Cải thiện hiệu suất cho công tác xử lý nước thải ngành mạ điện

25/07/2018
Các kết quả thí nghiệm cho thấy việc sử dụng các thiết bị đa lớptạo xoáy điện trường bằng hạt sắt từ trong việc xử lý nước thải ngành mạ điện đã mang lại hiệu suất rất cao.

Công nghệ mạ điện hiện đại đang được sử dụng trong rất nhiều ngành nghề: chế tạo thiết bị, sản xuất kỹ thuật điện, kỹ thuật máy móc, điện lực và thiết bị hàng không vũ trụ.

Việc xử lý điện hóa đối với các vật liệu kim loại và phi kim có thể tinh chỉnh cấu trúc và độ dày của lớp màng được tạo ra, trong việc xử lý bề mặt đồng đều khi đùn dập và khi giảm áp, và tạo ra các lớp mạ hợp kim và tổng hợp thường không thể chế tạo được bằng các công nghệ khác. Các ưu thế này khiến cho việc mạ điện có thể được ứng dụng trong sản xuất vật liệu nano, thiết bị điện tử nano, việc phát triển các nguồn năng lượng mới, tạo lớp mạ kháng khuẩn và nhiều lĩnh vực khác.

Tuy nhiên, công nghệ mạ điện cũng có những hạn chế của nó. Việc mạ điện gây ô nhiễm môi trường do tạo ra chất thải độc hại, phần lớn là kim loại nặng và các hợp chất của chúng. Những chất gây ô nhiễm trên có thể chia thành dạng rắn, lỏng và khí.

Chất thải dạng lỏng là nước thải sinh ra từ việc súc rửa các bộ phận và thiết bị, cũng như việc xử lý và thay loại các chất điện phân đã qua sử dụng. Chất thải rắn chủ yếu được tạo ra trong quá trình xử lý nước thải hoặc xử lý chất điện phân cô đặc. Chất thải dạng khí chủ yếu bao gồm các loại hơi độc, các loại sol khí và hỗn hợp các loại khí và hơi được thải ra trong quá trình mạ điện và ở các cơ sở xử lý chất thải

Bài viết này tập trung vào các tác nhân gây ô nhiễm dạng lỏng, tức là nước thải. Theo như thống kê, từ 30 đến 80% kim loại, 5-20% a-xít, và 2-3% nước được sử dụng với hiệu suất cao trong quá trình xử lý. Các công đoạn mạ điện thường thấy nhất là mạ sắt, cadimi, đồng, crôm, ni-ken và kẽm; công đoạn sa lắng các kim loại quý và các hợp kim như stannum, chì và bismuth. Một phần các kim loại trên sẽ hòa vào dòng nước thải. Phần lớn các công đoạn (đặc biệt là khắc a-xít) thường khiến cho lượng lớn sắt hòa vào dòng nước thải, sau khi xử lý xong phần lớn các bộ phận thép. Crom và cadimi được coi là kim loại có tính nguy hại cao (V1). Việc xử lý nước thải không thỏa đáng sẽ gây nguy hiểm tới toàn bộ hệ sinh thái: nước, đất, thực vật, động vật và con người.

Các ưu thế và bất cập của các phương pháp xử lý nước thải ngành mạ điện

Khó khăn gặp phải chủ yếu trong việc xử lý nước thải mạ điện là không có tính đồng đều giữa thành phần và nồng độ của các chất thải sinh ra, tùy theo loại công đoạn và lượng nước được sử dụng.

Tùy thuộc vào thành phần hóa chất của chất thải, có 5 loại nước thải mạ điện như sau:

Nước thải có tính a-xít – Sinh ra từ công đoạn tẩy a-xít đầu tiên, và công đoạn mạ kẽm, niken và đồng đỏ (độ pH thấp hơn 6.5)

Nước thải có tính kiềm – sinh ra trong công đoạn làm sạch (độ pH cao hơn 8.5)

Nước thải ô nhiễm chứa muối kim loại nặng – Sinh ra trong công đoạn xử lý bề mặt kim loại và tiến hành mạ điện (độ pH nhỏ hơn 6.5)

Nước thải có chứa cyan – Sinh ra trong quá trình mạ đồng cyan, cadimi và bạc (độ pH từ 2.8 đến 11.5)

Nước thải chứa crom – Sinh ra trong quá trình mạ crom và khắc a-xít cho các bộ phận bằng thép (ph từ 2.3 đến 8.8)

Các phương pháp tiếp cận thông thường đối với việc xử lý nước thải mạ điện thường liên quan tới chất phản ứng hóa học, hóa điện và các phương pháp trao đổi ion, cũng như phương pháp hấp phụ.

