Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường: Nghiên cứu xây dựng phương trình hấp phụ đẳng nhiệt xử lý màu trong nước thải dệt nhuộm bằng vật liệu sinh học được điều chế từ vỏ hạt Macadamia

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:101

Thêm vào BST

Báo xấu

7
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn "Nghiên cứu xây dựng phương trình hấp phụ đẳng nhiệt xử lý màu trong nước thải dệt nhuộm bằng vật liệu sinh học được điều chế từ vỏ hạt Macadamia" được hoàn thành với mục tiêu nhằm ứng dụng than biến tính để xử lý màu methylene blue (MB) trong nước thải dệt nhuộm; Xây dựng phương trình hấp phụ đẳng nhiệt nhằm đánh giá hiệu quả xử lý nước thải dệt nhuộm của vật liệu.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường: Nghiên cứu xây dựng phương trình hấp phụ đẳng nhiệt xử lý màu trong nước thải dệt nhuộm bằng vật liệu sinh học được điều chế từ vỏ hạt Macadamia

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH B NH DƢƠNG TRƢỜNG Đ ỌC T Ủ DẦU M T NGUYỄN T Ị T AN TRÂM NG ÊN CỨU XÂY DỰNG P ƢƠNG TRÌN ẤP P Ụ ĐẲNG N ỆT XỬ LÝ MÀU TRONG NƢỚC T Ả DỆT N U M BẰNG VẬT L ỆU SN ỌC ĐƢỢC Đ ỀU C Ế TỪ VỎ T MACADAMIA C UYÊN NGÀN : K OA ỌC MÔ TRƢỜNG MÃ SỐ: 8 44 03 01 LUẬN VĂN T C SĨ BÌN DƢƠNG – 2022
ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH B NH DƢƠNG TRƢỜNG Đ ỌC T Ủ DẦU M T NGUYỄN T Ị T AN TRÂM NG ÊN CỨU XÂY DỰNG P ƢƠNG TRÌN ẤP P Ụ ĐẲNG N ỆT XỬ LÝ MÀU TRONG NƢỚC T Ả DỆT N U M BẰNG VẬT L ỆU SN ỌC ĐƢỢC Đ ỀU C Ế TỪ VỎ T MACADAMIA C UYÊN NGÀN : K OA ỌC MÔ TRƢỜNG MÃ SỐ: 8 44 03 01 LUẬN VĂN T C SĨ NGƢỜ ƢỚNG DẪN K OA ỌC: TS. ĐÀO M N TRUNG BÌN DƢƠNG - 2022
LỜ CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi với sự hƣớng dẫn của TS. Đào Minh Trung. Các số liệu và những kết luận nghiên cứu đƣợc trình bày trong luận văn này hoàn toàn trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong bất kỳ công trình cùng cấp nào. ọc viên thực hiện Nguyễn Thị Thanh Trâm i
LỜ CẢM ƠN Trong suốt quá trình h c tập và thực hiện luận văn thạc sĩ tôi đ nhận đƣợc sự hƣớng dẫn gi p đ qu báu từ rất nhiều ngƣời. Với lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến toàn thể các giảng viên của Viện Đào tạo Sau đại h c Trƣờng Đại h c Thủ Dầu Một. Đặc biệt là TS. Đào Minh Trung – giảng viên trực tiếp hƣớng dẫn tôi thực hiện đề tài luận văn tốt nghiệp cao h c này. Tôi cũng xin cảm ơn TS. Hoàng Lê Thụy Thùy Trang, ThS. Trần Thanh Nh CN. Phan Hoàng Vĩnh Trƣờng và Quý Thầy/Cô quản lý Phòng Thí nghiệm – Viện Phát triển Ứng dụng đ hỗ trợ nhiệt tình giúp tôi hoàn thiện luận văn. Các Thầy Cô đ luôn hết l ng gi p đ dạy bảo thƣờng xuyên quan tâm động viên và kịp thời chia sẻ những khó khăn vƣớng mắc cho tôi trong suốt quá trình h c tập và hoàn thành luận văn thạc sĩ. Tôi xin cảm ơn Viện Đào tạo Sau đại h c, ngành Khoa h c môi trƣờng đ luôn hỗ trợ, tạo điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành tốt luận văn của mình. Một lần nữa, tôi xin chân thành cảm ơn! Học viên thực hiện Nguyễn Thị Thanh Trâm ii
MỤC LỤC DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT.............................................................................. v DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................. vi DANH MỤC H NH ẢNH ................................................................................... vii PHẦN MỞ ĐẦU .................................................................................................... 1 1. L do ch n đề tài ........................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ...................................................................................... 2 3. Đối tƣợng nghiên cứu .................................................................................... 2 4. Phạm vi nghiên cứu ....................................................................................... 