Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu ứng dụng vỏ bưởi trong xử lý môi trường

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:102

Thêm vào BST

Báo xấu

69
lượt xem 15
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn nghiên cứu ra vật liệu hấp phụ thân thiện với môi trường từ nguồn phế phẩm có sẵn là vỏ bưởi, không đưa vào nước thải các hóa chất khác mà vẫn đạt được hiệu quả xử lý cao. Nếu thành công thì đây sẽ là một trong những biện pháp hữu ích trong việc xử lý nước thải hiện nay. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu ứng dụng vỏ bưởi trong xử lý môi trường

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA - VŨNG TÀU BÁO CÁO ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VỎ BƯỞI TRONG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG Chủ nhiệm đề tài: TS. Tống Thị Minh Thu BÀ RỊA - VŨNG TÀU, Tháng 5, năm 2021
1. Tên đề tài: Nghiên Cứu Ứng Dụng Vỏ Bưởi Trong Xử Lý Môi Trường. 2. Mã số: Theo Quyết định số 1222 ngày 12/3/2018. 3. Chủ nhiệm đề tài: TS. Tống Thị Minh Thu. 4. Nội dung chính: - Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ từ vỏ bưởi để xử lý chất màu metylen xanh. - Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ từ vỏ bưởi để xử lý dầu tràn. 5. Kết quả đạt được: (khoa học, đào tạo, kinh tế - xã hội, ứng dụng…). 5.1. Về mặt khoa học: - Xác định được các đặc tính của vỏ bưởi chưa biến tính và sau khi biến tính thông qua các phương pháp SEM, BET, FTIR. - Xác định khả năng hấp phụ metylen và dầu trong môi trường nước của vỏ bưởi bằng phép đo phổ UV-VIS, phương pháp cân khối lượng và phương pháp đo góc thấm ướt (contact – angle). - Nghiên cứu thành công quy trình chế tạo, biến tính vỏ bưởi (kích thước hạt khác nhau) để áp dụng vào xử lý thuốc nhuộm màu metylen xanh và nước nhiễm dầu. - Báo cáo nghiên cứu khoa học này có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các công trình nghiên cứu tiếp theo với hướng nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ cho xử lý ô nhiễm môi trường. 5.2. Về mặt đào tạo: - Hướng dẫn 02 sinh viên bảo vệ đồ án tốt nghiệp với kết quả xuất sắc: + Sinh viên Pham Duy Khánh (DH14CM) với đề tài “Nghiên cứu vật liệu hấp phụ xử lý môi trường từ vỏ bưởi”. + Sinh viên Lê Thúy Vân (DH15HD) với đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ xử lý chất màu metylen xanh và dầu tràn từ vỏ bưởi”. 5.3. Về mặt kinh tế-xã hội: - Tìm và chế tạo được vật liệu hấp phụ từ nguồn phế phụ phẩm nông nghiệp rẻ tiền, sẵn có, là đối tượng phát thải gây ô nhiễm môi trường, tái sử dụng lại để chế tạo thành vật liệu xử lý ô nhiễm môi trường. - Giảm bớt kinh phí xử lý phế phụ phẩm nông nghiệp.
- Góp phần vào bảo vệ môi trường sống của con người. - Các kết quả thu được xem là cơ sở để hoàn thiện quy trình xử lý nước thải giúp xử lý triệt để các chất hữu cơ trong nước thải nghiên cứu. 5.4. Về mặt ứng dụng: - Kết quả nghiên cứu của đề tài này có thể được xem xét triển khai ứng dụng trong thực tiễn, cụ thể vỏ bưởi trước và sau khi biến tính có thể ứng dụng trong xử lý nước thải nhiễm màu metylen xanh, trong xử lý tràn dầu, trong xử lý kim loại nặng. 6. Thời gian nghiên cứu: từ 12/3/2018 đến 12/6/2020 Chủ nhiệm đề tài TS. Tống Thị Minh Thu
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................ v DANH MỤC HÌNH ẢNH ..................................................................................... vii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................. ix LỜI MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT .......................................................... 3 1.1. Thực trạng ô nhiễm môi trường nước ở Việt Nam .................................... 3 1.2. Thực trạng sử dụng phế phẩm nông nghiệp ở Việt Nam .......................... 4 1.3. Các phương pháp xử lý môi trường và phạm vi ứng dụng ....................... 5 1.4. Các loại vật liệu hấp phụ từ phế phẩm sinh học ........................................ 7 1.4.1. Vỏ trấu [2] ...................................................................................................... 7 1.4.2. Bã mía ............................................................................................................ 9 1.4.3. Bã cà phê ...................................................................................................... 10 1.4.4. Xơ dừa: ......................................................................................................... 11 1.5. Tổng quan về ngành công nghiệp nhuộm- dệt may .............................. 13 1.5.1. Thực trạng ô nhiễm từ các ngành công nghiệp dệt nhuộm hiện nay .... 13 1.5.2. Nguồn gốc phát sinh nước thải dệt nhuộm ........................................... 13 1.5.3. Tác hại của nước thải dệt nhuộm đối với môi trường ........................... 13 1.5.4. Phương pháp xử lý nước thải dệt nhuộm .............................................. 