Tóm tắt Luận văn 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 lƣợng nước thải công nghiệp

Chia sẻ: Phong Tỉ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:24

Thêm vào BST

Báo xấu

36
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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 nước thải công nghiệp" được nghiên cứu với mục tiêu nhằm nghiên cứu vật liệu chế tạo từ hạt Muồng Hoàng Yến kết hợp nano từ tính để cải thiện môi trường nước thải công nghiệp dệt nhuộm và xi mạ.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận văn 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 lƣợng nước thải công nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ Chuyên ngành: Môi trƣờng đất và nƣớc Mã ngành: 62440303 TÊN NCS: ĐÀO MINH TRUNG TÊN LUẬN ÁN TIẾN SĨ 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, 2018
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1. Đặt vấn đề Trong những năm gần đây bên cạnh những thành tựu to lớn, con người đã dần hủy hoại môi trường sống của mình do các chất thải thải ra từ các công đoạn sản xuất mà không qua xử lý hoặc xử lý không triệt để. Quá trình ô nhiễm một phần do việc sử dụng hóa chất có nguồn gốc hóa học trong quá trình vận hành để cải thiện chất lượng nước thải công nghiệp, xi mạ, dệt nhuộm, thủy sản… được ứng dụng khá rộng rãi. Trong quá trình vận hành hệ thống xử lý nước thải một phần dư lượng các chất ô nhiễm gây ô nhiễm trực tiếp hoặc gián tiếp đến môi trường 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 nước theo chiều hướng xấu đi và đây là thực trạng cấp thiết cần có giải pháp thay đổi vật liệu trong quá trình vận hành từ đó cải thiện chất lượng môi trường tiếp nhận (Nguyễn Thị Phương Loan, 2011). Do đó nghiên cứu tìm ra vật liệu thân thiện môi trường ngày càng được quan tâm trong xử lý nước hiện nay, một số nghiên cứu điển hình sử dụng vật liệu thân thiện môi trường như, Mangale Sapanda, 2012; Muhammad Asif Hanif, 2008). Theo Đoàn Thị Thúy Ái (2013), Nguyễn Văn Cường và Huỳnh Thị Kim Ngọc (2014); Luciano Carlos et al. (2013), nghiên cứu sử dụng vật liệu nano trong xử lý nước thải ngành công nghiệp dệt nhuộm và xi mạ. Những nghiên cứu trên cho thấy vật liệu sinh học có tiềm năng thay thế vật liệu có nguồn gốc hóa học là một bước tiến và cần nghiên cứu ứng dụng, đặc biệt có thể hướng đến nghiên cứu vật liệu nano sinh học có thể thu hồi trong cải thiện chất lượng nước thải là hướng đi mới trong nghiên cứu ứng dụng trong thời gian tới nhằm góp phần cải thiện chất lượng môi trường nước, bảo vệ môi trường và phát triển bền vững. 1.2. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu tổng quát: nghiên cứu vật liệu chế tạo từ hạt Muồng Hoàng Yến kết hợp nano từ tính để cải thiện môi trường nước thải công nghiệp dệt nhuộm và xi mạ. Mục tiêu cụ thể: - Chế tạo vật liệu keo tụ sinh học từ cây Muồng Hoàng Yến. - Phát triển vật liệu keo tụ sinh học với nano từ tính. - Tối ưu hóa quá trình loại bỏ màu và kim loại nặng ra khỏi nước thải. 1.3. Nội dung nghiên cứu - Chế tạo vật liệu keo tụ sinh học Biogum và Biogum cải tiến từ hạt Muồng Hoàng Yến. - Nghiên cứu loại bỏ màu trong nước thải dệt nhuộm. - Nghiên cứu loại bỏ kim loại nặng (Ni2+, Cu2+, Zn2+) trong nước thải xi mạ. 1
