Luận văn Thạc sĩ Khoa học vật chất: Nghiên cứu khả năng hấp phụ Cr(VI), Ni(II) của than chế tạo từ thân cây sen và thử nghiệm xử lý môi trường

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:84

Thêm vào BST

Báo xấu

19
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của Luận văn nhằm chế tạo vật liệu hấp phụ từ thân cây sen. Khảo sát một số đặc điểm bề mặt của vật liệu hấp phụ bằng phương pháp đo diện tích bề mặt riêng (BET), ảnh hiển vi điện tử quét (SEM). Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học vật chất: Nghiên cứu khả năng hấp phụ Cr(VI), Ni(II) của than chế tạo từ thân cây sen và thử nghiệm xử lý môi trường

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM TRỊNH THU NGUYÊN NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ Cr(VI), Ni(II) CỦA THAN CHẾ TẠO TỪ THÂN CÂY SEN VÀ THỬ NGHIỆM XỬ LÝ MÔI TRƢỜNG LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC VẬT CHẤT Thái Nguyên - 2017
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM TRỊNH THU NGUYÊN NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ Cr(VI), Ni(II) CỦA THAN CHẾ TẠO TỪ THÂN CÂY SEN VÀ THỬ NGHIỆM XỬ LÝ MÔI TRƢỜNG Chuyên ngành: Hóa phân tích Mã số: 60.44.01.18 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC VẬT CHẤT Cán bộ hƣớng dẫn khoa học: TS. Vũ Thị Hậu Thái Nguyên - 2017
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Đề tài: “Nghiên cứu khả năng hấp phụ Cr(VI), Ni(II) của than chế tạo từ thân cây sen và thử nghiệm xử lý môi trƣờng” là do bản thân tôi thực hiện. Các số liệu, kết quả trong đề tài là trung thực. Nếu sai sự thật tôi xin chịu trách nhiệm. Thái Nguyên, tháng 4 năm 2017 Tác giả luận văn Trịnh Thu Nguyên Xác nhận Xác nhận của Trƣởng khoa chuyên môn của giáo viên hƣớng dẫn PGS. TS. Nguyễn Thị Hiền Lan TS. Vũ Thị Hậu i
LỜI CẢM ƠN Trước hết, em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới TS. Vũ Thị Hậu, cô giáo trực tiếp hướng dẫn, tận tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện để em hoàn thành luận văn.Em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo Khoa Hóa học, các thầy cô Khoa sau Đại học, các thầy cô trong Ban Giám hiệu trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên đã giảng dạy và giúp đỡ em trong quá trình học tập, nghiên cứu.. Cuối cùng emxin gửi lời cảm ơn tới toàn thể gia đình, bạn bè đã luôn bên cạnh, ủng hộ và động viên em trong những lúc gặp phải khó khăn để em có thể hoàn thành quá trình học tập và nghiên cứu. Mặc dù đã có nhiều cố gắng, xong do thời gian có hạn, khả năng nghiên cứu của bản thân còn hạn chế, nên kết quả nghiên cứu có thể còn nhiều thiếu xót. Em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy giáo, cô giáo, các bạn đồng nghiệp và những người đang quan tâm đến vấn đề đã trình bày trong luận văn, để luận văn được hoàn thiện hơn. Em xin trân trọng cảm ơn! Thái Nguyên, tháng 4 năm 2017. ii
MỤC LỤC Trang Trang bìa phụ Lời cam đoan ................................................................................................................. i Lời cảm ơn .................................................................................................................... ii Mục lục ........................................................................................................................ iii Danh mục từ viết tắt..................................................................................................... iv Danh mục bảng biểu ..................................................................................................... v Danh mục các hình ...................................................................................................... vi MỞ ĐẦU ...................................................................................................................... 1 Chƣơng 1. TỔNG QUAN ........................................................................................... 3 1.1. Tình trạng ô nhiễm môi trường nước bởi các ion kim loại nặng ........................... 3 1.2. Tác dụng sinh hóa của kim loại nặng đối với con người ....................................... 4 1.2.1. Giới thiệu về kim loại nặng ................................................................................ 4 1.2.2. Tác dụng sinh hóa của Crom .............................................................................. 4 1.2.3. Tác dụng sinh hóa của Niken.............................................................................. 