Tìm hiểu về công nghệ mạ điện

ng bằng 7,2kg/cm3. Nhiệt độ nóng chảy là 1750-1800oC. Theo điện thế tiêu chuẩn ( Cr/Cr3+= -0,7V) thì nó thuộc các kim loại hoạt động, nhưng trong khí quyển bề mặt của Crôm được sinh ra lớp màng mỏng oxít rất kín, chắc, chống ăn mòn tốt làm cho Crôm giữ được màu sắc và độ bóng rất lâu. Trong không khí ẩm và trong môi trường oxy hóa, Crôm có điên thế +02V, vì vậy Crôm là lớp mạ catốt đối với sắt thép. Lớp mạ Crôm nhất thiết phải kín mới có thể bảo vệ được nền thép. ứng dụng quan trọng của mạ Crôm là: mạ Crôm trang sức rất mỏng trong hệ lớp mạ bảo vệ-trang sức; Mạ Crôm bảo vệ chống ăn mòn nâng cao độ bền mòn cho các dụng cụ cầm tay; Mạ Crôm cứng phục hồi chi tiết máy đã bị mòn. Lớp mạ Crôm làm việc tốt ở nhiệt độ cao ( 500oC ), có khả năng phản xạ ánh sáng tốt và không bị mờ đi theo thời gian, có độ cứng rất cao ( 8000-10000 N/mm2 ) và không hề bị suy giảm khi nhiệt độ làm việc chưa vượt quá 350oC. Lớp mạ Crôm có hệ số ma sát rất bé và có độ gắn bám tốt với thép, niken, đồng và hợp kim của đồng. Nhưng mạ các kim loại khác lên Crôm thì rất khó bám do có lớp oxít ngăn cản. Các dung dịch mạ Crôm Mạ Crôm từ dung dịch có anion SO42-. Dung dịch chỉ gồm 2 cấu tử CrO3 và H2SO4 . CrO3 có thể dùng với nồng độ thay khổi trong một khoảng rất rộng từ 150-400 g/l vẫn không ảnh hưởng nhiều đến dáng vẻ bên ngoài của lớp mạ. Nồng độ lớn cho lớp mạ ít cứng, hiệu suất dòng điện và khả năng phân bố thấp. Nồng độ loãng cho lớp mạ rất cứng, hiệu suất dòng điện và khả năng phân bố cao. H2SO4 được dùng để cung cấp anion hoạt hóa SO42- , nồng độ H2SO4 cao có su hướng cho kết tủa bóng, tinh thể nhỏ. Nồng độ thấp cho kết tủa xám, kém chất lượng. Tỷ lệ nồng độ giữa hai cấu tử này tốt nhất là: CrO3/H2SO4 = 100/1; lúc đó lớp mạ sẽ bóng sáng, cho hiệu suất dòng điện cao, khả năng phân bố lớn. Mạ Crôm từ dung dịch có anion F – Mạ Crôm từ dung dịch chứa F – có những ưu điểm so với dung dịch chứa SO42- là: có thể mạ ở nhiệt độ phòng; khả năng phân bố và khả năng mạ sâu tốt hơn; ngưỡng Dc tối thiểu thấp hơn; hiệu suất dòng điện cao hơn. Lớp mạ thu được từ dung dịch chứa anion F - có độ cứng thấp, độ đàn hồi cao và có thể mạ bóng được. Thành phần dung dịch và chế độ mạ như sau: CrO3 300-400 g/l Nhiệt độ : 20-30oC HF.2H2O 8-12g/l Dc : 10 A/dm2 Vì dung dịch chứa anion F – có tính ăn mòn cao nên bể chứa phải bọc lót bằng chất dẻo. Anốt không dùng là chì mà phải dùng hợp kim Pb-Sb (6-8%) hay Pb-Sn (4-6%). Mạ Crôm từ dung dịch có chứa các anion SO42- và SiF62- Dung dịch chứa đồng thời hai anion SO42- và SiF62- có tác dụng làm tăng khoảng nhiệt độ và mật độ dòng điện cho lớp mạ bóng lên; tăng khả năng phân bố và trong một số trường hợp cụ thể còn tăng được năng suất mạ Crôm lên. Điểm nổi bật chung của dung dịch này là thành phần của nó luôn ổn định nhờ dùng dư các muối khó tan chứa các anion ấy. Thành phần tối ưu và chế độ mạ của dung dịch này như sau: CrO3 250-300 g/l Nhiệt độ : 55-65oC CrSO4 5,5-6,5 g/l Dc : 40-100 A/dm2 K2SiF6 18-20 g/l Cũng như dung dịch chứa F –, dung dịch này có tính ăn mòn mạnh, nên bể chứa phải bằng chất dẻo, anốt