Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu sử dụng vật liệu keo tụ sinh học chế tạo từ hạt muồng hoàng yến (Cassia fistula L.) để cải thiện chất lượng nước thải công nghiệp

Chia sẻ: Phong Tỉ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:192

Thêm vào BST

Báo xấu

55
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của luận án nhằm khảo sát khả năng ứng dụng vật liệu có nguồn gốc tự nhiên, thân thiện với môi trường và vật liệu nano sinh học có khả năng thu hồi và tái sử dụng trong cải thiện chất lượng nước thải một số ngành công nghiệp và đề xuất một quy trình công nghệ cải thiện chất lượng nước thải công nghiệp, tập trung vào hai dạng ô nhiễm kim loại nặng và màu.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu sử dụng vật liệu keo tụ sinh học chế tạo từ hạt muồng hoàng yến (Cassia fistula L.) để cải thiện chất lượng nước thải công nghiệp

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA MÔI TRƢỜNG & TNTN -oOo- LUẬN ÁN TIẾN SĨ Chuyên ngành: Môi trƣờng đất và nƣớc Mã ngành: 62440303 ĐÀO MINH TRUNG NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG VẬT LIỆU KEO TỤ SINH HỌC CHẾ TẠO TỪ HẠT MUỒNG HOÀNG YẾN (CASSIA FISTULA L.) ĐỂ CẢI THIỆN CHẤT LƢỢNG NƢỚC THẢI CÔNG NGHIỆP Cần Thơ, Năm 2018
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA MÔI TRƢỜNG VÀ TNTN -oOo- LUẬN ÁN TIẾN SĨ Chuyên ngành: Môi trƣờng đất và nƣớc Mã ngành: 62440303 ĐÀO MINH TRUNG NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG VẬT LIỆU KEO TỤ SINH HỌC CHẾ TẠO TỪ HẠT MUỒNG HOÀNG YẾN (CASSIA FISTULA L.) ĐỂ CẢI THIỆN CHẤT LƢỢNG NƢỚC THẢI CÔNG NGHIỆP CÁN BỘ HƢỚNG DẪN PGs.Ts. NGUYỄN VÕ CHÂU NGÂN PGs.Ts. NGÔ KIM ĐỊNH Cần Thơ, Năm 2018
TÓM TẮT Nghiên cứu cải thiện chất lƣợng nƣớc thải dệt nhuộm và nƣớc thải xi mạ dựa trên hai loại vật liệu keo tụ có nguồn gốc sinh học gồm Biogum (vật liệu ly trích từ thực vật) và Biogum cải tiến (vật liệu kết hợp giữa nano oxit sắt từ với Biogum) có khả năng thu hồi bằng nam châm và tái sử dụng. Các thí nghiệm đƣợc tiến hành trên mô hình Jartest và mô hình Pilot để khảo sát khả năng loại bỏ màu của nƣớc thải dệt nhuộm và loại bỏ ion kim loại trong nƣớc thải xi mạ, trong đó bố trí nghiệm thức với vật liệu keo tụ hóa học PAC làm đối chứng. Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu suất loại màu và COD trong nƣớc thải nhuộm của vật liệu Biogum đạt đƣợc tƣơng ứng là 91,20% và 72,66% (RR); 82,30% và 78,92% (NMDN) và hiệu suất loại bỏ các ion kim loại Ni2+, Cu2+, Zn2+ trên nƣớc thải giả định của Biogum đạt đƣợc lần lƣợt là 79,26%; 83,11%; 82,96%, trên nƣớc thải nhà máy xi mạ lần lƣợt là 58,91%; 71,78%; 78,06%. Mặc dù có hiệu quả loại bỏ màu và kim loại nặng cao nhƣng Biogum khó thu hồi do quá trình hòa tan và phân hủy, kết quả nghiên cứu cho thấy sau 15 ngày Biogum phân hủy khoảng 55,83% trong nƣớc, do đó nghiên cứu cải tiến Biogum rất quan trọng cho việc tái sử dụng nguồn vật liệu sinh học này. Kết quả thí nghiệm với Biogum cải tiến cũng cho thấy khả năng cải thiện chất lƣợng môi trƣờng nƣớc thải công nghiệp dệt nhuộm và xi mạ. Hiệu quả loại bỏ màu, COD tƣơng ứng lần lƣợt là 99,97% và 96% (RR); 99,03% và 95,13% (NMDN); trong khi hiệu quả cải thiện kim loại nặng Ni2+, Cu2+, Zn2+ tƣơng ứng đạt đƣợc là 92,93%; 97,17%; 94,97% (nƣớc giả định) và 89,10%; 94,51%; 94,92% (NMXM). Tính khả thi khi tái sử dụng vật liệu Biogum cải tiến cho thấy qua kết quả sau: sau lần thu hồi 2 và 3 hiệu suất loại màu đạt đƣợc là 96,60% và 93,27% (đối với mẫu nƣớc thải RR có độ màu 1052 Pt/Co); 96,73% và 92,50% (đối với mẫu nƣớc thải NMDN có độ màu 1378 Pt- Co). Với nƣớc thải xi mạ hiệu quả cải thiện kim loại sau lần thu hồi 2 và 3 đạt lần lƣợt 82,49% và 76,37% (Ni2+); 81,72% và 76,73% (Cu2+); 83,79% và 76,69% (Zn2+). Khi so sánh với chất keo tụ hóa học PAC, với nƣớc thải dệt nhuộm giả định RR, vật liệu Biogum cải tiến cho hiệu suất loại màu tốt hơn PAC. Hiệu suất loại màu PAC, Biogum và Biogum cải tiến tƣơng ứng là 99,97% (RR); 91,20% (RR); 99,97% (RR); và 94,10% (NMDN); 82,30% (NMDN); 99,03% (NMDN) cho thấy Biogum cải tiến đạt hiệu suất loại màu cao hơn PAC và Biogum. Bên cạnh đó khi vận hành trên mô hình Pilot, PAC, Biogum cải tiến cho kết quả cao hơn Biogum, kết quả loại màu RR và NMDN tƣơng ứng đạt đƣợc nhƣ sau: 94,64% và 94,04% (Biogum cải tiến); 92,77% và 93,83% i
(Biogum); 94,90% và 93,83% (PAC). Đối với nƣớc thải xi mạ Ni2+, Cu2+, Zn2+, kết quả nghiên cứu cho thấy Biogum cải tiến cho hiệu quả cao nhất, Biogum và PAC cho hiệu quả cải thiện thấp hơn, tƣơng ứng là Biogum cải tiến (92,93% Ni2+; 97,17% Cu2+; 94,97% Zn2+); Biogum (79,26% Ni2+; 83,11% Cu2+; 82,96% Zn2+) và PAC (59,77% Ni2+; 68,93% Cu2+; 66,13% Zn2+). Khi khảo sát trên mô hình Pilot cũng cho kết quả tƣơng tự, Biogum cải tiến cho hiệu quả cải thiện tốt nhất, kết quả thu đƣợc tƣơng ứng với 3 ion kim loại Ni2+, Cu2+ và Zn2+ trong mẫu nƣớc thải giả định nhƣ sau: Biogum cải tiến (99,15% Ni2+; 91,88% Cu2+; 86,97% Zn2+), Biogum (98,88% Ni2+; 89,45% Cu2+; 86,37% Zn2+). Các kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu có nguồn gốc sinh học Biogum và Biogum cải tiến có đặc tính cải thiện chất lƣợng nƣớc tƣơng tự nhƣ vật liệu hóa học PAC. Bên cạnh Biogum có khả năng tự phân hủy sinh học không gây tồn dƣ hóa chất trong môi trƣờng tự nhiên; Biogum cải tiến có thể thu hồi và tái sử dụng khi sử dụng cải thiện chất lƣợng nƣớc thải. Kết quả nghiên cứu mở ra hƣớng tiếp cận mới khi sử dụng vật liệu có nguồn gốc sinh học để cải thiện chất lƣợng môi trƣờng nƣớc theo hƣớng thân thiện môi trƣờng và phát triển bền vững trong tƣơng lai. ii
