Bài viết Nâng cao hiệu quả của phương pháp tuyển nổi để thu hồi kim loại nặng trong nước thải bằng tinh dầu thông được thực hiện nhằm nâng cao hiệu quả của phương pháp tuyển nổi để thu hồi kim loại nặng trong nước thải. Đã có nhiều giải pháp được đưa ra nhằm loại bỏ kim loại nặng trong nước thải trước khi thải ra môi trường như xử lý bằng phương pháp sinh học, hóa lý và phương pháp hóa học.
Lê Thị Xuân Thùy, Lê Phước Cường 86 NÂNG CAO HIỆU QUẢ CỦA PHƯƠNG PHÁP TUYỂN NỔI ĐỂ THU HỒI KIM LOẠI NẶNG TRONG NƯỚC THẢI BẰNG TINH DẦU THÔNG IMPROVING THE EFFICIENCY OF FLOTATION TO RECOVER HEAVY METAL IN WASTE WATER BY USING PINE (TREE) OIL Lê Thị Xuân Thùy, Lê Phước Cường Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; ltxthuy@dut.udn.vn, lpcuong@dut.udn.vn Tóm tắt - Nghiên cứu thực nhằm nâng cao hiệu phương pháp tuyển để thu hồi kim loại nặng nước thải Đã có nhiều giải pháp đưa nhằm loại bỏ kim loại nặng nước thải trước thải môi trường xử lý phương pháp sinh học, hóa lý phương pháp hóa học Tuy nhiên, giá thành khơng hợp lý hiệu xử lý chưa cao nên gặp nhiều khó khăn việc chọn lựa phương pháp Trong phương pháp nhóm tác giả tiến hành hấp phụ kim loại nặng dung dịch than hoạt tính kết hợp tuyển Chất tạo bọt có vai trị quan trọng phương pháp tuyển nổi, nghiên cứu này, chúng tơi đã tiế n hành thí nghiệm để nghiên cứu tìm loại hóa chất tạo bọt tối ưu tinh dầu thông CH3COOH Kết cho thấy tinh dầu thơng có hiệu suất cao nhất, chí phí rẻ, quan trọng hồn tồn không nguy hại đến người, môi trường Abstract - This study is conducted to improve the efficiency of flotation for recovery of heavy metals from waste water Many methods are designed to remove heavy metals from wastewater before discharging them into the environment such as treated with biological methods, treated with chemical and physical methods or treated with chemical methods But due to high cost and low efficiency, it is difficult to select an appropriate method In this study, we use the method of heavy metal absorption on activated carbon solution combined with flotation Foaming agent plays an important role in flotation Therefore, we have conducted experiments to find out an optimal foam forming chemical – that is pine oil and CH3COOH (acetic acid) Research results show that pine (tree) oil has the highest performance, lowest cost, and is absolutely harmless to humans and the environment Từ khóa - kim loại nặng; tuyển nổi; chấ t tạo bọt; tinh dầu thông; CH3COOH (axit axetic) Key words - heavy metals; flotation; foaming agent; pine (tree) oil; CH3COOH (acetic acid) Đặt vấn đề Tình trạng nhiễm kim loại nặng nước vấn đề nan giải nhà khoa học quan tâm Nguyên nhân chủ yếu gây nhiễm kim loại nặng q trình xả nước thải cơng nghiệp khí thải độc hại chưa qua xử lý xử