phải dùng hợp kim Pb-Sn (5-10%) Trong công nghiệp sản xuất phụ tùng xe đạp-xe máy, các chi tiết chủ yếu được mạ 2 lớp: lớp trong là Niken, lớp ngoài là Crôm. Hình 1.3 dưới đây xin giới thiệu sơ đồ khối dây chuyền công nghệ mạ Crôm-Niken . Đánh bóng cơ khí Tẩy rửa điện hóa Tẩy rửa hóa học Rửa nước Tẩy điện hóa bằng bể catốt và bể anốt Rửa nước Hoạt hóa bề mặt vật cần mạ Rửa nước Mạ Niken bán bóng Rửa thu hồi sau mạ Mạ Niken lớp 2 Rửa thu hồi sau mạ Mạ Niken bóng Chi tiết cần mạ Bột mài Bụi kim loại. NaOH, Na3PO4, Na2SiO2 Nước thải chứa kiềm NaOH, Na2CO3, Nước thải chứa kiềm Na3PO4, Na2SiO2 Nước Nước thải chứa kiềm Dung dịch axít Nước thải chứa axít Nước Nước thải chứa axít H2SO4, HCl Nước thải chứa axít Nước Nước thải chứa axít Dung dịch mạ Niken. Nước thải chứa axít, Ni2+ Hơi axít... A Rửa thu hồi sau mạ Hoạt hóa crôm Mạ Crôm Rửa thu hồi sau mạ Sấy khô Sản phẩm Rửa nước A Nước Dung dịch Crôm Dung dịch mạ Crôm Hơi axít..... Nước thải chứa axit, Cr+6 Nước Nhiệt Hơi hóa chất Hình 1.3. sơ đồ khối dây chuyền mạ Cr-Ni có kèm dòng thải Đặc tính của nước thải Nước thải từ xưởng mạ điện thải ra có thành phần đa dạng, nồng độ lại thay đổi rất rộng, pH cũng biến động mạnh từ axit đến trung tính hoặc kiềm. Nước thải phân xưởng mạ thường được phân dòng thành 3 loại: nước thải kiềm-axit, nước thải crôm, nước thải xyanua. Lí do phải phân ra như vậy vì : + Nước thải xyanua gặp nước thải axit hay nước thải mạ crôm(cũng có lẫn axit) sẽ sinh ra khí HCN rất độc, làm ô nhiễm cả xưởng mạ lẫn bộ phận tiếp theo xử lý nó. + Nước thải mạ crôm đặc xử lý dễ hơn khi pha loãng chúng. Nước thải Crôm ngoài Cr6+ còn có thể có các hoá chất khác như: Fe2+, Cu2+, Ni2+, Zn2+…H2SO4, HCl, HNO3, tạp chất hoá học, nồng độ tổng hợp các chất dao động trong khoảng 30-300mg/l, pH=1-7. Nước thải xyanua ngoài CN- còn có thể có phức xyanu kẽm, cadimi, đồng…muối, mùn, chất bóng, chất hữu cơ. Tổng nồng độ của xyanua dao động trong khoảng 5-300mg/l, pH>1 và chứa một ít tạp chất cơ học. Nước thải kiềm-axit chứa các loại axit như: H2SO4, HCl, HNO3, HF…chứa các loại kiềm như: NaOH, Na2CO3…, chứa các ion kim loại như: Fe2+, Fe3+, Cu2+, Ni2+, Zn2+, Cd2+…các loại muối, pH dao động từ 1-10. Ngoài ra, trong nước thải còn chứa các chất như dầu mỡ, chất huyền phù, đất cát, gỉ sắt…Như vậy, nước thải xưởng mạ điện chứa rất nhiều các thành phần khác nhau, nồng độ lại biến động trong khoảng khá rộng.Do đó, để xử lý nước thải mạ điện phải dùng nhiều các phương pháp khác nhau, phù hợp với từng loại nước thải và nồng độ tạp chất chứa trong nó. Việc chọn phương pháp nào là tuỳ thuộc vào chỉ tiêu kinh tế- kỹ thuật cho phép, điều kiện môi trường địa phương yêu cầu, nồng độ nước thải, nước xử lý với mục đích để dùng lại cho sản xuất hay thải ra luôn môi trường. Tuy nhiên, chọn phương pháp nào cũng phải đảm bảo theo đúng tiêu chuẩn cho phép của nhà nước. Chương 2 Các vấn đề về môi trường Công nghiệp mạ điện sinh ra nhiều chất thải độc hại, đặc biệt là kim loại nặng, gây ô nhiễm môi trường xung quanh. Khí thải Trong công nghệ mạ điện, khí thải có thể phát sinh ra từ một số nguồn sau: ở công