5 1.2.4. Quy chuẩn Việt Nam về nước thải chứa ion kim loại nặng ............................... 5 1.3. Giới thiệu chung về phương pháp hấp phụ ............................................................ 6 1.3.1. Các khái niệm ..................................................................................................... 6 1.3.2. Các mô hình cơ bản của quá trình hấp phụ......................................................... 7 1.4. Giới thiệu về than................................................................................................. 12 1.4.1. Những tính chất đặc trưng của than .................................................................. 13 1.4.2. Đặc tính hóa học bề mặt của than ..................................................................... 13 1.5. Hấp phụtrong môi trường nước .......................................................................... 14 1.5.1. Đặc điểm chung của hấp phụ trong môi trường nước ...................................... 14 1.5.2. Đặc tính của ion kim loại trong môi trường nước ............................................ 15 1.6. Phương pháp phân tích xác định hàm lượng kim loại nặng ................................ 16 1.6.1. Định lượng Cr(VI), Ni(II) bằng phương pháp trắc quang ................................ 16 1.7. Giới thiệu về cây sen............................................................................................ 16 1.8. Một số kết quả trong và ngoài nước về nghiên cứu hấp phụ ion Cr(VI), Ni(II) . 18 1.9. Một số phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu ............................................ 21 1.9.1. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) ................................................. 21 1.9.2. Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng (BET) ................................................. 22 iii
Chƣơng 2. THỰC NGHIỆM ................................................................................... 23 2.1. Thiết bị và hóa chất.............................................................................................. 23 2.1.1. Thiết bị .............................................................................................................. 23 2.1.2. Hóa chất ............................................................................................................ 23 2.2. Chế tạo TTS từ thân cây sen ................................................................................ 23 2.2.1. Chuẩn bị nguyên liệu ........................................................................................ 23 2.2.2. Quy trình chế tạo TTS từ thân cây sen ............................................................. 24 2.3. Khảo sát đặc điểm bề mặt của TTS chế tạo được ................................................ 24 2.4. Xác định điểm đẳng điện của TTS chế tạo được ................................................. 24 2.5. Xác định chỉ số hấp phụ iot của TTS ................................................................... 24 2.6. Khảo sát cực đại hấp phụ ánh sáng của dung dịch Cr(VI), Ni(II) ....................... 25 2.7. Xây dựng đường chuẩn xác định Cr(VI), Ni(II) theo phương pháp trắc quang . 26 2.7.1. Xây dựng đường chuẩn xác định Cr(VI) .......................................................... 26 2.7.2. Xây dựng đường chuẩn xác định Ni(II) ............................................................ 26 2.8. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ ion Cr(VI), Ni(II) của TTS theo phương pháp hấp phụ tĩnh .......................................................................... 26 2.8.1. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian .................................................................... 26 2.8.2. Khảo sát ảnh hưởng của pH .............................................................................. 26 2.8.3. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu của ion Cr(VI), Ni(II) ........................... 27 2.8.4. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng TTS ......................................................... 27 2.8.5. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ ...................................................................... 27 2.9. So sánh khả năng hấp phụ của than thị trường và TTS chế tạo được ................. 