14 1.6. Tổng quan về tràn dầu ............................................................................. 16 1.6.1. Các vụ tai nạn tràn dầu ở Việt Nam và trên thế giới............................. 17 1.6.2. Các phương pháp xử lý dầu tràn ........................................................... 18 1.6.3. Vật liệu xử lý dầu tràn ........................................................................... 19 1.7. Chất hoạt động bề mặt ............................................................................. 19 1.7.1. Khái niệm .............................................................................................. 19 1.7.2. Thành phần và cấu trúc ......................................................................... 19 1.7.3. Các chất hoạt động thường dùng ........................................................... 20 1.8. Vỏ bưởi ...................................................................................................... 20 1.8.1. Thành phần chính của vỏ bưởi .............................................................. 21 1.8.2. Ứng dụng của vỏ bưởi ........................................................................... 22 1.8.3. Các công trình nghiên cứu .................................................................... 23 1.9. Các phương pháp phân tích – xác định chỉ tiêu nước thải ................... 25 i
1.9.1. Phương pháp quan sát kính hiển vi điện tử quét SEM .......................... 25 1.9.2. Phương pháp hấp phụ đẳng nhiệt (BET)............................................... 25 1.9.3. Phương pháp phổ hồng ngoại IR........................................................... 26 1.9.4. Phương pháp đo quang phổ hấp phụ Uv – Vis ..................................... 26 1.9.5. Phương pháp xác định pH ..................................................................... 27 1.9.6. Phương pháp đo góc thấm ướt (contact – angle) .................................. 27 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM ........................................................................... 28 2.1. Thiết bị và hóa chất .................................................................................. 28 2.1.1. Dụng cụ và thiết bị ................................................................................ 28 2.1.2. Hóa chất ................................................................................................. 28 2.2. Nguồn nguyên- vật liệu............................................................................. 29 2.2.1. Vỏ bưởi .................................................................................................. 29 2.2.2. Mẫu nước chứa chất nhuộm màu metylen xanh ................................... 29 2.2.3. Mẫu nước nhiễm dầu ............................................................................. 29 2.3. Chế tạo vật liệu hấp phụ từ vỏ bưởi ....................................................... 30 2.3.1. Quy trình sơ chế vỏ bưởi để hấp phụ metylen xanh và dầu tràn .......... 30 2.3.2. Quy trình biến tính vỏ bưởi ................................................................... 31 2.4. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ metylen xanh 31 2.4.1. Ảnh hưởng của pH ....................................................................................... 31 2.4.2. Ảnh hưởng của lượng chất hấp phụ ............................................................. 32 2.4.3. Ảnh hưởng của thời gian .............................................................................. 32 2.4.4. Ảnh hưởng của nồng độ ............................................................................... 32 2.5. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình biến tính vỏ bưởi......... 32 2.5.1. Tỷ lệ khối lượng vỏ bưởi và dung môi sử dụng trong quá trình biến tính 32 2.5.2. Nhiệt độ biến tính vỏ bưởi .................................................................... 32 2.5.3. Tỷ lệ vỏ bưởi/ chất béo axit................................................................... 33 2.5.4. Thời gian biến tính vỏ bưởi ................................................................... 33 2.6. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ trong xử lý tràn dầu 33 2.6.1. Ảnh hưởng của độ dày lớp dầu trong hệ nước nhiễm dầu .................... 33 2.6.2. Ảnh hưởng của thời gian ....................................................................... 33 ii