Phương pháp sử dụng chất phản ứng là một trong những phương pháp đơn giản thường dùng nhất. Trong công đoạn này, các ion kim loại nặng sẽ được chuyển hóa thành hydroxide không hòa tan thông qua các phản ứng hóa học và quá trình phân tách cùng sa lắng diễn ra sau đó. Một số các chất phản ứng được dùng là soda kiềm, vôi và phụ phẩm acetylene. Một số loại keo tụ đặc biệt cũng được sử dụng để cải thiện tốc độ đông lại và tốc độ phản ứng của hydroxide.

Phương pháp dùng chất phản ứng cho thấy độ nhạy thấp đối với các thành phần tác nhân gây ô nhiễm khởi đầu, nhưng nó có một số các hạn chế, ví dụ như tốn nhiều chất phản ứng, quá trình diễn ra chậm, và trong nhiều trường hợp, nó không thể làm giảm lượng tác nhân gây ô nhiễm tới mức cao nhất của chỉ số giới hạn cho nồng độ tác nhân gây ô nhiễm (MCL).

Các phương pháp xử lý nước thải bằng điện hóa bao gồm điện đông, điện đông một chiều (galvanic),phân hủy bằng hóa điện và một số phương pháp khác. Các phương pháp trên thường được dùng để loại bỏ crom hóa trị 6 khỏi nước thải. Trước tiên, sắt sẽ phân hủy. Sau đó các ion Fe2+ được tạo ra từ đó sẽ hạ hóa trị của crom từ +6 xuống +3 để tạo thành các hydroxide.

Sự khác biệt chính giữa điện đông và điện đông galvanic là cách thức phân giải sắt. Quá trình điện động thường phân giải sắt bằng điện hóa thông qua việc truyền điện vào các cực dương của sắt. Quá trình điện đông một chiều phân giải sắt bằng điện một chiều thông qua sự khác biệt về điện thế tiếp xúc giữa sắt và kim loại khác, ví dụ như đồng đỏ.

Quá trình làm giảm cực âm được sử dụng để loại bỏ chì, thiếc mỏ, thủy ngân, asen và crom ra khỏi nước thải. Quá trình này sẽ chuyển tác nhân gây ô nhiễm thành các thành phần ít độc hại hơn hoặc thành các chất dễ phân tách khỏi nước hơn (khí hoặc cặn rắn). Các kim loại được nói trên sẽ được lắng xuống cực âm và được thu hồi lại.

Nói chung, xử lý nước thải mạ điện bằng các phương pháp điện hóa luôn rất phức tạp. Quy trình xử lý phụ thuộc vào độ Ph của môi trường, cường độ hiện tại, thời gian xử lý nước thải và các nhân tố khác.

Phương pháp xử lý nước thải bằng trao đổi ion thường dựa trên khả năng trao đổi ion của cation (ion dương) và anion (ion âm) để trao đổi ion với các cation và anion khác trong nước, và hấp thu chúng vào trong dung dịch. Các vật liệu trao đổi ion phải có lực khối (bulk strength) lớn, khó phân hủy khi tiếp xúc với các tác nhân axit, kiềm, ô-xi hóa và tác nhân khử, chịu được dung môi và có sự thay đổi thể tích tối thiểu. Các chất trao đổi cation là axit mạnh và axit yếu thường được sử dụng nhiều nhất trong việc xử lý nước thải mạ điện, cũng như các chất trao đổi anion là ba-zơ mạnh và ba-zơ yếu. Sau khi bão hòa, các chất trao đổi được thu hồi để tái tạo năng lực trao đổi ion. Các dung dịch muối đậm đặc được tạo thành sau khi thu hồi có thể được sử dụng trong các quy trình công nghiệp hoặc được khử ô nhiễm. Việc khử ô nhiễm cho chúng cũng là một công việc phức tạp.

Các phương pháp trao đổi ion làm giảm lượng nước sạch cần tiêu thụ trong mạ điện từ 2-4 lần, trong khi tăng điện thế ở các cơ sở xử lý nước thải lên từ 1,5 đến 2 lần. Phương pháp này cũng có các hạn chế như: sử dụng lượng lớn chất phản ứng (cao hơn 3-4 lần so với yêu cầu trên lý thuyết) để thu hồi các chất trao đổi ion, tốn nhiều nước để rửa sạch vật liệu ion, và tốn lượng lớn muối khoáng vào các vùng nước có chứa các sản phẩm thu hồi đã được trung hòa. Chi phí cao và sự thiếu hụt các phương tiện cùng vật liệu ion khiến cho phương pháp trao đổi ion không được thường xuyên sử dụng trong việc xử lý nước thải mạ điện.