lý không đạt yêu cầu vào nguồn tiếp nhận Ví dụ, cadimi (Cd) có nguồn gốc từ nước thải công nghiệp, từ hoạt động khai thác quặng crôm, mạ kim loại, công nghiệp than, dầu mỏ; Hg khai thác khoáng sản (đào, đãi vàng), thuốc trừ sâu Hàm lượng kim loại nặng môi trường ngày tăng nguyên nhân gây nhiễm độc đất, khơng khí nước Việc loại trừ thành phần chứa kim loại nặng độc khỏi nguồn nước, đặc biệt nước thải công nghiệp mục tiêu môi trường quan trọng bậc phải giải Đã có nhiều giải pháp đưa nhằm loại bỏ kim loại nặng nước thải trước thải môi trường xử lý phương pháp sinh học, hóa lý Trong đó, phương pháp hóa – lý với ưu khơng thể phủ nhận chi phí chấp nhận hiệu suất xử lý cao nên nhà khoa học bắt đầu nghiên cứu sử dụng Gần đây, nhóm tác giả báo cáo kết phương pháp hấp phụ kết hợp phương pháp tuyển để xử lý nước thải ô nhiễm kim loại nặng sử dụng than hoạt tính axit gammapolyglutamic [1] Khả xử lý phương pháp hấp phụ kết hợp tuyển cao, nhiên giá thành axit gamma-polyglutamic (vật liệu tạo bọt) cao nguồn cung cấp chủ yếu từ nước nên việc áp dụng phương pháp vào Việt Nam để xử lý nước gặp nhiều khó khăn Vì vậy, việc tìm kiếm vật liệu tuyển tạo bọt thích hợp với phương pháp tuyển phù hợp với điều kiện Việt Nam nhằm nâng cao hiệu xử lý thu hồi kim loại nặng nước thải vấn đề cần thiết “Dầu thông” tinh dầu thu từ chưng cất kim, cành non non số lồi thơng, cụ thể từ lồi Pinus sylvestris Về mặt hóa học, dầu thơng bao gồm chủ yếu rượu tecpen vịng Nó chứa hydrocacbon, ete este tecpen Thành phần xác phụ thuộc vào yếu tố khác nhau, chủng loại thông hay loại nguyên liệu (lá kim, cành non hay quả) đầu vào Trong công nghiệp, dầu thông dùng tách chiết kim loại khỏi quặng Thêm vào đó, dầu thơng có độ độc tính tương đối thấp người, độ ăn mòn thấp độ tồn lưu hạn chế [2-3] Việc nghiên cứu áp dụng dầu thông vào phương pháp tuyển để thu hồi than hoạt tính có kích thước nhỏ kim loại nặng nước chưa báo cáo Ở nghiên cứu này, nhóm tác giả sử dụng dầu thông vật liệu tạo bọt để thu hồi kim loại nặng nước thu kết xử lý cao thời gian ngắn Mục tiêu, đối tượng phương pháp nghiên cứu 2.1 Mục tiêu nghiên cứu 2.1.1 Mục tiêu tổng quát Nâng cao hiệu phương pháp tuyển để thu hồi kim loại nặng nước thải 2.1.2 Mục tiêu cụ thể Tối ưu hóa thơng số ảnh hưởng đến trình tuyển bao gồm: loại hóa chất tạo bọt, thời gian tuyển nổi, lưu lượng khí cấp, lượng hóa chất tạo bọt 2.2 Mơ hình tuyển 2.2.1 Nguyên tắc Phương pháp tuyển thực cách sục khơng khí vào nước bẩn Ở nghiên cứu này, nước bẩn nhân ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(120).2017 - Quyển tạo sử dụng nước chứa than hoạt tính có kích thước nhỏ 50 µm Khi bọt khí kết dính với hạt bẩn (hạt than hoạt tính) kéo chúng lên bề mặt Bằng cách vớt bọt bề mặt, ta thu hồi chất bẩn nước thải Hình Sự