1.4. Tính mới của luận án - Tìm ra vật liệu thay thế vật liệu sinh học ứng dụng trong cải thiện chất lượng nước thải và vật liệu sinh học có thể sử dụng được nhiều lần. - Ứng dụng vật liệu keo tụ sinh học vào quy trình công nghệ nhằm loại bỏ màu và COD của nước thải dệt nhuộm. - Ứng dụng vật liệu keo tụ sinh học vào quy trình công nghệ nhằm loại bỏ các ion kim loại của nước thải xi mạ. 1.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Ý nghĩa khoa học Kết quả nghiên cứu là nguồn số liệu khoa học dùng trong nghiên cứu và ứng dụng. Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng vào các đối tượng nước thải có thành phần và tính chất ô nhiễm tương tự. Ý nghĩa thực tiễn Luận án cung cấp những thông tin khoa học cơ bản trong cải thiện chất lượng nước thải công nghiệp dệt nhuộm và xi mạ. Kết quả nghiên cứu của luận án tạo tiền đề ứng dụng vật liệu thân thiện môi trường trong xử lý nước và nước thải trong tương lai. 2
CHƢƠNG 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1.Tổng quan về vật liệu sinh học Thuật ngữ Biogum dùng để chỉ gum ly trích từ thực vật, gum được định nghĩa là những polysaccarit có cấu tạo gồm nhiều đơn vị đường liên kết với nhau tạo thành những phân tử lớn với thành phần không đồng nhất, khi bị thủy phân gum tạo thành những đơn vị đường đơn giản như arabinose, galactose, glucozơ, manozơ, xylozơ hay axit uronic. Gum có nhiều trong tự nhiên và thường được tìm thấy ở các loài thực vật bậc cao, gum có ưu điểm dễ phân hủy sinh học, chi phí chế tạo thấp, sẵn có trong tự nhiên và an toàn sinh học (Albuquerque et al., 2016). Phương pháp chung để chiết tách polysaccarit từ thực vật là phương pháp hòa tan với các kỹ thuật hòa tan trong nước cất hoặc hòa tan trong dung dịch nước muối 1% (NaCl, KCl…) hoặc hòa tan trong dung dịch axit axetic 1% (Montakhab, 2010; Pawar, 2011; Nguyễn Kim Phi Phụng, 2010). Sau khi hòa tan, Biogum được kết tủa lại trong dung môi etanol hoặc axeton. Trong nghiên cứu này phương pháp hòa tan trong nước cất được sử dụng để ly trích Biogum - chất thu được từ thực vật (Hanif, 2008). Đồng kết tủa là phương pháp chế tạo hạt nano từ tính đơn giản và hiệu quả nhất bằng việc điều chỉnh điều kiện thí nghiệm (tác chất hoặc nhiệt độ phản ứng). Với phương pháp đồng kết tủa: chất gốc là các muối vô cơ như FeCl2, FeCl3, FeSO4… được hòa tan trong môi trường nước, sau đó được cho phản ứng với dung dịch bazơ như KOH, NaOH, NH4OH và chất oxi hóa nhẹ… để tạo kết tủa. Sản phẩm kết tủa được lọc rửa sạch bằng nước cất và được làm khô ở nhiệt độ 40 - 60oC trong chân không. Các hạt được tổng hợp có kích thước từ vài nanomet đến vài chục nanomet. Bằng cách thay đổi các yếu tố như tỉ lệ vật liệu ban đầu, trạng thái oxy hóa, pH dung dịch, lực ion… kích thước hạt có thể được kiểm soát từ 2 - 15nm (Laurent et al., 2008). 2.2. Các công trình nghiên cứu Hiện nay có nhiều nghiên cứu trong và ngoài nước đã tiến hành ly trích vật liệu keo tụ có nguồn gốc sinh học từ hạt cây Chùm ngây, Ô môi, Thảo quyết minh (T- Nkurunziz et al., 2009; Pal et al., 2014; Lea et al., 2014; Malavika, 2010; Eman et al., 2010; Shak et al., 2014; Subramonian et al., 2014…). Phương pháp ly trích được sử dụng chủ yếu là ly trích hạt bằng phương pháp hòa tan và kết tủa lại trong dung môi hữu cơ. Quy trình ly trích gum Muồng Hoàng Yến được thực hiện bằng phương pháp hòa tan trong nước cất và kết tủa lại gum trong axeton, sản phẩm sau ly trích được ứng dụng trong xử lý nước. Yuan Shing Perng et al. (2014) đã nghiên cứu khả năng khử màu của Biogum đối với nước thải dệt nhuộm áp dụng cho hai phẩm nhuộm hoạt tính RB5 và RB19. Kết quả chỉ ra rằng điều kiện pH và lượng chất keo tụ có vai trò quan trọng trong quá trình lắng và việc sử dụng Biogum kết hợp với PAC có thể là một phương pháp hiệu quả 3