Công đoạn khử ô nhiễm nước thải cuối cùng chính là loại bỏ các kim loại nặng, thường sử dụng phương pháp hấp thụ. Phương pháp này hướng tới việc loại bỏ các thành phần kim loại còn sót lại không thể bị thu hồi bằng các phương pháp khác ở các giai đoạn trước. Chất hấp phụ thường được sử dụng nhiều nhất trong việc xử lý nước thải là than hoạt tính. Phương pháp này có hạn chế là chi phí cho chất hấp thụ cao, tiêu hao nhiều chất phản ứng cho việc thu hồi chất hấp thụ, và trang thiết bị cồng kềnh.

Sử dụng điện từ trường xoay vòng và các hạt sắt nhiễm từ

Tất cả các phương pháp ở trên đều không tránh khỏi tồn tại nhược điểm, nên việc nghiên cứu các biện pháp mới để gia tăng hiệu suất xử lý nước thải mạ điện là rất quan trọng. Các tài liệu nghiên cứu đã nhắc đến các kết quả tích cực khi sử dụng điện từ trường xoay vòng cùng với các hạt sắt nhiễm từ. Biện pháp tiếp cận này có thể tăng cường hiệu suất của biện pháp dùng chất phản ứng khi xử lý nước thải mạ điện, bằng cách làm giảm lượng chất phản ứng bị tiêu hao và giảm thời gian phản ứng, đồng thời tiết kiệm được năng lượng.

“Các tài liệu nghiên cứu về xử lý nước thải mạ điện đã nhắc tới các kết quả tích cực của việc sử dụng điện từ trường xoay chiều cùng với các hạt sắt từ”.

Một thiết bị đa lớp tạo xoáy điện trường có chứa một khoang trống bên trong một cuộn cảm ứng. Trong khoang trống đó có chứa các hạt sắt từ. Điện từ trường khiến cho các hạt này xoay tròn, va chạm với thành của khoang và va chạm lẫn nhau. Các chất phản ứng trong vùng kích hoạt sẽ được trộn lại với cường độ mạnh. Mô hình số 1 trình bày một thiết kế tiêu biểu cho cỗ máy này.


Hình 1. Thiết bị tạo xoáy đa lớp

1 – vòng đệm bảo vệ; 2 – Cuộn cảm ứng tạo trường xoay;

3 – khoang chứa cuộn cảm ứng; 4 – Khoang không nhiễm từ; 5 – các hạt sắt từ.

Việc va chạm và ma sát liên tục sẽ bào mòn các phân tử sắt từ và cấu tạo của kim loại dạng keo – tạo thành một chất khử tốt. Cùng thời điểm đó, việc điện phân nước sẽ tạo ra hydro. Cả hai tác nhân đều ảnh hưởng tới phản ứng khử của crom +6 và các kim loại nặng khác.

Các kết quả thí nghiệm và kết luận

Đối với thí nghiệm này, chúng tôi đã sử dụng nước thải tại một cơ sở mạ điện. Lượng nước thải này đã được phân tích để xác định độ axit và sự có mặt của các kim loại như sắt, đồng đỏ, ni-ken, kẽm, cadimi và crom +6. Hoạt động nghiên cứu hiệu suất xử lý nước thải được thực hiện tại một giai đoạn bằng thiết bị AVS-100 (xem sơ đồ 2) và các hạt sắt thép nhiễm từ. Các kết quả đạt được từ việc xử lý nước thải mạ điện bằng AVS-100 được liệt kê tại bảng 1.

Bảng 1. Kết quả của việc xử lý nước thải mạ điện.


Thí nghiệm đã cho thấy thiết bị đa lớp tạo xoáy điện từ trường sử dụng hạt sắt từ có khả năng khử ô nhiễm ở mức độ cao cho nước thải từ ngành mạ điện, loại bỏ được crom +6, sắt, đồng đỏ, ni-ken, kẽm và cadimi, đồng thời giảm thời gian xử lý chất thải. Việc xử lý bằng lớp tạo xoáy chỉ mất vài giây so với thời gian thông thường từ 15-30 phút. Độ tiêu hao chất phản ứng cũng được giảm xuống (lượng yêu cầu trên lý thuyết là 100% khi sử dụng AVS và là từ 150 – 200% khi không sử dụng AVS)


Hình 2. Thiết bị đa lớp tạo xoáy điện từ trường AVS-100

So sánh lượng điện tiêu thụ khi xử lý chất phản ứng giữa AVS và máy khuấy, AVS đã cho thấy lợi thế rõ rang: lượng điện tiêu thụ là 0,3 kWh cho mỗi 1m3 nước thải, thay vì từ 0,6 đến 0,8 kWh.

Lượng nước thải được khử ô nhiễm bằng AVS có thể được tái sử dụng trong việc sản xuất.

Biên dịch: Bình Nguyên

(Nguồn tin: www.watertechonline.com)