2.6.3. Ảnh hưởng của độ mặn dung dịch ........................................................ 34 2.6.4. Ảnh hưởng của tần số dao động ............................................................ 34 2.7. Phương pháp xác định hiệu suất hấp phụ .............................................. 34 2.7.1. Phương pháp xác định hiệu suất của metylen xanh .............................. 34 2.7.2. Phương pháp xác định hiệu suất hấp phụ dầu của vỏ bưởi ................... 34 2.8. Phương pháp xác định hàm lượng muối trong nước biển.................... 35 2.9. Các phương trình đường đẳng nhiệt hấp phụ metylen xanh ............... 36 2.9.1. Phương trình đẳng nhiệt Freundlich...................................................... 36 2.9.2. Phương trình đẳng nhiệt Langmuir ....................................................... 37 2.9.3. Phương trình đẳng nhiệt Temkin........................................................... 38 2.9.4. Mô hình phương trình đẳng nhiệt Dubinin- Radushkevich .................. 38 2.9.5. Phương trình đẳng nhiệt Flory- Huggins .............................................. 39 2.10. Phương trình động học hấp phụ của dầu ............................................... 39 2.11. Phương pháp xây dựng đường chuẩn (hấp phụ metylen xanh) .......... 41 2.12. Các phương pháp đo lường, phân tích đặc trưng được sử dụng ......... 41 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ....................................................... 43 3.1. Kết quả phân tích vật liệu (vỏ bưởi) ....................................................... 43 3.1.1. Kết quả chụp SEM của vỏ bưởi chưa xử lý (biến tính) ........................ 43 3.1.2. Kết quả chụp FTIR ................................................................................ 44 3.2. Kết quả xử lý metylene xanh từ vỏ bưởi ........................................... 46 3.2.1. Phương trình đường chuẩn .................................................................... 46 3.2.2. Khảo sát sự hấp phụ của vỏ bưởi với metylen xanh ............................. 47 3.2.2.1. Khảo sát pH ........................................................................................... 47 3.2.2.2. Khảo sát liều lượng chất hấp phụ (vỏ bưởi) .......................................... 49 3.2.2.3. Khảo sát thời gian hấp phụ .................................................................... 50 3.2.2.4. Khảo sát sự hấp phụ của vỏ bưởi theo các nồng độ .............................. 52 3.2.3. Khảo sát khả năng hấp phụ metylen xanh của các vật liệu khác nhau . 57 3.2.4. Các mô hình hấp phụ đẳng nhiệt ........................................................... 58 3.2.5. Cơ chế hấp phụ methylen xanh của vỏ bưởi. ........................................ 61 3.3. Kết quả khảo sát khả năng xử lý nước nhiễm dầu của vỏ bưởi ........... 62 3.3.1. Kết quả phân tích vật liệu vỏ bưởi sau khi biến tính .................................. 62 3.3.1.1. Kết quả chụp SEM ................................................................................ 62 iii
3.3.1.2. Kết quả chụp FTIR ................................................................................ 64 3.3.2. Cơ chế của vỏ bưởi biến tính ................................................................ 66 3.3.3. Kết quả chụp góc thấm ướt (contact – angle) ....................................... 67 3.3.4. Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ dầu của vỏ bưởi ở các điều kiện biến tính vỏ bưởi khác nhau ............................................................................................. 68 3.3.5. Khảo sát sự hấp phụ dầu theo kích thước hạt (vỏ bưởi) đã được biến tính 73 3.3.6. Khảo sát sự hấp phụ dầu của vỏ bưởi trong nước nhiễm dầu .................... 74 3.3.6.1. Khảo sát độ dày ..................................................................................... 74 3.3.6.2. Khảo sát thời gian hấp phụ .................................................................... 75 3.3.7. Khảo sát nồng độ muối.......................................................................... 77 3.3.8. Khảo sát tốc độ rung lắc ........................................................................ 78 3.3.9. Điều kiện tối ưu ..................................................................................... 80 3.3.10. Khảo sát khả năng hấp phụ dầu của vỏ bưởi biến tính với nước biển lấy từ thành phố Vũng Tàu............................................................................................. 81 3.3.11. Phương trình động học hấp phụ trong xử lý dầu tràn ........................... 82 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................... 85 4.1. Kết luận....................................................................................................... 85 4.2. Kiến nghị .................................................................................................... 86 PHỤ LỤC ................................................................... Error! Bookmark not defined. iv