trong việc xử lý nước thải màu nhuộm. Hanif et al. (2008) cũng đã nghiên cứu chi tiết về khả năng của Biogum trong xử lý nước thải ngành công nghiệp dệt sợi. Kết quả chỉ ra rằng hiệu quả xử lý nước thải bằng Biogum Muồng Hoàng Yến phụ thuộc vào lượng chất keo tụ cũng như pH của nước thải. Lượng tối ưu để xử lý nước tốt nhất là 1.500 mg/L. Kết quả nghiên cứu Rachakornkij et al. (2004) cho thấy chất keo tụ từ tro của bã mía có khả năng loại bỏ được 5 - 98% màu nhuộm hoạt tính, kết quả đạt được cao nhất khi tiến hành với nồng độ đầu vào của nước thải là 50 mg/L và ở pH ban đầu của mẫu nước thải. Trong khi đó kết quả nghiên cứu của Maruthi et al. (2013) cho thấy sự hấp thụ sinh học ion kim loại Fe2+ bằng bột hạt Nirmali cho hiệu quả loại bỏ được 30% ion Fe2+. Theo kết quả nghiên cứu của Harpreet et al. (2015) các chất thải nông nghiệp gồm rơm, mùn cưa, lõi bắp được sử dụng như chất hấp phụ màu nhuộm, hiệu suất loại bỏ màu nhuộm đạt được từ 70 - 75%. Khả năng khử màu từ nước dệt nhuộm nhân tạo của Biogum đã được nghiên cứu bởi nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước. Kết quả đã chỉ ra hướng ứng dụng chất keo tụ và trợ keo tụ có nguồn gốc sinh học thân thiện môi trường trong cải thiện chất lượng môi trường nước và nước thải. Theo kết quả nghiên cứu của Salehzadeh (2013) cho thấy vật liệu hấp phụ từ tự nhiên Xanthium Pensylvanicum có hiệu quả trong việc loại bỏ các ion kim loại nặng ra khỏi nước thải, hiệu quả loại bỏ ion kim loại phụ thuộc vào pH của dung dịch và nồng độ nước thải đầu vào, ở pH = 4 và nồng độ đầu vào 10 mg/L hiệu suất loại bỏ các ion kim loại Ni2+, Cu2+, Zn2+ đạt được tương ứng là 80%, 70% và 20%. Theo kết quả nghiên cứu của Annadurai et al. (2002) vật liệu hấp phụ từ vỏ cam và vỏ chuối có khả năng hấp phụ các ion kim loại (Ni2+, Cu2+, Zn2+) và khả năng hấp phụ giảm theo thứ tự sau: Ni2+ > Zn2+ > Cu2+. Kết quả nghiên cứu cho thấy vỏ cam cho hiệu quả hấp phụ kim loại nặng đạt hiệu quả hấp phụ 6,01 mg/g (Ni2+); 5,25 mg/g (Zn2+); 3,65 mg/g (Cu2+) cao hơn vỏ chuối 6,88 mg/g (Ni2+); 5,80 mg/g (Zn2+); 4,75 mg/g (Cu2+). Kết quả nghiên cứu của Liu et al. (2016) cho thấy nanocomposit xanthat Fe3O4- chitosan gắn trên nền graphen oxit có khả năng hấp phụ ion Cu2+ cao nhất tại pH ban đầu của mẫu nước thải với dung lượng hấp phụ đạt 442,48 mg/g. Khả năng hấp phụ ion Cu2+ của xanthat Fe3O4- chitosan gắn trên nền graphen oxit là do hai nhân tố - nhân tố thứ nhất là số lượng lớn các nhóm chức (-COO-, -NH2, -CS2-) trên bề mặt phân tử nanocomposit tạo ra nhiều vị trí hấp thụ, nhân tố thứ hai là số lượng lớn các nhôm chức (-COO-, -NH2) trên chitosan giúp nanocomposit dễ dàng hút nước và phân tán trong dung dịch. Xanthat Fe3O4- chitosan gắn trên nền graphen oxit được coi là chất hấp phụ Cu2+ hiệu quả và tương đối thân thiện với môi trường, dễ phục hồi, thuận tiện 4