2 5. Ý nghĩa thực tiễn ............................................................................................ 3 6. Ý nghĩa khoa h c ........................................................................................... 3 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN .................................................................................. 4 1.1. Tổng quan về nƣớc thải dệt nhuộm ............................................................ 4 1.1.1. Tổng quan về ngành dệt nhuộm .......................................................... 4 1.1.2. Thành phần và tính chất của nƣớc thải dệt nhuộm .............................. 4 1.1.3. Ảnh hƣởng của nƣớc thải đến môi trƣờng .......................................... 6 1.2. Phƣơng pháp hấp phụ và giải hấp phụ ........................................................ 7 1.2.1. Phƣơng pháp hấp phụ .......................................................................... 7 1.2.2. Giải hấp phụ ........................................................................................ 9 1.2.3. Phƣơng trình hấp phụ đẳng nhiệt ...................................................... 10 1.2.4. Đặc tính của chất hấp phụ ................................................................. 10 1.3. Tổng quan về than biến tính ..................................................................... 12 1.3.1. Biến tính bề mặt của vật liệu ............................................................. 12 1.3.2. Các phƣơng pháp biến tính ................................................................ 13 1.4. Tổng quan về Macadamia ......................................................................... 15 1.5. Các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc ........................................................ 16 1.5.1. Ở Việt Nam........................................................................................ 16 1.5.2. Trên thế giới ...................................................................................... 17 CHƢƠNG 2. NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...................... 22 2.1. Phƣơng tiện nghiên cứu ............................................................................ 22 iii
2.1.1. Thiết bị và dụng cụ ............................................................................ 22 2.1.2. Hóa chất ............................................................................................. 22 2.2. Nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu ...................................................... 23 2.2.1. Nội dung nghiên cứu ......................................................................... 23 2.2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu ................................................................... 24 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ....................................................... 35 3.1. Kết quả phân tích đặc tính hình thái của các vật liệu đ điều chế ........... 35 3.2. Kết quả ứng dụng vật liệu sinh h c đ điều chế trong xử l màu nhuộm methylene blue ................................................................................................. 38 3.2.1. Ảnh hƣởng của pH đến hiệu quả hấp phụ methylene blue ............... 38 3.2.2. Ảnh hƣởng của liều lƣợng vật liệu đến hiệu quả hấp phụ methylene blue .............................................................................................................. 39 3.2.3. Ảnh hƣởng của thời gian đến hiệu quả hấp phụ methylene blue ...... 40 3.2.4. Ảnh hƣởng của nồng độ đến hiệu quả hấp phụ methylene blue ....... 41 3.2.5. Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến hiệu quả hấp phụ methylene blue ....... 