ABSTRACT Studies on improving the quality of textile and dyeing wastewater is based on two biocoagulants: Biogum (plant extract), and improved Biogum (Gum- Polysaccharide-Based nanocomposites) that can be recovered and reused. The Jartest and Pilot experiments were examined to evaluate the ability to remove color in textile wastewater and heavy metals in dyeing wastewater, and PAC was used as a coagulant control. The results showed that the removal of color and COD in Biogum was 91,20% and 72,66% respectively (RR); 82,30% and 78,92% respectively, and the removal of heavy metals of Ni2+, Cu2+, Zn2+ in Biogum was 79,26%; 83,11%; 82,96% (hypothetical wastewater treatment) and 58,91%; 71,78%; 78,06% in plating wastewater. Although Biogum has a high efficiency to remove color and metals, it is difficult to recover due to the process of dissolution and decomposition. The results showed about 55,83% of Biogum was decomposed in water after 15 days. Therefore, studies on improving Biogum are very important in reusing this biological coagulant. Research results showed that improved Biogum is also capable of improving the quality of industrial textile and dyeing wastewater. The efficiency to remove color and COD is 99,97% and 96%, respectively (RR); 99,03% and 95,13% (NMDN); and the removal of heavy metals Ni2+, Cu2+, Zn2+ 92,93%; 97,17%; 94,97% (hypothetical wastewater treatment) and 89,10%; 94,51%; 94,92% (NMXM). The ability to reuse improved Biogum after the second and the third recovery to remove color achieves 96,60% and 93,27% (RR wastewater with 1052 Pt-Co color); 96,73% and 92,50% (NMDN wastewater with 1378 Pt-Co color). In dyeing wastewater, removing of heavy metals after the second and the third recovery achieves 82,49% and 76,37% (Ni2+); 81,72% and 76,73% (Cu2+); 83,79% and 76,69% (Zn2+). In hypothetical wastewater RR, improved Biogum coagulant showed a better improvement than the PAC coagulant. The efficiency to remove color in improved biogum is higher than PAC and Biogum (99,97% (RR); 91,20% (RR); 99,97% (RR); And 94,10% (NMDN); 82,30% (NMDN); 93,03% (NMDN). In Pilot experiments, PAC and improved Biogum also showed a better color removal than Biogum (94,64% and 94,04% (improved Biogum); 92,77% and 93,83% (Biogum); 94,90% and 93,83% (PAC). In dyeing wastewater, improved Biogum showed better efficiency to remove heavy metals Ni2+, Cu2+, Zn2+ than Biogum and PAC (improved Biogum (92,93% Ni2+; 97,17% Cu2+; 94,97% Zn2+); Biogum (79,26% Ni2+, 83,11% Cu2+, 82,96% Zn2+) and PAC (50,95% Ni2+, 67,73% Cu2+, 60,13% Zn2+). The results iii
are similar in Pilot experiments in which improved Biogum showed a better heavy metal removal in Ni2+, Cu2+ and Zn2+ than Biogum (Improved biogum (99,15% Ni2+; 91,88% Cu2+; 86,97% Zn2+), Biogum (98,88% Ni2+, 89,45% Cu2+, 86,37% Zn2+). Results from this study indicate that materials containing Biogum and improved Biogum materials have the same water quality improvement properties as chemical PACs. In addition, Biogum is also capable of biodegradation without causing chemical residues in the natural environment; while improved Biogum can be used, recovered, and reused in improving wastewater quality. The results may open new approaches in using bio-based materials to improve water quality in an eco-friendly and sustainable manner in the future. iv
MỤC LỤC TÓM TẮT.......................................................................................................... i ABSTRACT..................................................................................................... iii MỤC LỤC ........................................................................................................ v LỜI CẢM ƠN................................................................................................ viii LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................ ix DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .......................................................................... x DANH MỤC BẢNG........................................................................................ xi DANH MỤC HÌNH ...................................................................................... xiii CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU............................................................................. 1 1.1. Đặt vấn đề .................................................................................................. 1 1.2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................. 2 1.2.1. Mục tiêu tổng quát ................................................................................... 2 1.2.2. Mục tiêu cụ thể ......................................................................................... 