để sử dụng trong thực tế. Đỗ Thị Hoài Thanh và ctv. (2011) đã nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ bột gỗ và nhựa PP (Polypropylen) đến tính chất Biogum cải tiến gỗ nhựa, các kết quả nghiên cứu là cơ sở xây dựng quy trình công nghệ và lựa chọn được tỷ lệ gỗ/nhựa phù hợp cho quá trình tạo vật liệu này, đồng thời đã mở ra các định hướng mới cho nghiên cứu tiếp theo về Biogum cải tiến. Kết quả nghiên cứu của Shaoping Tong et al. (2010) cho thấy chất xúc tác Fe3O4- CoO/Al2O3 cho phép cải thiện đáng kể hiệu quả ozon hóa trong quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ như axit propionic, nitrobenzen và axit oxalic có trong nước thải. Nghiên cứu của Thitame et al. (2016) cũng cho kết quả cải thiện màu nhuộm từ than hoạt tính được chế tạo từ vỏ hạt hạnh nhân và xơ dừa. Ngoài ra vật liệu lọc màng cũng được Unlu et al. (2009) nghiên cứu, kết quả cho thấy màng lọc nano (NF) và màng lọc micro (MF) cải thiện độ màu đạt 99% và COD đạt được 97%. Mặc dù Biogum thể hiện khá tốt hiệu quả xử lý nước thải công nghiệp nhưng có nhược điểm là không thể thu hồi và tái sử dụng. Ngày nay, khoa học ngày càng phát triển do đó nhu cầu tìm ra một loại vật liệu sinh học thân thiện với môi trường vừa có khả năng xử lý hiệu quả vừa có thể thu hồi tái sử dụng rất cần thiết và thiết thực. 5
CHƢƠNG 3. VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1. Phƣơng pháp chung 3.1.1. Phƣơng pháp chế tạo vật liệu * Biogum: + Phương pháp điều chế: Ly trích bằng phương pháp hòa tan trong nước cất và tạo tủa trong dung môi aceton (Bùi Thị Thu Hương, 2017). - Bước 1: Bóc tách hạt, xay, nghiền, rây bột qua lưới có kích thước lỗ 0,18 mm. - Bước 2: Loại màu và chất béo bằng thiết bị soxhlet - Bước 3: Ly tâm để thu gel - Bước 4: Chưng cất dung dịch sau ly tâm bằng aceton - Bước 5: Thu sản phẩm + Sản phẩm thu được: Vật liệu Biogum *Biogum cải tiến:  Phương pháp điều chế (Thân Văn Long và ctv., 2017): - Bước 1: Tổng hợp hạt Nano từ tính - Bước 2: Làm giàu –OH trên hạt Nano từ tính - Bước 3: Tổng hợp vật liệu Biogum cải tiến 3.1.2. Bố trí thí nghiệm trên thiết bị Jartest Mục tiêu: Xác định pH và nồng độ sử dụng vật liệu tối ưu trên các đối tượng nước thải nghiên cứu. Sơ đồ thí nghiệm: 6
Nước thải Chưa đạt - Đo pH; phân tích màu Jartest và COD - Xác định pH, lượng chất keo tụ tối ưu Đạt Áp dụng các thông số tối ưu - Đo pH; màu, COD Pilot - Xác định pH, lượng tối ưu Chưa đạt Đạt Xác định lại các Áp dụng thông số tối ưu ở thực tế bước khuấy Jartest Hình 3.1: Thí nghiệm với nước thải dệt nhuộm trên thiết bị Jartest và Pilot 3.1.3. Bố trí thí nghiệm trên thiết bị Pilot Mục tiêu: Ứng dụng các thông số vận hành nghiên cứu trên thiết bị Jartest vào thực tiễn. Sơ đồ thí nghiệm: 7
Nước thải Chưa đạt - Đo pH; kim loại - Xác định pH, lượng Jartest chất keo tụ tối ưu Đạt Áp dụng các thông số tối ưu - Đo pH; phân tích kim Pilot loại - Xác định pH, lượng tối ưu Chưa đạt Đạt Xác định lại các Áp dụng thông số tối ưu ở thực tế bước khuấy Jartest Hình 3.2: Thí nghiệm với nước thải dệt nhuộm trên thiết bị Jartest và Pilot 3.2. Xử lý số liệu. Số liệu thu thập được xử lý và tính toán bằng chương trình Microsoft Excel và phân tích thống kê bằng phần mềm phân tích thống kê SPSS version 16.0. 8
CHƢƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1. Kết quả ứng dụng vật liệu Biogum và Biogum cải tiến cải thiện chất lƣợng nƣớc thải dệt nhuộm Nghiên cứu được thực hiện khi cố định giá trị pH tối ưu và thay đổi liều lượng Biogum sử dụng, đối với nước thải dệt nhuộm RR lượng Biogum khảo sát từ 0,75 g/L đến 1,35 g/L. Với nước thải NMDN thay đổi lượng Biogum từ 0,9 g/L đến 2,1 g/L. Hình 4.1: Xác định liều lượng tối ưu của Biogum trên nước thải RR Hình 4.2: Xác định liều lượng tối ưu của Biogum trên nước thải NMDN 9