DANH MỤC BẢNG Bảng 1. 1. Kết quả bã mía hấp phụ metylen xanh trong dung dịch Cđ = 99.23 mg/l ........ 10 Bảng 1. 2. Kết quả bã mía hấp phụ metylen xanh trong dung dịch Cđ = 3.739 mg/l ........ 10 Bảng 1. 3. Kết quả bã mía loại bỏ ion sắt trong nước uống Cđ = 5 mg/l .......................... 10 Bảng 1. 4. Kết quả bã cà phê loại bỏ KLN trong nước thải Cđ = 50 mg/l ........................ 11 Bảng 1. 5. Kết quả bã cà phê xử lý độ màu trong nước thải dệt nhuộm Cđ = 50 mg/l ..... 11 Bảng 1.6. Kết quả xơ dừa hấp phụ dầu trong nước thải Cđ = 58.3 mg/l ........................... 12 Bảng 1.7. Kết quả xơ dừa loại bỏ ion sắt trong nước uống Cđ = 5 mg/l ........................... 13 Bảng 1.8: Kết quả vỏ bưởi loại bỏ Pb2+ trong dung dịch Cđ = 100 mg/l ......................... 23 Bảng 1.9: Kết quả vỏ bưởi loại bỏ Cu2+ trong dung dịch Cđ = 125 mg/l ........................ 23 Bảng 1. 10 Kết quả vỏ bưởi loại bỏ Pb2+ trong dung dịch Cđ = 10 mg/l ......................... 24 Bảng 1. 11: Kết quả vỏ bưởi hấp phụ metylen xanh trong dung dịch Cđ= 300 mg/l ........ 24 Bảng 1. 12: Kết quả vỏ bưởi hấp phụ metylen xanh trong dung dịch Cđ= 100 mg/l ........ 24 Bảng 2. 1 Dụng cụ và các thiết bị chính ............................................................................ 28 Bảng 2. 2 Danh mục hóa chất chính .................................................................................. 29 Bảng 3. 1 Nồng độ mẫu chuẩn và giá trị A ........................................................................ 46 Bảng 3.2 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH đến hiệu suất hấp phụ ............................... 48 Bảng 3.3 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của liều lượng chất hấp phụ đến hiệu suất hấp phụ ............................................................................................................................................ 49 Bảng 3.4 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian hấp phụ đến hiệu suất hấp phụ ........ 51 Bảng 3. 5 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ ban đầu (30 – 100 mg/l) đến hiệu suất hấp phụ ............................................................................................................................... 52 Bảng 3. 6 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ ban đầu (100 – 500 mg/l) đến hiệu suất hấp phụ ............................................................................................................................... 54 Bảng 3. 7 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ ban đầu (100 – 500 mg/l) đến hiệu suất hấp phụ ............................................................................................................................... 56 v
Bảng 3. 8 Bảng kết quả hấp phụ metylen xanh của các loại vật liệu khác nhau ............... 58 Bảng 3. 9 Kết quả các thông số tính theo phương trình đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich ............................................................................................................................................ 59 Bảng 3. 10 Bảng tổng hợp kết quả của 2 phương trình đẳng nhiệt.................................... 61 Bảng 3. 11 Bảng tổng hợp kết quả phân tích phổ FTIR của vỏ bưởi (bước sóng cm-1) .... 65 Bảng 3. 12 Bảng khảo sát khối lượng vỏ bưởi trong phản ứng biến tính vỏ bưởi............. 69 Bảng 3. 13 Bảng khảo sát nhiệt độ biến tính vỏ bưởi ........................................................ 70 Bảng 3. 14 Kết quả khảo sát sự hấp phụ dầu của vỏ bưởi ................................................. 71 Bảng 3. 15 Bảng kết quả khảo sát thời gian biến tính vỏ bưởi .......................................... 72 Bảng 3. 16 Kết quả khảo sát sự hấp phụ của vỏ bưởi theo các kích thước khác nhau ...... 73 Bảng 3. 17 Bảng kết quả khảo sát độ dày sau khi hấp phụ ................................................ 74 Bảng 3. 18 Bảng kết quả khảo sát thời gian sau khi hấp phụ ............................................ 76 Bảng 3. 19 Bảng kết quả khảo sát nồng độ muối sau khi hấp phụ .................................... 77 Bảng 3. 20 Bảng kết quả khảo sát tốc độ rung sau khi hấp phụ ........................................ 79 Bảng 3. 21 Bảng kết quả khảo sát điều kiện tối ưu sau khi hấp phụ ................................. 81 Bảng 3. 22 Bảng kết quả xác định hàm lượng % muối trong nước biển ........................... 82 Bảng 3. 23 Bảng kết quả khảo sát khả năng hấp phụ trong hệ nước biển thật .................. 82 Bảng 3. 24 Bảng tóm tắt các thông số trong quá trình hấp phụ dầu .................................. 83 Bảng 3. 25 Bảng tóm tắt các thông số động học vi phân bậc 2 cho sự hấp phụ dầu ........ 84 vi
DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1. 1 Hình ảnh về hậu quả của việc tràn dầu ảnh hưởng đến môi trường .................. 16 Hình 1. 2 Cấu trúc của Hemicellulose ............................................................................... 22 Hình 1. 3 Cấu trúc của Cellulose ....................................................................................... 22 Hình 1. 4 Cấu trúc của Pectin ............................................................................................ 22 Hình 1. 5 Cấu trúc của Naringin ........................................................................................ 22 Hình 2. 1 Hình ảnh quy trình xử lý vỏ bưởi 30 Hình 2. 2 Hệ thống xử lý vỏ bưởi Hình 2. 3 Mô hình lọc vỏ bưởi sau xử lý 31 Hình 2. 4 Mô hình ngâm, lọc mẫu Hình 2. 5 Mô hình ngâm, lọc mẫu với 35 Hình 3. 1 Kết quả chụp SEM của vỏ bưởi chưa xử lý 43 Hình 3. 2 Kết quả chụp phổ và nhóm chức của vỏ bưởi chưa qua xử lý 44 Hình 3.3: Kết quả đo diện tích bề mặt của vỏ bưởi 45 Hình 3.4: Kết quả đo kích thước lỗ xốp của vỏ bưởi 46 Hình 3. 5 Biểu đồ phương trình đường chuẩn 47 Hình 3.6: Mẫu dung dịch metylen xanh sau khi hấp phụ theo pH 47 Hình 3.7: Đồ thị biểu diễn hiệu suất hấp phụ theo pH 48 Hình 3.8: Mẫu dd metylen xanh sau khi hấp phụ theo liều lượng vỏ bưởi 49 Hình 3.9: Đồ thị biểu diễn hiệu suất hấp phụ theo liều lượng chất hấp phụ 50 Hình 3.10: Mẫu dd metylen xanh sau khi hấp phụ theo thời gian 50 Hình 3.11: Đồ thị biểu diễn hiệu suất hấp phụ theo thời gian 51 Hình 3. 12 Mẫu dung dịch metylen xanh sau khi hấp phụ theo nồng độ 52 Hình 3. 13 Đồ thị biểu diễn hiệu suất hấp phụ theo nồng độ ban đầu (30 – 100 mg/l) 53 Hình 3. 14 Mẫu metylen xanh sau khi hấp phụ nồng độ từ 100 - 150 mg/l 54 Hình 3. 15 Đồ thị biểu diễn hiệu suất hấp phụ theo nồng độ ban đầu (100 – 150 mg/l) 55 Hình 3. 16 Mẫu dd sau khi hấp phụ theo nồng độ ban đầu khác nhau (100 – 500 mg/l) 55 Hình 3. 17 Đồ thị biểu diễn hiệu suất hấp phụ theo nồng độ ban đầu (100 – 500 mg/l) 56 Hình 3. 18 Hình ảnh các loại vỏ (1, 2, 3, 4 - Than hoạt tính, vỏ cam, vỏ bưởi, chanh) 57 vii
Hình 3. 19: Mẫu dung dịch metylen xanh sau khi hấp phụ theo các loại vật liệu hấp phụ khác nhau 57 Hình 3. 20 Đồ thị biểu diễn hiệu suất hấp phụ theo các loại vật liệu hấp phụ khác nhau 58 Hình 3. 21 Phương trình đẳng nhiệt Langmuir. 60 Hình 3. 22 Phương trình đẳng nhiệt Freundlich 60 Hình 3. 23 Cấu trúc phân tử methylen xanh Hình 3. 24 Cấu trúc phân tử Cellulose 61 Hình 3. 25 Kết quả chụp SEM của vỏ bưởi đã xử lý bằng axit stearic 62 Hình 3. 26 Kết quả chụp SEM của vỏ bưởi đã xử lý bằng axit oleic 63 Hình 3. 27 Kết quả chụp phổ và nhóm chức của vỏ bưởi đã xử bằng axit stearic 64 Hình 3. 28 Kết quả chụp phổ và nhóm chức của vỏ bưởi đã xử bằng axit oleic 65 Hình 3. 29 Cấu trúc của Hemicellulose Hình 3. 30 Cấu trúc Hemicellulose sau khi 66 Hình 3. 31 Cấu trúc của Cellulose Hình 3. 32 Cấu trúc Cellulose sau khi 66 Hình 3. 33 Cấu trúc của Pectin Hình 3. 34 Cấu trúc của Pectin sau khi 67 Hình 3. 35 Khả năng thấm nước của vỏ bưởi chưa xử lý 67 Hình 3. 36 Khả năng thấm nước của vỏ bưởi đã xử lý 67 Hình 3. 37 Khả năng thấm dầu của vỏ bưởi đã xử lý 67 Hình 3. 38 Khả năng thấm ướt của vỏ bưởi tham khảo[26] (với d,f là khả năng hấp phụ dầu ở nhiệt độ phòng) 68 Hình 3. 39 Kích thước vỏ bưởi (1; 2; 3; 4 – Dạng bột, hạt lựu, dài, dài to) 73 Hình 3. 40 Đồ thị biểu diễn khả năng hấp phụ của vỏ bưởi theo độ dày của dầu 75 Hình 3. 41 Đồ thị biểu diễn khả năng hấp phụ theo thời gian của vỏ bưởi 76 Hình 3. 42 Đồ thị biểu diễn lượng khả năng hấp phụ theo nồng độ muối của vỏ bưởi 78 Hình 3. 43 Đồ thị biểu diễn khả năng hấp phụ theo tốc độ rung lắc của hệ thống mô phỏng nước nhiễm dầu (dầu tràn) 79 Hình 3. 44. Mẫu hỗn hợp nước biển (mô phỏng) và dầu sau khi hấp phụ với tốc độ 30 rpm (hình trái) và tốc độ 180 rpm (hình phải) 80 Hình 3. 45 Mẫu hỗn hợp nước biển (mô phỏng) và dầu sau khi hấp phụ theo các loại dầu DO, Dầu nhờn và Dầu thô 80 Hình 3. 46 Đường cong động học vi phân bậc 1 của sự hấp phụ dầu diesel 83 Hình 3. 47 Đường cong động học vi phân bậc 2 của sự hấp phụ dầu diesel 84 viii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT AAS Atomic Absorption Spectrophotometric BET Brunauer- Emmett- Teller BOD Biological Oxygen Demand COD Chemical Oxygen Demand IR Infrared Radiation KLN Kim loại nặng PAC Poly Aluminium Chloride PVA Poly Vinyl Alcohol QCVN Quy chuẩn Việt Nam SEM Scanning Electron Microscope TSS Turbidity & Suspendid Solids Uv-Vis Ultraviolet–visible spectroscopy NCKH Nghiên cứu khoa học DO Dầu Diesel STT Số thứ tự ix
Trường Đại học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa CNKT-NNCNC Báo cáo đề tài NCKH LỜI MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Với tình hình phát triển của thế giới theo xu hướng công nghiệp hóa hiện đại hóa như hiện nay thì nguy cơ ô nhiễm môi trường ngày càng cao. Trong đó, vấn đề ô nhiễm nguồn nước do việc xả thải từ các khu công nghiệp, nhà máy, xí nghiệp… ra ngoài môi trường là đặc biệt nghiêm trọng. Nó đang trở thành một vấn đề cấp bách và cần được sớm quan tâm, giải quyết bởi tính chất độc hại của nó đối với môi trường sống của các loài sinh vật và của con người. Hiện nay đã có nhiều công trình nghiên cứu về các phương pháp xử lý các nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng, dầu tràn… như phương pháp kết tủa, trao đổi ion, thẩm thấu ngược, điện thẩm tách…Nhưng