2 1.3. Nội dung nghiên cứu................................................................................. 2 1.4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ........................................................... 3 1.4.1. Đối tượng nghiên cứu .............................................................................. 3 1.4.2. Phạm vi nghiên cứu ................................................................................. 3 1.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ................................................................. 3 1.5.1. Ý nghĩa khoa học...................................................................................... 3 1.5.2. Ý nghĩa thực tiễn ...................................................................................... 4 CHƢƠNG 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU......................................................... 5 2.1. Tổng quan về keo tụ.................................................................................. 5 2.1.1. Bản chất của các hạt keo trong nước ...................................................... 5 2.1.2. Cơ chế của quá trình keo tụ ..................................................................... 6 2.1.3. Các phương pháp keo tụ .......................................................................... 7 2.1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ và tạo bông cặn.................. 7 2.2. Vật liệu PAC trong cải thiện chất lƣợng nƣớc thải công nghiệp ....... 10 2.2.1. Đặc điểm ................................................................................................ 10 2.2.2. Một số kết quả nghiên cứu..................................................................... 10 2.3. Tổng quan về vật liệu keo tụ có nguồn gốc từ sinh học....................... 11 2.3.1. Phương pháp chế tạo vật liệu sinh học Biogum .................................... 12 v
2.3.2. Phương pháp chế tạo vật liệu nguồn gốc sinh học (Biogum cải tiến)... 12 2.4. Tổng quan về nƣớc thải dệt nhuộm và các phƣơng pháp xử lý ......... 13 2.4.1. Thành phần ô nhiễm .............................................................................. 14 2.4.2. Một số phương pháp xử lý nước thải dệt nhuộm ................................... 15 2.4.3. Một số nghiên cứu xử lý nước thải dệt nhuộm ...................................... 18 2.5. Tổng quan về nƣớc thải xi mạ và các phƣơng pháp xử lý .................. 19 2.5.1. Thành phần ô nhiễm trong nước thải xi mạ........................................... 19 2.5.2. Các phương pháp xử lý nước thải xi mạ ................................................ 20 2.5.3. Một số nghiên cứu xử lý nước thải xi mạ............................................... 23 CHƢƠNG 3. VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .............. 25 3.1. Đối tƣợng nghiên cứu và hóa chất keo tụ ............................................. 25 3.1.1. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................ 25 3.1.2. Vật liệu nghiên cứu ................................................................................ 25 3.2. Thiết bị nghiên cứu ................................................................................. 27 3.2.1. Thiết bị Jartest ....................................................................................... 27 3.2.2. Thiết bị Pilot .......................................................................................... 28 3.3. Phƣơng pháp phân tích .......................................................................... 29 3.4. Nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu.................................................. 30 3.4.1. Phương pháp chung ............................................................................... 30 3.4.2. Các thí nghiệm nghiên cứu .................................................................... 30 3.5. Phƣơng pháp xử lý số liệu ...................................................................... 43 CHƢƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN................................................ 44 4.1. Xác định hiệu suất loại bỏ màu của các vật liệu trên nƣớc thải dệt nhuộm ............................................................................................................. 44 4.1.1. Xác định pH tối ưu của vật liệu ............................................................. 44 4.1.2. Kết quả xác định lượng tối ưu của PAC ................................................ 50 4.1.3. Kết quả xác định lượng tối ưu của Biogum ........................................... 51 4.1.4. Kết quả xác định lượng Biogum cải tiến tối ưu ..................................... 53 4.1.5. Xác định hiệu quả xử lý của Biogum cải tiến ở các lần thu hồi ............ 57 4.1.6. Xác định hiệu suất cải thiện chất lượng nước thải dệt nhuộm khi vận hành trên thiết bị Pilot sử dụng vật liệu keo tụ................................................ 58 4.2. Xác định hiệu quả xử lý của các vật liệu trên nƣớc thải xi mạ .......... 69 4.2.1. Xác định pH tối ưu ................................................................................. 69 4.2.2. Kết quả xác định lượng PAC tối ưu ....................................................... 72 vi