28 2.10. Xác định dung lượng hấp phụ cực đại của than thị trường đối với Cr(VI), Ni(II) theo mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir .................................................... 28 2.11. Khảo sát khả năng tách loại và thu hồi Cr(VI), Ni(II) bằng phương pháp hấp phụ động trên cột ........................................................................................................ 28 2.11.1. Chuẩn bị cột hấp phụ .................................................................................................. 28 2.11.2. Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ dòng .......................................................................... 29 2.11.3. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ axit giải hấp ........................................................... 29 2.12. Xử lý mẫu nước thải chứa Cr(VI), Ni(II) theo phương pháp tĩnh ..................... 29 iv
Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................... 30 3.1. Kết quả khảo sát đặc điểm bề mặt của TTS chế tạo được ................................... 30 3.1.1. Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM)........................................................................ 30 3.1.2. Diện tích bề mặt riêng (BET) ........................................................................... 31 3.2. Điểm đẳng điện của TTS ..................................................................................... 31 3.3. Chỉ số hấp phụ iot của TTS ................................................................................. 32 3.4. Kết quả khảo sát cực đại hấp phụ ánh sáng của dung dịch Cr(VI), Ni( .............. 33 3.4.1. Kết quả khảo sát cực đại hấp phụ ánh sáng của dung dịch Cr(VI)................... 33 3.4.2. Kết quả khảo sát cực đại hấp phụ ánh sáng của dung dịch Ni(II) .................... 34 3.5.Kết quả xây dựng đường chuẩn của Cr(VI), Ni(II) .............................................. 35 3.5.1. Kết quả xây dựng đường chuẩn của Cr(VI)...................................................... 35 3.5.2. Kết quả xây dựng đường chuẩn của Ni(II) ....................................................... 36 3.6. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ ion Cr(VI), Ni(II) của TTS. 37 3.6.1.Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian ......................................................... 37 3.6.2. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH ................................................................. 39 3.6.3. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng TTS ......................................................... 41 3.6.4. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ ...................................................................... 43 3.6.5. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu và dung lượng hấp phụ ion Cr(VI), Ni(II) theo mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir .................................................... 45 3.7. So sánh khả năng hấp phụ của than thị trường và TTS chế tạo được ................. 47 3.8. So sánh dung lượng hấp phụ cực đại của TTT đối với Cr(VI), Ni(II) theo mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir ............................................................................. 48 3.9. Kết quả khảo sát khả năng tách loại và thu hồi Cr(VI), Ni(II) bằng phương pháp hấp phụ động trên cột.................................................................................................. 50 3.9.1. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tốc độ dòng ................................................... 50 3.9.2. Kết quả giải hấp thu hồi Cr(VI), Ni(II)............................................................. 52 3.10. Xử lý nước thải chứa Cr(VI), Ni(II) theo phương pháp hấp phụ tĩnh .............. 55 KẾT LUẬN ................................................................................................................ 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 58 PHỤ LỤC v
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT TT Từ viết tắt Từ nguyên gốc 1 Abs Absorbance 2 BET Brunaur – Emmetle – Teller 3 Nd Not detecter 4 NL Nguyên liệu 5 ppm Part per million 6 SEM Scanning Electron Microscopy 7 TTS Than thân sen 8 TTT Than thị trường 9 UV-Vis Ultraviolet Visble iv
DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1.1: Giá trị giới hạn nồng độ một số chất ô nhiễm trong nước thải công nghiệp......5 Bảng 3.1: Số liệu xây dựng đồ thị xác định điểm đẳng điện của TTS ........................31 Bảng 3.2: Bảng số liệu xác định chỉ số iot của TTS ....................................................32 Bảng 3.3: Kết quả đo độ hấp thụ quang của dung dịch Cr(VI) ở các bước sóng khác nhau....................................................................................................33 Bảng 3.4: Kết quả đo độ hấp thụ quang của dung dịch Ni(II) ở các bước sóng khác nhau....................................................................................................34 Bảng 3.5: Số liệu xây dựng đường chuẩn Cr(VI) ........................................................35 Bảng 3.6: Số liệu xây dựng đường chuẩn Ni(II) .........................................................36 Bảng 3.7: Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ của TTS ..........................37 Bảng 3.8: Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất hấp phụ của TTS ...................................39 Bảng 3.9: Ảnh hưởng của khối lượng đến hiệu suất của TTS .....................................41 Bảng 3.10: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến dung lượng hấp phụ của TTS đối với Cr(VI), Ni(II) ............................................................................................43 Bảng 3.11: Ảnh hưởng của nồng độ đầu của ion Cr(VI), Ni(II) đến dung lượng và hiệu suất hấp phụ của TTS ..................................................................45 Bảng 3.12: Dung lượng hấp phụ cực đại và hằng số Langmuir của TTS với Cr(VI), Ni(II) ............................................................................................46 Bảng 3.13: Kết quả khảo sát sơ bộ khả năng hấp phụ của TTT và TTS .....................47 Bảng 3.14: Ảnh hưởng của nồng độ đầu của ion Cr(VI), Ni(II) đến dung lượng và hiệu suất hấp phụ của TTT ..................................................................48 Bảng 3.15: Dung lượng hấp phụ cực đại và hằng số Langmuir của TTT với Cr(VI), Ni(II) ............................................................................................50 Bảng 3.16: Nồng độ Cr(VI), Ni(II) sau khi ra khỏi cột hấp phụ ứng với các tốc độ dòng khác nhau ...................................................................................50 Bảng 3.17: Kết quả giải hấp Cr(VI) trên TTS ứng với nồng độ axit HNO3 khác nhau...52 Bảng 3.18: Hiệu suất giải hấp Cr(VI) trên TTS ứng với nồng độ axit HNO 3 khác nhau .................................................................................................53 Bảng 3.19: Kết quả giải hấp Ni(II) trên TTS ứng với nồng độ axit HNO3 khác nhau.... 54 Bảng 3.20: Hiệu suất giải hấp Ni(II) trên TTS ứng với nồng độ axit HNO 3 khác nhau .................................................................................................54 Bảng 3.21: Kết quả xử lý Cr(VI), Ni(II) trong nước thải ............................................55 v
DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1.1. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir ..........................................................10 Hình 1.2. Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb ...................................................................10 Hình 1.3. Mô hình cột hấp phụ ....................................................................................11 Hình 1.4. Dạng đường cong thoát phân bố nồng độ chất bị hấp phụ trên cột hấp phụ theo thời gian ......................................................................................12 Hình 1.5. Hình ảnh cây sen ..........................................................................................17 Hình 3.1a. Thân sen tự nhiên (NL) ..............................................................................30 Hình 3.1b. Than thân sen (TTS) ..................................................................................30 Hình 3.2. Đồ thị xác định điểm đẳng điện của TTS ....................................................32 Hình 3.3. Đồ thị đường đẳng nhiệt hấp phụ iot của TTS ............................................33 Hình3.4. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc độ hấp thụ quang của Cr(VI) vào bước sóng ...34 Hình 3.5. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc độ hấp thụ quang của Ni(II) vào bước sóng ....35 Hình 3.6. Đồ thị đường chuẩn xác định nồng độ Cr(VI) .............................................36 Hình 3.7. Đồ thị đường chuẩn xác định nồng độ Ni(II) ..............................................36 Hình 3.8. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian đến quá trình hấp phụ Cr(VI) của TTS .....................................................................................................38 Hình 3.9. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian đến quá trình hấp phụ Ni(II) của TTS .....................................................................................................38 Hình 3.10. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ Cr(VI) của TTS ...40 Hình 3.11. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ Ni(II) của TTS ....40 Hình 3.12. Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của khối lượng TTS đến quá trình hấp phụ Cr(VI) .................................................................................................42 Hình 3.13. Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của khối lượng TTS đến quá trình hấp phụ Ni(II)...................................................................................................42 Hình 3.14. Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình hấp phụ Cr(VI) của TTS .........................................................................................44 Hình 3.15. Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình hấp phụ Ni(II) của TTS ...........................................................................................44 vi
Hình 3.16. Đường đẳng nhiệt Langmuir của TTS đối với Cr(VI)...............................46 Hình3.17. Sự phụ thuộc Ccb/q vào Ccb của TTS đối với Cr(VI) ..................................46 Hình 3.18. Đường đẳng nhiệt Langmuir của TTS đối với Ni(II) ................................46 Hình 3.19. Sự phụ thuộc Ccb/q vào Ccb của TTS đối với Ni(II) ..................................46 Hình 3.20. Đồ thị so sánh hiệu suất hấp phụ của TTT và TTS ...................................47 Hình 3.21. Đường đẳng nhiệt Langmuir của TTT đối với Cr(VI) ..............................49 Hình 3.22. Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của TTT đối với Cr(VI) .........................49 Hình 3.23. Đường đẳng nhiệt Langmuir của TTT đối với Ni(II) ................................49 Hình 3.24. Sự phụ thuộc của Ccb/qvào Ccb của TTT đối với Ni(II) .............................49 Hình 3.25. Ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ Cr(VI).......................51 Hình3.26. Ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ của Ni(II)...................51 Hình 3.27. Ảnh hưởng của nồng độ axit HNO3 đến sự giải hấp Cr(VI) trên TTS ......53 Hình 3.28. Ảnh hưởng của nồng độ axit HNO3 đến sự giải hấp Ni(II) trên TTS........55 vii
MỞ ĐẦU Tốc độ công nghiệp hóa, đô thị hóa khá nhanh và sự gia tăng dân số gây áp lực ngày càng nặng nề đối với tài nguyên nước trong vùng lãnh thổ. Nguồn nước thải của các cơ sở sản xuất, nước thải sinh hoạt chưa được xử lý hoặc xử lý chưa triệt để vẫn hàng ngày thải ra môi trường nước. Hậu quả là môi trường nước kể cả nước mặt và nước ngầm ở nhiều khu vực đang bị ô nhiễm kim loại nặng nghiêm trọng. Nếu hàm lượng kim loại nặng vượt quá ngưỡng cho phép sẽ rất độc và gây tác hại lâu dài tới cơ thể chúng ta. Kim loại nặng có thể tiếp xúc với màng tế bào, ảnh hưởng tới quá trình phân chia DNA, dẫn đến thai chết, sự dị dạng, quái thai cho các thế hệ sau. Có nhiều phương pháp khác nhau đã được nghiên cứu và áp dụng để tách các kim loại nặng ra khỏi môi trường nước. Một trong các phương pháp đang được nhiều người quan tâm hiện nay là việc sử dụng than hoạt tính được chế tạo từ các phụ phẩm công nông nghiệp (vỏ lạc, bã mía, xơ dừa…) để làm vật liệu hấp phụ tách loại các kim loại nặng ra khỏi môi trường nước. Phương pháp này có ưu điểm là sử dụng nguồn nguyên liệu rẻ tiền, sẵn có và không đưa thêm vào môi trường các tác nhân độc hại khác. Ở Việt Nam, cây sen được trồng phổ biến từ Bắc vào Nam. Mọc ở nhiều ao hồ, có sức sống mãnh liệt. Cây sen là cây đa dụng, tất cả các bộ phận của cây sen đều có thể sử dụng làm thực phẩm hoặc làm thuốc cho con người. Hoa, hạt, lá non và ngó sen ăn được. Nhụy hoa phơi khô dùng để ướp chè, tâm sen được sử dụng trong y học như là một loại thuốc có tác dụng an thần và thanh nhiệt. Lá sen có đặc điểm không thấm nước, hiện tượng này đã được ứng dụng trong khoa học vật liệu để chế tạo ra loại vật liệu xây dựng có bề mặt tự làm sạch. Sau khi sen ra hoa và kết trái, cây lụi tàn đi, giá trị của thân cây sen vẫn chưa được khai thác hiệu quả. Xuất phát từ thực tế và nhu cầu quản lý, tái sử dụng nước, chúng tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu khả năng hấp phụ Cr(VI), Ni(II) của than chế tạo từ thân cây sen và thử nghiệm xử lý môi trƣờng”. Thực hiện đề tài này chúng tôi tập trung nghiên cứu về: - Chế tạo vật liệu hấp phụ từ thân cây sen. - Khảo sát một số đặc điểm bề mặt của vật liệu hấp phụ bằng phương pháp đo diện tích bề mặt riêng (BET), ảnh hiển vi điện tử quét (SEM). 1
