẢI BỆNH VIỆN Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường Mã số: 62 52 03 20 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƢỜNG Hà Nội – 2018 1
Công trình đƣợc hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam Ngƣời hƣớng dẫn khoa học 1: PGS. TS. Nguyễn Hoài Châu Ngƣời hƣớng dẫn khoa học 2: PGS. TSKH. Ngô Quốc Bƣu Phản biện 1: … Phản biện 2: … Phản biện 3: …. Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ, họp tại Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam vào hồi … giờ ..’, ngày … tháng … năm 201…. Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ - Thư viện Quốc gia Việt Nam 2
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Hiện tượng hoạt hóa điện hóa (HHĐH) được nhóm các nhà khoa học Nga đứng đầu là Bakhir V.M. phát hiện năm 1975, sau đó liên tục được nghiên cứu phát triển tại Nga và nhiều nước khác, nay đã trở thành một ngành công nghệ nổi bật trong lĩnh vực điện hóa được ứng dụng rất rộng rãi trong các ngành sản xuất và đời sống trên thế giới. Ở Việt Nam, các nhà khoa học của viện CNMT cũng đã tiếp cận được với thiết bị sản xuất dung dịch HHĐH siêu oxy hóa sử dụng MB-11 từ năm 2011. Tuy nhiên, sau khi thử nghiệm vận hành trong điều kiện thực tế Việt Nam, thiết bị này đã bộc lộ một số nhược điểm không phù hợp: nhiệt độ buồng điện hóa tăng cao, nhanh đóng cặn buồng điện hóa,…dẫn đến thiết bị làm việc không ổn định, gây ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm và tuổi thọ thiết bị. Nhu cầu hoàn thiện công nghệ sản xuất dung dịch HHĐH dùng MB-11 trở thành cấp bách từ năm 2011 và nhóm nhà khoa học của Viện CNMT trong đó tác giả của Luận án này đóng vai trò chính đã tìm ra hướng giải quyết là thay đổi sơ đồ thủy lực của thiết bị được nhập từ Nga. Việc thiết kế và chế tạo thiết bị thử nghiệm sử dụng môđun MB-11 thành công sẽ mở ra khả năng mới giải quyết được các khó khăn trong khử trùng nước thải bệnh viện là đối tượng nghiên cứu của Viện CNMT từ 15 năm nay. 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án Nghiên cứu hoàn thiện quy trình công nghệ điều chế dung dịch siêu oxy hóa, từ đó chế tạo thiết bị cho phù hợp với điều kiện Việt Nam và ứng dụng dung dịch này khử trùng nước thải bệnh viện. 3. Các nội dung nghiên cứu chính của luận án - Hoàn thiện công nghệ điều chế dung dịch siêu oxy hóa cho phù hợp hơn với điều kiên thực tế ở Việt Nam; - Ứng dụng dung dịch siêu oxy hóa để khử trùng nước thải bệnh viện. 4. Những đóng góp mới của luận án Luận án đã nghiên cứu và thiết lập thành công sơ đồ thủy lực mới của hệ thiết bị sản xuất dung dịch siêu oxy hóa supowa công suất 500 ± 5 g chất oxy hóa/ngày tại Việt Nam trên cơ sở áp dụng chế độ không quay vòng catolit thông qua việc xác lập mối liên hệ giữa số vòng quay catolit và các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng dung dịch và tuổi thọ thiết bị. Nhờ vậy đã giảm được nhiệt độ của catot trong quá trình vận hành xuống dưới 39oC, góp phần làm tăng tuổi thọ và khả năng hoạt động ổn định của thiết bị trong điều kiện khí hậu nhiệt đới, đáp ứng được yêu cầu của các trạm xử lý nước thải bệnh viện quy 3
mô nhỏ (hoặc Trung tâm y tế) công suất 150 giường bệnh. Ngoài ra, kết quả của luận án đã chứng minh cho khả năng có thể nội địa hóa thiết bị sản xuất dung dịch siêu oxy hóa ngoại trừ việc nhập khẩu mô đun hoạt hóa điện hóa. Các kết quả của luận án đã mở ra hướng đi mới trong việc ứng dụng công nghệ cao để khử trùng nước ăn uống và nước thải theo hướng an toàn cho con người, thân thiện với môi trường và giảm thiểu rõ rệt nguy cơ bị nhiễm độc khí clo cho công nhân trực tiếp vận hành. Các nhiệm vụ cụ thể hơn đã được đặt ra nhằm đưa dung dịch siêu oxy hóa vào ứng dụng với giá thành hạ, mức độ tiện dụng cao, an toàn khi sử dụng, phục vụ tốt cho công tác khử trùng nước thải bệnh viện, góp phần hạn chế sự phát tán mầm bệnh từ các cơ sở y tế. CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Dung dịch siêu oxy hóa và đặc tính của nó 1.1.1. Giới thiệu về dung dịch siêu oxy hóa 1.1.1.1. Dung dịch hoạt hóa điện hóa (HHĐH) HHĐH là tổ hợp các tác động điện hóa lên dung dịch nước chứa các ion và phân tử của các chất tan tại vùng không gian sát bề mặt điện cực (anốt hoặc catốt) trong một buồng phản ứng điện hóa dòng chảy có màng ngăn, trong điều kiện chuyển điện tích không cân bằng qua giới hạn “điện cực - dung dịch” với kết quả là các thành phần của dung dịch được đưa lên trạng thái kích thích giả bền để sau khi ngừng kích thích sẽ tắt dần về trạng thái cân bằng nhiệt động học [19]. Dung dịch siêu oxy hóa (supowa) là dung dịch HHĐH có hoạt tính oxy hóa cao trong khi độ khoáng hóa cực thấp [22]. Đặc trưng của dung dịch siêu oxy hóa so sánh với dung dịch HHĐH thông thường (dung dịch oxy hóa) được thể hiện trong bảng 1.1. Bảng 1.1. Đặc trưng của dung dịch HHĐH thông thường (dung dịch oxy hóa) và dung dịch siêu oxy hóa STT Các thông số kỹ thuật DD HHĐH DD siêu oxy hóa 1 Nồng độ khoáng (tổng lượng chất ~4500 ÷ 5000 ~ 1000 ÷ 1500 tan- mg/L) 2 Nồng độ chất oxy hóa tối ưu, mg/L ~300 ~500 3 Thế oxy hóa khử (mV) > 800 > 800 4 pH 6,5 ÷ 7,5 6,5 ÷ 7,5 Dung dịch siêu oxy hóa nghiên cứu trong các nội dung tiếp sau đây được tạo ra trên cơ sở sử dụng mô đun MB- 11 (một mô đun cải tiến của công nghệ Hình 1.4. Mô đun buồng điện hóa 4 MB-11
HHĐH có kết cấu và đặc tính kỹ thuật khác biệt ít nhiều so với mô đun kiểu cũ, cụ thể là có lớp phủ anốt bền vững hơn, điện áp phân cực cao hơn ( 3V), cho phép hoạt hóa các dung dịch với độ khoáng hóa thấp hơn nhiều). Thành phần của supowa sẽ bao gồm hàng loạt các chất oxy hóa hoạt tính cao như: HClO, ClO-, Cl, HO, HO2, H2O2, O3, 1O2, O, Cl2, HCl, ClO2, O3...[21]. Tất cả những chất này đều có thể hiện diện trong môi trường bên trong cơ thể sống của động vật bậc cao, do vậy supowa có phổ tác động rộng đối với vi sinh vật, bao gồm vi khuẩn, virut, nấm, nhưng không làm tổn hại đến các tế bào mô của người và các động vật bậc cao khác. Sự khác biệt đó là do cấu trúc của các loại tế bào khác nhau [25]. Ngoài các nhà khoa học người Nga, trên thế giới đã có nhiều nhà khoa học nghiên cứu về dung dịch siêu oxy hóa, thực chất là các dung dịch HHĐH có các tên thương mại khác nhau như Sterilox®, Sterisol®, Medilox®, Dermacyn®, Microcyn®, Varul®, Esterilife® và Estericide® QX,… Mỗi loại đều có các thành phần khác nhau [30]. Đa số các ý kiến đều cho rằng nước siêu oxy hóa có tiềm năng rất lớn trong việc khử trùng trong mọi lĩnh vực của đời sống, tuy nhiên cần phải có các nghiên cứu chuyên sâu về các ứng dụng trong từng lĩnh vực. 1.1.2. Một số phương pháp điều chế dung dịchHHĐH 1.1.2.1. Nguyên lý của công nghệ điều chế anolit Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lý của FEM- Hình 1.6. Sơ đồ nguyên lý hoạt 3 điều chế dung dịch HHĐH anolit động của MB-11 điều chế dung ANK[Error! Reference source not dịch supowa theo công nghệ hấp found.] thụ hỗn hợp khí ướt [21]. Khi sử dụng công nghệ hấp thụ hỗn hợp các chất oxy hóa dưới dạng khí (sau đây được gọi tắt là hỗn hợp khí ướt, hình 1.6) dùng mô-đun MB-11, nước sạch được cấp vào ngăn catốt đồng thời với việc đưa dung dịch NaCl vào ngăn anốt. Trong điều kiện áp suất xuyên màng PA (khoang anốt) lớn hơn áp suất xuyên màng PC (khoang catốt) các ion Na+ cùng với một số phân tử H2O sẽ đi từ khoang anốt sang khoang catốt để tạo catolit. Sau khi dung dịch catolit đi qua khoang tách khí để xả khí H2 và các hydroxit kim loại nặng, nó được dẫn ra để hấp thụ hỗn hợp khí ướt bao gồm Cl2, HOCl, HCl, ClO2, O3... và cuốn theo cả các hạt nước trong ngăn anốt [19]. 5