đoạn gia công bề mặt trước khi mạ, các loại bụi kim loại như bụi Fe, Cu, CrO3...và bụi silic phát tán ra ngoài do quá trình mài và đánh bóng. Trong quá trinh tẩy dầu mỡ, hoạt hóa bề mặt cung làm phát sinh ra khí thải chứa chủ yếu là hơi kiềm, hơi axit. Trong quá trình mạ, do công nghệ mạ Crôm, mạ Niken, dung dịch mạ phải làm việc ở nhiệt độ cao, cường độ dung dịch ở bể mạ lơn, cùng với quá trình sục khí trong các bể mạ đã làm bay hơi một lượng đáng kể các hóa chất được sử dụng trong bể mạ, tạo ra khí ô nhiễm chứa các hơi axit, các oxit kim loại như CrO3, NiO..., hơi các chất hữu cơ sử dụng làm phụ gia. II . Chất thải rắn Chất thải rắn sinh ra từ một số công đoạn sau: Trong công đoạn gia công và làm sạch bề mặt bằng phương pháp cơ học chủ yếu sinh ra chất thải rắn là phoi kim loại. Trong công đoạn mạ điện, chất thải rắn được sinh ra là bùn lắng của các bể trung hòa axit nhẹ và ở bể mạ. Lượng bùn này chứa các oxit, hyđrôxit kim loại và một số kim loại. Lượng chất thải rắn đáng quan tâm hơn cả là bùn thải của hệ thống xử lý nước thải mạ. Lượng bùn này tuy không lớn nhưng chúng chứa một lượng lớn các chất ô nhiễm với nồng độ khá cao. Chủ yếu bao gồm các kim loại nặng độc hại đã được sử dụng trong quá trình mạ như: Cr6+, Ni2+, Zn2+.... Chất thải rắn từ quá trình sản xuất của công nghiệp mạ điện chứa rất nhiều kim loại nặng và cả các chất độc hại khác. Vì thế, nó sẽ gây ô nhiễm đất và nguồn nước ngầm nếu không được xử lý và chôn lấp cẩn thận. Các chất ô nhiễm có thể theo chuỗi dinh dưỡng đi vào cơ thể người, gây ra những bệnh nguy hiểm. III.Nước thải Nước thải chính là vấn đề gây ô nhiễm môi trường đáng lo ngại nhất trong công nghệ mạ điện. Toàn bộ quá trình mạ điện tiêu tốn một lượng nước tương đối lớn bởi hầu hết mọi công đoạn trong dây chuyền mạ điện đều phải sử dụng đến nước. Nước thải mạ điện chứa một lượng lớn kim loại và hóa chất độc hại, tác động mạnh tới sức khỏe con người và hệ sinh thái. - Nước thải sinh ra từ quá trình làm sạch bề mặt chi tiết trước khi mạ: Công đoạn tẩy dầu mỡ thường sử dụng hỗn hợp các hóa chất như NaOH, Na2CO3, Na3PO4 hoặc dùng dung môi hữu cơ như: tricloetylen (C2HCl3), tetracloetylen (C4Cl4) tetracloetan (C2H2Cl4)....Vì vậy nước thải trong công đoạn này chủ yếu có tính kiềm và chứa dầu mỡ. Công đoạn tẩy gỉ, hoạt hóa bề mặt thường sử dụng dung dịch axít HCl, H2SO4 nên nước thải trong công đoạn này mang tính axit và chứa hàm lượng Fe2+ khá cao. Tóm lại, nước thải sinh ra từ quá trình làm sạch bề mặt trước khi mạ chủ yếu chứa dầu mỡ, kiềm, axit và Fe2+. - Nước thải từ quá trình mạ chủ yếu là nước rửa các chi tiết sau khi mạ. Các hóa chất có trong bể sẽ theo các chi tiết và giá treo đi vào nước thải. Tùy vào từng dây chuyền công nghệ mạ mà các chất ô nhiễm trong nước thải mạ có thành phần và nồng độ khác nhau: Đối với mạ Crôm – Niken: nước thải có chứa các ion kim loại : Ni2+, Cr6+ , Cr3+, Fe2+... và SO42-, Cl-, F-... Đối với mạ đồng: nước thải có chứa các ion kim loại như Cu2+, Fe2+... và SO4-, F-, CN-... Tác hại của các hóa chất phát sinh trong công nghệ mạ điện đến cơ thể con người. - Crôm và