các phương pháp này thường tốn kém và để lại lượng bùn thải lớn. Những năm gần đây, phương pháp sử dụng vật liệu hấp phụ từ các nguồn tự nhiên và các phụ phẩm nông nghiệp như rơm rạ, tro, bã mía, ... đang được chú ý nhiều trên thế giới. So với các phương pháp hóa học và hóa lý nêu trên thì phương pháp này có ưu điểm là nguồn sẵn có, rẻ tiền, không đưa thêm vào nước thải các tác nhân độc hại. Tuy nhiên, ở nước ta việc đưa chúng vào xử lý nước thải còn ít được quan tâm và chưa được nghiên cứu một cách toàn diện. Chính vì vậy, tôi lựa chọn nghiên cứu vật liệu hấp phụ từ vỏ bưởi để xử lý nước thải. Ý nghĩa của đề tài là: - Tìm và chế tạo được vật liệu hấp phụ từ nguồn phế phụ phẩm nông nghiệp rẻ tiền, sẵn có, là đối tượng phát thải gây ô nhiễm môi trường, tái sử dụng lại để chế tạo thành vật liệu xử lý ô nhiễm môi trường. - Giảm bớt kinh phí xử lý phế phụ phẩm nông nghiệp. - Góp phần vào bảo vệ môi trường sống của con người. - Các kết quả thu được là cơ sở để hoàn thiện quy trình xử lý nước thải giúp xử lý triệt để các chất hữu cơ trong nước thải nghiên cứu. TS. Tống Thị Minh Thu Trang 1
Trường Đại học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa CNKT-NNCNC Báo cáo đề tài NCKH 2. Tình hình nghiên cứu Trên thế giới và tại Việt Nam đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về vật liệu hấp phụ từ phế phẩm sinh học như vỏ trấu, bã mía, bã cà phê, xơ dừa… để xử lý nước thải. Tuy nhiên, ở Việt Nam chưa có nghiên cứu nào về vật liệu hấp phụ từ vỏ bưởi mà trên thế giới đã có một vài công trình nghiên cứu và kết quả rất khả quan. 3. Mục đích của đề tài: Nghiên cứu ra vật liệu hấp phụ thân thiện với môi trường từ nguồn phế phẩm có sẵn là vỏ bưởi, không đưa vào nước thải các hóa chất khác mà vẫn đạt được hiệu quả xử lý cao. Nếu thành công thì đây sẽ là một trong những biện pháp hữu ích trong việc xử lý nước thải hiện nay. 4. Nhiệm vụ nghiên cứu: Khảo sát khả năng xử lý môi trường của vật liệu hấp phụ (vỏ bưởi) với: - Xử lý nước nhiễm chất thải dệt nhuộm (chất màu metylen xanh). - Xử lý dầu tràn (nước nhiễm dầu). 5. Phương pháp nghiên cứu: - Phương pháp tổng hợp tài liệu. - Phương pháp thực nghiệm. - Phương pháp phân tích mẫu. - Phương pháp xử lý số liệu. - Phương pháp xác định đặc tính của vật liệu. 6. Cấu trúc của đề tài NCKH: Đề tài NCKH gồm 3 chương (phần): - Chương 1: Tổng quan lý thuyết. - Chương 2: Thực nghiệm. - Chương 3: Kết quả và thảo luận. - Kết luận và kiến nghị. TS. Tống Thị Minh Thu Trang 2
Trường Đại học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa CNKT-NNCNC Báo cáo đề tài NCKH CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1. Thực trạng ô nhiễm môi trường nước ở Việt Nam Tình trạng quy hoạch các khu đô thị chưa gắn liền với vấn đề xử lý chất thải, xử lý nước thải,... vẫn còn tồn đọng nên tại các thành phố lớn, các khu công nghiệp, khu đô thị,...ô nhiễm môi trường đang thực sự ở mức báo động. ❖ Nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường nước Sự gia tăng chóng mặt của dân số, kéo theo đó là lượng nước dùng trong sinh hoạt của dân cư cũng tăng nhanh. Mà ý thức của người dân về vấn đề môi trường còn chưa cao, cơ sở hạ tầng còn yếu kém cũng là những nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường nước nói riêng và môi trường tự nhiên nói chung. Cùng với đó là tốc độ đô thị quá nhanh dẫn tới sự phát triển mạnh của các ngành công nghiệp, khu công nghiệp được xây dựng lên nhanh chóng. Các hoạt động sản suất, chế biến của những khu chế xuất, công nghiệp này hàng ngày thải một lượng lớn các hóa chất độc hại có trong nước thải ra môi trường bên ngoài mà chưa qua xử lý. Điều đáng nói ở đây đó là đa phần những khu công nghiệp này chưa được trang bị hệ thống xử lý nước thải theo tiêu chuẩn. Nước thải ra của các hoạt động được xả trực tiếp ra nguồn nước tự nhiên như sông suối, ao hồ làm ô nhiễm nghiêm trọng nguồn nước tự nhiên. Nguồn nước ô nhiễm đó ngấm vào mạch nước ngầm làm ô nhiễm nguồn nước ngầm. ❖ Hậu quá của ô nhiễm nguồn nước [1] Hậu quả chung của tình trạng ô nhiễm nước là tỉ lệ người chết do các bệnh liên quan đến ô nhiễm nước như viêm màng kết, tiêu chảy, ung thư,… ngày càng tăng lên. Ngoài ra, tỉ lệ trẻ em tử vong tại các khu vực bị ô nhiễm nguồn nước là rất cao. Dưới đây là bảng tóm tắt các chất gây ô nhiễm thường gặp trong nước và tác hại của chúng đến sức khỏe con người. - Chì: Bệnh thận, thần kinh. - Amoni, Nitrat, Nitrit: Bệnh xanh da, thiếu máu, gây ung thư. TS. Tống Thị Minh Thu Trang 3