43 3.3. Kết quả xây dựng phƣơng trình hấp phụ đẳng nhiệt của các vật liệu đ đƣợc điều chế ................................................................................................... 44 3.3.1. Phƣơng trình hấp phụ đẳng nhiệt ...................................................... 44 3.3.2. Động h c hấp phụ.............................................................................. 47 3.4. Kết quả khảo sát khả năng tái sử dụng của vật liệu sinh h c đƣợc điều chế từ vỏ hạt Macadamia........................................................................................ 49 CHƢƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................... 51 4.1. Kết luận ..................................................................................................... 51 4.2. Kiến nghị................................................................................................... 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 53 PHỤ LỤC ............................................................................................................. 58 PHỤ LỤC A. H NH ẢNH TRONG QUÁ TR NH THỰC NGHIỆM ............ 58 PHỤ LỤC B. DỮ LIỆU THỰC NGHIỆM ..................................................... 66 PHỤ LỤC C. HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ PHÂN TÍCH ............................... 79 iv
DAN MỤC C Ữ V ẾT TẮT BOD Biochemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy sinh hóa BT Than biến tính COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa h c FT-IR Fourier Transformation Infrared Spectrometer Phƣơng pháp phổ hấp thụ hồng ngoại IR Infra Red Phổ hồng ngoại IUPAC International Union of Pure and Applied Chemistry Hội hóa h c ứng dụng quốc tế KLN Kim loại nặng MB Methylene blue PTL Phân tử lớn TC Biochar TS Tổng chất rắn v
DANH MỤC BẢNG B ỂU Bảng 1.1. Thành phần và tính chất nƣớc thải dệt nhuộm ...................................... 4 Bảng 1.2. Các chất gây ô nhiễm và đặc tính nƣớc thải ngành dệt nhuộm ............. 6 Bảng 1.3. Các nghiên cứu điều chế vật liệu sinh h c trên thế giới ..................... 18 Bảng 2.1. Những thiết bị sử dụng trong đề tài..................................................... 22 Bảng 2.2. Những hóa chất sử dụng trong đề tài .................................................. 22 Bảng 3.1. Các điều kiện thí nghiệm nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ .................. 45 Bảng 3.2. Các tham số trong mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich .................................................................................................. 46 Bảng 3.3. So sánh dung lƣợng hấp phụ giữa các loại vật liệu sinh h c .............. 47 Bảng 3.4. Các tham số trong mô hình động h c hấp phụ bậc 1 và bậc 2 ............ 49 vi
DAN MỤC ÌN ẢN Hình 1.1. Sơ đồ quy trình dệt nhuộm .................................................................... 5 Hình 2.1. Nội dung nghiên cứu ........................................................................... 23 Hình 2.2. Sơ đồ bố trí thí nghiệm điều chế than biến tính .................................. 25 Hình 2.3. Sơ đồ bố trí thí nghiệm khảo sát khả năng hấp phụ màu MB ............. 29 Hình 2.4. Sơ đồ bố trí thí nghiệm khảo sát khả năng tái sử dụng vật liệu .......... 33 Hình 3.1. Kết quả phân tích SEM của biochar (a) và than biến tính (b) ............. 35 Hình 3.2. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ giải hấp phụ N2 của vật liệu biochar ........ 36 Hình 3.3. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ giải hấp phụ N2 của vật liệu biến tính ..... 37 Hình 3.4. Kết quả phân tích FT-IR của biochar (TC) và than biến tính (BT) ..... 38 Hình 3.5. Kết quả khảo sát sự ảnh hƣởng của pH đến hiệu suất loại bỏ màu MB .. ................................................................................................................... 