các hợp chất crôm: CrO3, Cr2O3, K2Cr2O7... có hại cho gan, thận, hệ thống tiêu hóa, tim mạch, da và các niêm mạc. - KCN và NaCN dễ phân hủy trong không khí ẩm khi có mặt CO2 và tạo thành HCN. Axit HCN cúng có thể thoát ra khi bất kỳ loại axit nào tác dụng với các dung dịch xianua. Khi bị ngộ độc bởi hơi axit HCN sẽ rất khó thở, tê liệt, khó ngủ, co giật, thậm chí ngừng thở và tử vong nếu quá nặng. - Các Nitơ oxit được tạo thành khi tẩy kim loại bằng HNO3, khi bị ngộ độc tức thời sẽ bị phù thũng, còn khi tiếp xúc thường xuyên sẽ gây tổn thương đường hô hấp trên và răng. - H2SO4 và khí SO2 làm tổn thương các niêm mạc và đường hô hấp, H2SO4 gây bỏng da. - Kiềm có tính ăn da mạnh, chúng ăn mòn da, mô tế bào và có thể gây bỏng nặng tại đó. - Các hợp chất Hyđrô cácbon clo hóa có tác dụng gây mê, gây tổn hại trong cơ thể, nhất là gan; gây tổn thương niêm mạc cho đường hô hấp và cho da. - H3PO4 đặc biệt độc hại khi đun nóng. Hít phải không khí có lẫn chất này lâu, niêm mạc mũi sẽ bị teo dần, chảy máu mũi, rạn vỡ răng. - Các dung môi hữu cơ như benzen, toluen... tác dụng lâu dài ở nồng độ vượt quá giới hạn cho phép sẽ gây ra các bệnh kinh niên, làm rối loạn hệ thống tuần hoàn và hệ thống thần kinh, gây tổn thương thận và các nội tạng khác. - Muối của Niken gây viêm niêm mạc mũi, gây ra bệnh eczema ở da, khi bị tác dụng lâu dài có thể mắc chứng hen xuyễn. - Đồng và các hợp chất của đồng gây tác hại cho răng, niêm mạc, hại da, loét dạ dày. - Các hợp chất của kẽm độc với niêm mạc mũi, răng, lợi. - Bụi kim loại gây viêm da, eczema, viêm niêm mạc mũi và họng, gây bệnh bụi phổi. Nồng độ giới hạn cho phép của các chất độc hại được quy định chặt trẽ trong các tiêu chuẩn nhà nước. Theo TCVN 5938-1995 và 5939-1995 quy định: Bảng 1.5- Nồng độ tối đa cho phép của một số chất độc hại trong không khí khu vực sản xuất theo tiêu chuẩn Bộ Y tế - 3733/2002/QĐ - BYT Chất độc hại Giới hạn cho phép (mg/l) Chất độc hại Giới hạn cho phép (mg/l) Cr và các hợp chất của Cr 0,001 Dicloetan 0,05 Hơi xyanua 0,0003 Tricloetan 0,05 H3PO4 0,003 Phenol 0,005 CO 0,02 H2S 0,01 HCl 0,01 SO2 0,02 HF 0,001 N2O3 0,005 HNO3 0,002 ZnO 0,005 H2SO4 0,002 Hg, Pb 0,00001 Cl2 0,001 Xăng, dầu hỏa 0,3 CCl4 0,05 Amoniac 0,02 Bảng 1.6- Nồng độ bụi tối đa cho phép trong không khí khu vực sản xuất theo tiêu chuẩn Bộ Y tế - 3733/2002/QĐ - BYT Bụi Nồng độ cho phép ( mg/m3) Bụi Nồng độ cho phép ( mg/m3) Al, hợp kim Al, nhôm oxit 2 Pb và hợp chất Pb 0.01 Sắt oxit, hợp chất Fe và Mn 4 CrO3, crômát hay bicrômát 0,1 Cadimi, cadimi oxýt 0,1 Kẽm oxýt 5 Coban oxýt 0,5 Bụi kiềm 0,5 Mangan 0,3 Kền và kền oxyt 0,5 Chương 3: Cơ sở lý thuyết các phương pháp xử lý nước thải mạ điện Căn cứ vào đặc tính của nước thải như đã nêu ở phần III ở trên thì theo lý thuyết có những phương pháp xử lý nước thải như sau I . Phương pháp hóa học phương pháp hóa học làm sạch nước thải dựa trên các phản ứng oxy hóa-khử; phản ứng trung hòa; phản ứng keo tụ, kết tủa.... làm cho các chất độc hại bị phân hủy, chuyển hóa thành dạng ít độc hay không độc và tách khỏi nước thải. Tủy theo lượng nước thải nhiều hay ít mạ tổ chức xử lý ngay tại chỗ hay xử lý chung cho cả xưởng hoặc cả nhà máy, cũng như chọn thiết bị làm việc tuần hoàn liên tục hay làm việc gián đoạn. Phương pháp hóa học tỏ ra khá ưu việt khi nồng độ tạp chất chính trong nước thải tương đối lớn: từ 50-70 đến 200-1000 mg/l. Phương pháp hóa học có khả năng khử hết các chất độc hại phức tạp, nhưng ít nhạy với tạp chất hữu cơ, dầu mỡ, tạp chất cơ học... Nước sau khi xử lý không dùng lại ngay được, muốn dùng lại thì phải qua một lần xử lý nữa. 1 . Làm sạch nước thải xyanua bằng phương pháp hóa học. Nguyên tắc: oxy hóa xyanua tự do và phức của nó thành hợp chất ít độc hơn như xyanat hoặc nitro và cacboníc. Nếu oxy hóa bằng natrihypoclorit thì phản ứng xảy ra như sau: NaCN + NaOCl = NaCNO + NaCl NaCNO + H2O = NaHCO3 + NH3 2NaCNO + 3 NaOCl + H2O = 2CO2 + N2 + 2NaOH + 3 NaCl. Các chất oxy hóa thường dùng trong công nghiệp như : clo khí hoặc lỏng; hợp chất với clo ( vôi clorua, các hypoclorit ); ôzôn, kalipermaganat. Điều kiện tiến hành oxy hóa phụ thuộc vào loại chất oxy hóa sử dụng, nồng độ xyanua tự do và phức chất, pH... . 2. Làm sạch nước thải crôm bằng phương pháp kết tủa hóa học Khi xử lý nước thải Crôm do Cr6+ rất độc, lại khó kết tủa nên cần khử về Cr3+ để dễ tạo dạng hydroxyt kết tủa. Vì vậy quá trình tách Cr6+ khỏi nước thải bằng hóa chất gồm 2 giai đoạn [1] : Khử Cr6+ đến Cr3+ ; Kiềm hóa nước thải để kết tủa Cr3+ (và kim loại nặng) ở dạng hydroxyt Chất khử có thể dùng natri sunfit, natri bisunfit, natri hydrosunfit và pyrosunfit, sắt (II) sunfat, khí SO2, phoi thép... Các phản ứng xảy ra trong quá trình xử lý : Dùng bi sunfit : Cr2O72 - + 3 HSO3- + 5 H+ = 2 Cr3+ + 3 SO42 - + 4 H2O Dùng sunfit : Cr2O72 - + 3 SO3- + 8 H+ = 2 Cr3+ + 3 SO42 - + 4 H2O Dùng FeSO4, môi trường axit : H2Cr2O7 + 6 FeSO4 + 6 H2SO4 = Cr2(SO4)3 + 3 Fe2(SO4)3 + 7 H2O Dùng FeSO4, môi trường kiềm : Na2Cr2O7 + 3 FeSO4 + 4 NaOH + 4 H2O = Cr(OH)3 ¯ + 3 Fe(OH)3 ¯ + 3 Na2SO4 Dùng chất khử có chứa ion SO32 - phải tiến hành trong môi trường axit có pH = 2,5 - 3,5. Trong quá trình khử sẽ sinh ra Cr2(SO4)3, Na2SO4, H2O và làm tăng pH lên, nên tốc độ phản ứng chậm dần lại, nếu để pH > 3,5 - 4 phản ứng khử Cr6+ sẽ bị ngừng lại, cho dù có cho dư chất khử đến mấy đi nữa. Nồng độ Cr6+ trong nước thải có ý nghĩa rất quan trọng. Khi nồng độ Cr6+ thấp quá, lượng tiêu tốn chất khử sẽ tăng lên rất nhiều so với khi nồng độ Cr6+ lớn. pH càng cao lượng tiêu tốn chất khử cũng sẽ càng cao. Khử bằng FeSO4 thì môi trường có thể là kiềm hoặc axit. Tốt nhất là khử ở môi trường kiềm vì giảm được lượng kiềm cho phản ứng xuống hai lần nên đỡ tốn xút và vôi hơn. Nên tận dụng dung dịch kiềm hỏng, dung dịch kiềm tẩy dầu mỡ, nước thải kiềm tính,... để kiềm hóa nước thải cần xử lý. Sau khi khử Cr6+ thành Cr3+, Cr3+ sẽ kết hợp với tác nhân trung hòa tạo kết tủa dạng hydroxyt : Cr6+ + 3OH- đ Cr(OH)3 ¯ Thông thường giá trị pH giảm sau khi kết tủa. Nguyên nhân có thể do : Trong quá trình kết tủa tạo thành các hydroxyt kim loại khó tan, hàm lượng ion OH- giảm Hấp phụ các chất trung hòa vào các bông cặn có bề mặt lớn Trong dung dịch có mặt hợp chất