4.2.3. Kết quả xác định lượng Biogum tối ưu .................................................. 74 4.2.4. Kết quả xác định lượng Biogum cải tiến tối ưu ..................................... 75 4.2.5. Xác định hiệu quả xử lý của Biogum cải tiến thu hồi............................ 78 4.2.6. Xác định hiệu quả cải thiện chất lượng nước xi mạ khi ứng dụng vật liệu nghiên cứu vận hành trên thiết bị Pilot ........................................................... 79 4.3. Kết quả nghiên cứu vật liệu ................................................................... 93 4.3.1. Thành phần cấu trúc vật liệu Biogum.................................................... 93 4.3.2. Đánh giá khả năng phân hủy của Biogum............................................. 95 4.3.3. Xác định dư lượng nhôm (Al3+) còn lại trong nước thải dệt nhuộm và xi mạ khi sử dụng vật liệu keo tụ hóa học PAC ................................................... 96 4.3.4. Thành phần cấu trúc vật liệu Biogum cải tiến....................................... 97 4.4. Thảo luận chung.................................................................................... 101 4.5. Đề xuất quy trình cải thiện độ màu của nƣớc thải dệt nhuộm và kim loại nặng của nƣớc thải xi mạ ứng dụng vật liệu Biogum cải tiến .......... 103 4.5.1. Quy trình cải thiện độ màu của nước thải dệt nhuộm ứng dụng vật liệu Biogum cải tiến .............................................................................................. 103 4.5.2. Quy trình cải thiện độ màu của nước thải xi mạ ứng dụng Biogum cải tiến.................................................................................................................. 105 CHƢƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT.................................................. 108 5.1. Kết luận.................................................................................................. 108 5.2. Đề xuất ................................................................................................... 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................... 111 PHỤ LỤC...................................................................................................... 122 vii
LỜI CẢM ƠN Trƣớc hết tác giả xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGs. Ts. Nguyễn Võ Châu Ngân và PGs. Ts. Ngô Kim Định, ngƣời thầy đã tận tình hỗ trợ, hƣớng dẫn, chỉ bảo cho những bài học trong nghiên cứu cũng nhƣ tạo mọi điều kiện tốt nhất để hoàn thành luận án. Tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành nhất đến Ban Giám hiệu trƣờng Đại học Cần Thơ, Ban Chủ nhiệm Khoa Môi trƣờng và Tài nguyên Thiên nhiên, Ban Giám hiệu trƣờng Đại học Thủ Dầu Một, Ban Chủ nhiệm Khoa Tài nguyên Môi trƣờng đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành chƣơng trình học và luận án này. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đặc biệt đến sự hỗ trợ từ gia đình, bạn bè từ các trƣờng đại học đã giúp đỡ tôi thực hiện các thí nghiệm của luận án này. Và qua đây, tôi xin khắc ghi những đóng góp, động viên của gia đình, những ngƣời thân và bạn bè giúp tôi vƣợt qua những khó khăn về tinh thần cũng nhƣ vật chất để hoàn thành luận án ngày hôm nay. Một lần nữa xin chân thành cảm ơn. Tác giả luận án Đào Minh Trung viii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tên tiếng Việt Biogum Gum sinh học Muồng Hoàng Yến ly trích từ hạt MHY Biogum cải tiến Vật liệu kết hợp giữa Gum sinh học ly trích từ hạt MHY và nano oxit sắt từ BTNMT Bộ Tài nguyên Môi trƣờng DU Công nghiệp dệt may FU Công nghiệp dệt IDC Nồng độ mẫu đầu vào KPH Không phát hiện MHY Muồng Hoàng Yến NMDN Nƣớc thải nhà máy dệt nhuộm NMXM Nƣớc thải nhà máy xi mạ QCVN Quy chuẩn Việt Nam VLHP Vật liệu hấp phụ Từ viết tắt Tên tiếng Anh CMC Cacboxymetylcellulozo EC Electrical Conductivity Emu Electromagnetic unit FT-IR Fourier Transform Infrared HDPE High Density Polyetilen MAPE Mean Absolute Percentage Error MB Metyl blue MCM Mobil Composition of Matter Oe Oersted RB Reactive Blue RR Reactive Red SDS Sodium Dodecyl Sulfate SEM Search Engine Marketing TG-DTG Thermogravimetry - Differential Thermogravimetry UV Ultraviolet VSM Vibrating Sample Magnetometer XRD X-ray diffraction x
DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1: pH thích hợp cho hoạt động của các chất keo tụ ............................. 10 Bảng 2.2: Một số thành phần ô nhiễm trong nƣớc thải dệt nhuộm ................. 15 Bảng 2.3: Các chỉ số ô nhiễm kim loại nặng của nƣớc thải xi mạ .................. 19 Bảng 3.1: Các thông số kỹ thuật của mô hình Jartest...................................... 28 Bảng 3.2: Phƣơng pháp phân tích các thông số ô nhiễm nghiên cứu.............. 29 Bảng 3.3: Lƣợng chất keo tụ trong thí nghiệm khảo sát ảnh hƣởng của pH ... 31 Bảng 3.4: Bố trí thí nghiệm xác định pH tối ƣu của reactive red 3BS (RR) cho Biogum............................................................................................................. 32 Bảng 3.5: Thí nghiệm xác định lƣợng Biogum tối ƣu trên mẫu nƣớc thải RR 33 Bảng 3.6: Lƣợng chất keo tụ dùng cho nƣớc thải RR theo các nồng độ đầu vào .......................................................................................................................... 