Điều chế than hoạt tính từ bã hèm để xử lý nước thải công nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN ĐIỀU CHẾ THAN HOẠT TÍNH TỪ BÃ HÈM ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP MÃ SỐ: SV2021-111 CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: NGUYỄN VĂN THỊNH SKC007638 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2021 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN ĐIỀU CHẾ THAN HOẠT TÍNH TỪ BÃ HÈM ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CƠNG NGHIỆP SV2021-111 Thuộc nhóm ngành khoa học: Môi Trường SV thực hiện: Nguyễn Văn Thịnh Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: Đào tạo chất lượng cao Năm thứ: Số năm đào tạo: Ngành học: Công nghệ Kỹ Thuật Môi Trường Người hướng dẫn: Tiến Sĩ Nguyễn Mỹ Linh TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com LỜI CẢM ƠN Lời xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Mỹ Linh, người giúp đỡ hướng dẫn suốt trình làm nghiên cứu khoa học giúp chúng em tự tin ghiên cứu giải thích kết cách khoa học Tôi xin trân trọng cảm ơn Bộ môn Công nghệ Môi trường – Khoa Đào tạo Chất lượng cao – Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM, tạo điều kiện cho học tập hoàn thành nghiên cứu cách thuận lợi Lời cảm ơn sâu sắc muốn gửi tới quý thầy cô tạo điều kiện cho chúng em hoàn thành nguyên cứu này, lời em xin chân thành cảm ơn quý ban bè giúp đỡ chúng em hoàn thành nghiên cứu Mặc dù cố gắng luận văn không tránh khỏi thiếu sót, tơi mong nhận đóng góp ý kiến chân thành từ q thầy giáo để hoàn thành tốt nghiên cứu TP.Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng năm 2020 Sinh viên thực Nguyễn Văn Thịnh Phạm Minh Nguyệt TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com TÓM TẮT Nghiên cứu tổng hợp than hoạt tính Phân bã hèm rượu Trong bã hèm rượu nung lên sau than hóa o nhiệt độ từ 300 – 900 C Sản phẩm than hóa sau ngâm với tác nhân KOH H3PO4 với nồng độ tùy biến tiếng (480 phút) Than thu rửa nước cất pH không đổi sấy khơ, bảo quản bình hút ẩm Mẫu than thu kí hiệu AC Các mẫu than hoạt tính kí hiệu AC-K AC- H, tương ứng với tác nhân sử dụng dễ hoạt tính than Các thí nghiệm ảnh hưởng pH, động học hấp phụ, đường đẳng nhiệt hấp phụ, nhiệt động học hấp phụ tiến hành vật liệu hấp phụ nung nhiệt độ Tính chất vật liệu hấp phụ phân tích phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR), kính hiển vi điện tử quét (SEM), diện tích bề mặt (BET) Q trình hấp phụ Methylene Blue (MB) vật liệu thực phương pháp hấp phụ mẻ Các yếu tố ảnh hưởng đến trình hấp phụ khảo sát thay đổi nồng độ nhiệt độ, pH dung dịch, khả từ tính, thời gian tiếp xúc, tính chất mẫu nước nền, nghiên cứu đánh giá TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: nghiên cứu khoa học thực thân tôi, thực hướng dẫn TS Nguyễn Mỹ Linh Các thông tin tham khảo đề tài thu thập từ nguồn đáng tin cậy, công bố rộng rãi tơi trích dẫn nguồn gốc rõ ràng phần Danh mục tài liệu tham khảo Các kết nghiên cứu đồ án tơi thực cách nghiêm túc, trung thực không trùng lặp với đề tài khác Tơi xin cam đoan lời hồn tồn thật TP.Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng năm 2020 Sinh viên thực Nguyễn Văn Thịnh Phạm Minh Nguyệt TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Mục lục MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề .1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan nghiên cứu có liên quan ngồi nước 1.2 Phương pháp hấp phụ 1.3 Các đối tượng nghiên cứu 1.4 Cơ chế hấp phụ 1.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình hấp phụ 15 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG THỰC HIỆN .17 2.1 Phương pháp nghiên cứu 17 2.2 Thiết bị, dụng cụ hóa chất 18 2.3 Các thí nghiệm 19 2.4 Xử lý số liệu 20 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 27 3.1 Khảo sát bước sóng tối ưu xây dựng đường chuẩn MB theo phương pháp UV-Vis 27 3.2 Kết thực nghiệm 27 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 30 Tài liệu tham khảo 31 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT MB Methylene Blue CAC Than hoạt tính thương mại pHPZC Giá trị pH điểm điện tích bề mặt vật liệu trung hịa SEM Phân tích kính hiển vi điện tử quét FT-IR Phân tích phổ hồng ngoại BET Xác định diện tích bề mặt TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Thông tin chung: - Tên đề tài: Điều chế than hoạt tính từ bã hèm để xử lý nước thải công nghiệp - Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Văn Thịnh - Lớp: 17150CLC - Thành viên đề tài: Stt Họ tên Nguyễn Văn Thịnh Phạm Minh Nguyệt - Người hướng dẫn: Mục tiêu đề tài: Với đề tài này, thực nghiên cứu với mục tiêu tổng hợp thành công vật liệu than từ tính, khảo sát khả hấp phụ, yếu tố ảnh hưởng đến trình hấp phụ vật liệu, giải thích chế hấp phụ nhằm chứng minh hiệu xử lý màu methylene blue (MB) nước Tính sáng tạo: Bã hèm rượu nguyên liệu từ ngành sản xuất rượu bia dễ tìm kiếm Viêc chế tạo than hoạt tính từ vật liệu chưa có nghiên cứu rộng rãi đề tài mẻ Kết nghiên cứu: Dung lượng hấp phụ vật liệu đạt hiệu khác tốt 954,47 mg/g Mẫu vật liệu o lần than nung 500 C ngâm lần KOH có khả hấp phụ MB tốt Giá trị pH tối ưu trình hấp phụ 10 chênh lệch hiệu so với giá trị pH liền kề khơng đáng kể Đóng góp mặt giáo dục đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng khả áp dụng đề tài: − Chế tạo than hoạt tính khơng gây nhiều tác động đến môi trường − Mang lại lợi ích kinh tế cho ngành sản xuất rượu bia tận dụng bã hèm sản xuất than Công bố khoa học SV từ kết nghiên cứu đề tài (ghi rõ tên tạp chí có) nhận xét, đánh giá sở áp dụng kết nghiên cứu (nếu có): TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Ngày 12 tháng 10 năm 2021 SV chịu trách nhiệm thực đề tài Nguyễn Văn Thịnh TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Hiện nay, gắn liền với trinh phát triển kinh tế đất nước thực trạng nhiễm mơi trường xảy ngày phưc tạp gây ảnh hưởng đến sức khỏe người phát triển loài động vật thủy sinh Nếu không xử lý trước thải bên ngồi mơi trường Đặt biệt nước thải cơng nghiệp, việc xử lý chúng cần thiết Một số biện pháp xử lý nước thải cơng nghiệp : xử lý hóa-lý (màng lọc, keo tụ, hấp phụ, trao đổi ion, ), xử lý hóa học (oxi hóa, điện hóa, ) xử lý sinh học Trong phương pháp trên, hấp phụ xem phương pháp đơn giản, có hiệu quả, với số vật liệu hấp phụ từ tự nhiên khơng gây tác hại cho