1.1.2.2. Một số sơ đồ công nghệ điều chế supowa đã được ứng dụng Hình 1.8. Sơ đồ quy trình công nghệ cải tiến cho phép điều chế anolit ANK có hàm lượng các chất oxy hóa cao trên thiết bị cải tiến STEL-30-ECO-C NaCl 10-20 g/L Hình 1.9. Một số sơ đồ điều chế anolit của Nga [62] 1.1.3. Tình hình nghiên cứu nước siêu oxy hóa trong nước Tại Việt Nam, từ năm 2000, ở Trung tâm Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Quốc gia (nay là viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) đã hình thành nhóm nghiên cứu chế tạo thiết bị sản xuất anolit theo sơ đồ công nghệ của STEL-10H-120-01, trên cơ sở sử dụng mô-đun PEM-3 nhập từ Nga. Các nhà khoa học ở viện Công nghệ môi trường (viện CNMT)đã tiến hành các nghiên cứu và thiết kế chế tạo các thiết bị HHĐH chủ yếu nhằm mục đích tìm ra những sự khác biệt về sơ đồ lắp đặt thiết bị, về các tính chất giả bền của các dung dịch HHĐH cũng như các đặc trưng khử trùng của chúng trong điều kiện cụ thể tại Việt Nam để nâng cao hiệu quả ứng dụng công nghệ HHĐH tại nước ta. Trên cơ sở sử dụng các môđun FEM-3 nhập khẩu từ LB Nga,viện CNMT đã chế tạo thành công các thiết bị HHĐH kiểu STEL-ANK “kinh điển” với tên gọi là ECAWA có công suất từ 20 ÷ 500 L/h, thế oxy hóa khử ORP 800 ÷900 mV và nồng độ chất oxy hóa 300 ÷350 mg/L. 6
Từ năm 2002 đến nay, ECAWA đã được sử dụng ở nhiều địa phương trên khắp đất nước để khử trùng trong y tế [23,40], xử lý ô nhiễm nước và môi trường [23, 100], sản xuất tôm giống [101], chế biến thuỷ sản [100,102], chăn nuôi [103] và giết mổ gia cầm [104]. Từ năm 2011, viện CNMT đã tiếp nhận cácthiết bị STEL thế hệ 2 và 3 do phía đối tác Nga chuyển giao [23] để nghiên cứu và đánh giá. Sau một thời gian thử nghiệm tại thực tiễn Việt Nam, các thiết bị này đã bộc lộ những nhược điểm cần phải khắc phục: hoạt động không ổn định, thường xuyên có hiện tượng bít tắc màng, đóng cặn trên điện cực, nhiệt độ buồng điện hóa tăng cao,… gây ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm và tuổi thọ thiết bị. 1.2. Nƣớc thải bệnh viện và đặc trƣng ô nhiễm Nước thải bệnh viện ngoài các thành phần ô nhiễm thông thường còn chứa những tác nhân gây bệnh như: vi khuẩn, vi rút, động vật nguyên sinh gây bệnh, trứng giun…, đặc biệt là nước thải của các bệnh viện truyền nhiễm, lao và các cơ sở lây nhiễm khác. Những loại vi khuẩn đặc thù để đánh giá chất lượng nước thải bệnh viện là: Vibrio cholerae, coliforms, Salmonella, Shigella..., trong đó coliforms được coi là một chỉ điểm vệ sinh. Các chủng này thường kháng với nhiều loại kháng sinh. 1.3. Các phƣơng pháp khử trùng nƣớc thải bệnh viện Các phương pháp khử trùng nước thải bệnh viện được sử dụng hiện nay chủ yếu là khử trùng bằng các hợp chất chứa clo, bằng ozon và bằng tia cực tím. Trong đó, phổ biến là sử dụng các hợp chất chứa clo. Các phương pháp này có nhược điểm hoặc là có tính ăn mòn cao, tạo ra sản phẩm phụ độc hại, hiệu quả khử trùng kém, hoặc là không an toàn đối với người sản xuất và người sử dụng. Phương pháp khử trùng nước thải bằng dung dịch hoạt hóa điện hóa, một giải pháp nâng cao hiệu quả tác dụng của phương tiện khử trùng có chứa clo, tuy đã có những nghiên cứu ban đầu khẳng định về hoạt lực khử trùng mạnh mẽ và tính an toàn, thân thiện môi trường, nhưng chưa có nghiên cứu cụ thể và toàn diện về khử trùng nước thải y tế nhằm đưa ra giải pháp hoặc quy trình chung áp dụng cho một trạm xử lý nước thải y tế. Tóm lại, trên cơ sở kết quả cải tiến các sơ đồ công nghệ điều chế dung dịch siêu oxy hóa cho phù hợp hơn với điều kiện sản xuất tại Việt Nam, luận án này đề xuất ứng dụng dung dịch siêu oxy hóa để khử trùng nước thải y tế nhằm giải quyết các tồn tại của các phương pháp khử trùng nước thải truyền thống và mở ra hướng đi mới trong việc ứng dụng công nghệ cao để khử trùng nước nói chung và nước thải nói riêng theo hướng an toàn cho con người, thân thiện với môi trường. 7
CHƢƠNG 2. ĐIỀU KIỆN VÀ PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1. Đối tƣợng nghiên cứu + Dung dịch siêu oxy hóa có nồng độ khoáng thấp, bao gồm cải tiến quy trình công nghệ điều chế dung dịch, chế tạo và hoàn thiện thiết bị điều chế nước siêu oxy hóa có nồng độ khoáng thấp; + Nước thải bệnh viện của bệnh viện Hữu Nghị và bệnh viện Quân Y 354. 