Kết quả nghiên cứu từ Hình 4.1 và 4.2 cho thấy hiệu suất loại màu và COD khi sử dụng vật liệu Bigoum loại màu của nước thải RR đạt 91,20%; nước thải NMDN đạt 82,30%, trong khi COD đạt 72,66 cho nước thải RR và 78,92% cho nước thải NMDN. Tiến hành khảo sát xung quanh lượng này tại pH tối ưu (pH ban đầu của mẫu nước) để xác định lượng Biogum cải tiến tối ưu cho các mẫu nước thải. 0 ” Hình 4.3: Xác định liều lượng tối ưu của Biogum cải tiến trên nước thải RR Hình 4.4: Xác định liều lượng tối ưu của Biogum cải tiến trên NMDN Kết quả nghiên cứu cho thấy khi độ màu giảm, COD cũng giảm theo hiệu suất loại bỏ COD của các mẫu nước thải RR, NMDN đều đạt trên 95,13%. So với Biogum, Biogum cải tiến cho hiệu quả cải thiện chất lượng nước tốt hơn. 10
4.2. Kết quả ứng dụng vật liệu Biogum và Biogum cải tiến cải thiện chất lƣợng nƣớc thải xi mạ Giữ pH ban đầu của các mẫu nước thải (pH tối ưu), thay đổi lượng Biogum từ 0,4 - 2 g/L đối với nước thải xi mạ giả định và 1,6 – 4,8 g/L đối với mẫu NMXM. Hình 4.5: Xác định liều lượng tối ưu Biogum trên nước thải xi mạ giả định Hình 4.6: Xác định liều lượng tối ưu Biogum cải tiến trên NMDN Kết quả nghiên cứu xác định được thông số tối ưu của Biogum cho các mẫu nước giả định là pH = 5 và lượng Biogum bằng 0,8 g/L đối với mẫu Cu2+ và Zn2+, bằng 1,6 g/L đối với mẫu Ni2+ với hiệu suất loại bỏ kim loại là 79,26% (Ni2+); 83,11% (Cu2+); 82,96% (Zn2+). Kết quả nghiên cứu nước thải nhà máy cho thấy 2,4 g/L Biogum loại bỏ tối đa 58,91% ion Ni2+; 4 g/L Biogum loại bỏ được 71,78% ion Cu2+; 3,2 g/L Biogum loại bỏ được 78,06% ion Zn2+. Từ đó xác định lượng thích hợp để loại bỏ từng ion kim loại cho các mẫu nước thải với thành phần ô nhiễm khác nhau. Nghiên cứu trên đối tượng nước thải xi mạ giả định có nồng độ đầu vào 25 mg/L, biến thiên lượng Biogum cải tiến từ 0,25 g/L đến 0,75 g/L, nghiên cứu trên đối tượng nước thải NMXM, biến thiên lượng Biogum cải tiến từ 0,5 g/L đến 1,125 g/L. 11
Hình 4.7: Xác định liều lượng tối ưu Biogum cải tiến trên nước thải xi mạ giả định Hình 4.8: Xác định liều lượng tối ưu Biogum cải tiến trên nước thải xi mạ XMNM Kết quả nghiên cứu từ Hình 4.7 cho thấy ở liều lượng tối ưu, Biogum cải tiến cải thiện ion kim loại của nước thải giả định đạt cao nhất với ion đồng 97,17%, ion kẽm đạt 94,97% và thấp nhất là ion niken 92,93%. Khi nghiên cứu trên nước thải xi mạ nhà máy, kết quả từ Hình 4.8 cho thấy Biogum cải tiến đạt hiệu suất loại bỏ cao nhất với ion kẽm đạt 94,92% sau đó là ion đồng đạt 94,51% và thấp nhất là ion niken đạt 89,10%. Qua đó cho thấy hiệu suất cải thiện chất lượng nước của Biogum cải tiến đạt hiệu quả các ion kim loại trên nước thải nhà máy đạt từ 89,10 - 94,92% thấp hơn nước thải giả định đạt từ 92,93 - 97,17%. Kết quả có thể giải thích do trong nước thải nhà máy chứa nhiều thành phần ô nhiễm dẫn đến vật liệu Biogum ngoài hấp phụ kim loại nặng còn hấp phụ các thành phần ô nhiễm khác, dẫn đến hiệu suất cải thiện giảm đáng kể. 12