38 Hình 3.6. Kết quả khảo sát sự ảnh hƣởng của liều lƣợng vật liệu đến hiệu suất loại bỏ màu MB ......................................................................................... 40 Hình 3.7. Kết quả khảo sát sự ảnh hƣởng của thời gian đến hiệu suất loại bỏ MB ................................................................................................................... 41 Hình 3.8. Kết quả khảo sát sự ảnh hƣởng của nồng độ đến hiệu suất loại bỏ MB . ................................................................................................................... 42 Hình 3.9. Ảnh hƣởng của nồng độ ban đầu MB đến dung lƣợng hấp phụ ......... 42 Hình 3.10. Kết quả khảo sát sự ảnh hƣởng của nhiệt độ đến hiệu suất loại bỏ MB ................................................................................................................... 43 Hình 3.11. Phƣơng trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir...................................... 45 Hình 3.12. Phƣơng trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich .................................... 46 Hình 3.13. Ảnh hƣởng của thời gian đến dung lƣợng hấp phụ màu MB ............ 48 Hình 3.14. Phƣơng trình giả động h c bậc 1 ....................................................... 48 Hình 3.15. Phƣơng trình giả động h c bậc 2 ....................................................... 49 Hình 3.16. Kết quả khảo sát khả năng tái sử dụng của vật liệu .......................... 50 vii
P ẦN MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Hiện trạng ô nhiễm nƣớc thải do phẩm nhuộm tại Việt Nam phát sinh chính từ hoạt động của các làng nghề dệt nhuộm. Vì chỉ với quy mô nhỏ công nghệ thủ công nên thƣờng không có hệ thống xử l nƣớc thải hoặc xử l chƣa triệt để gây ảnh hƣởng đến môi trƣờng xung quanh. Đặc thù của nghề dệt nhuộm là sử dụng rất nhiều hóa chất và thuốc nhuộm nên thành phần các chất ô nhiễm trong nƣớc thải từ các làng nghề dệt nhuộm bao gồm: các tạp chất tự nhiên (tách ra từ sợi vải) chất bẩn dầu sáp hợp chất chứa nitơ pectin (trong quá trình nấu tẩy) chuội tơ và các hóa chất (sử dụng trong quy trình xử l vải nhƣ hồ tinh bột NaOH H2SO4, HCl, Na2CO3,…) các loại thuốc nhuộm chất tẩy giặt. Khoảng 10 - 30% lƣợng thuốc nhuộm và hóa chất sử dụng đƣợc thải ra ngoài cùng với nƣớc thải (Nguyễn Xuân Hoàng và Lê Hoàng Việt 2012). Những chất này nếu xả trực tiếp vào nguồn nƣớc sẽ gây ra nhiều ảnh hƣởng nghiêm tr ng tới hệ sinh thái và môi trƣờng sống xung quanh. Độ màu cao do dƣ lƣợng thuốc nhuộm dƣ trong nƣớc thải sẽ gây màu cho nguồn tiếp nhận gây cản trở ánh sáng và làm chậm các quá trình quang hợp ức chế sự phát triển và sinh sản của sinh vật. Bên cạnh đó giá trị cao (pH > 9) cũng sẽ gây độc hại đối với môi trƣờng thủy sinh gây ăn m n các công trình thoát nƣớc và hệ thống xử l nƣớc thải. Do những ảnh hƣởng trên nhiều phƣơng pháp đ đƣợc áp dụng để loại bỏ những tác nhân độc hại trong nƣớc thải dệt nhuộm nhƣ xử l bằng Chitosan (Guibal and Roussy, 2007) xử l bằng công nghệ màng nano (Akbari et al., 2006) hay xử l bằng vật liệu nano kết hợp với biogum (Tan et al., 2000) … Ngoài những phƣơng pháp trên thì phƣơng pháp xử l bằng than hoạt tính có nguồn gốc sinh h c cụ thể là các phế phẩm trong nông nghiệp đ và đang đƣợc áp dụng rộng r i do hiệu suất xử l khá cao nguồn vật liệu lại dồi dào và thân thiện với môi trƣờng nhƣ: cỏ nến (Shi et al., 2010), cây Euphorbia rigida (Gerçel et al., 2007) rơm l a mạch (Husseien et al., 2007) vỏ lạc (Malik et al., 2007) … 1