2.2. Phƣơng pháp hoàn thiện công nghệ điều chế dung dịch siêu oxy hóa 2.2.1. Phương pháp khảo sát các tính năng chủ yếu của công nghệ hấp thụ hỗn hợp khí ướt để điều chế dung dịch siêu oxy hóa 2.2.1.1. Xây dựng sơ đồ thử nghiệm điều chế dung dịch siêu oxy hóa 2.2.1.2. Các điều kiện vận hành 2.2.1.3. Các thông số cần đạt khi vận hành 2.2.2. Nghiên cứu khả năng lưu trữ và sự hao tổn chất oxy hóa trong quá trình lưu trữ của nước siêu oxy hóa 2.2.3. Chế tạo thiết bị sản xuất dung dịch siêu oxy hóa 2.2.3.1. Yêu cầu của thiết bị 2.2.3.2. Lựa chọn sơ đồ công nghệ của thiết bị và các chi tiết liên quan 2.2.3.3. Thiết kế, chế tạo và vận hành thử nghiệm 2.2.3.4. Hoàn thiện thiết bị, thiết lập qui trình vận hành để đạt được các thông số cơ bản của dung dịch supowa 2.2.4. Các phương pháp xác định thông số của dung dịch siêu oxy hóa 2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu ứng dụng dung dịch siêu oxy hóa để khử trùng nƣớc thải bệnh viện 2.3.1. Phương pháp đánh giá hiệu lực khử trùng của dung dịch siêu oxy hóa 2.3.2. Phương pháp đánh giá ảnh hưởng của giá trị pH, amoni, COD và BOD5 trong nước thải đến hiệu lực khử trùng của dung dịch siêu oxy hóa 2.3.3. So sánh sự tạo thành THMs khi dùng supowa với các chất khử trùng khác 2.3.4. Nghiên cứu ứng dụng nước siêu oxy hóa để khử trùng nước thải bệnh viện 2.4. Vật liệu sử dụng - Các chất khử trùng; - Các chủng vi khuẩn quốc tế; - Vật tư, hóa chất khác. 2.5. Kỹ thuật sử dụng: Tất cả các phép đo, kỹ thuật nhân giống, phương pháp xác định các chỉ tiêu, chuẩn bị các dung dịch thí nghiệm, lấy mẫu,… đều tuân theo các tài liệu hướng dẫn chuẩn quốc tế và TCVN hiện hành 8
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Điều chế dung dịch siêu oxy hóa 3.1.1. Điều chế dung dịch siêu oxy hóa có độ khoáng hóa thấp sử dụng phương pháp quay vòng catolit 3.1.1.1. Thiết lập sơ đồ và quy trình điều chế Sản phẩm nước siêu oxy hoá supowa thu được với lưu lượng 15 L/h có nồng độ các chất oxy hóa xấp xỉ 500 mg/L, ORP~905mV, pH trung tính và TDS xấp xỉ 1000 mg/L, chất lượng tương đương với sản phẩm thu được từ thiết bị STEL-ANK- PRO-01 của công ty Delphin Hình 3.1. Sơ đồ điều chế dung dịch siêu (Nga). oxy hóa với dòng catolit quay vòng 3.1.1.2. Sự phụ thuộc của thông số supowa vào lưu lượng dòng catolit Lưu lượng catolit càng lớn thì nồng độ các chất oxy hóa, tổng nồng độ khoáng (TDS) của supowa và nhiệt độ của buồng phản ứng càng giảm. Hình 3.2. Ảnh hưởng của lưu lượng Hình 3.3. Ảnh hưởng của lưu dòng catolit quay vòng đối với nồng lượng dòng catolit quay vòng đối độ các chất oxy hóa và độ khoáng hóa với nhiệt độ buồng điện hóa hoạt trong dung dịch siêu oxy hóa hóa Tuy nhiên, nếu tiếp tục tăng lưu lượng catolit sẽ làm giảm nồng độ các chất oxy hóa của supowa xuống dưới 500 mg/L. Vì vậy, lưu lượng catolit nên được chọn là từ 20 L/h đến 25 L/h. 9
3.1.1.3. Sự phụ thuộc của thông số supowa vào điện thế cấp cho mô đun điện hóa MB-11 (a) (b) Hình 3.4. Sự phụ thuộc của nồng độ chất oxy hóa (OXH) (a) và năng suất sản xuất chất oxy hóa (b) vào điện thế điện phân Việc tăng điện thế cho buồng điện hóa đã tạo thuận lợi để đạt mục tiêu tăng hoạt chất oxy hóa và giảm nồng độ khoáng do làm tăng hệ số chuyển hóa muối. Tuy nhiên năng suất supowa (hình 3.4b) chỉ tăng tuyến tính đến khoảng 6,6 V ÷ 6,8 V, còn sau đó mức độ tăng chậm lại do sự cạnh tranh của phản ứng điện phân nước, làm tăng chi phí điện năng. Đồng thời điện áp tăng cũng làm cho nhiệt độ buồng điện hóa tăng theo dẫn đến giảm tuổi thọ điện cực. Vì vậy giá trị điện thế hợp lý được chọn nằm trong khoảng từ 6,6 đến 6,8 V. Giá trị này nằm trong khoảng hướng dẫn của nhà sản xuất (6 ÷ 8 V) ở ngưỡng thấp. Điều này rất có giá trị vì để đạt được các thông số sản phẩm như nhau thì sử dụng điện áp càng thấp sẽ càng tiết kiệm được chi phí điện năng. 3.1.1.4. Sự phụ thuộc của thông số supowa vào chế độ cấp dung dịch muối Lượng muối tiêu hao có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng sản phẩm. Lượng muối tiêu hao cao cho phép tăng nồng độ chất oxy hóa, nhưng hàm lượng TDS trong sản phẩm cũng tăng theo, dẫn đến làm suy giảm tính chất siêu oxy hóa của dung dịch anolit. Các kết quả cho thấy liều lượng muối cấp phù hợp nằm trong khoảng từ 18 ÷ 24 g/h. Hình 3.5. Ảnh hưởng của chế độ cấp Hình 3.6. Ảnh hưởng của chế độ muối lên chất lượng dung dịch siêu cấp muối lên năng suất sản xuất oxy hóa chất oxy hóa 10