Trường Đại học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa CNKT-NNCNC Báo cáo đề tài NCKH - Asen: Bệnh dạ dày, bệnh ngoài da, hàm lượng nhiều gây tử vong. - Trihalogenmethane (sản phẩm phụ của quá trình khử trùng bằng clo, có nhiều trong nước máy): khả năng gây ung thư cao. - Metyl tert – butyl ete (MTBE) là chất phụ gia phổ biến trong khai thác dầu lửa: Khả năng gây ung thư rất cao. - Natri (Na): Bệnh cao huyết áp, bệnh tim mạch. - Lưu huỳnh (S): Bệnh về đường tiêu hóa. - Kali (K) Cadimi: Bệnh thoái hóa cột sống, đau lưng. - Hợp chất hữu cơ, thuốc trừ sâu, diệt côn trùng, diệt cỏ, thuốc kích thích tăng trưởng, thuốc bảo quản, phốt pho,…: Gây ngộ độc, viêm gan, nôn mửa. Tiếp xúc lâu dài sẽ gây ung thư nghiêm trọng các cơ quan nội tạng. - Chất tẩy trắng: • Xenon peroxide, sodium percarbonate: Gây viêm đường hô hấp. • Sodium perborrate: Nôn mửa, hại gan. • Oxalate kết hợp với các calcium tạo ra alcium oxalate: Gây đau thận, sỏi mật. - Vi trùng các loại, các bệnh truyền nhiễm gây ra bởi vi trùng. - Kim loại nặng các loại: • Titan: Đau thần kinh thận, hệ bài tiết. • Kẽm: Bệnh viêm xương, thiếu máu. 1.2. Thực trạng sử dụng phế phẩm nông nghiệp ở Việt Nam Hiện nay số lượng phế thải nông nghiệp ở nước ta vẫn còn là một vấn nạn. Các chất phế thải sinh khối tử phụ phẩm của nông nghiệp như vỏ trấu, cà phê, bã mía, vỏ bưởi, vỏ chuối, xơ dừa,… là nguyên liệu khổng lồ luôn luôn tồn tại và ngày càng tăng cùng với sự tăng diện tích canh tác và năng suất cây trồng. Riêng sản lượng trấu có thể thu gom được ở đồng bằng sông Cửu Long lên tới 1,4 – 1,6 triệu tấn. Tổng sản lượng phế thải sinh khối đạt 0,3 – 0,5 triệu tấn từ cây cà phê. Đặc biệt là chất thải từ các nhà máy mía đường, hiện tại cả nước đang có đến 10 – 15% tổng lượng bã mía không được sử dụng vừa gây TS. Tống Thị Minh Thu Trang 4
Trường Đại học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa CNKT-NNCNC Báo cáo đề tài NCKH ô nhiễm môi trường, vừa không được tận dụng. Một phần nhỏ trong số đó được sử dụng làm nhiên liệu đốt, thức ăn gia súc, phân bón, phần lớn đổ ra các ao hồ, cống rãnh vừa gây lãng phí mà còn làm ảnh hưởng không nhỏ đến môi trường sinh thái. 1.3. Các phương pháp xử lý môi trường và phạm vi ứng dụng ❖ Phương pháp hấp phụ Hấp phụ là phương pháp tách các chất, trong đó các cấu tử hỗn hợp lỏng, hoặc khí hấp phụ trên bề mặt xốp, rắn. Chất hấp phụ là những vật rắn có chứa các mao quản. Chất bị hấp phụ là chất nằm trong pha lỏng hoặc pha khí. Khi quá trình hấp phụ xảy ra tức là có dòng pha lỏng hoặc dòng pha khí chuyển động và tiếp xúc với chất hấp phụ. Hấp phụ là quá trình chuyển động của các chất bị hấp phụ vào các lỗ mao quản và trên bề mặt của chất rắn xốp. Quá trình ngược lại được gọi là quá trình nhả hấp. • Hấp phụ vật lý Các nguyên tử bị hấp phụ liên kết với những tiểu phân (nguyên tử, phân tử, các ion…) ở bề mặt phân chia pha bởi lực liên kết Van der waals yếu. Nói một cách khác, trong hấp phụ vật lý các phân tử của chất bị hấp phụ và chất hấp phụ không tạo thành hợp chất hóa học (không hình thành các liên kết hóa học) mà chỉ bị ngưng tụ trên bề mặt phân chia pha và bị giữ lại trên bề mặt bằng lực liên kết phân tử yếu (lực Van der waals) và liên kết hydro. Sự hấp phụ vật lý luôn luôn thuận nghịch. Nhiệt hấp phụ không lớn. • Hấp phụ hóa học Có những lực hóa trị mạnh (do các liên kết bền của liên kết ion, liên kết cộng hóa trị, liên kết phối trí...) liên kết những phân tử hấp phụ và những phân tử bị hấp phụ tạo thành những hợp chất hóa học trên bề mặt phân chia pha. Nói một cách khác, hấp phụ hóa học xảy ra khi các phân tử hấp phụ tạo thành hợp chất hóa học với các phân tử bị hấp phụ và hình thành trên bề mặt phân chia pha (bề mặt hấp phụ). Lực hấp phụ hóa học khi đó là lực liên kết hóa học thông thường (liên kết ion, liên kết cộng hóa trị, liên kết phối trí ...) sự hấp phụ hóa học luôn luôn bất thuận nghịch. Nhiệt hấp phụ hóa học lớn, có thể đạt tới giá trị 800kJ/mol. TS. Tống Thị Minh Thu Trang 5
Trường Đại học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa CNKT-NNCNC Báo cáo đề tài NCKH • Người ta phân biệt hai kiểu hấp phụ: hấp phụ trong điều kiện tĩnh và hấp phụ trong điều kiện động. • Hấp phụ trong điều kiện tĩnh là không có sự chuyển dịch tương đối của phân tử chất lỏng (nước) so với phân tử chất hấp phụ mà chúng cùng chuyển động với nhau. Biện pháp thực hiện là cho chất hấp phụ vào nước và khuấy trong một thời gian đủ để đạt được trạng thái cân bằng (nồng độ cân bằng). Tiếp theo cho lắng hoặc lọc để giữ chất hấp phụ lại và tách nước ra. • Hấp phụ trong điều kiện động là có sự chuyển động tương đối của phân tử chất lỏng (nước) so với phân tử chất hấp phụ. Biện pháp thực hiện là cho nước lọc qua lớp lọc vật liệu hấp phụ. Các chất hấp phụ thường dùng là: than hoạt tính, đất sét hoạt tính, silicagel, keo nhôm, một số chất tổng hợp hoặc chất thải trong sản xuất như xỉ tro, xỉ mạt sắt... Trong số này than hoạt tính được sử dụng phổ biến nhất. Than hoạt tính có hai dạng: dạng bột và dạng hạt đều được dùng để hấp phụ. Lượng chất hấp phụ tùy thuộc vào khả năng hấp phụ của từng chất và hàm lượng chất bẩn có trong nước. Phương pháp này có khả năng hấp phụ 58 - 95% các chất hữu cơ và màu. Các chất hữu cơ có thể bị hấp phụ được tính đến là phenol, ankylbenzen, sulfonic axit, thuốc nhuộm, các hợp chất