Trong đó vỏ hạt Macadamia đƣợc đề xuất nghiên cứu do những ƣu điểm phù hợp với việc điều chế thành vật liệu hấp phụ nhƣ: hàm lƣợng cellulose và carbon cao (41 2% cellulose và 47% carbon) hàm lƣợng tro thấp (dƣới 1%) (Toles et al., 1998; Penoni et al., 2011; Kumar et al., 2013). Với mỗi tấn hạt Macadamia tạo ra 70-77% vỏ (Penoni et al., 2011) ở Việt Nam hàng năm có hàng chục nghìn tấn vỏ thải ra môi trƣờng việc sử dụng phế phẩm nông nghiệp này sẽ góp phần làm giảm lƣợng chất thải rắn phát sinh. Ngoài ra tại Việt Nam các nghiên cứu xây dựng phƣơng trình hấp phụ đẳng nhiệt phƣơng trình động h c và khả năng tái sử dụng của vật liệu sinh h c có nguồn gốc từ vỏ hạt Macadamia còn khá ít. Vì vậy đề tài “Nghiên cứu xây dựng phương trình hấp phụ đẳng nhiệt xử lý màu trong nước thải dệt nhuộm bằng vật liệu sinh học được điều chế từ vỏ hạt Macadamia” đƣợc đề xuất nghiên cứu. 2. Mục tiêu nghiên cứu 2.1. Mục tiêu tổng quát Nghiên cứu khả năng xử l màu của vật liệu sinh h c điều chế từ vỏ hạt Macadamia. 2.2. Mục tiêu cụ thể - Điều chế than biến tính từ vỏ hạt Macadamia bằng tác nhân H2O2. - Ứng dụng than biến tính để xử lý màu methylene blue (MB) trong nƣớc thải dệt nhuộm. - Xây dựng phƣơng trình hấp phụ đẳng nhiệt nhằm đánh giá hiệu quả xử l nƣớc thải dệt nhuộm của vật liệu. 3. Đối tƣợng nghiên cứu - Vỏ hạt Macadamia. - Nƣớc thải ngành dệt nhuộm. 4. Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu đƣợc thực hiện tại ph ng thí nghiệm Trƣờng Đại h c Thủ Dầu Một. - Thời gian dự kiến: từ tháng 08/2021 đến tháng 06/2022. - Giới hạn đề tài: 2
 Vỏ hạt Macadamia đƣợc thu hái tại thôn 7 xóm 2 x An Lộc huyện Bảo Lâm tỉnh Lâm Đồng Việt Nam. Đƣợc tách vỏ thủ công tại ph ng thí nghiệm thuộc Viện Phát triển Ứng dụng - Trƣờng Đại h c Thủ Dầu Một, Bình Dƣơng.  Nƣớc thải nghiên cứu: Dung dịch màu MB đƣợc pha trong ph ng thí nghiệm với nồng độ 20 mg/L. 5. Ý nghĩa thực tiễn - Điều chế than có khả năng xử l môi trƣờng từ phế phẩm nông nghiệp là vỏ hạt Macadamia, góp phần gián tiếp xử l chất thải rắn nông nghiệp. - Xác định các thông số tối ƣu của vật liệu than biến tính điều chế từ vỏ Macadamia để xử l nƣớc thải. - Ứng dụng xử l nƣớc thải dệt nhuộm với quy mô ph ng thí nghiệm. - Xây dựng đƣợc phƣơng trình hấp phụ đẳng nhiệt phƣơng trình động h c hấp phụ. - Kết quả nghiên cứu đóng góp vào quy trình xử l nƣớc thải bằng phƣơng pháp hóa lý. 6. Ý nghĩa khoa học - Tạo tiền đề cho các nghiên cứu khác liên quan đến xử lí nƣớc thải bằng vật liệu than biến tính điều chế từ vỏ hạt Macadamia. - Kết quả nghiên cứu đạt đƣợc sẽ tạo tiền đề cho các nghiên cứu ứng dụng đối với các vật liệu khác có tính chất tƣơng tự. 3
C ƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về nƣớc thải dệt nhuộm 1.1.1. Tổng quan về ngành dệt nhuộm Ngành công nghiệp dệt nhuộm là một trong những ngành chứa nhiều hóa chất gây ô nhiễm đƣợc thải ra sau nhiều giai đoạn nhuộm (Solmaz et al., 2006; Gao et al., 2007). Nƣớc thải từ các quá trình nhuộm đƣợc thải ra với độ màu khá cao (Garg et al., 2004; Verma et al., 2011). Theo nghiên cứu của V. K. Garg và đồng sự độ màu có khả năng làm cản trở ánh sáng và làm chậm các quá trình quang hợp ức chế sự phát triển và sinh sản của sinh vật cũng nhƣ có khuynh hƣớng tạo ra các ion chelate kim loại gây độc cho vi khuẩn trong nƣớc (Garg et al., 2004). Do đó việc xả thải trực tiếp vào các nguồn nƣớc nhƣ sông hồ,... không chỉ ảnh hƣởng đến toàn bộ hệ sinh thái môi trƣờng nƣớc (Solmaz et al., 2006) mà c n ảnh hƣởng đến cuộc sống của những ngƣời dân ở các vùng lân cận (Garg et al., 2004; Verma et al., 2011). 1.1.2. Thành phần và tính chất của nƣớc thải dệt nhuộm Bảng 1.1. Thành phần và tính chất nƣớc thải dệt nhuộm Kết quả Chỉ tiêu Đơn vị Nƣớc thải hoạt Nƣớc thải sulfua Nƣớc thải tẩy tính pH - 10 - 11 > 11 > 12 COD mg/L 450 - 1.500 10.000 - 40.000 9.000 - 30.000 BOD5 mg/L 200 - 800 2.000 - 10.000 4.000 - 17.000 N tổng mg/L 5 - 15 100 - 1.000 200 - 1.000 P tổng mg/L 0,7 – 3,0 7 - 30 10 - 30 SS mg/L - - 120 - 1300 Màu Pt-Co 7.000 - 50.000 100.000 - 50.000 500 - 2.000 Độ đục FAU 140 - 1.500 8.000 - 200.000 1.000 - 5.000 (Nguồn: Khoa Môi trường – Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM) 4