3.1.1.5. Vận hành ở chế độ tối ưu: thể hiện trên bảng 3.1 Bảng 3. 1. Chế độ vận hành tối ưu của sơ đồ quay vòng catolit Thông số Đơn vị Giá trị đạt đƣợc Hàm lượng chất oxy hóa trong sản phẩm mg/L  500 Năng suất chất oxy hóa g/h ≤ 7,5 pH sản phẩm 6,5÷7,5 Điện áp sử dụng UDC V 6,6÷6,8 Lưu lượng dòng catolit L/h 20÷25 Liều lượng muối cấp vào buồng điện hóa g/h 18÷24 Lượng điện năng tiêu hao để sản xuất ra 1 W.h/g 7,0 ÷ 7,2 đơn vị chất oxy hóa trong sản phẩm Lượng muối tiêu hao để sản xuất ra 1 đơn vị g/g 2,26 ÷ 2,91 chất oxy hóa trong sản phẩm O Nhiệt độ buồng catốt C 39 - 40 Có thể thấy phương pháp điều chế dung dịch siêu oxy hóa có độ khoáng hóa thấp bằng sơ đồ không quay vòng catolit có thể sử dụng điện áp thấp (6,7÷6,8V) đã có thể cho ra sản phẩm có chất lượng như yêu cầu. Điều kiện vận hành và các thông số sản phẩm đạt được tương đương với các thiết bị cùng loại do Nga sản xuất. Tuy nhiên, nhiệt độ buồng điện hóa (đo phía ngoài buồng) tăng nhanh lên mức cao (39o÷40oC) trong thời gian ngắn. Trong vòng 72 giờ vận hành đã phát hiện thấy sự sụt giảm hàm lượng chất oxy hóa trong sản phẩm do sự đóng cặn các kết tủa hydroxit kim loại làm bít tắc màng. Thực tiễn vận hành thiết bị đã cho thấy chế độ quay vòng catolit làm tăng nhiệt độ, pH và độ dẫn của catolit. Ba đại lượng này phụ thuộc vào một số yếu tố có thể mô tả như sau: toC, EC, pH = f(n) trong đó toC – nhiệt độ buồng điện phân (trên bề mặt ca tốt); EC – độ dẫn điện của dung dịch catolit pH – độ pH của dung dịch catolit n – số vòng quay catolit Tuy nhiên, sự phụ thuộc vào số vòng quay catolit được thể hiện rõ ràng nhất là độ dẫn điện của dung dịch catolit. Hàm liên hệ giữa độ dẫn điện của dung dịch catolit và số chu kỳ quay vòng catolit là: y = 0,4773x + 350,79 (3.1) 2 (với R = 0,7603). Số vòng quay catolit càng lớn, độ dẫn điện (hay TDS) của dung dịch catolit càng lớn, hàm lượng khoáng trong catolit càng cao, khả năng tạo cặn bám trên điện cực và màng ngăn càng nhiều. Nói cách khác, để giảm được những hiệu ứng tiêu cực này thì cần phải giảm tối đa số vòng quay catolit. 11
Một cải tiến quy trình điều chế đã được thực hiện, trong đó catolit không quay vòng mà được đưa vào buồng tách khí, trích một phần đưa vào đường ra supowa để điều chỉnh pH, phần còn lại được xả thẳng ra ngoài. Sơ đồ này được kỳ vọng sẽ tránh được hiện tượng đóng cặn do hình thành các cặn cacbonat và muối khó tan của các kim loại trong khoang catốt và sự tăng nhiệt độ quá cao của buồng phản ứng điện hóa khi vận hành. 3.1.2. Điều chế dung dịch siêu oxy hóa theo phương pháp không quay vòng catolit 3.1.2.1. Thiết lập sơ đồ và quy trình điều chế Nước siêu oxy hoá supowa thu được với lưu lượng 16 L/h có nồng độ các chất oxy hóa xấp xỉ 500 mg/L, ORP~910mV, pH trung tính và TDS ~ 950 mg/L. Các thông số của sản phẩm supowa được điều chế bằng sơ đồ không quay vòng catolit tương đương với sản phẩm supowa được điều chế bằng sơ đồ quay vòng catolit và cũng tương đương với sản phẩm điều chế bằng sơ đồ Hình 3.9. Sơ đồ điều chế dung dịch do nhà sản xuất (công ty Delphin - siêu oxy hóa với dòng catolit không Nga) cung cấp. quay vòng 3.1.2.2. Sự phụ thuộc của thông số supowa vào lưu lượng dòng catolit Hình 3.11. Sự phụ thuộc của nhiệt Hình 3.10. Sự phụ thuộc của thông số độ buồng phản ứng vào lưu lượng supowa vào lưu lượng dòng catolit catolit không quay vòng không quay vòng Lưu lượng dòng catolit càng lớn, nồng độ các chất oxy hóa, độ khoáng hóa của supowa và nhiệt độ của buồng phản ứng càng giảm. Lưu lượng catolit phù hợp được chọn là khoảng 2,0 L/h, nhỏ hơn rất nhiều so với lưu lượng catolit trong sơ đồ điều chế theo phương pháp quay vòng catolit (hình 3.1). 12
