Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu khả năng hấp phụ Fe3+(aq) bởi bã cà phê biến tính

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:54

Thêm vào BST

Báo xấu

39
lượt xem 11
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đồ án được thực hiện nhằm điều chế vật liệu hấp phụ sinh học từ bã cà phê ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp. Xác định điều kiện tối ưu cho quá trình hấp phụ Fe3+ trong dung dịch nước trên bề mặt vật liệu. Để hiểu rõ hơn mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết của đồ án này.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu khả năng hấp phụ Fe3+(aq) bởi bã cà phê biến tính

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA-VUNG TÀU BARIA VUNGTAU UNIVERSITY CAP Sa in t Iacqịựes ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ Fe3+(aq) BỞI BÃ CÀ PHÊ BIẾN TÍNH Trình độ đào tạo:Đ ại học Ngành: Công nghệ Kỹ thuật H óa học Chuyên ngành: H óa dầu G iảng viên hướng dẫn: TS. Đỗ N gọc M inh Sinh viên thực hiện: N guyễn Cao M inh M SSV: 13030220 Lớp: D H 13HD Bà Rịa-Vũng Tàu, năm 2017
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA-VŨNG TÀU Phụ lục 2 VIÊN KỸ THUAT - KINH TẾ BIỂN PHIÉU GIAO Đ ẺT À I ĐỒ ÁN/ KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP (Đính kèm Quy định về việc tổ chức, quản lý các hình thức tốt nghiệp ĐH, CĐ ban hành kèm theo Quyết định số 585/QĐ-ĐHBRVT ngày 16/7/2013 của Hiệu trưởng Trường Đại học b R-V t) Họ và tên sinh viên: NGUYỄN CAO MINH Ngày sinh: 28/07/1995 MSSV : 13030220......... Lớp: DH13HD Địa chỉ: KP. 8 - P. Phước Lộc - Thị xã Lagi - Bình Thuận E-mail : nguyencaominhks@gmail.com Trình độ đào tạo: Đại học Hệ đào tạo: Chính quy Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học Chuyên ngành: Hóa dầu 1. Tên đề tài: NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ Fe3+(aq) BỞI BÃ CÀ PHÊ BIẾN TÍNH 2. Giảng viên hướng dẫn: TS. Đỗ Ngọc Minh 3. Ngày giao đề tài: 10/02/2017 4. Ngày hoàn thành đồ án/ khoá luận tốt nghiệp: 10/06/2017 Bà Rịa - Vũng Tàu, ngày 10 tháng 02 năm 2017 GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN SINH VIÊN THỰC HIỆN (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên) TS. Đỗ Ngọc Minh Nguyễn Cao Minh GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN TRƯỞNG NGÀNH (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên) TRƯỞNG VIỆN (Ký và ghi rõ họ tên)
Tôi xin cam đoan nghiên cứu này hoàn toàn do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Đỗ Ngọc Minh. Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây. Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo. Vũng Tàu, ngày 03 tháng 07 năm 2017 Sinh viên thực hiện Nguyễn Cao Minh
Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Đỗ Ngọc Minh. Thầy đã luôn tận tình hướng dẫn, chỉ bảo trong suốt quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp. Bên cạnh đó, tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô thuộc Viện Kỹ thuật - Kinh tế biển, Trường Đại học Bà Rịa - Vũng Tàu và các bạn DH13HD đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Tất nhiên, việc thiếu sót trong đồ án tốt nghiệp là điều không thể tránh khỏi, vì vậy, kính mong quý thầy cô góp ý để bài báo cáo hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn. Vũng Tàu,ngày 03tháng 07 năm2017 Sinh viên thực hiện Nguyễn Cao Minh
LỜI MỞ Đ Ầ U ..........................................................................................................1 CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN TÀI LIỆU............................................................. 4 1.1. Tổng quan về tình hình ô nhiễm nguồn nước...................................................4 1.2. Các phương pháp xử lý nước.............................................................................. 7 1.2.1. Phương pháp kết tủa hóa học [3]..................................................................7 1.2.2. Phương pháp hấp phụ [3 ]..............................................................................8 1.2.3. Phương pháp trao đổi ion [3]........................................................................ 9 1.2.4. Phương pháp điện hóa [ 3 ]...........................................................................10 1.2.5. Phương pháp sinh học [3]............................................................................11 1.2.6. Giới thiệu vật liệu hấp phụ..........................................................................11 1.2.7. Nhóm khoáng tự nhiên................................................................................ 12 1.2.8. Nhóm nguyên liệu tự nhiên và phế thải nông nghiệp.............................. 12 1.2.9. Một số loại vật liệu hấpphụkhác.................................................................13 1.3. Giới thiệu về bã cà phê[5]................................................................................. 