Nguyên liệu đầu vào Kéo sợi chải ghép đánh ống Nƣớc tinh bột phụ da Nƣớc thải chứa tinh bột Hồ sợi hơi nƣớc hóa chất Dệt vải Nƣớc thải chứa hồ tinh bột Enzyme, NaOH Giũ hồ bị thủy phân NaOH NaOH hóa chất hơi nƣớc Nấu Nƣớc thải H2SO4, H2O2 chất tẩy giặt Xử l acid giặt Nƣớc thải H2O2, CaOCl2 hóa chất Tẩy trắng Nƣớc thải H2SO4, H2O2 chất tẩy giặt Giặt Nƣớc thải NaOH hóa chất Làm bóng Nƣớc thải Dung dịch nhuộm Nhuộm in hoa Nƣớc thải H2SO4, H2O2 chất tẩy giặt Giặt Nƣớc thải Hơi nƣớc hồ hóa chất Hoàn tất vặng khô Nƣớc thải Sản phẩm Hình 1.1. Sơ đồ quy trình dệt nhuộm Do mỗi loại nƣớc thải có thành phần và tính chất rất khác nhau vì vậy công nghệ xử l tƣơng ứng cũng khác nhau. Do đó cần tiến hành phân loại tách riêng và xử l sơ bộ để loại trừ các chất độc hại cho vi sinh vật trƣớc khi nhập chung các d ng thải để xử l sinh h c. Nƣớc thải nhuộm vải có nồng độ hợp chất hữu cơ cao thành phần phức tạp và chứa nhiều hợp chất v ng khó phân hủy sinh h c đồng thời có các chất trợ trong quá trình nhuộm có khả năng gây ức chế vi sinh vật. Hơn nữa nhiệt độ nƣớc thải rất cao không thích hợp để đƣa trực tiếp vào hệ thống xử l sinh h c. Vì vậy ta cần tiến hành xử l hoá l trƣớc khi đƣa vào các công trình sinh h c nhằm loại trừ các yếu tố gây hại và tăng khả năng xử l của vi sinh. 5
1.1.3. Ảnh hƣởng của nƣớc thải đến môi trƣờng Nƣớc thải công nghiệp dệt nhuộm bao gồm có các chất ô nhiễm chính sau: các tạp chất tách ra từ vải sợi nhƣ dầu m các hợp chất chứa nitơ pectin các chất bụi bẩn dính vào sợi; các hóa chất sử dụng trong quy trình công nghệ nhƣ hồ tinh bột H2SO4, CH3COOH, NaOH, NaOCl, Na2CO3, Na2SO3,… các loại thuốc nhuộm các chất trợ chất ngấm chất cầm màu chất tẩy giặt. Lƣợng hóa chất sử dụng tùy thuộc loại vải màu và chủ yếu đi vào nƣớc thải của các công đoạn sản xuất. Bảng 1.2. Các chất gây ô nhiễm và đặc tính nƣớc thải ngành dệt nhuộm Chất ô nhiễm trong nƣớc Công đoạn Đặc tính của nƣớc thải thải Tinh bột glucozo carboxyl BOD cao (34 - 50% tổng Hồ sợi giũ hồ methyl xenlulozo, polyvinyl sản lƣợng BOD) alcol nhựa chất béo và sáp NaOH chất sáp và dầu m Độ kiềm cao màu tối Nấu tẩy tro, soda, natri silicate và xo BOD cao (30% tổng BOD) sợi vụn Hypochlorite hợp chất chứa Độ kiềm cao chiếm 5% Tẩy trắng chlor, NaOH, AOX, axit… BOD Độ kiềm cao BOD thấp Làm bóng NaOH tạp chất (dƣới 1% tổng BOD) Độ màu rất cao BOD khá Các loại thuốc nhuộm axit Nhuộm cao (6% tổng BOD) TS acetic và các muối kim loại cao Chất màu tinh bột dầu đất Độ màu cao BOD cao và In sét muối kim loại axit,… dầu m Vệt tinh bột m động vật Kiềm nhẹ BOD thấp Hoàn thiện muối lƣợng nhỏ Độ kiềm cao của nƣớc thải sẽ làm tăng pH nƣớc của nguồn nhận. Nếu pH > 9 sẽ gây độc hại đối với thủy sinh gây ăn m n các công trình thoát nƣớc và hệ 6
thống xử l nƣớc thải. Ngoài ra độ màu cao của nƣớc thải do dƣ lƣợng thuốc sẽ gây màu cho d ng tiếp nhận ảnh hƣởng tới quá trình quang hợp của các loài thủy sinh ảnh hƣởng xấu tới cảnh quan. Hồ tinh bột biến tính làm tăng các giá trị BOD COD của nguồn nƣớc gây nhiều tác hại đối với đời sống thủy sinh do làm giảm oxy h a tan trong nguồn nƣớc. Muối trung tính làm tăng hàm lƣợng tổng rắn làm tăng áp suất thẩm thấu ảnh hƣởng đến quá trình trao đổi chất của tế bào của sinh vật thủy sinh. Hàm lƣợng ô nhiễm các chất hữu cơ cao sẽ làm giảm oxy h a tan trong nƣớc ảnh hƣởng tới sự sống của các loài thủy sinh. 1.2. Phƣơng pháp hấp phụ và giải hấp phụ 1.2.1. Phƣơng pháp hấp phụ Hấp phụ: Là hiện tƣợng tăng nồng độ của chất bị hấp phụ (adsorbate) lên bề mặt chất hấp phụ (adsorbent). Chất đ bị hấp phụ chỉ tồn tại trên bề mặt chất rắn (chất hấp phụ) không phân bố đều khắp trong toàn bộ thể tích chất hấp