- Khảo sát khả năng hấp phụ và một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ của vật liệu hấp phụ chế tạo được theo phương pháp hấp phụ tĩnh. - Khảo sát khả năng tách loại và thu hồi Ni(II), Cr(VI) của TTS chế tạo được theo phương pháp hấp phụ động trên cột. - Thử khả năng hấp phụ của vật liệu hấp phụ đối với mẫu nước thải thực chứa Cr(VI), Ni(II) theo phương pháp hấp phụ tĩnh. 2
Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1. Tình trạng ô nhiễm môi trƣờng nƣớc bởi các ion kim loại nặng Trên bề mặt Trái Đất 71% diện tích được bao phủ bởi lớp nước. Tổng lượng nước trên Trái Đất là 1.454.000.000km3. Nhưng chỉ có 2,5% là nước ngọt. Đến 98,8% nước ngọt ở dạng băng tuyết, tập trung ở hai cực, số còn lại là nước ở các ao hồ sông suối, trong khí quyển, nước ngầm và trong cơ thể sinh vật. Tuy nhiên, chính số ít nước ngọt đó đã tạo ra sự khác biệt giữa Trái Đất và các hành tinh khác. Có thể nói, nước ngọt là nguồn sống của sinh giới. Nước tham gia vào hầu hết quá trình sinh- địa- hóa, nước đóng vai trò rất quan trọng trong những hoạt động sống của sinh vật, hoạt động sinh hoạt và sản xuất của con người. Thế nhưng hiện nay, nguồn tài nguyên quý giá đó đang suy giảm nghiêm trọng cả về số lượng lẫn chất lượng do những tác động của con người. Trong những năm gần đây, do sự phát triển về kinh tế, kéo theo là sự gia tăng dân số nên nguồn tài nguyên nước ngày càng bị ô nhiễm bởi các kim loại nặng mà nguồn gốc chủ yếu từ công nghiệp và giao thông vận tải. Với sự phát triển của công – nông nghiệp và giao thông vận tải, ô nhiễm môi trường nước ở nước ta tập trung điển hình tại 3 lưu vực sông gồm sông Cầu, sông Nhuệ - Đáy và sông Đồng Nai. Theo số liệu của Sở Tài nguyên & Môi trường Hà Nội, sông Nhuệ có chiều dài 64km từ cống Liên Mạc (Từ Liêm) đến xã Đông Lỗ (Ứng Hòa), sông Đáy dài gần 100km từ xã Vân Nam (Phúc Thọ) đến xã Yến Vĩ (Mỹ Đức) nhưng đang phải tiếp nhận nước thải từ 700 đầu mối thuộc địa bàn 24/29 quận, huyện, thị xã với khối lượng 80.000m3 chất thải/ngày, trong đó có 11 khu công nghiệp tập trung, 47 cụm công nghiệp và 1.350 làng nghề cùng chất thải từ các khu đô thị, dân cư, cơ sở y tế, nhà hàng, khách sạn, du lịch, thương mại... Kết quả quan trắc của Trung tâm Quan trắc môi trường (Bộ Tài nguyên và Môi trường) cho thấy, mức độ ô nhiễm sông Đáy, sông Nhuệ, sông Cầu Bây, lượng khuẩn coliform vượt hàng chục lần, chỉ tiêu như BOD5, COD, NH4+, SS cùng các chất dinh dưỡng chứa nitơ, phốt pho, chất hữu cơ, chất thải rắn độc hại như đồng, chì, thủy ngân, asen... đều vượt quá tiêu chuẩn nhiều lần. Theo đánh giá của Bộ Y tế và Bộ TN&MT, trung bình mỗi năm ở Việt Nam có khoảng 9.000 người chết vì nguồn nước và điều kiện vệ sinh kém; hằng năm có khoảng 200.000 trường hợp mắc ung thư mới phát hiện mà một trong những nguyên 3
nhân chính là do sử dụng nguồn nước ô nhiễm. Tại một số địa phương, khi quan sát các trường hợp ung thư, viêm nhiễm phụ khoa chiếm từ 40 đến 50% là do từng sử dụng nguồn nước bị ô nhiễm [2]. Hàm lượng kim loại nặng trong nước thải vượt ngưỡng các quy chuẩn sẽ gây ô nhiễm nguồn nước và khi tích lũy trong cơ thể con người, nó sẽ gây các rối loạn về thận, gan, tim mạch, thần kinh… Do đó, sự ô nhiễm nguồn nước bởi các kim loại nặng đã và đang là vấn đề được cả thế giới quan tâm và tìm cách khắc phục. 1.2. Tác dụng sinh hóa của kim loại nặng đối với con ngƣời 1.2.1. Giới thiệu về kim loại nặng Kim loại nặng là những kim loại có khối lượng riêng lớn hơn 5g/cm3. Một số kim loại nặng có thể cần thiết cho cơ thể sinh vật, chúng được coi là nguyên tố vi lượng. Một số lại không cần thiết cho sự sống, khi đi vào cơ thể sinh vật có thể gây độc hại nghiêmtrọng nếu hàm lượng của chúng vượt quá ngưỡng cho phép [12]. 