sắt Fe2+ nên Fe2+ sẽ bị oxy hóa bởi O2 tan trong nước tạo thành ion H+ theo phản ứng : 2 Fe2+ + 5 H2O + 1/2 O2 = 2 Fe(OH)3¯ + 4 H+ Do vậy để quá trình keo tụ đạt hiệu quả cao thì cần bổ sung thêm hóa chất điều chỉnh pH trong qua trình xử lý. Ta có sơ đồ chung của hệ thống xử lý nước thải Crom : Hóa chất Hóa chất khử keo tụ Bể chứa nước thải Hệ thống bể phản ứng Nước thải Thiết bị kết Nước sau chứa Cr6+ bông và xử lý lắng Xử lý bùn Hóa chất điều chỉnh pH Bùn Hình 2.1 - Sơ đồ xử lý nước thải Crom [3] Hệ thống gồm bể chứa nước thải với mục đích chứa và điều hòa lưu lượng, bể phản ứng là thiết bị chính của hệ thống, trong đó hóa chất điều chỉnh pH, hóa chất khử và hóa chất keo tụ tác dụng với hợp chất chứa kim loại có trong nước thải tạo ra hydroxyt kim loại hay muối kim loại kết tủa. Sau phản ứng hỗn hợp nước và chất kết tủa được đưa qua bể lắng để tách bông cặn. Để trợ giúp quá trình lắng có thể bổ sung chất trợ lắng hay chất tạo keo nếu cần. Bông cặn (bùn) được tách nước, sau đó đưa đi xử lý tùy thuộc đặc tính và thành phần của bùn. 3. Làm sạch nước thải kiềm-axit bằng phương pháp hóa học Nước thải kiềm - axit thường được gộp chung vào nhau để lợi dụng tính chất của chúng nhằm trung hòa dòng thải. Dòng thải Niken cũng được thu gom chung vào đây. Như vậy dòng thải kiềm - axit có chứa các ion kim loại như Ni2+, Cu2+, Zn2+,... Nguyên tắc làm sạch nước thải kiềm - axit là trung hòa nó đến pH 8,5-9 để kết tủa kim loại có trong nước thải. Việc trung hòa nước thải kiềm - axit có thể tiến hành tự động bằng cách trộn các dòng nước thải của xưởng, và bổ sung thêm các hóa chất trung hòa như NaOH, Ca(OH)2,... Sau đó lắng gạn để tách các kim loại. Nếu lắng gạn đơn giản sẽ không thể tách hoàn toàn các kim loại vì trong nước sau xử lý vẫn còn có một lượng tương ứng với độ hòa tan của chúng. Muốn loại bỏ chúng triệt để hơn, sau khi lắng gạn cần xử lý nước thêm bằng hóa chất rồi lọc trên các thiết bị lọc, trong đó có cho thêm bột antraxit, keramzit, sunfocacbon,... Nước từ máy lọc ra, đặc biệt là lọc có cho thêm sunfocacbon, có thể đưa phần lớn chúng vào hệ thống cấp dẫn nước để dùng lại, hay dẫn toàn bộ đến nơi nào cần dùng nước có chất lượng không cao lắm. Hệ thống xử lý nước thải kiềm - axit có chứa các ion kim loại nặng Ni2+, Cu2+, Zn2+,...tương tự hệ thống xử lý nước thải crôm, nhưng không cần bể phản ứng khử. Sơ đồ hệ thống như sau : Hóa chất Hóa chất điều chỉnh pH keo tụ Bể chứa nước thải Bể keo tụ Xử lý bùn Nước thải Thiết bị Nước sau (axit, kiềm, Ni2+) lắng xử lý Bùn Hình 2.2 - Sơ đồ hệ thống xử lý dòng thải Ni + kiềm + axit [3] Phương pháp xử lý nước thải bằng phương pháp hóa học có ưu điểm lớn là hiệu suất khử chất ô nhiễm trong nước thải khá cao, xử lý được lượng lớn nước thải, nhưng không thu hồi được các chất có ích để dùng lại như kim loại, các axit, kiềm, hóa chất xử lý. II . Phương pháp điện hóa. Nước thải mạ cũng có thể xử lý bằng phương pháp điện hóa bằng cách sử dụng các quá trình oxy hóa của anôt và khử của catôt. Khi làm sạch nước thải crôm phải cho ion Cl - vào để khắc phục hiện tượng thụ động anôt và catôt. Quá