34 Bảng 3.7: Bảng giá trị D, xác định tƣơng quan giữa nồng độ đầu vào và lƣợng Biogum cải thiện độ màu của nƣớc thải RR .................................................... 35 Bảng 3.8: Bố trí thí nghiệm xác định mối tƣơng quan giữa nồng độ đầu vào với lƣợng Biogum trên mẫu nƣớc RR ............................................................. 35 Bảng 3.9: Lƣợng các chất keo tụ sử dụng trong thí nghiệm khảo sát ảnh hƣởng của pH .............................................................................................................. 38 Bảng 3.10: Bố trí thí nghiệm xác định pH tối ƣu của Ni2+ cho Biogum. ........ 39 Bảng 3.11: Bố trí thí nghiệm khảo sát ảnh hƣởng của lƣợng Biogum trên mẫu nƣớc thải Ni2+................................................................................................... 39 Bảng 3.12: Lƣợng của các chất keo tụ theo từng loại nƣớc thải xi mạ ........... 41 Bảng 3.13: Bố trí thí nghiệm xác định mối tƣơng quan giữa nồng độ đầu vào với lƣợng Biogum trên mẫu nƣớc Ni2+ ............................................................ 42 Bảng 4.1: Kết quả tính toán lƣợng PAC sử dụng vận hành cải thiện độ màu nƣớc thải RR .................................................................................................... 60 Bảng 4.2: Kết quả tính toán lƣợng Biogum theo lý thuyết sử dụng vận hành cải thiện độ màu nƣớc thải RR .............................................................................. 62 Bảng 4.3: Kết quả tính toán lƣợng Biogum cải tiến sử dụng vận hành cải thiện độ màu nƣớc thải RR ....................................................................................... 64 Bảng 4.4: Kết quả tính toán lƣợng PAC sử dụng vận hành cải thiện độ màu nƣớc thải NMDN ............................................................................................. 66 Bảng 4.5: Kết quả tính toán lƣợng Biogum sử dụng vận hành cải thiện độ màu nƣớc thải NMDN ............................................................................................. 67 Bảng 4.6: Kết quả tính toán lƣợng Biogum cải tiến sử dụng vận hành cải thiện độ màu nƣớc thải NMDN ................................................................................ 69 Bảng 4.7: Kết quả xác định liều lƣợng Biogum vận hành cải thiện ion Ni2+ trên thiết bị Pilot...................................................................................................... 81 xi
Bảng 4.8. Kết quả xác định liều lƣợng Biogum vận hành cải thiện ion Cu2+ trên thiết bị Pilot .............................................................................................. 83 Bảng 4.9. Kết quả xác định liều lƣợng Biogum vận hành cải thiện ion Zn 2 trên thiết bị Pilot...................................................................................................... 84 Bảng 4.10. Kết quả xác định liều lƣợng Biogum cải tiến vận hành cải thiện ion Ni2+ trên thiết bị Pilot....................................................................................... 86 Bảng 4.11. Kết quả xác định liều lƣợng Biogum cải tiến vận hành cải thiện ion Cu2+ trên thiết bị Pilot ...................................................................................... 88 Bảng 4.12. Kết quả xác định liều lƣợng Biogum cải tiến vận hành cải thiện ion Zn2+ trên thiết bị Pilot ...................................................................................... 90 Bảng 4.13. Kết quả xác định liều lƣợng Biogum vận hành cải thiện ion Zn2+ của nƣớc NMXM trên thiết bị Pilot................................................................. 91 Bảng 4.14. Kết quả xác định liều lƣợng Biogum cải tiến vận hành cải thiện ion Ni2+, Cu2+, Zn2+ của NMXM trên thiết bị Pilot................................................ 92 xii
DANH MỤC HÌNH Hình 3.1: Cấu tạo mô hình Jartest ................................................................... 27 Hình 3.2: Thiết bị Pilot keo tụ tạo bông .......................................................... 29 Hình 3.3: Thí nghiệm với nƣớc thải dệt nhuộm trên thiết bị Jartest và Pilot .. 32 Hình 3.4: Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định pH tối ƣu của Biogum, Biogum cải tiến và PAC ...................................................................................................... 33 Hình 3.5: Bố trí thí nghiệm xác định lƣợng tối ƣu của Biogum, Biogum cải tiến và PAC ...................................................................................................... 34 Hình 3.6: Sơ đồ thí nghiệm xác định mối tƣơng quan giữa lƣợng chất keo tụ với nồng độ đầu vào......................................................................................... 35 Hình 3.7: Bố trí thí nghiệm đánh giá hiệu quả thu hồi của Biogum cải tiến ... 37 Hình 3.8: Thí nghiệm vận hành nƣớc thải xi mạ trên thiết bị Jartest và Pilot. 37 Hình 3.9: Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định pH tối ƣu của Biogum, Biogum cải tiến và PAC ...................................................................................................... 38 Hình 3.10: Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định lƣợng tối ƣu của Biogum, Biogum cải tiến và PAC ................................................................................................ 