1.2.2. Tác dụng sinh hóa của Crom Với đặc tính lý hóa của Crom (bền ở nhiệt độ cao, khó oxi hóa, cứng và tạo màu tốt) nên Crom ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các nghành công nghiệp. Đặc biệt là công nghiệp mạ điện, công nghiệp khai thác mỏ, nung đốt các nhiên liệu hóa thạch… là nguồn gốc gây ô nhiễm Crom. Crom là kim loại được xếp vào nhóm có khả năng gây bệnh ung thư. Crom tồn tại ở hai dạng oxi hóa chính là +3 và +6, trong đó Cr(VI) độc hơn nhiều so với Cr(III). Crom xâm nhập vào cơ thể con người theo ba con đường: hô hấp, tiêu hóa và tiếp xúc trực tiếp. Crom có vai trò sinh học như chuyển hóa glucozo, nhưng với hàm lượng lớn có thể làm kết tủa protein, các axit nucleic và ức chế hệ thống men. Dù xâm nhập vào cơ thể theo bất cứ đường nào, Crom cũng hòa tan vào máu ở nồng độ 0,001mg/l sau đó chuyển vào hồng cầu và hòa tan vào hồng cầu nhanh 10-20 lần, từ hồng cầu Crom chuyển vào các tổ chức phủ tạng, được giữ lại ở phổi, xương, thận, gan. Phần còn lại chuyển qua nước tiểu. Crom(VI) hấp thu qua dạ dày, ruột nhiều hơn Crom(III) và có thể thấm qua màng tế bào. Crom chủ yếu gây ra các bệnh ngoài da như loét da, thủng vách ngăn mũi, viêm da tiếp xúc... khi con người làm các công việc phải tiếp xúc với Crom hoặc các hợp chất của Crom. Crom còn kích thích niêm mạc sinh ngứa mũi, hắt hơi, chảy nước 4
mũi, nước mắt, niêm mạc mũi bị sưng đỏ và có tia máu, về sau có thể thủng vành mũi. Nhiễm độc Crom có thể gây mụn, mụn cơm, viêm gan, viên thận, ung thư phổi, đau răng, tiêu hoá kém. Khi da tiếp xúc trực tiếp với dung dịch Crom(VI) dễ bị nổi phồng và loét sâu, có thể bị loét đến xương, nhiễm độc Crom lâu năm có thể bị ung thư phổi, ung thư gan [12]. 1.2.3. Tác dụng sinh hóa của Niken Niken tồn tại trong các quặng, nhưng trong công nghiệp luyện kim và các công nghiệp khác việc sử dụng niken đang có xu hướng gia tăng. Sử dụng Niken trong công nghiệp là các pin, công tắc điện và các loại tương tự, xúc tác điện và xúc tác hóa học. Nó cũng được giải phóng trong quá trình khí hóa than đá. Niken là một tác nhân gây ung thư cho người. Niken chủ yếu gây ra ung thư ở mũi, nhưng cũng gây ung thư phổi, thanh quản, dạ dày và thận. Tiếp xúc với các đồ vật kim loại chứa Niken, như tiền hay đồ trang sức là một trong những nguyên nhân thường thấy gây ra bệnh viêm da tiếp xúc dị ứng. Cơ thể thiếu Niken sẽ làm thay đổi chuyển hóa glucose và làm giảm khả năng dung nạp glucose [1],[ 12]. 1.2.4. Quy chuẩn Việt Nam về nƣớc thải chứa ion kim loại nặng QCVN 24:2009/BTNMT quy định về nồng độ của ion kim loại trong nước thải công nghiệp như sau: Bảng 1.1: Giá trị giới hạn nồng độ một số chất ô nhiễm trong nƣớc thải công nghiệp Giá trị giới hạn STT Nguyên tố Đơn vị A B 1 Crom (VI) mg/l 0,05 0,10 2 Niken (II) mg/l 0,20 0,50 Trong đó: - Cột A quy định giá trị của các thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp khi xả vào các nguồn tiếp nhận là các nguồn nước được dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt. - Cột B quy định giá trị của các thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp khi xả vào các nguồn tiếp nhận là các nguồn nước không dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt [11]. 5
1.3. Giới thiệu chung về phƣơng pháp hấp phụ 1.3.1. Các khái niệm 1.3.1.1. Sự hấp phụ Hấp phụ là sự tích lũy chất trên bề mặt phân cách các pha (khí - rắn, lỏng-rắn, khí-lỏng, lỏng-lỏng). Chất hấp phụ là chất mà phần tử ở lớp bề mặt có khả năng hút các phần tử của pha khác nằm tiếp xúc với nó. Chất bị hấp phụ là chất bị hút ra khỏi pha thể tích đến tập trung trên bề mặt chất hấp phụ. Tu theo bản chất của lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, người ta phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học. Hấp phụ vật lý gây ra bởi lực Vander aals giữa phần tử chất bị hấp phụ và bề mặt chất hấp phụ, liên kết này yếu, dễ bị phá vỡ. Hấp phụ hoá học gây ra bởi lực liên kết hoá học giữa bề mặt chất hấp phụ và phần tử chất bị hấp phụ, liên kết này bền, khó bị phá vỡ. Trong thực tế, sự phân biệt giữa hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học chỉ là tương đối vì ranh giới giữa chúng không r rệt. Một số trường hợp tồn tại cả quá trình hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học. Ở vùng nhiệt độ thấp xảy ra quá trình hấp phụ vật lý, khi tăng nhiệt độ khả năng hấp phụ vật lý giảm và khả năng hấp phụ hoá học tăng lên [3]. 1.3.1.2. Giải hấp phụ Giải hấp phụ là quá trình chất bị hấp phụ ra khỏi lớp bề mặt chất hấp phụ. Giải hấp phụ dựa trên nguyên tắc sử dụng các yếu tố bất lợi đối với quá trình hấp phụ. Đối với hấp phụ vật lý để làm giảm khả năng hấp phụ có thể tác động thông qua các yếu tố sau: - Giảm nồng độ chất bị hấp phụ ở dung dịch để thay đổi thế cân bằng hấp phụ. - Tăng nhiệt độ. - Thay đổi bản chất tương tác của hệ thống thông qua thay đổi pH của môi trường. - Sử dụng tác nhân hấp phụ mạnh hơn để đẩy các chất đã hấp phụ trên bề mặt chất rắn. - Sử dụng tác nhân là vi sinh vật. Dựa trên nguyên tắc giải hấp phụ nêu trên, một số phương pháp tái sinh vật liệu hấp phụ đã được sử dụng: phương pháp nhiệt, phương pháp hoá lý, phương pháp vi sinh[3]. 6