3.1.2.3. Sự phụ thuộc của thông số supowa vào điện thế điện phân Giá trị điện thế phù hợp được chọn trong khoảng từ 7,5 đến 8 V, cao hơn nhiều so với điện thế sử dụng trong sơ đồ điều chế quay vòng catolit. Giá trị này nằm trong khoảng hướng dẫn của nhà sản xuất (6 ÷ 8 V), nhưng ở mức cao. Điều này dẫn đến việc tăng chi phí điện năng khi sản xuất dung dịch supowa so với thiết bị của Nga. (b) (a) Hình 3.12. Sự phụ thuộc của thông số supowa vào điện thế điện phân 3.1.2.4. Sự phụ thuộc của thông số supowa vào chế độ cấp dung dịch muối NaCl Hình 3.13. Sự phụ thuộc của thông số supowa vào liều lượng cấp NaCl Liều lượng muối NaCl cấp được chọn trong khoảng 18 - 24 g/h, tương đương với lượng muối NaCl cấp trong sơ đồ điều chế supowa với dòng catolit quay vòng. 3.1.2.5. Điều chỉnh pH của supowa 13
Để thu được supowa trung tính cần phải phối trộn hỗn hợp khí ướt với một phần catolit có pH thường từ 10 đến 11. Tỷ lệ trộn tối ưu catolit với hỗn hợp oxy hóa để thu được supowa trung tính (có pH từ 6,5 đến Hình 3.14. Sự thay đổi pH của 7,5) được chọn trong khoảng 3÷4%. supowa theo tỷ lệ trộn hỗn hợp oxy hóa với catolit 3.1.2.1. Vận hành hệ thống thiết bị SUPOWA ở chế độ tối ưu: Kết quả thể hiên trên bảng 3.3 cho thấy: phương pháp này sử dụng điện áp cao hơn phương pháp quay vòng catolit, bởi vì điện trở của catolit không quay vòng cao hơn so với catolit quay vòng. Tuy nhiên, nhiệt độ làm việc của buồng điện hóa lại thấp hơn, chế độ chạy ổn định hơn, tần suất phải rửa điện cực thấp hơn do ít có hiện tượng bít tắc màng bởi các kết tủa muối cacbonat và hydroxit kim loại. Sản phẩm supowa có các thông số kỹ thuật tương đương với sản phầm supowa thu được từ phương pháp điều chế có quay vòng catolit, và cũng tương đương với sản phẩm supowa được điều chế bằng phương pháp điều chế có quay vòng catolit từ thiết bị của Nga. Bảng 3.3. Chế độ vận hành tối ưu của sơ đồ không quay vòng catolit Thông số Đơn vị Giá trị đạt đƣợc Hàm lượng chất oxy hóa trong sản phẩm mg/L 500 Năng suất chất oxy hóa g/h >7,5 pH sản phẩm 6,5 ÷ 7,5 Điện áp sử dụng UDC V 7,5 ÷ 8,0 Lưu lượng dòng catolit L/h 2,0 ÷ 2,5 Liều lượng muối cấp vào buồng điện hóa g/h 18÷24 Điện năng tiêu hao để sản xuất ra 1 g chất W.h/g 9,0 ÷ 9,6 oxy hóa Lượng muối tiêu hao để sản xuất ra 1 đơn g/g 2,3 ÷ 2,91 vị chất oxy hóa trong sản phẩm Tỷ lệ trộn catolit vào sản phẩm % 3÷4 3.1.3. Nghiên cứu khả năng lưu trữ và sự thay đổi chất lượng dung dịch siêu oxy hóa trong quá trình lưu trữ Trong nghiên cứu này, dung dịch supowa có các thông số ban đầu là: pH 6,59; ORP 900 mV; TDS 1100 mg/L; nồng độ chất oxy hóa 528 mg/L, được lưu giữ trong 96 giờ (4 ngày) trong 2 vật đựng bằng nhựa B1 và B2 có nắp đậy, ở nhiệt độ phòng 25 oC. B1 có diện tích mặt thoáng 1256 cm2, B2 có 14
diện tích mặt thoáng 50 cm2. Các thông số của dung dịch supowa thay đổi theo thời gian và cách lưu trữ được trình bày trên bảng 3.5. Số liệu thực nghiệm cho thấy, đối với cả hai trường hợp bảo quản dung dịch HHĐH trong B1 cũng như trong B2 có nắp đậy, các thông số của supowa (pH, TDS, thế oxy hóa khử, nồng độ chất oxy hóa,..) đều giảm ít nhiều theo thời gian. Đó là do các thành phần giả bền trong dung dịch luôn tự phát tán theo quy luật tăng entropy để trở về trạng thái cân bằng nhiệt động học.Tuy nhiên độ suy giảm trong B2 đậy nắp có phần chậm hơn so với dung dịch đựng trong B1 đậy nắp nhờ nắp kín đã hạn chế đáng kể chất oxy hóa bay hơi. Bảng 3.5. Sự thay đổi các thông số của dung dịch supowa theo thời gian và cách lưu trữ Cách Thông số TN 1 TN 2 TN 3 TN 4 TN 5 TN 6 TN 7 TN 8 lưu Thời gian trữ (giờ) 0 2 4 8 24 48 72 96 pH 6,59 6,66 6,55 6,69 6,58 6,55 6,55 6,53 Bình ORP(mV) 900 899 902 898 898 887 884 885 B1 TDS(mg/L) 1100 1100 1090 1075 1060 1047 1028 1000 Chất oxy hóa (mg/ L) 528 528 523 496 493 469 455 440 pH 6,59 6,62 6,64 6,58 6,51 6,36 6,34 6,33 Bình ORP(mV) 900 901 898 898 896 897 893 891 B2 TDS(mg/L) 1100 1100 1100 1095 1086 1080 1065 1045 Chất oxy hóa (mg/ L) 528 528 520 510 499 486 482 469 Có thể thấy, để thời gian bảo quản dung dịch siêu oxy hóa được kéo dài mà vẫn đảm bảo được hoạt tính khử trùng cao, thì cần thiết phải lưu giữ dung dịch trong bình chứa đậy nắp kín. 3.1.4. Nhận xét chung Có thể tổng kết và so sánh hai phương pháp điều chế dung dịch siêu oxy hóa trên một số ưu nhược điểm nổi bật trong bảng 3.6. Có thể thấy, mỗi phương pháp điều chế dung dịch siêu oxy hóa đều có những ưu và nhược điểm riêng, khó có thể khẳng định được sơ đồ nào tốt hơn sơ đồ nào. Tùy từng điều kiện vận hành và lợi ích cụ thể mà lựa chọn sơ đồ điều chế dung dịch siêu oxy hóa cho phù hợp. 15