mơi trường Đặc biệt, phương pháp không chuyển chất ô nhiễm sang sản phẩm biến đổi khác tạo sản phẩm phụ khác vât Các vật liệu hấp phụ nghiên cứu sử dụng như: Silica gel, Zeolite, than hoạt tính,…Trong than hoạt tính sử dụng phổ biến than hoạt tính xem có hiệu sử dụng rộng rãi lĩnh vực xử lí nước nước thải sản xuất than hoạt tín từ nguồn nguyên liệu khác :phế phẩm nông nghiệp (vỏ trấu, vỏ cam, sồi, xơ dừa, vỏ cà phê, ) mang lại hiệu hấp phụ khả, tác động đến mơi trường Do đó, việc nghiên cứu xử lý nước thải vật liệu hấp phụ có giá thành thấp, thân thiện với môi trường hiệu xử lý cao đối tượng nhiều người quan tâm Trong trình tìm hiểu nghiên cứu loại vật liệu hấp phụ có nguồn gốc từ tự nhiên nhằm mục đích xử lý nước thải nhiễm thân thiện với môi trường, nhận thấy bã hèm rượu nguyên liệu chưa nghiên cứu ứng dụng hấp phụ công nghiệp xử lý nước nước thải Nó ngun liệu dễ tìm giá thành rẻ loại nguyên liệu khác Do đó, hướng tới sử dụng bã hèm rượu để chế tạo than hoạt tính vật liệu khơng gây nhiễm mơi trường, có tiềm hấp phụ màu tốt Chính lý nên chúng tơi chọn đề tài: “Điều chế than hoạt tính từ bã hèm để xử lý nước thải công nghiệp” Mục tiêu Với đề tài này, thực nghiên cứu với mục tiêu tổng hợp thành công vật liệu than hoạt tính, khảo sát khả hấp phụ, yếu tố ảnh hưởng đến trình hấp phụ vật liệu, giải thích chế hấp phụ nhằm chứng minh hiệu xử lý màu methylene blue (MB) nước Ý nghĩa Bã hèm rượu nguyên liệu từ ngành sản xuất rượu bia dễ tìm kiếm Chế tạo than hoạt tính từ vật liệu không gây nhiều tác động đến môi trường Vật liệu than sinh học từ tính khơng có khả hấp phụ tốt chất ô nhiễm Nội dung TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Nên: ❖ Freundlich Phương trình đẳng nhiệt Freundlich mơ tả cơng thức: Trong đó: + + + KF: số hấp phụ Freundlich (mg/g) Ce: nồng độ dung dịch sau hấp phụ (mg/L) qe: dung lượng hấp phụ cân (mg/g) Phương trình biến đổi thành dạng tuyến tính: Tương tự Langmuir, sau thí nghiệm hấp phụ nồng độ ta có nồng độ sau hấp phụ cân Ce tính dung lượng qe, từ vẽ phương trình tuyến tính Freundlich dạng y = ax + b Hằng số Freundlich KF hệ số n tính dựa trên: Mà: 2.4.3 Tính tốn đường động học hấp phụ ❖ Mơ hình động học biểu kiến bậc Mơ hình động học biểu kiến bậc có phương trình: Trong đó: + + k1: số tốc độ phản ứng theo mơ hình động học bậc (thời gian-1 ) qe, qt : dung lượng hấp phụ thời điểm cân thời điểm t (mg/g) Phương trình chuyển dạng tuyến tính bậc : 22 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Dựa vào thí nghiệm hấp phụ theo thời gian t ta tính dung lượng hấp phụ cân qe dung lượng hấp phụ thời điểm qt, từ vẽ phương trình động học bậc dạng y = ax + b Hằng số tốc độ phản ứng k1 dung lượng hấp phụ cân động học bậc qe tính dựa trên: Suy Mà Nên ❖ Mơ hình động học biểu kiến bậc Mơ hình động học biểu kiến bậc có phương trình: Trong đó: + k2: số tốc độ phản ứng theo mơ hình biểu kiến bậc (g/mg.thời gian) + qe, qt : dung lượng hấp phụ thời điểm cân thời điểm t (mg/g) Dạng tuyến tính: dựa vào thí nghiệm hấp phụ theo thời gian t ta tính dung lượng hấp phụ thời điểm qt, từ vẽ phương trình động học bậc dạng y = ax + b Hằng số tốc độ phản ứng k2 dung lượng