kết dính hạt rắn bóng khí tuyển 2.2.2 Thí nghiệm a Thu hồi than hoạt tính - Chuẩn bị 10 lít nước chứa than hoạt tính (THT) với nồng độ 300 mg/l - Lấy 300 ml nước chứa THT cho vào ống tuyển (cao 60 cm, đường kính cm), sau cho tinh dầu thơng CH3COOH với tác dụng chất tạo bọt vào dung dịch - Sục khơng khí vào ống tuyển với lưu lượng l/phút thời gian 30 phút - Thu hồi nước ống tuyển cách mở van đặt đáy ống - Dùng thiết bị MLSS máy EUTECH INSTRUMENTS Turbidimeter TN-100 để đo lượng than hoạt tính cịn sót lại dung dịch để từ tính tốn hiệu suất xử lý mơ hình 87 CH3COOH, tinh dầu thơng Ở điều kiện giá trị điều kiện điều chỉnh theo thang, giá trị khác cố định b Thu hồi kim loại nặng - Chuẩn bị 10 lít nước bẩn kim loại nặng (As, Cd, Cr, Cu, Pb) với nồng độ mg/l - Cho 25 g than hoạt tính (kích thước than hoạt tính 50 µm) vào 10 lít nước bẩn, khuấy - Lấy 300 ml nước bẩn (nồng độ THT 300 mg/l) cho vào ống tuyển (cao 60 cm, đường kính cm), sau cho tinh dầu thơng CH3COOH với tác dụng chất tạo bọt vào dung dịch - Sục khơng khí vào ống tuyển với lưu lượng l/phút thời gian 30 phút - Thu hồi nước ống tuyển cách mở van đặt đáy ống - Dùng thiết bị máy quang phổ hấp phụ nguyên tử AAS 800 để đo hàm lượng kim loại nặng (As, Cd, Cr, Cu, Pb) dung dịch để từ tính tốn hiệu suất xử lý mơ hình Hình Máy quang phổ hấp phụ nguyên tử AAS 800 Hiệu suất xử lý (%) Kết thảo luận 3.1 Loại hóa chất tạo bọt Hình Mơ hình tuyển sử dụng Hiệu suất xử lý tính tốn cơng thức (1) H (%) = (Ct-Cs)*100/Ct (1) Trong đó: H hiệu suất xử lý (%); Ct nồng độ than hoạt tính dung dịch trước tuyển (mg/l); Cs nồng độ than hoạt tính sau tuyển (mg/l) Ở phần thí nghiệm này, nhóm tác giả tiến hành khảo sát điều kiện khác về : loại hóa chất tạo bọt, thời gian tuyển nổi, lưu lượng khí cấp, lượng hóa chất tạo bọt Trong đó, nhóm tác giả chọn loại hóa chất có khả tạo bọt để khảo sát: đậu bắp, Na2SO4, NaCl, Na2CO3, PGA, 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 Hóa chất Hình Ảnh hưởng hóa chất tạo bọt đến hiệu suất xử lý Tiến hành thí nghiệm với hoá chất tạo bọt đậu bắp, Na2SO4, NaCl, Na2CO3, PGA, CH3COOH tinh dầu thơng Nồng độ hóa chất 10 M Thời gian tuyển 30 phút Lưu lượng khí cấp l/phút Qua trình thực tuyển với hóa chất dung dịch đậu bắp Na2SO4, bọt khí tạo có kích thước lớn nên hiệu suất thấp (khơng q 10%) Với dung dịch Na2CO3, NaCl hóa chất cho quy trình sản xuất xà phịng bọt khí hình thành lớn nên hiệu suất Lê Thị Xuân Thùy, Lê Phước Cường 88 Hiệu suất xử lý (%) 3.3 Ảnh hưởng lưu lượng khí cấp đến việc thu hồi than hoạt tính Theo kết Hình 7, ta thấy tăng lưu lượng khí cấp từ l/phút lên l/phút độ đục từ 300 mg/l hạ xuống mg/l Tuy nhiên, lưu lượng l/phút, khả tạo bọt lượng than hoạt tính thu hồi thành ống tốt nên nhóm tác giả chọn lượng khí l/phút Khi tăng