1.3.1.3. Dung lƣ ng hấp phụ c n b ng Dung lượng hấp phụ cân bằng là khối lượng chất bị hấp phụ trên một đơn vị khối lượng chất hấp phụ ở trạng thái cân bằng ở điều kiện xác định về nồng độ và nhiệt độ [9]. Dung lượng hấp phụ được tính theo công thức: (C o  C cb ).V q (1.1) m Trong đó: q: dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g). V: thể tích dung dịch chất bị hấp phụ (l). m: khối lượng chất hấp phụ (g). Co: nồng độ dung dịch ban đầu (mg/l). Ccb: nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/l). 1.3.1.4. Hiệu suất hấp phụ Hiệu suất hấp phụ là tỷ số giữa nồng độ dung dịch bị hấp phụ và nồng độ dung dịch ban đầu. (C o  C cb ) H .100 % (1.2) Co 1.3.2. Các mô hình cơ bản của quá trình hấp phụ 1.3.2.1. Mô hình động học hấp phụ Đối với hệ hấp phụ lỏng- rắn, quá trình động học hấp phụ xảy ra theo các giai đoạn chính sau: - Khuếch tán của các chất bị hấp phụ từ pha lỏng tới bề mặt chất hấp phụ. - Khuếch tán bên trong hạt hấp phụ. - Giai đoạn hấp phụ thực sự: các phần tử bị hấp phụ chiếm chỗ các trung tâm hấp phụ. Trong tất cả các giai đoạn đó, giai đoạn nào có tốc độ chậm nhất sẽ quyết định toàn bộ quá trình động học hấp phụ. Với hệ hấp phụ trong môi trường nước, quá trình khuếch tán thường chậm và đóng vai trò quyết định [1]. Tốc độ hấp phụ v là biến thiên nồng độ chất bị hấp phụ theo thời gian: 7
dx v (1.3) dt Tốc độ hấp phụ phụ thuộc bậc nhất vào sự biến thiên nồng độ theo thời gian: dx V   (C0  Ccb )  k(q max  q) (1.4) dt Trong đó: x: nồng độ chất bị hấp phụ (mg/l). t: thời gian (giây). : hệ số chuyển khối. Co: nồng độ chất bị hấp phụ trong pha mang tại thời điểm ban đầu (mg/l). Ccb: nồng độ chất bị hấp phụ trong pha mang tại thời điểm t (mg/l). k: hằng số tốc độ hấp phụ. q: dung lượng hấp phụ tại thời điểm t (mg/g). qmax: dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g). Phương trình động học hấp phụ biểu kiến bậc nhất Lagergren dqt  k1 (qe  qt ) (1.5) dt Dạng tích phân của phương trình trên là: k1 lg( qe  qt )  lg qe  t (1.6) 2,303 Phương trình động học hấp phụ biểu kiến bậc hai có dạng: dqt  k 2 (qe  qt ) 2 (1.7) dt Dạng tích phân của phương trình này là: t 1 1   t (1.8) qt k 2 .qe2 qe Trong đó: qe, qt là dung lượng hấp phụ tại thời gian đạt cân bằng và tại thời gian t (mg/g). k1, k2 là hằng số tốc độ hấp phụ bậc nhất (thời gian-1) và bậc hai (g.mg-1. thời gian-1) biểu kiến. 8
1.3.2.2. Các mô hình đ ng nhiệt hấp phụ Có thể mô tả quá trình hấp phụ dựa vào đường đẳng nhiệt hấp phụ. Đường đẳng nhiệt hấp phụ biểu diễn sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ tại một thời điểm vào nồng độ cân bằng của chất bị hấp phụ trong dung dịch tại thời điểm đó ở một nhiệt độ xác định. Đường đẳng nhiệt hấp phụ được thiết lập bằng cách cho một lượng xác định chất hấp phụ vào một lượng cho trước dung dịch có nồng độ đã biết của chất bị hấp phụ. Với chất hấp phụ là chất rắn, chất bị hấp phụ là chất lỏng thì đường đẳng nhiệt hấp phụ được mô tả qua các phương trình đẳng nhiệt: phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Henry, Freundlich vàLangmuir,…[3]. h nh ng nhi t h p ph ny Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Henry: là phương trình đẳng nhiệt đơn giản mô tả sự tương quan tuyến tính giữa lượng chất bị hấp phụ trên bề mặt pha rắn và nồng độ (áp suất) của chất bị hấp phụ ở trạng thái cân bằng. Đối với hệ lỏng-rắn, phương trình có dạng: q= K.C (1.9) Trong đó: K: hằng số hấp phụ Henry q: dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g) C: nồng độ chất bị hấp phụ ở trạng thái cân bằng (mg/l) Phương trình này được áp dụng cho vùng nồng độ thấp. h nh ng nhi t h p ph un i h Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich là phương trình thực nghiệm mô tả sự hấp phụ xảy ra trong phạm vi một lớp. Phương trình này được biểu diễn bằng một hàm số mũ: 1 q  k . Ccbn (1.10) Hoặc dạng phương trình đường thẳng: 1 lg q  lg k  lg Ccb (1.11) n 9