hấp phụ cân qe tính dựa trên: = Suy 23 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com = Mặt khác: = 2 Nên ❖ Mơ hình động học Elovich Phương trình Elovich sử dụng rộng rãi động học hấp phụ (Mclintock, 1967), mơ tả chế hấp phụ hóa học: Áp dụng điều kiện biên cho toán t = qt = 0, phương trình viết dạng: Trong đó: + + + α: tốc độ hấp phụ ban đầu (mg/g.phút) β: số Elovich (mg/g) qt: dung lượng hấp phụ thời điểm t (mg/g) Dựa vào thí nghiệm hấp phụ theo thời gian t ta tính dung lượng hấp phụ thời điểm qt, từ vẽ phương trình động học Elovich dạng y = ax + b Hằng số Elovich tốc độ phản ứng tính dựa trên: = Suy Mặt khác: Nên: = − 24 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com 2.4.4 Tính tốn nhiệt động học hấp phụ Phương trình tuyến tính q trình động nhiệt thể bởi: ln = Trong đó: + ∆H° (enthalpy) hiệu ứng nhiệt phản ứng điều kiện tiêu chuẩn, tính dựa vào nhiệt sinh hay nhiệt cháy chất + ∆S°: biến thiên entropy phản ứng o + T : Nhiệt độ tuyệt đối ( K) + R : Hằng số khí lí tưởng 8,314 J/mol.K + Kc : Hằng số cân Ta có cơng thức: = 55,5 1000 Trong đó: + KL: số hấp phụ Langmuir (L/mg) + MW: khối lượng phân tử Với methylene blue, MW = 319,85 g/mol Giá trị 55,5 số mol nước tinh khiết lít dung dịch Từ giá trị KC tính nhiệt độ tuyệt đối T(K) sau thí nghiệm hấp phụ thay đổi nhiệt độ theo nồng độ, ta thiết lập phương trình động nhiệt học dạng tuyến tính: y = ax + b Từ phương trình ta xác định giá trị ∆H° ∆S° theo: Suy Mặt khác Nên ∆ °= = ∆ ° Khi ∆H > (phản ứng thu nhiệt – nhiệt hấp thụ phản ứng xảy theo chiều thuận), nhiệt độ tăng, số K tăng Có nghĩa cân dịch chuyển theo chiều thuận (chiều hấp thụ nhiệt) Với ∆H < (phản ứng toả nhiệt – nhiệt tỏa môi trường phản ứng xảy 25 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com theo chiều thuận), nhiệt độ tăng K giảm Có nghĩa cân dịch chuyển theo chiều nghịch (chiều hấp thụ nhiệt) - ∆S < 0: hệ trật tự ∆S > 0: hệ hỗn loạn Biến thiên lượng tự xác định biểu thức: Với: - G < phản ứng xảy tự phát (tự diễn) nhiệt độ khảo sát xảy theo chiều thuận (đối với phản ứng thuận nghịch) + G > phản ứng không xảy nhiệt độ khảo sát xảy theo chiều ngược lại (đối với phản ứng thuận nghịch) + G = phản ứng đạt cân 26 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com C Nồng độ C (mg/L) 3.1 Khảo sát bước sóng tối ưu xây dựng đường chuẩn MB theo phương pháp Phương trình thu được: y = 4,9063x + 0,0526 Trong đó: 3.2 Kết thực nghiệm 3.2.1 Khảo sát chọn nhiệt độ ngâm KOH tối ưu 27 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Qe (mg/g) Hình 3.2 : Biểu đồ thể dung lượng hấp phụ theo tỉ lệ KOH Qe (mg/g) Khi tiến hành thí nghiệm hấp phụ MB với vật liệu nung cách nhiệt độ khác 500 – 800 C ngâm KOH với tỉ lệ khác (tỉ lệ than/KOH 1:1, 1:2, 1:3, 1:4) từ ta thiết lập biểu đồ thể dung lượng hấp phụ theo nhiệt độ nung loại vật liệu Dựa vào hình 3.2, nhiệt độ nung tốt tỉ lệ o ngâm KOH 500 C.Trong mẫu ngâm tỉ lệ lần KOH lần than nhiệt độ o 500 c cho kết hấp phụ cao 13% so với dung lượng hấp phụ cao thứ nhì o o (812 mg/g tỉ lệ 1:4 500 C so với 708 mg/g 1:3 500 C) 28 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Hình 3.3 : Biểu đồ thể dung lượng hấp