16 1.4. Tổngquan tình hình nghiên cứu tính chất hấp phụ của bã cà phê................ 17 CHƯƠNG 2. THỰC N G H IỆ M ........................................................................21 2.1. Chế tạo vật liệu hấp phụ từ bã cà phê [ 8 ] ........................................................21 2.1.1. Nguyên liệu và hóa chất............................................................................. 21 2.1.2. Dụng cụ và thiết b ị ...................................................................................... 21 2.1.3. Cách tiến hành..............................................................................................21 2.2. Phương pháp định lượng Fe3+..........................................................................24 2.2.1. Nguyên tắc định lượng Fe3+ [9]................................................................. 24 2.2.2. Hóa chất........................................................................................................ 24 2.2.3. Dụng c ụ ........................................................................................................ 24 2.2.4. Cách tiến hành..............................................................................................24 2.3. Xác định các đặc tính của vật liệu hấp phụ......................................................26 2.3.1. SEM.............................................................................................................. 26
2.3.2. Xác định các đặc trưng vật liệu hấp phụ..................................................28 2.4. Nghiên cứu quá trình hấp phụ Fe3+ trên bề mặt vật liệu hấp thụ..................28 2.4.1. So sánh khả năng hấp phụ của các mẫu bã cà phê biến tính và than hoạt tính trên thị trường.................................................................................................... 28 2.4.2. Khảo sát ảnh hưởng pH đến khả năng hấp phụ Fe3+của vật liệu........... 29 2.4.3. Khảo sát ảnh hưởng thời gian đến khả năng hấp phụ Fe3+..................... 29 2.4.4. Xác định đại lượng hấp phụ của vật liệu hấp phụ.................................. 30 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LU Ậ N ................................................. 33 3.1. Đặc tính của vật liệu hấp thụ.............................................................................. 33 3.1.1. Phân tích SEM..............................................................................................33 3.1.2. Phân tích các đại lượng đặc trưng cho vật liệu hấp phụ.........................34 3.1.3. So sánh khả năng hấp phụ của vật liệu và than hoạt tính thương mại .. 34 3.3. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Fe3+ của vật liệu............................35 3.4. Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ Fe3+ của vật liệu.................. 36 3.5. Xác định đại lượng hấp phụ của bã cà phê biến tính........................................ 37 3.6. So sánh kết quả nghiên cứu..................................................................................40 KẾT LU Ậ N ........................................................................................................... 42 TÀI LIỆU THAM K H Ả O ................................................................................. 43 PHỤ L Ụ C .............................................................................................................. 44
Bảng 1.1: Thành phần của cà p h ê .......................................................................17 Bảng 2.1. Thể tích các dung dịch thành phần cần lấy để pha chế các dung dịch phức sắt với các nồng độ khác n h a u .................................................................. 25 Bảng 2.2. Kết quả thực nghiệm đo mật độ quang của các dung dịch phức sắt khác nhau.................................................................................................................25 Bảng 3.1. Kết quả đo các thông số đặc trưng cho vật liệu hấp phụ theo mô hình B E T .................................................................................................................34 Bảng 3.2. So sánh khả năng hấp phụ Fe3+(aq) trên bề mặt bã cà phê biến tính và than hoạt tính thương m ại................................................................................ 34 Bảng 3.3. Kết quả khảo sát sự ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Fe3+ của vật liệ u ............................................................................................................. 35 Bảng 3.4. Kết quả thực nghiệm nghiên cứu sự ảnh hưởng nồng độ sắt lên khả năng hấp phụ của CF1/4........................................................................................ 38 Bảng 3.5. So sánh kết quả nghiên cứ u ................................................................ 41