40 Hình 3.11: Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định mối tƣơng quan giữa lƣợng chất keo tụ với nồng độ đầu vào.............................................................................. 41 Hình 3.12: Bố trí thí nghiệm đánh giá hiệu quả thu hồi của Biogum cải tiến . 42 Hình 4.1: Xác định pH tối ƣu của PAC trên nƣớc thải RR ............................. 44 Hình 4.2: Xác định pH tối ƣu của PAC trên nƣớc thải NMDN ...................... 45 Hình 4.3: Xác định pH tối ƣu của Biogum trên nƣớc thải RR ........................ 46 Hình 4.4: Xác định pH tối ƣu của Biogum trên nƣớc thải NMDN ................. 46 Hình 4.5: Xác định pH tối ƣu của Biogum cải tiến trên nƣớc thải RR............ 49 Hình 4.6: Xác định pH tối ƣu của Biogum cải tiến trên nƣớc thải NMDN..... 49 Hình 4.7: Xác định liều lƣợng tối ƣu của PAC trên nƣớc thải RR.................. 50 Hình 4.8: Xác định liều lƣợng tối ƣu của PAC trên nƣớc thải NMDN ........... 51 Hình 4.9: Xác định liều lƣợng tối ƣu của Biogum trên nƣớc thải RR ............. 52 Hình 4.10: Xác định liều lƣợng tối ƣu của Biogum trên nƣớc thải NMDN.... 52 Hình 4.11: Khảo sát sơ bộ của Biogum cải tiến với nƣớc thải RR.................. 53 Hình 4.12: Khảo sát sơ bộ của Biogum cải tiến với nƣớc thải NMDN........... 54 Hình 4.13: Xác định liều lƣợng tối ƣu của Biogum cải tiến trên nƣớc thải RR .......................................................................................................................... 54 Hình 4.14: Xác định liều lƣợng tối ƣu của Biogum cải tiến trên NMDN ....... 55 Hình 4.15: Nghiên cứu hiệu quả xử lý màu giữa các vật liệu trên nƣớc thải RR .......................................................................................................................... 56 Hình 4.16: Nghiên cứu hiệu quả xử lý COD giữa các vật liệu trên nƣớc thải NMDN ............................................................................................................. 56 xiii
Hình 4.17: Hiệu suất loại màu của Biogum cải tiến sau các lần thu hồi trên nƣớc thải RR .................................................................................................... 57 Hình 4.18: Hiệu suất loại màu và COD của Biogum cải tiến sau các lần thu hồi trên nƣớc thải NMDN ...................................................................................... 58 Hình 4.19: Mối tƣơng quan giữa độ màu nƣớc thải RR với hàm lƣợng PAC. 59 Hình 4.20: Mối tƣơng quan giữa hiệu suất loại màu nƣớc thải RR với hàm lƣợng PAC ....................................................................................................... 59 Hình 4.21: Mối tƣơng quan giữa độ màu nƣớc thải RR với hàm lƣợng Biogum .......................................................................................................................... 61 Hình 4.22: Mối tƣơng quan giữa hiệu quả loại màu mẫu nƣớc thải RR (1051 Pt-Co) với hàm lƣợng Biogum ........................................................................ 61 Hình 4.23: Mối tƣơng quan giữa độ màu nƣớc thải RR với hàm lƣợng Biogum cải tiến.............................................................................................................. 63 Hình 4.24: Mối tƣơng quan giữa hiệu suất loại màu nƣớc thải RR (1052 Pt- Co) với hàm lƣợng Biogum cải tiến ................................................................ 64 Hình 4.25: Mối tƣơng quan giữa hiệu quả loại màu nƣớc thải NMDN với hàm lƣợng Biogum .................................................................................................. 66 Hình 4.26: Mối tƣơng quan giữa hiệu quả loại màu nƣớc thải NMDN với hàm lƣợng Biogum .................................................................................................. 67 Hình 4.27: Mối tƣơng quan giữa hiệu quả loại màu nƣớc thải NMDN với hàm lƣợng Biogum cải tiến ..................................................................................... 68 Hình 4.28: Xác định pH tối ƣu của PAC trên nƣớc thải xi mạ giả định.......... 70 Hình 4.29: Xác định pH tối ƣu của Biogum trên nƣớc thải xi mạ giả định .... 71 Hình 4.30: Xác định pH tối ƣu của Biogum cải tiến trên nƣớc thải xi mạ giả định .................................................................................................................. 71 Hình 4.31: Xác định liều lƣợng PAC tối ƣu trên nƣớc thải xi mạ giả định..... 73 Hình 4.32: Xác định liều lƣợng tối ƣu PAC trên nƣớc thải NMXM............... 73 Hình 4.33: Xác định liều lƣợng tối ƣu Biogum trên nƣớc thải xi mạ giả định 74 Hình 4.34: Xác định liều lƣợng tối ƣu Biogum trên nƣớc thải xi mạ nhà máy74 Hình 4.35: Xác định liều lƣợng tối ƣu Biogum cải tiến trên nƣớc thải xi mạ giả định .................................................................................................................. 76 Hình 4.36: Xác định liều lƣợng tối ƣu Biogum cải tiến trên nƣớc thải ........... 76 Hình 4.37: Xác định hiệu suất cải thiện của các vật liệu nghiên cứu trên nƣớc thải xi mạ giả định ........................................................................................... 77 Hình 4.38: Xác định hiệu suất cải thiện của các vật liệu nghiên cứu trên nƣớc thải NMXM...................................................................................................... 77 Hình 4.39: Hiệu suất loại bỏ kim loại của Biogum cải tiến ở các lần thu hồi . 79 Hình 4.40: Mối tƣơng quan giữa nồng độ nƣớc thải Ni2+ với hàm lƣợng Biogum............................................................................................................. 80 xiv