Bảng 3. 6. So sánh ưu nhược điểm 2 phương pháp Phƣơng pháp điều chế dung dịch siêu Phƣơng pháp điều chế dung dịch siêu oxy hóa theo sơ đồ quay vòng catolit oxy hóa theo sơ đồ không quay vòng catolit Sử dụng điện áp thấp hơn, đồng nghĩa Sử dụng điện áp cao hơn, đồng nghĩa với với việc tiêt kiệm điện hơn (khoảng 9 việc tiêu tốn điện hơn (khoảng 10 W/g W/g clo) clo) Thường xuyên phải rửa điện cực do Thời gian phải rửa điện cực kéo dài (2 đóng cặn buồng catốt (hàng ngày, tối đa tháng rửa 1 lần, tối đa 3 tháng) do ít đóng 7 ngày), đồng nghĩa với việc mất nhiều cặn buồng catốt, đồng nghĩa với việc tiết thời gian hơn và tiêu tốn hóa chất hơn kiệm thời gian và ít tiêu tốn hóa chất hơn (mất ít nhất 160 phút và 8 lít hóa chất (mất khoảng 20 phút và 1 lít hóa chất rửa rửa điện cực trong 2 tháng) điện cực trong 2 tháng) Chế độ vận hành sẽ kém ổn định nếu tần Chế độ vận hành ổn định hơn suất rửa điện cực thấp Khi chế tạo thiết bị, các chi tiết sẽ phức Tiết kiệm chi phí sản xuất thiết bị do đơn tạp hơn, đồng nghĩa với chi phí sản xuất giản hóa các chi tiết thiết bị cao hơn 3.2. Nghiên cứu cải tiến thiết bị điều chế dung dịch siêu oxy hóa 3.2.1. Thiết kế công nghệ 3.2.1.1. Sơ đồ điều chế: thể hiện trong hình 3.8 3.2.1.2. Công suất thiết bị: Thiết bị được thiết kế sử dụng 04 buồng điện hóa MB-11, có công suất tính theo lượng chất oxy hóa là 30 g/h (tương đương 60 lít dung dịch) 3.2.1.3. Sơ đồ dòng chảy của các buồng điện hóa: hình 3.19 Ra catolit Hình 3.19. Sơ đồ Ra anolit siêu oxy hóa ghép nối dòng chảy 4 buồng điện hóa Dung dich nước và NaCl Nước vào 3.2.1.4. Sơ đồ cấp điện cho 4 buồng điện hóa: thể hiện trên hình 3.20 Hình 3.20. Sơ đồ cấp điện cho 4 buồng điện hóa 16
3.2.1.4. Sơ đồ công nghệ thiết bị điều chế supowa: hình 3.21 (1) Buồng điện hóa Electrolytic Cell MB- (7)Thùng chứa nước muối Salt tank 11 (2) Nguồn điện một chiều DC power (8) Bơm nước muối Salt solution pump (3) Tủ điện điều khiển Control cabinet (9) Thùng chứa nước đã làm mềm softened water tank (4) Bộ lọc 5 µm Filter (10) Thùng chứa dung dịch sản phẩm (5) Supowa tank Hệ thống rửa điện cực (11) Lưu lượng kế Flow meter bằng axit HCl System for washing electrode with acid HCl (6) Cột trao đổi ion làm mềm nước Ion (12) Bơm nước mềm softened water exchange (column soften the water) pump Hình 3.21. Sơ đồ công nghệ điều chế dung dịch siêu oxy hóa dùng 4 mô đun MB-11 3.2.2. Chế tạo thiết bị Hình 3.22. Thiết bị Supowa Hình 3.23. Cụm buồng điện hóa bao gồm 4 mô đun MB – 11 3.2.3. Thử nghiệm thiết bị Số liệu thực nghiệm cho thấy thiết bị supowa chạy khá ổn định trong suốt thời gian thử nghiệm 30 giờ liên tục. Năng suất chất oxy hóa có thể đạt được: 0,5233 g/L × 59,1 L/h × 16 h/ngày = 494,8 g/ngày. 17
So sánh với thiết bị tương đương do Công ty Delphin (Nga) sản xuất thì sản phẩm đầu ra của 2 thiết bị có các đặc tính tương đương nhau. Thiết bị supowa khi vận hành tiêu tốn điện năng hơn so với thiết bị của Nga do điện áp sử dụng cao hơn (8 V so với 6,6 V), nhưng thiết bị supowa lại vận hành ổn định hơn do ít bị đóng cặn ở điện cực, hơn nữa nhiệt độ buồng điện hóa cũng ổn định hơn nên chất lượng sản phẩm cũng không bị ảnh hưởng nhiều. 3.2.4. Nhận xét chung - Đã cải tiến thành công sơ đồ thủy lực của hệ thiết bị sản xuất dung dich siêu oxy hóa bằng cách sử dụng chế độ không quay vòng catolit thay thế chế độ quay vòng, nhờ vậy đã giảm được nhiệt độ catốt trong quá trình vận hành và thiết bị hoạt động ổn định hơn trong điều kiện khí hậu nhiệt đới của nước ta. - Có thể nội địa hóa thiết bị sản xuất nước siêu oxy hóa ngoại trừ việc nhập khẩu mô đun HHĐH. - Thiết bị sản xuất nước siêu oxy hóa supowa đã chế tạo đạt được tất cả các yêu cầu đặt ra: chất lượng sản phẩm nước siêu oxy hóa, độ bền thiết bị, mức độ đơn giản và linh hoạt khi lắp đặt, sử dụng, bảo dưỡng, thay thế; - Hệ thống thiết bị Supowa sản xuất dung dịch siêu oxy hóa hoạt động ổn định, đáp ứng