Hình 2. l.Quy trình chế tạo vật liệu hấp phụ...................................................... 22 Hình 2.2. Bã cà phê đã sấy.................................................................................... 23 Hình 2.3. Vật liệu biến tính thu được................................................................. 23 Hình 2.4.ĐỒ thị đường chuẩn Fe3+....................................................................... 26 Hình 2.5.Các bức xạ phát ra khi chiếu chùm electron vào mẫu vật thể trong SEM......................................................................................................................... 27 Hình 2.6. Máy phân tích hiển vi electron quét ZEISS EVO LS15..................27 Hình 2.7.Area and Porosity AnalyzerMicromeritics -ASA P 2020..................28 Hình 3.1. SEM của bã cà phê thô (a), CF1/3 (b), CF1/4 (c) và CF1/5 (d)..... 33 Hình 3.2.Sự phụ thuộc hiệu suất hấp phụ củaCF1/4 vào pH dung dịch muối sắt............................................................................................................................. 36 Hình 3.3. Sự phụ thuộc hiệu suất hấp phụ vào thời gian ngâm CF1/4 trong dung dịch muối sắt................................................................................................. 37 Hình 3.4. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Fe3+ trên bề mặt CF1/4......................... 39 Hình 3.5. Đồ thị mô tả phương trình Langmuir tuyến tính.............................. 39 Hình 3.6.ĐỒ thị mô tả phương trình Freundlich tuyến tính............................. 40
Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay, để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng và phong phú của con người, các ngành công nghiệp, nông nghiệp, dịch vụ phát triển không ngừng dẫn tới sự ô nhiễm môi trường ở mức báo động, đặc biệt là môi trường nước bởi các kim loại nặng (Hg, Pb, Cd, Fe, A s...), thuốc nhuộm hữu cơ, thuốc bảo vệ thực vật và thuốc trừ s â u . Điều này gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người không chỉ ở thế hệ hiện tại mà còn ở các thế hệ tương lai. Một trong những phương pháp hiệu quả xử lý nguồn nước bị ô nhiễm là phương pháp hấp phụ. Chất hấp phụ được sử dụng rộng rãi là than hoạt tính, silica gel, zeolite ... Tuy nhiên các chất hấp phụ này đắt và khó tái sinh. Trong khi đó, theo thống kê mỗi năm trên thế giới sản xuất khoảng 6.6 triệu tấn cà phê được sản xuất. Hệ quả là một khối lượng lớn bã cà phê được thải bỏ. Một phần bã cà phê được làm thức ăn cho gia súc, phần còn lại được đốt như chất thải sinh ra khí nhà kính CO2. Vì vậy, cần phát triển các công nghệ tái sử dụng bã cà phê cho các mục đích hữu ích và chuyển hóa chúng thành nguồn vật liệu mới. Trong khoảng một thập niên gần đây, các nhà khoa học đã tiến hành nhiều nghiên cứu trên bã cà phê và chứng minh được rằng bã cà phê có tính chất hấp phụ đáng kể, không chỉ đối với các kim loại nặng và các hợp chất hữu cơ độc hại tan trong nước mà còn đối với khí cacbonic. Nhưng, chỉ có một số ít nghiên cứu tính chất hấp phụ của bã cà phê biến tính. Việc tận dụng nguồn phế thải bã cà phê để điều chế chất hấp phụ sinh học không chỉ giải quyết bài toán môi trường, mà còn là bài toán kinh tế. Vì vậy, trong đề tài nghiên cứu này bã cà phê được xử lý bằng các phương pháp lý hóa khác nhau với mục đích tổng hợp chất hấp phụ sinh học với độ hấp phụ cao ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp.
Tình hình nghiên cứu Hiện nay trên thế giới việc sử dụng bã cà phê vào nghiên cứu xử lý kim loại trong nước thải đã đạt được nhiều kết quả đáng ghi nhận, một số công trình đã được công bố trong nước và trên thế giới. Trong một nỗ lực để tái sử dụng chất thải thực phẩm cho các mục đích hữu ích, nhóm nhà khoa học thuộc trường Đại học Kinki đã nghiên cứu khả năng sử dụng bã cà phê để loại bỏ các ion chì trong nước uống [Toshimitsu Tokimoto, Naohito Kawasaki, Takeo Nakamura, Jyunichi Akutagawa, Seiki Tanada (2004). Removal o f lead ions in drinking water by coffee grounds as vegetable biomass, Journal o f Colloid and Interface Science, 281(1), 56 61]. Các đặc tính hấp phụ ion chì bởi cà phê đã được nghiên cứu bằng cách xác định hàm lượng chất béo và protein, các đường hấp phụ đẳng nhiệt và tốc độ hấp thụ các ion chì. Lượng ion chì bị hấp phụ bởi bã cà phê không phụ thuộc vào loại hạt cà phê hoặc nhiệt độ mà tại đó các thí nghiệm hấp phụ được thực hiện. Tốc độ hấp phụ ion chì bằng bã cà phê tỷ lệ thuận với lượng bã cà phê thêm vào dung dịch. Khi bã cà phê đã được tẩy dầu mỡ hoặc đun sôi, lượng các ion chì giảm. Khi protein chứa trong bã cà phê được biến tính, sự hấp phụ ion chì giảm đáng kể.Đại lượng hấp phụ ion chì bởi bã cà phê giảm, khi tăng nồng độ của axit pecloric. Thực nghiệm cho thấy rằng protein có trong hạt cà phê phụ thuộc vào sự hấp thụ của ion chì. Kết quả nghiên cứu của nhóm nghiên cứu đã đưa ra một câu trả lời khẳng định cho khả năng sử dụng bã cà phê, một chất thải thực phẩm dồi dào, để loại bỏ các ion chì trong nước uống. Ở một nghiên cứu khác của [Jurgita Seniunait, Rasa Vaiskunait, Violeta Bolutien (2014). Coffee grounds as an adsorbent fo r copper and lead removal formaqueous solutions, The 9th International Conference “Environmental Engineering”, Vilnius Gediminas Technical University Press Technika, 1-6].