Hình 4.41: Mối tƣơng quan giữa hiệu quả loại bỏ Ni2+ với hàm lƣợng Biogum .......................................................................................................................... 80 Hình 4.42: Mối tƣơng quan giữa nồng độ nƣớc thải Cu2+ với hàm lƣợng Biogum............................................................................................................. 82 Hình 4.43: Mối tƣơng quan giữa hiệu quả loại bỏ Cu2+ với hàm lƣợng Biogum .......................................................................................................................... 82 Hình 4.44: Mối tƣơng quan giữa nồng độ nƣớc thải Zn2+ với lƣợng Biogum 83 Hình 4.45: Mối tƣơng quan giữa hiệu quả loại bỏ Zn2+ với hàm lƣợng Biogum .......................................................................................................................... 84 Hình 4.46: Mối tƣơng quan giữa nồng độ nƣớc thải Ni2+ với hàm lƣợng Biogum cải tiến ................................................................................................ 85 Hình 4.47: Mối tƣơng quan giữa hiệu quả loại bỏ Ni2+ với hàm lƣợng Biogum cải tiến.............................................................................................................. 86 Hình 4.48: Mối tƣơng quan giữa nồng độ nƣớc thải Cu2+ với hàm lƣợng Biogum cải tiến ................................................................................................ 87 Hình 4.49: Mối tƣơng quan giữa hiệu quả loại bỏ Cu2+ với hàm lƣợng Biogum cải tiến.............................................................................................................. 88 Hình 4.50: Mối tƣơng quan giữa nồng độ nƣớc thải Zn2+ với hàm lƣợng Biogum cải tiến ................................................................................................ 89 Hình 4.51: Mối tƣơng quan giữa hiệu quả loại bỏ Zn2+ với hàm lƣợng Biogum cải tiến.............................................................................................................. 89 Hình 4.52: Kết quả FT-IR của Biogum ........................................................... 93 Hình 4.53: Phổ 13C-NMR của Biogum hạt Cassia nodosa (Kapoor, 2000) .... 94 Hình 4.54: Phổ 13C-NMR của Biogum hạt Muồng Hoàng Yến ...................... 94 Hình 4.55: Ảnh SEM của Biogum ly trích từ hạt Muồng Hoàng Yến ............ 95 Hình 4.56: Hiệu suất giảm khối lƣợng của Biogum theo thời gian................. 96 Hình 4.57: Dƣ lƣợng Al3+ còn lại trong nƣớc thải dệt nhuộm và xi mạ khi sử dụng vật liệu keo tụ hóa học PAC ................................................................... 97 Hình 4.58: Giản đồ phổ FT-IR của (a) hạt nano; (b) Biogum sinh học trích ly từ hạt MHY; (c) vật liệu Biogum cải tiến CoFe2O4 - Biogum ........................ 98 Hình 4.59: Đƣờng cong từ rễ của hạt CoFe2O4 và vật liệu Biogum cải tiến (Biogum-CoFe2O4) .......................................................................................... 99 Hình 4.60: Giản đồ phân tích nhiệt của vật liệu Biogum cải tiến.................. 100 Hình 4.61: Kết quả chụp ảnh SEM của Biogum cải tiến............................... 100 Hình 4.62: Hình Biogum cải tiến bị hút bởi từ tính nam châm ..................... 101 Hình 4.63. Hình (a) PAC và (b) Biogum không bị hút bởi từ nam châm ..... 101 Hình 4.64: Quy trình công nghệ cải thiện độ màu của nƣớc thải dệt nhuộm 104 Hình 4.65: Quy trình công nghệ loại bỏ ion kim loại nặng trong nƣớc thải xi mạ ................................................................................................................... 106 xv
CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU 1.1. Đặt vấn đề Trong những năm gần đây với sự phát triển của thế giới về mọi mặt, trong đó các ngành công nghiệp đã có những bƣớc phát triển mạnh mẽ, tạo ra nhiều sản phẩm đa dạng có chất lƣợng cao, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của thị trƣờng và con ngƣời. Bên cạnh những thành tựu to lớn đó, con ngƣời đang dần hủy hoại môi trƣờng sống của mình do nguồn chất thải phát sinh từ các công đoạn sản xuất không đƣợc xử lý hoặc xử lý không triệt để. Sử dụng hóa chất có nguồn gốc hóa học trong quá trình vận hành để cải thiện chất lƣợng nƣớc thải công nghiệp, xi mạ, dệt nhuộm, thủy sản… đƣợc ứng dụng khá rộng rãi. Tuy nhiên trong quá trình xử lý dƣ lƣợng của chúng gây ô nhiễm trực tiếp hoặc gián tiếp qua chất ô nhiễm thứ cấp đến môi trƣờng tiếp nhận (Vijayaraghavan, 2011). Ngoài ra ô nhiễm thứ cấp còn làm thay đổi tính chất vật lý, hóa học, sinh học của hệ sinh thái của nƣớc theo chiều hƣớng xấu đi và đây là thực trạng cấp thiết cần có giải pháp thay đổi vật liệu trong quá trình vận hành để cải thiện chất lƣợng môi trƣờng tiếp nhận (Nguyễn Thị Phƣơng Loan, 2011). Hiện nay, đã có một số nghiên cứu trong và ngoài nƣớc về việc ứng