được yêu cầu vận hành liên tục của các trạm xử lý nước thải của các bệnh viện nhỏ (hoặc Trung tâm y tế) công suất 150 giường bệnh. 3.3. Nghiên cứu ứng dụng dung dịch siêu oxy hóa khử trùng nước thải bệnh viện 3.3.1. Hiệu lực khử trùng của dung dịch siêu oxy hóa trên một số chủng vi sinh gây bệnh thường có trong nước thải bệnh viện 3.3.1.1. Sự phụ thuộc của hiệu lực khử trùng của dung dịch siêu oxy hóa vào nồng độ các chất oxy hóa và thời gian tiếp xúc Hình 3.24. Sự phụ thuộc hiệu lực khử Hình 3.25. Sự phụ thuộc của hiệu trùng của dung dịch supowa vào nồng lực khử trùng của dung dịch siêu độ các chất oxy hóa oxy hóa và natri hypochlorit có cùng nồng độ vào thời gian tiếp xúc 18
Đối tượng vi khuẩn được khảo sát ở đây là coliform 104 CFU/ml, cho tiếp xúc với dung dịch siêu oxy hóa ở các nồng độ 0; 0,1; 0,25; 0,5;1mg/L trong thời gian 5 phút. Kết quả cho thấy nồng độ tối thiểu của nước siêu oxy hóa dùng để khử trùng dung dịch có mật độ coliform 10 4 CFU/mL là 0,5 mg/L với thời gian tiếp xúc 5 phút. Các thí nghiệm tương tự cũng được thực hiện với dung dịch natri hypochlorit và kết quả được thể hiện trên hình 3.25. Các kết quả cho thấy nước siêu oxy hóa có hiệu quả khử trùng cao hơn đáng kể so với natri hypochlorit. Điều này chứng tỏ trong dung dịch siêu oxy hóa ngoài tác nhân khử trùng là ion hypoclorơ ClO- (thành phần chính trong natri hypochlorit còn có thể có mặt các chất oxy hóa hoạt tính cao khác như HClO, ClO-, H2O2, O3, 1O2, HO, HO2 …[67, 70]. Đây là lý do chính tạo nên sự khác biệt về hiệu quả khử trùng của nước siêu oxy hóa so với natri hypochlorit nói riêng và các hóa chất khử trùng chứa clo khác nói chung. 3.3.1.2. Sự phụ thuộc của hiệu lực khử trùng của nước siêu oxy hóa vào pH dung dịch: Coliform 106 CFU/100 mL cho tiếp xúc với nước siêu oxy hóa có nồng độ chất oxy hóa 0,5 mg/L trong thời gian 30 giây. pH của hỗn hợp nghiên cứu được điều chỉnh từ 6,0 đến 8,0. Hình 3.26. Sự phụ thuộc của hiệu lực khử trùng của dung dịch supowa vào pH dung dịch Một số nghiên cứu cũng khẳng định hoạt tính kháng khuẩn của dung dịch oxy hóa điện hóa ở pH thấp cao hơn so với khi nó ở pH cao, nhưng pH cao sẽ giảm nguy cơ ăn mòn [83] và tăng cường sự ổn định [40], đồng thời cung cấp khả năng diệt vi trùng thích hợp [84]. 19
3.3.1.3. Sự phụ thuộc của hiệu lực khử trùng của nước siêu oxy hóa vào hàm lượng amoni có trong hỗn hợp cần khử trùng Đối tượng vi khuẩn được nghiên cứu ở đây là coliform 106 CFU/100 mL trong hỗn hợp chứa amoni ở nồng độ 1, 3, 10, 20, 30 mg/L; cho tiếp xúc Nồng độ NH4+ càng cao, hiệu lực khử trùng của supowa càng giảm. Như vậy, sự có mặt của amoni trong dung dịch cần khử trùng có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả khử trùng của dung dịch supowa. Nguyên nhân có thể là do các ion amoni đã phản ứng với HOCl Hình 3.27. Sự phụ thuộc của hiệu lực trong dung dịch HHĐH để tạo ra khử trùng của dung dịch siêu oxy hóa cloramin có hoạt tính khử trùng vào nồng độ NH4+ có trong dung dịch kém hơn so với axit hypoclorơ. với nước siêu oxy hóa trong thời gian 30 giây, 5 phút, 30 phút. 3.3.1.4. Sự phụ thuộc của hiệu lực khử trùng của nước siêu oxy hóa vào giá trị BOD5 có trong hỗn hợp cần khử trùng Đối tượng vi khuẩn được khảo sát là coliform 106 MPN/100mL trong các dung dịch có thành phần như sau: BOD5 = 9 mg/L, COD = 29 mg/L; BOD5 = 28,6 mg/L, COD = 61mg/L; BOD5 = 43,2 mg/L, COD = 89 mg/L; BOD5 = 89,6 mg/L, COD =168 mg/L;BOD5 = 173 mg/L; COD =327 mg/L; được cho tiếp xúc với nước siêu oxy hóa và natri hypochlorit (để so sánh) nồng độ 1 mg/L trong thời gian 5 phút, 15 phút, 30 phút. Kết quả trên hình 3.28 cho thấy hiệu lực khử trùng của dung dịch supowa giảm dần theo mức độ tăng của giá trị BOD. Đó là do các chất oxy hóa trong dung dịch supowa khi tiếp xúc với dung dịch chứa vi khuẩn và các chất hữu cơ đã oxy hóa BOD tạo thành các hợp chất không có tính khử trùng hoặc có hoạt tính khử Hình 3.28. Sự phụ thuộc của hiệu trùng yếu [96]. lực khử trùng của dung dịch supowa vào hàm lượng BOD5 trong dung dịch, so sánh với natri hypochlorite 20