lưu lượng khí cấp lên l/phút, lượng bọt tạo nhiều nên có tượng tràn bọt lên thành ống, nhóm tác giả giới hạn tối đa lưu lượng khí cấp l/phút 0.02 0.03 0.1 0.17 0.33 Nồng độ (M) 96 100 95 90 85 80 Hình Ảnh hưởng nồng độ CH3COOH đến hiệu suất xử lý 10 30 60 90 75 120 Thời gian (phút) Hình Ảnh hưởng thời gian đến hiệu suất 120 Hiệu suất xử lý (%) 3.4 Ảnh hưởng thời gian đến hóa chất tạo bọt Sau khoảng thời gian chạy tuyển với thơng số cố định (hóa chất, lưu lượng khí, nồng độ, áp suất), nồng độ than hoạt tính đo máy đo độ đục MLSS SS-10F mg/l 105 97 Hình Ảnh hưởng lưu lượng khí đến hiệu suất xử lý 110 20 98 Lưu lượng khí cấp (l/phút) 80 40 99 100 60 100 95 Hiêụ suất phản ứng (%) Hiệu suất xử lý (%) 18,4% 36% Dung dịch CH3COOH có khả tạo bọt tốt lượng cặn nhỏ đáy nên hiệu suất xử lý đạt 67% Đối với tinh dầu thông, khả tạo bọt tốt, bọt khí tạo nhiều mịn, than hoạt tính nước bẩn nhanh chóng vón thành viên nằm khoảng ống tuyển nên hiệu suất xử lý cao (68,4%) Xuất phát từ kết tạo bọt tốt CH3COOH tinh dầu thông, bên cạnh việc khảo sát khả tạo bọt hóa chất nêu nhóm tác giả cịn thí nghiệm khả tạo bọt CH3COOH kết hợp với tinh dầu thông, kết thu với hiệu suất xử lý đạt 100% Từ kết đó, nhóm tác giả chọn hỗn hợp CH3COOH tinh dầu thông để áp dụng vào phương pháp tuyển nghiên cứu Các nghiên cứu ảnh hưởng nồng độ chất tạo bọt, ảnh hưởng than hoạt tính nồng độ kim loại nặng đến khả hấp phụ trình bày cụ thể nghiên cứu 3.2 Ảnh hưởng nồng độ hóa chất đến khả tạo bọt Qua Hình nhóm tác giả nhận thấy, nồng độ 0,02 M, khả tạo bọt thấp dẫn đến hiệu suất thấp nên không đạt yêu cầu Tuy hiệu suất xử lý CH3COOH 0,17 M 0,33 M tốt nhóm tác giả chọn nồng độ CH3COOH 0,1 M CH3COOH axit, nước đầu sau q trình tuyển có nồng độ axit cao (pH < 7) dẫn đến tốn chi phí, cơng sức thời gian để trung hịa trước thải môi trường 100 80 60 40 20 0.5 0.3 0.25 0.125 0.09 0.03 Nồng độ (ml) Hình Ảnh hưởng nồng độ tinh dầu thông nguyên chất đến hiệu suất xử lý Qua kết Hình ta nhận thấy, tinh dầu thơng giá trị nồng độ 0,25 ml, 0,3 ml 0,5 ml có hiệu suất xử lý đạt gần 100% Tuy nhiên, nhóm tác giả chọn nồng độ 0,25 ml nồng độ hiệu suất tối ưu giúp giảm chi phí hóa chất Như vậy, với 0,25 ml tinh dầu thông kết hợp với ml CH3COOH 0,1 M lượng nước lấy sau trình tuyển có nồng độ đục mg/l từ 300 mg/l ban đầu Ta nhận thấy thời gian tăng hiệu suất xử lý tăng theo 30 phút Từ 60 phút trở hiệu suất xử lý giảm dần (Hình 8) hạt than keo tụ bị vỡ ra, làm độ đục tăng lên Vì vậy, nhóm tác giả chọn thời gian tối ưu để xử lý 30 phút 3.5 Kết thu hồi kim loại nặng Sau trình tuyển nổi, tiến hành đo hàm lượng kim loại nặng lượng nước thu được, kết Bảng 1: Bảng Nồng độ kim loại nặng trình tuyển Nguyên tố Nồng độ kim loại nặng [mg/l] Trước Sau 30 Sau 60 Sau 90 QCVN 40:2011/ phản ứng