dụng các loại chất có nguồn gốc tự nhiên trong đó có các gum sinh học trong xử lý nƣớc thải để loại bỏ màu và COD ra khỏi nƣớc thải một số ngành công nghiệp dệt nhuộm, xi mạ (Mangale Sapanda, 2012; Muhammad Asif Hanif, 2008). Theo Đoàn Thị Thúy Ái (2013), Nguyễn Văn Cƣờng và Huỳnh Thị Kim Ngọc (2014); Luciano Carlos et al. (2013) có thể ứng dụng vật liệu nano trong xử lý nƣớc thải ngành công nghiệp dệt nhuộm và xi mạ. Kết quả nghiên cứu cho thấy gum sinh học và hạt nano từ tính có tiềm năng ứng dụng trong xử lý nƣớc. Mặt khác, bản chất keo tụ của các gum sinh học là hình thành các liên kết và tƣơng tác hóa học với các chất ô nhiễm, do đó quá trình thu hồi gum sinh học khá tốn kém, cần sử dụng tác nhân để cắt đứt các liên kết hóa học và tái tạo lại gum dƣới dạng tủa. Vì vậy việc thu hồi gum sinh học không khả thi và tốn kém. Qua đó việc thu hồi các hạt nano từ tính rất đơn giản, dƣới tác dụng của lực các chất ô nhiễm trong lỗ trống của hạt nano sẽ bị đẩy ra ngoài và hạt nano đƣợc thu lại bằng nam châm một cách dễ dàng. Tuy nhiên hiệu quả xử lý nƣớc thải của các hạt nano bị hạn chế do thiếu các nhóm chức hoạt động trên bề mặt hạt nano, do đó việc gắn gum sinh học lên bề mặt hạt nano nhằm tạo ra vật liệu nano sinh học mới vừa tăng khả năng xử lý các chất ô nhiễm trong nƣớc vừa giữ đƣợc đặc tính thu hồi và tái sử dụng của hạt nano từ tính. 1
Những nghiên cứu trên cho thấy vật liệu sinh học có tiềm năng thay thế vật liệu có nguồn gốc hóa học là một bƣớc tiến và cần nghiên cứu ứng dụng, đặc biệt cần nghiên cứu vật liệu nano sinh học có thể thu hồi trong cải thiện chất lƣợng nƣớc thải cũng nhƣ môi trƣờng tiếp nhận. Trên cơ sở và ý tƣởng đó luận án “Nghiên cứu sử dụng vật liệu keo tụ sinh học chế tạo từ hạt muồng hoàng yến (Cassia fistula L.) để cải thiện chất lƣợng nƣớc thải công nghiệp” đƣợc thực hiện trên nƣớc thải ngành công nghiệp dệt nhuộm và xi mạ góp phần cải thiện chất lƣợng môi trƣờng nƣớc, bảo vệ môi trƣờng và phát triển bền vững. 1.2. Mục tiêu nghiên cứu 1.2.1. Mục tiêu tổng quát Khảo sát khả năng ứng dụng vật liệu có nguồn gốc tự nhiên, thân thiện với môi trƣờng và vật liệu nano sinh học có khả năng thu hồi và tái sử dụng trong cải thiện chất lƣợng nƣớc thải một số ngành công nghiệp và đề xuất một quy trình công nghệ cải thiện chất lƣợng nƣớc thải công nghiệp, tập trung vào hai dạng ô nhiễm kim loại nặng và màu. 1.2.2. Mục tiêu cụ thể - Chế tạo vật liệu keo tụ sinh học từ cây Muồng Hoàng Yến (MHY). - Phát triển vật liệu keo tụ sinh học với nano từ tính. - Tối ƣu hóa quá trình loại bỏ màu (trong nƣớc thải dệt nhuộm) và kim loại nặng (trong nƣớc thải xi mạ) ra khỏi nƣớc thải. 1.3. Nội dung nghiên cứu - Chế tạo vật liệu keo tụ sinh học từ hạt MHY từ đó phát triển vật liệu keo tụ sinh học kết hợp với nano từ tính. + Trích ly vật liệu keo tụ sinh học từ hạt MHY. + Nghiên cứu cấu trúc của vật liệu. + Chế tạo vật liệu nano từ tính kết hợp với chất keo tụ sinh học MHY. + Nghiên cứu cấu trúc vật liệu mới. - Nghiên cứu loại bỏ màu trong nƣớc thải dệt nhuộm. + Nghiên cứu tối ƣu hóa các điều kiện keo tụ (pH, lƣợng vật liệu sử dụng) trong quy mô phòng thí nghiệm. + Nghiên cứu hiệu quả loại bỏ màu trên mô hình pilot công suất 30 lít. + Nghiên cứu khả năng tái sử dụng vật liệu chế tạo từ nano từ tính kết hợp với vật liệu sinh học MHY. + Đánh giá hiệu quả kinh tế và đề xuất quy trình cho áp dụng vào thực tiễn. 2
- Nghiên cứu loại bỏ kim loại nặng (Ni2+, Cu2+, Zn2+) trong nƣớc thải xi mạ. + Nghiên cứu tối ƣu hóa các điều kiện keo tụ (pH, lƣợng vật liệu sử dụng) trong quy mô phòng thí nghiệm. + Nghiên cứu hiệu quả loại bỏ kim loại nặng trên thiết bị pilot công suất 30 lít. + Nghiên cứu khả năng tái sử dụng vật liệu chế tạo từ nano từ tính kết hợp với vật liệu sinh học MHY. + Đánh giá hiệu quả kinh tế và đề xuất quy trình cho áp dụng thực tiễn. 1.4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 1.4.1. Đối tượng nghiên cứu - Vật liệu keo tụ sinh học thân thiện môi trƣờng. - Vật liệu chế tạo từ hạt nano từ tính kết hợp với vật liệu sinh học MHY có khả năng thu hồi và tái sử dụng. - Thành phần màu và kim loại nặng trong nƣớc thải công nghiệp. 1.4.2. Phạm vi nghiên cứu - Vật liệu sinh học: Biogum ly trích từ hạt MHY đƣợc lấy tại Bình Dƣơng. - Thí nghiệm đƣợc tiến hành ở quy mô phòng thí nghiệm và trên mô hình pilot công suất 30 lít. - Nƣớc thải dệt nhuộm giả định gồm hai loại màu có tên thƣơng mại Reactive red 3 BS (RR). Nƣớc thải dệt nhuộm thực tế đƣợc lấy từ nhà máy tại Bình Dƣơng. - Nƣớc thải xi mạ giả định gồm Ni2+, Cu2+, Zn2+. Nƣớc thải xi mạ thực tế đƣợc lấy từ nhà máy tại Bình Dƣơng. - Các nghiên cứu đƣợc thực hiện và phân tích tại Trƣờng Đại học Thủ Dầu Một, Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh và Đại học Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh. 1.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 1.5.1. Ý nghĩa khoa học - Kết quả nghiên cứu là nguồn số liệu khoa học trong nghiên cứu ứng dụng vật liệu mới trong xử lý nƣớc và nƣớc thải công nghiệp. - Công trình nghiên cứu là các số liệu khoa học cơ bản sử dụng cho giảng dạy và nghiên cứu các đề tài tƣơng tự. - Kết quả có thể dùng tham khảo cho các nhà máy có thành phần và tính chất ô nhiễm tƣơng tự. 3