Được tiến hành bởi nhóm tác giả người Lithuania đã trình bày khả năng sử dụng bã cà phê như vật liệu hấp phụ trong việc loại bỏ các kim loại đồng và chì trong dung dịch nước. Trong nghiên cứu này, bã cà phê được rửa sạch bằng nước cất, sấy ở 100°C và sàng lọc thu được hai phần bã cà phê: loại có kích cỡ hạt nhỏ hơn 200 |um và loại lớn hơn 200 |um. Cả hai phần bã cà phê được đưa vào polyethylene kín để bảo quản để nó không phản ứng với môi trường. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng bã cà phê hấp phụ kim loại nặng trong dung dịch nước khá tốt và phụ thuộc vào kích thước hạt. Bã cà phê với cỡ hạt lớn hơn 200 |um loại bỏ chì và đồng gần như nhau. Khi kích thước hạt nhỏ hơn 200 |um thì hiệu quả hấp phụ tăng lên 6-11% cho đồng và 8-9% cho chì. Mục đích nghiên cứu • Điều chế vật liệu hấp phụ sinh học từ bã cà phê ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp. • Xác định điều kiện tối ưu cho quá trình hấp phụ Fe3+trong dung dịch nước trên bề mặt vật liệu. Nhiệm vụ nghiên cứu • Xử lý bã cà phê bằng KOH ở nhiệt độ cao. • Xác định các đặc tính của vật liệu hấp thụ thu được. • Khảo sát tính chất hấp phụ kim loại Fe3+ bởi vật liệu thu được và xác định điều kiện tối ưu cho quá trình hấp phụ. • Xác định các thông số của quá trình hấp phụ. Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp phân tích và tổng hợp tài liệu khoa học, phương pháp thực nghiệm. Các kết quả đạt được của đề tài: Vật liệu hấp phụ sinh học từ bã cà phê có hoạt tính hấp phụ cao được chế tạo. Cấu trúc của đồ án tốt nghiệp: Đồ án tốt nghiệp bao gồm 3 chương (Tổng quan tài liệu, Thực nghiệm, Kết quả và Thảo luận), 46 trang, 13 hình, 8 bảng.
CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Tổng quan về tình hình ô nhiễm nguồn nước Theo báo cáo giám sát của Uỷ ban Khoa học, Công nghệ và Môi trường của Quốc hội, tỉ lệ các khu công nghiệp có hệ thống xử lý nước thải tập trung ở một số địa phương rất thấp, có nơi chỉ đạt 15 - 20%, như tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu, Vĩnh Phúc. Một số khu công nghiệp có xây dựng hệ thống xử lí nước thải tập trung nhưng hầu như không vận hành vì để giảm chi phí. Đến nay, mới có 60 khu công nghiệp đã hoạt động có trạm xử lí nước thải tập trung (chiếm 42% số khu công nghiệp đã vận hành) và 20 khu công nghiệp đang xây dựng trạm xử lí nước thải. Bình quân mỗi ngày, các khu, cụm, điểm công nghiệp thải ra khoảng 30 000 tấn chất thải rắn, lỏng, khí và chất thải độc hại khác. Dọc lưu vực sông Đồng Nai, có 56 khu công nghiệp, khu chế xuất đang hoạt động nhưng chỉ có 21 khu có hệ thống xử lý nước thải tập trung, số còn lại đều xả trực tiếp vào nguồn nước, gây tác động xấu đến chất lượng nước của các nguồn tiếp nhận... Có nơi, hoạt động của các nhà máy trong khu công nghiệp đã phá vỡ hệ thống thuỷ lợi, tạo ra những cánh đồng hạn hán, ngập úng và ô nhiễm nguồn nước tưới, gây trở ngại rất lớn cho sản xuất nông nghiệp của bà con nông dân. Mặc dù các cấp, các ngành đã có nhiều cố gắng trong việc thực hiện chính sách và pháp luật về bảo vệ môi trường, nhưng tình trạng ô nhiễm nước là vấn đề rất đáng lo ngại. Tốc độ công nghiệp hoá và đô thị hoá khá nhanh và sự gia tăng dân số gây áp lực ngày càng nặng nề dối với tài nguyên nước trong vùng lãnh thổ. Môi trường nước ở nhiều đô thị, khu công nghiệp và làng nghề ngày càng bị ô nhiễm bởi nước thải, khí thải và chất thải rắn. Ở các thành phố lớn, hàng trăm cơ sở sản xuất công nghiệp đang gây ô nhiễm môi trường nước
dokhông có công trình và thiết bị xử lý chất thải. Ô nhiễm nước do sản xuất công nghiệp là rất nặng. Hàm lượng nước thải của các ngành này có chứa xyanua (CN-) vượt đến 84 lần, H2S vượt 4.2 lần, hàm lượng NH3 vượt 84 lần tiêu chuẩn cho phép nên đã gây ô nhiễm nặng nề các nguồn nước mặt trong vùng dân cư. Mức độ ô nhiễm nước ở các khu công nghiệp, khu chế xuất, cụm công nghiệp tập trung là rất lớn. Tại cụm công nghiệp Tham Lương, thành phố Hồ Chí Minh, nguồn nước bị nhiễm bẩn bởi nước thải công nghiệp với tổng lượng nước thải ước tính 500.000 m3/ngày từ các nhà máy giấy, bột giặt, nhuộm, dệt. Ở thành phố Thái Nguyên, nước thải công nghiệp thải ra từ các cơ sở sản xuất giấy, luyện gang thép, luyện kim màu, khai thác than; về mùa cạn tổng lượng nước thải khu vực thành phố Thái Nguyên chiếm khoảng 15% lưu lượng sông Cầu; nước thải từ sản xuất giấy có pH từ 8.4-9 và hàm lượng NH4 là 4mg/1, hàm lượng chất hữu cơ cao, nước thải có màu nâu, mùi khó chịu... Khảo sát một số làng nghề sắt thép, đúc đồng, nhôm, chì, giấy, dệt nhuộm ở Bắc Ninh cho thấy có lượng nước thải hàng ngàn m 3/ ngày không qua xử lý, gây ô nhiễm nguồn nước và môi trường trong khu vực. Tình trạng ô nhiễm nước ở các đô thị thấy rõ nhất là ở thành phố Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh.Ở các thành phố này, nước thải sinh hoạt không có hệ thống xử lý tập trung mà trực tiếp xả ra nguồn tiếp nhận (sông, hồ, kênh, mương). Mặt khác, còn rất nhiều cơ sở sản xuất không xử lý nước thải, phần lớn các bệnh viện và cơ sở y tế lớn chưa có hệ thống xử lý nước thải; một lượng rác thải rắn lớn trong thành phố không thu gom hết đ ư ợ c . là những nguồn quan trọng gây ra ô nhiễm nước. Hiện nay, mức độ ô nhiễm trong các kênh, sông, hồ ở các thành phố lớn là rất nặng.