phút phút phút BTNMT Cột B As 0,088 0,061 0,052 0,1 Cd 0,075 0,057 0,025 0,1 Cu 0,07 0,054 0,042 Cr 0,027 0,066 0,049 0,1 Pb 0,311 0,141 0,148 0,5 ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(120).2017 - Quyển Ghi chú: - pH: Phân tích theo TCVN 6492:2011; - As: Phân tích theo TCVN 6626:2000; - Cd, Cu, Pb, Cr: Phân tích theo SMEWW 3113B:2012 Qua kết phân tích, ta nhận thấy hàm lượng kim loại nặng từ mg/l hấp phụ vào than hoạt tính hạt nhỏ với kích thước 50 µm tuyển nổi, tách khỏi nước thải Nồng độ hầu hết kim loại nặng nước thải đầu đạt cột B theo QCVN 40:2011/BTNMT Kết luận Than hoạt tính có kích thước lớn có khả hấp phụ dễ dàng thu hồi sau xử lý nước phương pháp lắng tụ Ngược lại, hạt than hoạt tính có kích thước nhỏ có khả hấp phụ tốt việc thu hồi chúng vấn đề nan giải nhà khoa học Vì vậy, việc kết hợp trình hấp phụ dùng than có kích thước nhỏ tuyển để thu hồi kim loại nặng phương pháp mới, đáng ý phát huy Từ khái niệm “hóa học xanh”, hầu hết phương pháp 89 thu hồi hay tách loại kim loại phải thỏa mãn với hai tiêu chí chính, cơng nghệ gây sức ép, ảnh hưởng xấu đến mơi trường sử dụng hóa chất lượng Việc tìm tinh dầu thơng - hóa chất tuyển đạt hiệu suất cao xử lý nước nghiên cứu triển vọng cho tương lai, áp dụng rộng rãi vào lĩnh vực xử lý nước thải Và đặc biệt, việc kết hợp tinh dầu thông với CH3COOH phương pháp tuyển phát nhóm nghiên cứu, đáng quan tâm phát triển TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Thị Xuân Thùy, Lê Phước Cường, “Nghiên cứu cải tiến kỹ thuật tuyển sử dụng axit gamma-polyglutamic để tách than hoạt tính ion chì nước”, Tạp chí Khoa học Công nghệ Đại học Đà Nẵng, số 12 (73), 2013, trang 59-65 [2] Jinming Duan, Francis Wilson, Nigel Graham, Joo Hwa Tay, “Adsorption of humic acid by powdered activated carbon in saline water conditions”, Desalination, 151, 2002, pp 53-66 [3] Jyotsna Goel, Krishna Kadirvelu, Chitra Rajagopal, Vinod Kumar Garg, “Removal of lead(II) by adsorption using treated granular activated carbon: Batch and column studies”, Journal of Hazardous Materials B125, 2005, pp 211-220 (BBT nhận bài: 21/08/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 06/10/2017) ... gian tối ưu để xử lý 30 phút 3.5 Kết thu hồi kim loại nặng Sau trình tuyển nổi, tiến hành đo hàm lượng kim loại nặng lượng nước thu được, kết Bảng 1: Bảng Nồng độ kim loại nặng trình tuyển Nguyên... dùng than có kích thước nhỏ tuyển để thu hồi kim loại nặng phương pháp mới, đáng ý phát huy Từ khái niệm “hóa học xanh”, hầu hết phương pháp 89 thu hồi hay tách loại kim loại phải thỏa mãn với hai... ta nhận thấy hàm lượng kim loại nặng từ mg/l hấp phụ vào than hoạt tính hạt nhỏ với kích thước 50 µm tuyển nổi, tách khỏi nước thải Nồng độ hầu hết kim loại nặng nước thải đầu đạt cột B theo