phụ theo pH Dựa vào vật liệu tối ưu phần khảo sát tỉ lệ ngâm KOH, ta dùng vật liệu để đem khảo sát pH tối ưu cho vật liệu Nhìn chung ngưỡng pH thấp có tính axit, vật liệu thể dung lượng hấp phụ thấp so với ngưỡng pH có tính kiềm Cụ thể dung lượng hấp phụ tăng pH tăng từ – 6, sau pH – 10, đạt dung lượng hấp phụ tối đa mức pH 10 954,47 mg/g nhiên chênh lệch dung lượng hấp phụ so với pH – không đáng kể thấp 5% (954,47 mg/g so với mức trung bình 911,6 mg/g) 29 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Qua đề tài “Điều chế than hoạt tính từ bã hèm để xử lý nước thải công nghiệp”, điều chế than sinh hoạt từ hèm rượu thành công khảo sát số kết trình hấp thụ Dung lượng hấp phụ vật liệu đạt hiệu khác o tốt 954,47 mg/g Mẫu vật liệu lần than nung 500 C ngâm lần KOH có khả hấp phụ MB tốt Giá trị pH tối ưu trình hấp phụ 10 chênh lệch hiệu so với giá trị pH liền kề không đáng kể - Kiến nghị Hèm bã rượu chưa đa dạng hóa Nghiên cứu thực phạm vị phịng thí nghiệm, cần tìm hiểu, thiết kế vận hành hợp lý ứng dựng thực tiễn Trong nghiên cứu thực phương pháp hấp phụ dạng mẻ, cần nghiên cứu thêm phương pháp cột 30 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Tài liệu tham khảo [1] Nghiên cứu tận dụng bã thải từ trình sản xuất tinh bột sắn dong riềng để chế tạo than hoạt tính ứng dụng xử lý mơi trường- Vũ Lực, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Luận văn thạc sĩ [2] Nghiên cứu khả hấp phụ phenol nước than hoạt tính điều chế từ mùn cưa gỗ thông” INVESTIGATING THE ADSORPTION ABILITY OF PHENOL BY ACTIVE CARBON WHICH PRODUCE FROM THE SAWDUST OF PINE TREE” - Lê Văn Thủy, Vũ Hoàng Phương [3] “Ethanol Dehydrogenation to Acetaldehyde over Activated Carbons-Derived from Coffee Residue by Jeerati Ob-eye”, Piyasan Praserthdam, Bunjerd Jongsomjit [4] “Waste materials for activated carbon preparation and its use in aqueous-phase treatment: A review, Author panelJoana”, M.Diasa1Maria ,C.M.Alvim-Ferraza1 Manuel [5] Spiehs cộng (2002), “Nutrient database for distiller’s dried grains with solubles produced from new ethanol plants in Minnesota and South Dakota”, Journal of Animal Science [6] Crowell cộng (1993), “The use of distiller dried grains with solubles (DDGS) in poultry nutrion, Department of Animal Nutrion and Feed Science 31 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Phụ lục Thí nghiệm khảo sát nhiệt độ nung tỉ lệ ngâm pH tối ưu Thí nghiệm khảo sát pH tối ưu pH Dung lượng hấp phụ (mg/g) 32 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com ... KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Qua đề tài ? ?Điều chế than hoạt tính từ bã hèm để xử lý nước thải công nghiệp? ??, điều chế than sinh hoạt từ hèm rượu thành công khảo sát số kết trình hấp thụ Dung lượng... hèm rượu để chế tạo than hoạt tính vật liệu khơng gây nhiễm mơi trường, có tiềm hấp phụ màu tốt Chính lý nên chọn đề tài: ? ?Điều chế than hoạt tính từ bã hèm để xử lý nước thải công nghiệp? ?? Mục... trình sản xuất than hoạt tính Đồng thời, kết đạt sở để xây dựng quy trình sản xuất than hoạt tính quy mơ cơng nghiệp Nghiên cứu vật liệu xử lí nước thải than hoạt tính sinh học điều chế từ vỏ hạt