4.3. Khả năng thu hồi và tái sử dụng của vật liệu Biogum cải tiến Trên nƣớc thải dệt nhuộm Kết quả Hình 4.9 và 4.10 cho thấy hoạt tính keo tụ giảm không đáng kể sau 3 lần thu hồi và tái sử dụng. Nghiên cứu cho thấy vật liệu Biogum cải tiến sau khi thu hồi và sử dụng lại để cải thiện độ màu của nước thải dệt nhuộm cũng thu được kết quả đáng khả quan, qua nghiên cứu cho thấy hiệu suất loại bỏ màu nước thải RR đạt 93,27% và đạt 92,50% cải thiện độ màu của nước thải NMDN sau lần thu hồi lần 3. Qua đó cho thấy khi so sánh với các chất keo tụ truyền thống, Biogum cải tiến có ưu điểm vừa giữ được đặc tính keo tụ của Biogum vừa tạo ra bông cặn có từ tính do đó dễ dàng tách các bông cặn ra khỏi dung dịch bằng từ trường của nam châm đồng thời tăng hiệu quả xử lý bùn do thu hồi triệt để và bùn lắng rất nhanh làm giảm thể tích bể chứa do thời gian lắng thấp dẫn đến giảm chi phí xây dựng và vận hành, từ đó tăng H% thu hồi bùn triệt để và tăng lắng nhanh. Hình 4.9: Hiệu suất loại màu của Biogum cải tiến sau các lần thu hồi trên nước thải RR Hình 4.10: Hiệu suất loại màu và COD của Biogum cải tiến sau các lần thu hồi trên nước thải NMDN Chú thích: CTH1, CTH2, CTH3, CTH4, CTH5: sử dụng Biogum cải tiến thu hồi lần 1, 2, 3, 4, 5 Hiệu suất loại màu của PAC, Biogum và Biogum cải tiến đạt được lần lượt là 13
99,97%; 91,20%; 99,97% (RR) và 94,10%; 82,30%; 99,03% (NMDN). Hiệu suất loại COD của PAC, Biogum và Biogum cải tiến đạt được lần lượt là 91,33%; 72,66%; 96,00% (RR) và 78,14%; 78,92%; 95,13% (NMDN). Trên nƣớc thải xi mạ Kết quả nghiên cứu từ Hình 4.11 cho thấy khả năng cải thiện chất lượng nước thải xi mạ của Biogum cải tiến thu hồi sử dụng 0,5 g/L Biogum cải tiến trên mẫu nước Cu2+, Zn2+ và 0,375 g/L Biogum cải tiến trên mẫu nước Ni2+, kết quả nghiên cứu cho thấy đến lần thu hồi thứ 3, hàm lượng ion Zn2+ còn lại vào khoảng 5,83 mg/L với hiệu suất đạt 76,69%; hàm lượng ion Cu2+ còn lại vào khoảng 5,82 mg/L với hiệu quả đạt 76,73%; hàm lượng ion Ni2+ còn lại vào khoảng 5,91 mg/L với hiệu suất đạt 76,37%. Vậy Biogum cải tiến có thể thu hồi và tái sử dụng 3 lần trên mẫu nước thải xi mạ nghiên cứu. Hình 4.11: Hiệu suất loại bỏ kim loại của Biogum cải tiến ở các lần thu hồi So sánh với kết quả nghiên cứu của Liu et al. (2016) cho thấy khả năng hấp phụ của vật liệu nanocomposit xanthat Fe3O4-Chitosan trên nền graphen oxit cho hiệu quả thu hồi và tái sử dụng sau 5 lần. Tuy nhiên khi so sánh với nghiên cứu của Suman et al. (2016) cho thấy hiệu suất loại bỏ ion kim loại Pb2+ và Cr3+ của nanocomposit (nanocenlulozơ - nano bạc) giảm không đáng kể sau 5 lần thu hồi và tái sử dụng. Khả năng hấp phụ Pb2+ giảm từ 99,48% xuống 98% và khả năng hấp phụ Cr3+ giảm từ 98,30% xuống 97,80%. Qua đó cho thấy Biogum cải tiến cho hiệu quả thấp hơn nghiên cứu của Liu et al. (2016). Vậy để tăng hiệu quả cải thiện của vật liệu thu hồi cần nghiên cứu các điều kiện tối ưu khi sử dụng lại vật liệu. 4.4. Khả năng phân hủy sinh học của vật liệu Biogum Khả năng phân hủy sinh học của Biogum được đánh giá bằng cách khảo sát độ giảm khối lượng của Biogum. Kết quả nghiên cứu độ giảm khối lượng của Biogum từ Hình 4.12 cho thấy Biogum có độ giảm khối lượng sau 15 ngày có thể do vi sinh vật 14
sử dụng Biogum làm chất dinh dưỡng trong quá trình phát triển và một phần do quá trình tự phân hủy Biogum theo nguyên tắc bán phân hủy theo thời gian. Hình 4.12: Hiệu suất giảm khối lượng của Biogum theo thời gian Kết quả nghiên cứu cho thấy Biogum khi cho vào nước cất sau 15 ngày giảm 55,83% khối lượng so với ban đầu, cho vào nước thải dệt nhuộm sau 15 ngày giảm 35,98% khối lượng so với ban đầu, cho vào nước thải xi mạ (Cu2+) sau 15 ngày giảm 30,55% khối lượng so với ban đầu. Từ đó cho thấy Biogum có khả năng phân hủy trong môi trường nước tự nhiên và môi trường nước nghiên cứu. Từ các kết quả nghiên cứu trên cho thấy Biogum vừa có khả năng phân hủy sinh học trong môi trường nước vừa có khả năng cải thiện các chất ô nhiễm, kim loại nặng, màu, COD trong nước thải do khả năng hấp phụ của Biogum. 