Tình trạng ô nhiễm nước ở nông thôn và khu vực sản xuất nông nghiệp, hiện nay Việt Nam có gần 76% dân số đang sinh sống ở nông thôn là nơi cơ sở hạ tầng còn lạc hậu, phần lớn các chất thải của con người và gia súc không được xử lý nên thấm xuống đất hoặc bị rửa trôi, làm cho tình trạng ô nhiễm nguồn nước về mặt hữu cơ và vi sinh vật ngày càng cao. Theo báo cáo của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, số vi khuẩn Feca coliform trung bình biến đổi từ 1500-3500MNP/100ml ở các vùng ven sông Tiền và sông Hậu, tăng lên tới 3800-12500MNP/100ml ở các kênh tưới tiêu. Trong sản xuất nông nghiệp, do lạm dụng các loại thuốc bảo vệ thực vật, các nguồn nước ở sông, hồ, kênh, mương bị ô nhiễm, ảnh hưởng lớn đến môi trường nước và sức khoẻ nhâmn dân. Nước thải bao gồm thành phần vật lý, hóa học, sinh vật và vi sinh vật. - Thành phần vật lý gồm các chất bẩn không tan trong nước: • Các tạp chất không tan ở dạng lơ lửng, kích thước lớn, với kích thước hạt lớn hơn 10-4m. Chúng có thể ở dạng huyền phù, nhũ tương hoặc kích thước lớn như giẻ, vải, giấy, que củi ... • Các tạp chất bẩn dạng keo với kích thước hạt trong khoảng 10-4 đến10-6mm. • Các chất bẩn dạng tan có kích thước nhỏ hơn 10-6mm. Chúng có thể ởdạng phân tử hoặc phân ly thành ion. - Thành phần hóa học là các hợp chất hóa học dạng vô cơ từ nước cấp như sắt, magiê, canxi, silic... và rất nhiều chất hữu cơ trong sinh hoạt. Nước thải vừa xả ra thường có tính kiềm, nhưng dần trở nên có tính axit vì thối rữa. Các chất hữu cơ trong nước thải có thể xuất xứ từ thực vật, động vật. Chất hữu có có thể chia thành các chất chứa nitơ (urê, prôtêin, amin, axit am in...) hoặc không chứa nitơ (mỡ, xà phòng, hyđrocacbon, xenlulô). Trong nước thải, các chất bẩn dạng vô cơ chiếm khoảng 42% có phân bố chủ yếu ở dạng
tan, các chất bẩn dạng hữu cơ chiếm 58%, có phân bố nhiều ở dạng keo và không tan. - Thành phần sinh vật và vi sinh vật đó là nấm men, nấm mốc, tảo, vi khuẩn, trong đó có loài vi khuẩn gây bệnh tả, lỵ, thương hàn ... Những loài vi sinh vật này chủ yếu đặc trưng cho nước thải sinh hoạt và một số nước thải sản xuất (lò mổ, nhà máy da, len ...). 1.2. Các phương pháp xử lý nước Hiện nay, đa phần các cơ sở, nhà máy thường ưu tiên sử dụng các phương pháp hóa học, hóa lý và sinh họctrong xử lý nước. 1.2.1. Phương pháp kết tủa hóa học [3] Phương pháp này dựa trên phản ứng hóa học giữa chất đưa vào nước thải với các kim loại cần tách ở độ pH thích hợp sẽ tạo thành hợp chất kết tủa và được tách ra khỏi nước bằng phương pháp lắng. Phương pháp thường được dùng là kết tủa kim loại dưới dạng hydroxit bằng cách trung hòa các chất thải axit. Ưu điểm: • Đơn giản, dễ sử dụng. • Rẻ tiền, nguyên vật liệu dễ kiếm. • Xử lý được cùng lúc nhiều kim loại, hiệu quả xử lý cao. • Xử lý được nước thải đối với các nhà máy có quy mô lớn. Nhược điểm: • Với nồng độ kim loại cao thì phương pháp này xử lý không triệt để. • Tạo ra bùn thải kim loại. • Tốn kinh phí như vận chuyển, chôn lấp khi đưa bùn thải đi xử lý. • Khi sử dụng tác nhân tạo kết tủa là OH- thì khó điều chỉnh pH đối với nước thải chứa kim loại lưỡng tính, ví dụ Zn.
Nếu trong nước thải có nhiều kim loại nặng thì càng thuận tiện cho quá trình kết tủa vì ở giá trị pH nhất định độ hòa tan của kim loại trong dung dịch có mặt các kim loại sẽ giảm. 1.2.2. Phương pháp hấp phụ [3] Hấp phụ là quá trình hút khí bay hơi hoặc chất hòa tan trong chất thải lỏng lên bề mặt xốp. Vật liệu có khả năng hấp phụ kim loại nặng, đó là than hoạt tính, than bùn, vật liệu vô cơ như oxit sắt, oxit mangan, tro xỉ, các vật liệu polymer hóa học hay polymer sinh học. Trong hấp phụ thường diễn ra 2 kiểu hấp phụ là hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học. Hấp phụ vật lý là sự hấp phụ thuận nghịch nhờ lực hút tĩnh điện giữa các ion kim loại và các tâm hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ. Các mối liên kết này yếu, do vậy thuận lợi cho quá trình nhả hấp phụ và thu hồi kim loại quý. Hấp phụ hóa học là hấp phụ xảy ra nhờ các phản ứng tạo liên kết hóa học giữa ion kim loại nặng và các nhóm chức của tâm hấp phụ, thường là các ion kim loại nặng phản ứng tạo phức đối với các nhóm chức trong chất hấp phụ. Mối liên kết này thường rất bền và khó bị phá vỡ. Sau khi thực hiện hấp phụ để xử lý chất độc trong nước nói chung và kim loại nặng nói riêng thì người ta thường tiến hành nhả hấp phụ để hoàn nguyên, tái sinh. Ưu điểm: • Xử lý hiệu quả kim loại nặng ở nồng độ thấp. • Đơn giản, dễ sử dụng. • Có thể tận dụng một số vật liệu là chất thải của các ngành khác như Fe2O3. • Có thể nhả hấp phụ để tái sinh vật liệu hấp phụ. Nhược điểm: • Chi phí xử lý cao.