trình khử các cationit xảy ra tại các catôt, tại đây ion kim loại bị khử thành ion ít độc hơn (Cr6+ thành Cr3+) hoặc tạo thành kim loại bám vào điện cực (Ni2+ thành Ni). Phương trình phản ứng điện cực chung có thể viết như sau : Mem+ + ne = Mem-n ( m ³ n) trong đó : m : hóa trị của kim loại n : số điện tử làm thay đổi hóa trị Phương trình trên đối với quá trình khử Cr6+ có dạng : Cr2O72- + 14 H+ + 12 e = 2 Cr3+ + 7 H2O Quá trình làm sạch có thoát ra khí hyđro và oxy làm cho hyđroxyt sinh ra ở dạng tơi xốp và nổi lên. Các hyđroxyt được lọc ly tâm hay lọc chân không để tách ra. Phương pháp khử điện hóa cho phép làm sạch nước thải có nhiều các ion kim loại. Nhưng sau khi khử, nồng độ sắt trong nước tăng lên do anôt dùng trong hệ thống là anôt thép hòa tan Cr3+ được tách ra khỏi nước thải dưới dạng kết tủa hyđroxyt bằng cách kiềm hóa nước thải đến pH 8,5 - 8,8. Cần chú ý không được để lẫn nước thải chứa Cr3+ với chất oxy hóa, nhất là Clo hoạt tính, vì khi đó Cr3+ sẽ dễ dàng bị oxy hóa thành Cr6+ trở lại. Để làm sạch nước thải có thể dùng thiết bị làm việc gián đoạn, theo chu kỳ, nhưng sau mỗi lần tiến hành xong mọi phản ứng (khử và tạo thành hyđroxyt) nhất thiết phải đuổi hết không khí nằm trong váng nổi và trong hyđroxyt. Phương pháp này tuy không phức tạp nhưng chỉ thích hợp cho các dòng thải có nồng độ chất ô nhiễm lớn. Ngoài ra nó cũng rất tốn năng lượng cho quá trình điện hóa. Vì vậy nó chỉ thích hợp để xử lý sơ bộ các dòng thải có hàm lượng chất ô nhiễm lớn trước khi đi vào thiết bị xử lý bậc cao. 2.3. Phương pháp trao đổi ion Nguyên tắc là cho nước thải lọc lần lượt qua hai cột cationit và anionit, các cation tạp chất sẽ được giữ lại ở cột đầu, các anion tạp chất sẽ được giữ lại ở cột cuối, nước trở nên rất sạch, hoàn toàn có thể dùng lại. Sau một thời gian làm việc, các cột ionit được tái sinh: cationit được lọc rửa riêng bằng H2SO4 hay HCl 3 - 10 %; anionit được lọc rửa riêng bằng NaOH hay Na2CO3. Nước rửa cationit chứa các loại cation và axit dư được đưa đi thu hồi và dùng vào việc khác; cationit được tái sinh và bắt đầu chu kỳ làm việc mới. Nước rửa anionit cũng diễn ra tương tự như vậy. Phương pháp này tiện lợi, dễ sử dụng, nhiều nơi đang dùng, nhất là các xưởng có năng suất nhỏ và vừa. Phương pháp trao đổi ion thích hợp với việc làm sạch nước thải crom và nước thải kiềm - axit, nhưng phải tách riêng chúng ra. Ví dụ, khi nước thải crom nhỏ, thải ra từ 1 - 2 bể rửa thì dùng một bộ trao đổi ion là tiện nhất. Tốt nhất là dùng phương pháp trao đổi ion ngay tại các bể rửa. Khi đó tùy theo yêu cầu chất lượng nước tại khâu rửa ấy mà ấn định cho thiết bị trao đổi ion chỉ phải loại bỏ một số tạp chất cần thiết nhất đã có thể dùng lại để rửa rồi. Nhờ vậy, hiệu quả kinh tế càng cao hơn, bỏ được nhiều cống rãnh hay ống dẫn, nước và hóa chất thu hồi đều dùng lại được. IV. Phương pháp sinh học Ngày nay sử dụng phương pháp sinh học để loại bỏ kim loại nặng trong nước thải đã, đang được nghiên cứu và ứng dụng. Trong số các sinh vật có khả năng đóng vai trò là chất hấp phụ sinh học thì các loại tảo hay vi tảo được đặc biệt chú