4.5. Cấu trúc vật liệu Biogum và Biogum cải tiến 4.5.1. Cấu trúc vật liệu Biogum Kết quả nghiên cứu từ Hình 4.13 cho thấy phổ hấp thu bước sóng hồng ngoại có sự dao động mạnh tại tần số 3425,5 cm-1 và vùng 980 - 1200 cm-1, đây là những dao động giãn đặc trưng của nhóm -OH và các nhóm C-OH, C-O (Cerqueira et al., 2011), từ đó xác nhận cấu tạo của Biogum chứa nhiều nhóm nhóm chức -OH. Các nhóm -OH là cầu nối hình thành các liên kết hóa học giữa Biogum với chất ô nhiễm giúp Biogum có khả năng keo tụ và loại bỏ chất ô nhiễm. 15
FT-IR Gum 100 95 Transmittance (%) 90 85 80 75 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 Wavenumber (cm-1) Hình 4.13: Kết quả FT-IR của Biogum Kết quả nghiên cứu của Kapoor (2000) về galactomannan trích ly từ hạt thực vật chi Cassia cho thấy galactomannan có cấu trúc gồm mạch chính là các phân tử đường β-D-mannozơ liên kết với nhau bằng liên kết (1→4) glycosid và mạch nhánh là các đường α-D-galactozơ liên kết với mạch chính bằng liên kết (1→6) glycosid. Kết quả phân tích phổ cộng hưởng từ hạt nhân 13C-NMR của Biogum (Hình 4.15) cho thấy các tín hiệu cacbon trong Biogum nghiên cứu tương đồng với các tín hiệu cacbon của tác giả Kapoor (Hình 4.14), từ đó xác định thành phần hoạt tính trong Biogum là galactomannan. Từ kết quả phân tích dữ liệu phổ hồng ngoại FT-IR (Hình 4.13) và kết quả phân tích phổ 13C-NMR (Hình 4.14) của Biogum cho thấy sự có mặt của nhóm chức -OH trong Biogum, kết quả một lần nữa xác nhận Biogum trong hạt Muồng Hoàng Yến là galactomannan. Hình 4.14: Phổ 13C-NMR của Biogum hạt Cassia nodosa (Kapoor, 2000) 16
Hình 4.15: Phổ 13C-NMR của Biogum hạt Muồng Hoàng Yến Theo kết quả nghiên cứu của Tegshi Muschin (2012); Verma et al. (2012) cơ chế keo tụ của Biogum được giải thích là do sự hình thành liên kết giữa các nhóm -OH phân cực trên phân tử galactomannan của Biogum với các cặp electron trên nguyên tử Nitơ hoặc electron của vòng benzen trong phân tử chất ô nhiễm để tạo thành các bông cặn lớn và được loại bỏ nhờ trọng lực. Theo kết quả nghiên cứu của Srivastava et al. (2005), khi cho Biogum vào trong nước thải chứa các ion kim loại, các nhóm cis - OH của Biogum sẽ kết hợp với các ion kim loại này để hình thành hợp chất phức không tan dẫn đến các ion kim bị loại ra khỏi nước. Hình 4.16: Ảnh SEM của Biogum ly trích từ hạt Muồng Hoàng Yến Kết quả chụp ảnh SEM (Hình 4.16) cho thấy Biogum ly trích từ hạt Muồng Hoàng Yến là chất bột vô định hình với bề mặt gồ ghề. Từ kết quả nghiên cứu thành phần và cấu trúc được hiển thị trên Hình 4.16 cho thấy bề mặt gồ ghề, lồi lõm của vật liệu có thể dự đoán Biogum có khả năng loại bỏ cation kim loại nặng, chất màu và các chất hữu cơ khác có trong nước thải bằng hấp phụ bề mặt. 4.5.2. Cấu trúc vật liệu Biogum cải tiến Với mục đích đánh giá cấu trúc và thành phần của Biogum cải tiến các phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), SEM, phổ hồng ngoại (FT-IR), phương pháp đo độ từ hóa 17