1.2.3. Phương pháp trao đổi ion [3] Phương pháp trao đổi ion là phương pháp ứng dụng nguyên tắc trao đổi ion thuận nghịch của chất rắn và chất lỏng mà không làm thay đổi cấu trúc của chất rắn. Quá trình này ứng dụng để loại bỏ các cation và anion trong nước thải. Các cation sẽ trao đổi với ion hydrogen hay sodium, các anion sẽ trao đổi với ion hydroxyl của nhựa trao đổi ion. Có hai phương pháp sử dụng trao đổi ion: • Trao đổi ion với lớp nhựa chuyển động, vận hành và tái sinh liên tục. • Trao đổi ion với lớp nhựa trao đổi đứng yên,vận hành và tái sinh gián đoạn. Hầu hết các loại nhựa trao đổi ion là các hợp chất tổng hợp. Nó là các chất hữu cơ hoặc vô cơ cao phân tử đính kết với các nhóm chức. Các nhựa trao đổi ion dùng trong xử lý nước thải là các hợp chất hữu cơ cao phân tử có cấu trúc không gian 3 chiều và có lổ rỗng. Các nhóm chức được đính vào cấu trúc cao phân tử bằng cách cho hợp chất này phản ứng với các hóa chất chứa nhóm chức thích hợp. Khả năng trao đổi ion được tính bằng số nhóm chức trên một đơn vị trọng lượng nhựa trao đổi ion. Hoạt động và hiệu quả kinh tế của phương pháp này phụ thuộc vào khả năng trao đổi ion và lượng chất tái sinh cần sử dụng. Cấu tạo của hạt nhựa có thể phân ra hai phần. Một phần gọi là gốc của chất trao đổi ion, một phần khác gọi là nhóm ion có thể trao đổi (nhóm hoạt tính). Chúng hoá hợp trên cốt cao phân tử. Các vật liệu nhựa này có thể thay thế được mà không làm thay đổi tính chất vật lý của các chất trong dung dịch và cũng không làm biến mất hoặc hòa tan. Khi nhựa trao đổiion đã hết khả năng trao đổi ion, nó sẽ được tái sinh lại bằng các chất tái sinh thích hợp.Sau quá trình tái sinh các chất tái sinh sẽ được rửa đi bằng nước.
Ưu điểm: • Khả năng trao đổi ion lớn, hiệu quả xử lý kim loại cao. • Đơn giản, dễ sử dụng. • Không gian xử lý nhỏ. • Có khả năng thu hồi kim loại có giá trị, không tạo ra chất thải thứ cấp. Nhược điểm: • Chi phí xử lý cao do đó không phù hợp với các nhà máy có quy mô lớn. 1.2.4. Phương pháp điện hóa [3] Phương pháp điện hóa xử lý kim loại là phương pháp dựa vào quá trình kết tủa kim loại nặng tại cathode trong hệ điện hóa với sự trợ giúp dòng điện một chiều. Khi đặt một điện thế đủ lớn vào hệ điện hóa, ở điện cực sẽ xảy ra phản ứng: Ở anot xảy ra quá trình oxi hóa anion hoặc OH- hoặc chất làm anot: M - ne = Mn+ Ớ catot xảy ra quá trình khử các ion kim loại nặng, và có thể ion H+: Mn+ + ne = M 2H+ + 2e = H2 Ưu điểm: • Đơn giản, dễ sử dụng. • Không sử dụng hóa chất. Nhược điểm: • Tiêu hao năng lượng lớn,chi phí xử lý cao. • Chỉ thích hợp với nước thải có nồng độ kim loại cao. • Mặc dù hiệu suất xử lý đạt tới 90% hoặc hơn, nhưng nồng độ kim loại trong nước thải vẫn còn cao.