thơm. Hiện nay người ta áp dụng than hoạt tính để xử lý amoni trong nước thải: Bột than hoạt tính và nước thải (thường là nước thải sau xử lý sinh học) cho vào một bể tiếp xúc, sau một thời gian nhất định bột than hoạt tính được cho lắng hoặc lọc. Do than hoạt tính rất mịn nên phải sử dụng thêm các chất trợ lắng. Bột than hoạt tính còn được cho vào bể aeroten để loại bỏ các chất hữu cơ hòa tan trong nước thải. Than hoạt tính sau khi sử dụng có thể được tái sinh lại tuy nhiên chưa tìm được phương pháp hữu hiệu để tái sinh, đối với than hoạt tính dạng hạt người ta tái sinh trong lò đốt để oxy hóa các chất hữu cơ bám trên bề mặt của chúng, trong quá trình tái sinh 5 – 10% hạt than bị phá hủy và phải thay thế bằng hạt mới. TS. Tống Thị Minh Thu Trang 6
Trường Đại học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa CNKT-NNCNC Báo cáo đề tài NCKH 1.4. Các loại vật liệu hấp phụ từ phế phẩm sinh học 1.4.1. Vỏ trấu [2] Ở Việt Nam, bình quân mỗi năm sản xuất ra hơn 40 triệu tấn thóc. Khối lượng trấu chiếm 20% trong thành phần hạt thóc, vậy mỗi năm có xấp xỉ 9 triệu tấn trấu thải ra môi trường, đây là số lượng chất thải khổng lồ mà nếu không xử lý sẽ gây ô nhiễm môi trường và là một sự lãng phí lớn. Trong thực tế trấu là một chất thải khó tái chế, nó cũng là vật liệu khó cháy, khó mục nát trong môi trường. Số lượng trấu sử dụng còn rất ít so với khối lượng trấu lớn mỗi năm thải ra môi trường. Trấu là lớp vỏ ngoài cùng của hạt lúa và được tách ra trong quá trình xay xát. Trong vỏ trấu có chứa khoảng 75% chất hữu cơ dễ bay hơi sẽ cháy trong quá trình đốt và khoảng 25% còn lại sẽ chuyển thành tro. • Ứng dụng Vỏ trấu có rất nhiều ứng dụng như: - Xử lý nước thải, làm chất đốt, ứng dụng trong việc tạo sản phẩm công nghệ cao (sơn nano). - Loại bỏ màu, mùi, vị không mong muốn hoặc các tạp chất hữu cơ vô cơ trong nước thải. - Làm sạch hóa chất, dược phẩm, làm chất thu hồi vàng bạc và các kim loại quý khác trong lĩnh vực luyện kim. - Ngoài những ứng dụng trên vỏ trấu còn có một số ứng dụng khác như: có thể dùng làm thiết bị cách nhiệt, làm các sản phẩm mĩ nghệ làm chất độn, giá thể trong sản xuất nấm, dùng đánh bóng các vật thể bằng kim loại, tro trấu có thể dùng làm phân bón. • Các công trình nghiên cứu - Năm 2003, Nhóm tác giả Lê Văn Cát, Trần Thị Kim Thoa đã chế tạo than từ vỏ trấu hấp phụ P-nitrophenol. Than trấu được chế tạo theo phương pháp nhiệt phân yếm khí trong khoảng nhiệt độ từ 500 – 900 oC với thời gian từ 1–3 giờ, tác nhân hoạt hóa là sô TS. Tống Thị Minh Thu Trang 7
Trường Đại học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa CNKT-NNCNC Báo cáo đề tài NCKH đa được tẩm vào trấu với hàm lượng từ 0 – 30%. Than sản phẩm được rửa sạch. Kết quả hấp phụ tuân theo phương trình đẳng nhiệt Freundlich có giá trị n cao nhất là 2.735. [3] - Năm 2005, Nguyễn Văn Nội- Khoa hóa học, Trường đại học khoa học tự nhiên. Nghiên cứu chế tạo vật liệu từ vỏ trấu để tách kim loại chì trong nước. Quy trình biến tính: Lấy một lượng vỏ trấu đã được làm sạch, cho vào dung dịch NaOH 0.1 M, tiến hành khuấy trộn trong 1 h ở nhiệt độ phòng, sau đó lấy phần vỏ trấu cho vào nước cất, khuấy trộn trong 45 phút ở nhiệt độ phòng, quá trình được lặp lại đến khi hết kiềm. Lấy vỏ trấu ở trên cho vào axit xitric 0.6 M để phản ứng trong 12 giờ ở 70 oC. Sau đó lọc lấy phần vỏ trấu đem sấy khô ở nhiệt độ 110 oC. Phần vỏ trấu được rửa sạch trên phễu lọc để loại bỏ hết axit và đêm sấy khô ở 80 oC trong vòng 3 giờ. Kết quả hấp phụ được miêu tả bằng mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir có qmax = 30.8 mg/g. [6] - Năm 2007, nhóm tác giả Đỗ Quang Huy, Đàm Quốc Khanh, Nghiêm Xuân Trường, Nguyễn Đức Huệ đã chế tạo vật liệu hấp phụ tro than bay sử dụng trong phân tích môi trường. Tro than được xử lý bằng kiềm 3,5M có khả năng làm chất hấp phụ trong phân tích môi trường. 0,5 g chất hấp phụ tro than bay đã xử lý với dung dịch kiềm được nạp vào cột sắc ký có kích thước 300 mm x 6 mm dùng để thử nghiệm tách hỗn hợp M1 và M2. Kết quả nhận được cho thấy, vật liệu sử dụng trong nghiên cứu có khả năng làm giàu và tách các chất cần phân tích tốt. Độ thu hồi chất phân tích của hỗn hợp M1 và M2 tương ứng là 83,3 – 89,5% và 51,28 – 93,75%. [3] - Năm 2012, Trần Văn Đức- Đại học Đà Nẵng. Nghiên cứu hấp phụ ion kim loại nặng Cu2+ và Zn2+ trong nước bằng vật liệu SiO2 tách từ vỏ trấu. Quy trình biến tính: vỏ trấu rửa sạch, nung ở 800 oC được tro trấu, thêm dung dịch NaOH 5 M đun nóng, lọc, rửa sạch. Thêm dung dịch HCl 4 M được dung dịch dạng gel. Đem hỗn hợp này sấy ở 100 oC thu được SiO2.nH2O. Cuối cùng đem SiO2.nH2O nung tạo thành SiO2. Kết quả hấp phụ được miêu tả bằng mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir có dung lượng hấp phụ cực đại qmax của Cu2+ và Zn2+ là 1.787 mg/g và 1.826 mg/g. [4] - Năm 2014, nhóm tác giả Nguyễn Trí Tuấn, Nguyễn Hữu Minh Phú, Hồ Ngọc Tri TS. Tống Thị Minh Thu Trang 8