bằng từ kế mẫu rung (VSM) được sử dụng. Cấu trúc của hạt nano từ tính CoFe 2O4 điều chế được kiểm tra bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), SEM và phổ hồng ngoại (FT-IR), tính chất từ được kiểm tra bằng từ kế mẫu rung (VSM). Hình 4.17: Giản đồ phổ FT-IR của (a) hạt nano; (b) Biogum sinh học trích ly từ hạt Muồng Hoàng Yến; (c) vật liệu Biogum cải tiến CoFe2O4 - Biogum Giản đồ Hình 4.17 phù hợp với kết quả nghiên cứu của Pui (2011). Theo kết quả nghiên cứu của Gherca (2011) và Pui (2011), kết quả nghiên cứu này cho thấy hai nhóm dao động mạnh tại khoảng 409 cm-1 và trong khoảng 594 cm-1 tương ứng với dao động mạnh bên trong của hợp chất có cấu trúc tứ diện phối hợp với bát diện trong cấu trúc spinel. Sự khác nhau trong độ truyền qua giữa các đặc tính dao động có thể được cho là độ dài liên kết của oxy với các ion kim loại trong các lỗ trống bát diện ngắn hơn độ dài liên kết của oxy với các ion kim loại trong lỗ trống tứ diện. Tập hợp hạt CoFe2O4 có kích thước nano mét nên diện tích bề mặt riêng lớn, phân tán tốt do đó có tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước thải nhờ khả năng hấp phụ các ion kim loại, các chất hữu cơ, các chất màu… Mặt khác các hạt CoFe 2O4 từ tính rất dễ thu hồi và tái sử dụng lại sau quá trình hấp phụ nhờ từ trường ngoài, phương pháp tổng hợp đơn giản. Việc có thể tách ra bằng từ trường ngoài tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình điều chế, tách cũng như tái sử dụng vật liệu, đảm bảo tính kinh tế vừa tiết kiệm được thời gian. Biogum cải tiến là vật liệu dạng bột màu đen và có từ tính được điều chế bằng phương pháp đồng kết tủa và sử dụng chất hoạt động bề mặt sodium dodecyl sulfat. Kết quả phân tích phổ hồng ngoại mẫu Biogum cải tiến (Hình 4.17) cho thấy sự hiện diện của các pic đặc trưng của hạt nano từ tính gồm các dao động tại tần số 586 và 412 cm-1 đặc trưng cho dao động liên kết kim loại với oxy nằm trong phổ của Biogum cải 18
tiến. Và sự có mặt các pic tại tần số 1134 và 983 cm-1 đặc trưng cho các liên kết tương ứng gồm C-O, C-O-H. Hình 4.18: Đường cong từ trễ của hạt CoFe2O4 và vật liệu Biogum cải tiến (Biogum- CoFe2O4) Ghi chú: - a. Nano. - b. Biogum Đường cong từ trễ của hạt nano từ tính CoFe2O4 và vật liệu Biogum cải tiến (Hình 4.18) cho thấy có sự giảm rõ rệt từ độ bão hòa của vật liệu khi kết hợp Biogum sinh học với hạt nano CoFe2O4. Khi có mặt của Biogum sinh học, từ tính của vật liệu tổng hợp giảm đi đáng kể (từ 65 emu/g còn 25 emu/g). Sự bao phủ của Biogum lên hạt nano còn làm giảm lực kháng từ của vật liệu, từ 208 Oe lực kháng từ giảm còn 115 Oe. Giản đồ phân tích nhiệt TGA (Hình 4.19) cho thấy vật liệu Biogum cải tiến tổng hợp được thay đổi khối lượng trong 3 khoảng nhiệt độ chính, gồm khoảng 63 - 150oC; 200 - 250oC và 317 - 400oC. Khi nung đến khoảng 150oC, khối lượng giảm đi 5,54%; nguyên nhân có thể là do sự bốc hơi nước của các phân tử nước hấp phụ trên bề mặt và sự bẻ gãy liên kết của nước hóa học trong vật liệu. Giai đoạn thứ 2, với nhiệt độ khoảng 200 - 250oC khối lượng của mẫu giảm 6,37%, có thể giải thích là do sự khử các gốc -OH trên cấu trúc spinel và sự phân hủy dưới tác dụng nhiệt của các phân tử Biogum được gắn lên bề mặt hạt CoFe2O4. Giai đoạn cuối cùng 400 - 600oC, độ giảm khối lượng là 4,6%, tại giai đoạn này Biogum trên bề mặt hạt CoFe2O4 tiếp tục bị phân hủy vì nhiệt và sự hình thành pha tinh thể kim loại liên kết với oxy. Trên giản đồ TGA không có sự giảm khối lượng đáng kể khi tăng nhiệt độ đến 850 oC, điều này cho thấy tại giá trị nhiệt độ này các hạt tinh thể đã hình thành hoàn toàn và tinh khiết (Hasxhim et al., 2013). 19