phụ nên c n g i là quá trình phân bố 2 chiều. Điều này khác với quá trình hấp thụ: Chất bị hấp thụ sau khi đƣợc làm giàu phân bố đều khắp trong thể tích chất hấp thụ. Khi bị hấp phụ lên bề mặt một chất rắn chất bị hấp phụ chiếm chỗ của một cấu tử nào đó và đẩy cấu tử đó ra khỏi vị trí ban đầu thì hiện tƣợng này g i là trao đổi ion (Tạ Ng c Đôn 2009). Hiện tƣợng hấp phụ xảy ra do các lực tƣơng tác hình thành giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ bao gồm (Tạ Ng c Đôn 2009): - Lực tƣơng tác giữa các phân tử, gây ra hấp phụ vật l hoặc trao đổi ion. - Lực nội phân tử, gây ra hấp phụ hóa h c. Trên thực tế sự phân biệt hấp phụ vật l và hấp phụ hóa h c chỉ mang tính tƣơng đối vì ranh giới giữa hai quá trình này là không rõ rệt. Trong một số quá trình hấp phụ có thể xảy ra đồng thời cả hấp phụ vật l và hấp phụ hóa h c (Tạ Ng c Đôn 2009). Trong môi trƣờng nƣớc sự tƣơng tác giữa một chất hấp phụ và bị hấp phụ khá phức tạp vì trong hệ có ít nhất 3 thành phần gây tƣơng tác là: nƣớc – chất hấp phụ – chất bị hấp phụ. Do có mặt dung môi nên trong hệ sẽ xảy ra quá trình 7
hấp phụ cạnh tranh giữa chất bị hấp phụ và dung môi trên bề mặt chất hấp phụ. Cặp nào có tƣơng tác mạnh thì xảy ra hấp phụ cho cặp đó. Tính ch n l c của cặp tƣơng tác phụ thuộc vào những yếu tố nhƣ sau (Tạ Ng c Đôn 2009): - Độ tan của chất bị hấp phụ trong nƣớc. - Tính ƣa hoặc kỵ nƣớc của chất hấp phụ. - Mức độ kỵ nƣớc của chất bị hấp phụ trong nƣớc. Bên cạnh đó khả năng hấp phụ của chất tan (chất bị hấp phụ) lên chất hấp phụ còn phụ thuộc vào tính tƣơng đồng giữa chất bị hấp phụ và chất hấp phụ về độ phân cực (Tạ Ng c Đôn 2009): - Chất không phân cực (chất hữu cơ) hấp phụ tốt trên chất hấp phụ không phân cực (than hoạt tính) và ngƣợc lại. - Một chất tan có độ phân cực cao hơn nƣớc có thể hấp phụ tốt trên chất hấp phụ phân cực. - Cùng bản chất hóa h c mà có PTL khác nhau thì cấu tử có PTL lớn sẽ hấp phụ tốt hơn nếu không bị ràng buộc bởi hiệu ứng “rây phân tử”. - Với một số chất bị hấp phụ có độ phân cực cao (Ví dụ: Các ion kim loại một số dạng phức oxi anion SO42-, PO43-, CrO42- ...) quá trình hấp phụ xảy ra do tƣơng tác tĩnh điện. Với các ion cùng hóa trị thì loại có kích thƣớc lớn sẽ hấp phụ tốt hơn do có độ phân cực cao hơn và lớp vỏ hydrate nhỏ hơn. Lớp vỏ hydrate là yếu tố cản trở tƣơng tác tĩnh điện. Điều đáng ch là tốc độ hấp phụ trong nƣớc xảy ra chậm hơn nhiều so với hấp phụ trong pha khí nguyên nhân chủ yếu là do quá trình chuyển khối khuếch tán xảy ra chậm. Do đó trong thực tiễn công nghệ dung lƣợng hấp phụ của một hệ rất ít khi đƣợc sử dụng triệt để nhất là đối với các chất hấp phụ có dung lƣợng hấp phụ cao (diện tích bề mặt lớn kích thƣớc mao quản nhỏ) (Tạ Ng c Đôn 2009). Kết quả sử dụng ngoài thực tiễn vì vậy đôi l c có điều trái ngƣợc do sự tƣơng tác giữa yếu tố động h c và cân bằng hấp phụ trong môi trƣờng nƣớc hay do các yếu tố hấp phụ hỗn hợp (Tạ Ng c Đôn 2009): 8
- Chất hấp phụ có dung lƣợng cao có kết quả sử dụng kém hơn chất hấp phụ có dung lƣợng thấp; - Chất hấp phụ có tính ch n l c cao hấp phụ kém hơn chất hấp phụ có tính ch n l c thấp. 1.2.2. Giải hấp phụ Đây là quá trình ngƣợc lại với quá trình hấp phụ cho phép phân tách chất bị hấp phụ ngay trên bề mặt chất rắn ra ngoài dung dịch. Giải hấp phụ dựa trên nguyên tắc sử dụng các yếu tố bất lợi với quá trình hấp phụ. Đối với hấp phụ vật l khả năng hấp phụ sẽ bị suy giảm khi tiến hành tác động thông qua 5 yếu tố sau (Tạ Ng c Đôn 2009): - Giảm nồng độ chất bị hấp phụ ở dung dịch nhằm thay đổi thế cân bằng hấp phụ. - Tăng nhiệt độ từ đó làm lệch hệ số cân bằng và làm suy yếu tƣơng tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Điều này đƣợc giải thích là vì hấp phụ là một quá trình tỏa nhiệt. - Thay đổi bản chất tƣơng tác của hệ thống thông qua thay đổi giá trị pH của môi trƣờng. - Sử dụng tác nhân hấp phụ mạnh hơn để đẩy các chất đ hấp phụ trên bề mặt chất rắn. - Sử dụng tác nhân vi sinh vật. Giải hấp phụ là phƣơng pháp tái sinh chất hấp phụ để có thể tiếp tục sử dụng lại nên phƣơng pháp này mang đặc trƣng về hiệu quả kinh tế. Có thể sử dụng 3 phƣơng pháp tái sinh: tái sinh nhiệt phƣơng pháp hóa l và phƣơng pháp vi sinh vật (Tạ Ng c Đôn 2009).  