ý. Nguyên lý của phương pháp là dựa trên nguyên tắc một số loài thực vật, vi sinh vật trong nước sử dụng kim loại như chất vi lượng trong quá trình phát triển sinh khối như bèo tây, bèo tổ ong, tảo,... Với phương pháp này, nước thải phải có nồng độ kim loại nặng nhỏ hơn 60 mg/l và bổ sung đủ chất dinh dưỡng (N, P) và các nguyên tố vi lượng cần thiết khác cho sự phát triển của các loài thực vật như rong tảo. Do đó quá trình xử lý đòi hỏi phải trộn lẫn nước thải sinh hoạt để bổ sung chất dinh dưỡng và pha loãng hàm lượng chất ô nhiễm trong nước thải. Phương pháp này cần diện tích xử lý lớn và nếu nước thải có lẫn nhiều kim loại thì hiệu quả xử lý kém. Tuy vậy đây là một công nghệ xử lý thân thiện với môi trường do không sinh chất thải cần tiếp tục xử lý và không sử dụng hóa chất. Nhưng phương pháp này không thích hợp để xử lý nước thải mạ điện có hàm lượng ô nhiễm lớn. Chương 4: Tính toán thiết kế hệ thống xử lý nước thải Nhiệm vụ thiết kế: Thiết kế hệ thống xử lý nước thải phân xưởng mạ điện công suất 100m3/ngày đêm ị Lượng nước thải trung bình trong một ngày là:100m3/ngày đêm Do phải tách riêng dòng thải nên cần phải xét lưu lượng từng dòng thải. Thông thường, trong dây chuyền mạ Ni-Cr hoạt động liên tục, tỷ lệ lưu lượng dòng nước thải chứa Cr và dòng nước thải chứa Ni + Kềm + Axít như sau [1]: -Dòng thải chứa Cr chiếm 30% tổng lưu lượng -Dòng thải chứa Ni + Kiềm + Axít chiếm 70% tổng lưu lượng ị Lưu lượng dòng thải chứa Crôm là: QCr= 30 m3/ngày Lưu lượng dòng thải chứa Ni + Kiềm + Axít là: QNi=100-30=70 m3/ngày Hệ thống làm việc liên tục 24/24 nên lưu lượng dòng thải tính theo giờ là: QCr= 1,25 m3/h QNi= 2,92 m3/h - Các thông số của dòng thải. Do nước thải không ổn định cả về lưu lượng và thành phần mà phụ thuộc rất nhiều vào quá trình sản xuất, đặc biệt là quá trình thay rửa bể, nên khó có thể tính toán nồng độ các chất trong nước thải một cách chính xác. Nhưng nhờ có bể điều hòa để ổn định nồng độ chất ô nhiễm cấp vào bể xử lý, do đó có thể chọn nồng độ tiêu biểu của dòng thải ở bảng sau : Bảng 3.1 - Nồng độ của nước thải trước khi xử lý TT Các thông số Đơn vị Nước thải đầu vào TCVN 5945 – 1995 (B) Nước thải Cr Nước thải Ni 1 pH 3,45 7,2 5,5 - 9 2 SS mg/l 150 200 100 3 COD mg/l 200 250 100 4 Cr6+ mg/l 20 - 0,1 5 Ni2+ mg/l - 45 1 Ta chọn thông số thiết kế dựa trên một số thành phần ô nhiễm chính như sau . Nồng độ Ni2+ = 45 mg/l = 45 g/m3. ị Tải lượng của Ni2+ trong 1 h = 45 g/m3 ´ 2,92 m3/ h = 131,25 (g/h) . Nồng độ Cr6+ = 20 mg/l = 20 g/m3. ị Tải lượng của Cr6+ trong 1 h = 20 g/m3 ´ 1,25 m3/ h = 25 (g/h) I . Phân tích lựa chọn phương pháp xử lý nước thải mạ điện. 1. So sánh các phương pháp xử lý Để xử lý nước thải mạ điện có thể dùng nhiều phương pháp khác nhau, phù hợp với từng loại nước thải và nồng độ tạp chất chứa trong nó. Phổ biến nhất là dùng phương pháp hóa học (theo phương pháp khử), rồi đến phương pháp trao đổi ion, phương pháp cô đặc, điện thẩm tích,...Vấn đề chọn phương pháp thích hợp nào là tùy ở chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật cho phép, điều kiện môi trường địa phương yêu cầu, nồng đ