1.2.5. Phương pháp sinh học [3] Phương pháp sinh học là phương pháp sử dụng những vi sinh vật đặc trưng chỉ xuất hiện trong môi trường bị ô nhiễm kim loại nặng và có khả năng tích lũy kim loại nặng trong cơ thể. Các vi sinh vật thường sử dụng như tảo, nấm, vi khuẩn... Ngoài ra, còn có một số loài thực vật sống trong môi trường ô nhiễm kim loại nặng có khả năng hấp thụ và tách các kim loại nặng độc hại như cỏ Vertiver, cải xoong, cây dương xỉ, cây thơm ổi... Thực vật phản ứng khác nhau đối với sự có mặt của các ion kim loại trong môi trường. Cơ chế hấp thụ kim loại nặng ở vi khuẩn như sau: • Giai đoạn 1: Tích tụ các kim loại nặng và sinh khối, làm giảm nồng độ các kim loại này ở trong nước. • Giai đoạn 2: Sau quá trình phát triển ở mức tối đa sinh khối, vi sinh vật thường lắng xuống đáy bùn hoặc kết thành mảng nổi trên bề mặt và cần phải lọc hoặc thu sinh khối ra khỏi môi trường nước. Ưu điểm: • Thu nhận kim loại nặng ở mức độ cao. • Diện tích bề mặt riêng của sinh khối lớn. • Giá thành thấp. Nhược điểm: • Diện tích mặt bằng rất lớn. • Sinh khối phát sinh ra sẽ chứa toàn kim loại nặng khó xử lý. 1.2.6. Giới thiệu vật liệu hấp phụ Phương pháp hấp phụ được sử dụng rộng rãi trong xử lý nước thải công nghiệp vì nó cho phép tách loại đồng thời nhiều chất bẩn từ một nguồn nước ô nhiễm và tách loại tốt ngay khi chúng ở nồng độ thấp. Bên cạnh đó, sử dụng phương pháp hấp phụ còn tỏ ra có nhiều ưu thế hơn các phương pháp khác và giá thành xử lý thấp. Vật liệu hấp phụ có thể
được chế tạo từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau, theo những phương pháp khác nhau, đặc biệt nó có thể chế tạo bằng cách biến tính các chất thải ô nhiễm môi trường như tro bay, than bùn hay các phế thải nông nghiệp như vỏ trấu, vỏ đậu, bã mía, bã cà phê, mùn cưa, lõingô... 1.2.7. Nhóm khoáng tự nhiên Diatomit là một loại khoáng vật tự nhiên có thành phần chủ yếu là SiO2 ngoài ra còncó Al2O3cùng một số oxit khác với hàm lượng nhỏ hơn. Diatomit là một loại khoáng có cấu trúc xốp, thường ở trạng thái phân tán cao. Do có độ xốp lớn lên diatomit có thể được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như vật liệu cách điện, cách âm, bê tông nhẹ, dung dị ch khoan. Khi diatomit chứa không ít hơn 90% SiO2 không quá 2% Fe2O3, 3% các hợp chất hữu cơ và có độ ẩm khoảng trên 2% thì nó được sử dụng làm chất trợ lắng, trợ lọc và làm trong nước giảm độ cứng của nước sinh hoạt dùng để loại bỏ chất phóng xạ trong nướcthải. Bentonit là khoáng sét phi kim thuộc loại alumono silicat, thành phần hóa học có thể viết là Si8(Alx My)O20trong đó M là Ca, Mg, Na. Có hai loại bentonit là bentonit kiềm (Na, K) và bentonit kiềm thổ (Mg,Ca). Nhìn chung, bentonit xử lý hiệu quả đối với nước thải chứa chất không tan như các chất hữu cơ, dầu, vi sinh vật. Để xử lý các muối tan chứa các ion kim loại người ta sử dụng bentonit đã hoạt hóa biến tính. 1.2.8. Nhóm nguyên liệu tự nhiên và phế thải nông nghiệp Vỏ lạc được sử dụng để chế tạo than hoạt tính với khả năng tách loại ion Cd(II) rất cao. Chỉ cần hàm lượng than hoạt tính là 0,7 g/l có thể hấp phụ dung dịch hấp phụ chứa Cd(II) nồng độ 20 mg/l. Nếu so sánh với các loại than hoạt tính (dạng viên) có trên thị trường thì khả năng hấp phụ của nó cao gấp 31lần. Một nghiên cứu mới đây của các nhà khoa học Khoa Công nghệ Môi