Dung lượng và hiệu suất hấp phụ: Dung lƣợng hấp phụ (q) là lƣợng chất bị hấp phụ (độ hấp phụ) bởi 1 gam chất hấp phụ rắn đƣợc tính theo công thức (Tạ Ng c Đôn 2009): q= (1) 9
Trong đó: q - lƣợng chất bị hấp phụ (mg g); C0, C - nồng độ ban đầu và nồng độ cân bằng của chất bị hấp phụ (mg/L); V - thể tích dung dịch (L); m - khối lƣợng chất hấp phụ (g). Hiệu suất hấp phụ: Hiệu suất hấp phụ (H) là tỉ số giữa nồng độ dung dịch bị hấp phụ (C) và nồng độ dung dịch ban đầu C0 (Tạ Ng c Đôn 2009). H%= (2) 1.2.3. Phƣơng trình hấp phụ đẳng nhiệt Một hệ hấp phụ khi đạt đến trạng thái cân bằng thì lƣợng chất bị hấp phụ sẽ là một hàm của nhiệt độ áp suất hoặc nồng độ của chất bị hấp phụ: q = f(T P hoặc C) Ở nhiệt độ không đổi (T = const) đƣờng biểu diễn q = fT(P hoặc C) đƣợc g i là đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt. Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt biểu diễn sự phụ thuộc của dung lƣợng hấp phụ tại một thời điểm vào nồng độ cân bằng hoặc áp suất của chất bị hấp phụ tại thời điểm đó ở một nhiệt độ xác định (Tạ Ng c Đôn 2009). Đối với chất hấp phụ là chất rắn chất bị hấp phụ là chất lỏng hoặc khí thì đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt đƣợc mô tả qua các phƣơng trình hấp phụ đẳng nhiệt nhƣ Henry Freundlich Langmuir… (Tạ Ng c Đôn 2009). 1.2.4. Đặc tính của chất hấp phụ Một hệ hấp phụ có dung lƣợng cao hay thấp trƣớc hết phụ thuộc vào lực tƣơng tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ (Tạ Ng c Đôn 2009). Thông thƣờng cấu tr c vật liệu rắn hấp phụ đƣợc đặc trƣng bởi những đại lƣợng sau (Tạ Ng c Đôn 2009): - Bề mặt riêng: Diện tích bề mặt tính cho một đơn vị khối lƣợng. Đó là tổng diện tích bề mặt bên trong mao quản và bên ngoài các hạt (đơn vị m2.g-1). Chất hấp phụ có diện tích bề mặt riêng lớn sẽ có khả năng hấp phụ tốt hơn so với chất hấp phụ cùng bản chất nhƣng có diện tích bề mặt thấp hơn. Diện tích bề mặt 10
tăng theo độ phân tán. Cụ thể độ phân tán càng lớn thì diện tích bề mặt tính theo đơn vị khối lƣợng (diện tích riêng) càng cao. - Thể tích lỗ xốp (mao quản) riêng: Không gian rỗng tính cho một đơn vị khối lƣợng. Thể tích lỗ xốp bao gồm độ rỗng giữa các hạt và độ rỗng bên trong mỗi hạt. - Cấu trúc xốp của chất hấp phụ:  Độ xốp của chất hấp phụ: Trong vật liệu xốp thể tích của chất hấp phụ gồm 2 phần: Phần chất rắn (Vrắn) và phần không gian rỗng (Vtổng-Vrắn). Độ xốp β đƣợc định nghĩa là tỷ lệ giữa thể tích phần rỗng (Vtổng-Vrắn) trên thể tích tổng (Vtổng): (3) (4) (5) Trong đó: ρt - khối lƣợng riêng thực; ρb - khối lƣợng riêng biểu kiến; m - khối lƣợng chất hấp phụ.  Mao quản và sự phân bố theo độ lớn: Phân bố kích thƣớc của các mao quản hoặc phân bố lỗ xốp dựa trên những giả thiết về hình dáng mao quản. Sự phân bố đó đƣợc xác định theo sự biến đổi của thể tích hoặc bề mặt lỗ xốp (mao quản) với kích thƣớc mao quản. Các mao quản đƣợc IUPAC (Hội hóa h c ứng dụng quốc tế) phân chia theo độ lớn của bán kính dựa vào cơ chế hấp phụ trong pha hơi: - Mao quản nhỏ (micropore): Đƣờng kính ≤ 20 Å (2 nm) cơ chế hấp phụ trong vùng mao quản nhỏ là cơ chế lấp đầy thể tích mao quản. - Mao quản trung bình (mesopore): Đƣờng kính 20 – 500 Å (2 – 50 nm), cơ chế hấp phụ trong vùng mao quản trung bình có liên quan đến hiện tƣợng ngƣng tụ mao quản tức là hiện tƣợng hơi hóa lỏng l c áp suất thấp hơn áp suất b o h a do các phân tử bị hạn chế chuyển động trong vùng mao quản này. 11