Nghiên cứu công nghệ sản xuất vật liệu micro từ cao lanh phú thọ để xử lý nước cấp dùng cho chế biến thực phẩm

Bộ công thơng Trờng cao đẳng công nghiệp thực phẩm ************************* Báo cáo đề tài Khoa học công nghệ cấp bộ đề tài R&D Tên đề tài: Nghiên cứu công nghệ sản xuất vật liệu micro từ cao lanh phú thọ để xử lý nớc cấp dùng cho chế biến thực phẩm Chủ nhiệm đề tài: Hà Thị Lan Anh Cơ quan chủ trì: Trờng Cao đẳng Công nghiệp Thực phẩm Cơ quan chủ quản: Bộ Công Thơng 7853 08/4/2010 Phú Thọ - 2009 Bộ công thơng Trờng cao đẳng công nghiệp thực phẩm ************************* Báo cáo đề tài Khoa học công nghệ cấp bộ đề tài R&D Tên đề tài: Nghiên cứu công nghệ sản xuất vật liệu micro từ cao lanh phú thọ để xử lý nớc cấp dùng cho chế biến thực phẩm Chủ nhiệm đề tài: Th.s Hà Thị Lan Anh Cộng tác viên: 1. Th.s Vũ Việt Thành 2. Th.s Lê Thị Thu Phơng 3. Th.s Phan Anh Châu 4. KS. Nguyên Việt Hng Cơ quan chủ trì: Trờng Cao đẳng Công nghiệp Thực phẩm Cơ quan chủ quản: Bộ Công Thơng Năm - 2009 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 PHẦN I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4 1.1. Giới thiệu về cao lanh 4 1.1.1. Sơ lược về cao lanh 4 1.1.2. Tính chất cơ bản của cao lanh 5 1.1.3. Ứng dụng của cao lanh 7 1.2. Giới thiệu chung về zeolit và zeolit X 9 1.2.1. Giới thiệu chung về zeolit 9 1.2.2. Giới thiệu về vật liệu hấp ph ụ zeolit X 21 1.3. Giới thiệu về asen và tình hình ô nhiễm asen 23 1.3.1. Giới thiệu về asen và những tác hại của nó ……………… 23 1.3.2. Tình hình ô nhiễm asen 27 1.3.3. Các phương pháp xử lý asen 30 PHẦN II: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 32 2.1. Nguyên liệu và hoá chất tổng hợp vật liệu hấp phụ zeolit NaX 32 2.2. Các phương pháp nghiên cứu 34 PHẦN III: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 40 3.1. Quy trình công nghệ tổng hợp vật liệu hấp phụ zeolit NaX từ cao lanh Phú Thọ và sản xuất thực nghiệm 40 3.2. Đặc trưng tính chất và cấu trúc zeolit NaX 42 3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp zeolit NaX 45 3.4. Ứng dụng sản phẩm để xử lý nước 52 3.5.Khảo sát quá trình hấp phụ As của vật liệu hấp phụ 54 3.6. Ứng dụng zeolit NaX để xử lý nước cấp tại công ty cổ phần Bia - Rượu Viger Việt Trì 60 3.7. Quá trình xử lý nước cấp 61 3.8. Hiệu quả kinh tế và khả năng ứng dụng 62 3.9. Biên soạn tài liệu thực hành phục vụ đào tạo 63 PHẦN IV: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 64 4.1. Kết luận 64 4.2. Kiến nghị 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 MỞ ĐẦU Nước là một nhu cầu không thể thiếu được trong cuộc sống sinh hoạt hàng ngày cũng như trong quá trình sản xuất công nghiệp. Trong các hoạt động công nghiệp, nước cấp được dùng cho các quá trình làm lạnh, sản xuất thực phẩm như đồ hộp, nước giải khát, rượu, bia.Trong qúa trình sản xuất Bia nước là một trong những nguyên liệu chính. Thành phần và tính chất của nước ảnh hưởng trực tiếp đến toàn bộ quá trình công nghệ và ch ất lượng thành phẩm. Nói chung hầu hết mọi ngành công nghiệp đều sử dụng nước cấp như nguồn nguyên liệu không gì thay thế được trong sản xuất. Ngày nay, với sự phát triển của các ngành công nghiệp hóa, đô thị hóa và sự bùng nổ dân số đã làm cho nguồn nước tự nhiên bị cạn kiệt và bị ôi nhiễm [35]. Hiện nay, vấn đề ô nhiễm asen (thạch tín) ở các nguồn nước sử dụ ng trong công nghiệp cũng như các nguồn nước được sử dụng vào mục đích sinh hoạt cho dân cư đang ngày càng trở nên trầm trọng. Năm 2000, tại Băng Cốc, Thái Lan, Ủy ban kinh tế xã hội Châu Á-Thái Bình Dương (gọi tắt là ESCAP) phối hợp với tổ chức Y Tế Thế Giới (WHO) và Quỹ Nhi Đồng Liên Hợp Quốc (UNICEP) đã phải triệu tập khẩn cấp một cuộc họp chuyên đề với tên gọi là “Địa chất và sức khoẻ: Giải quyết cuộc khủng hoảng Asen tại khu vực Châu Á - Thái Bình Dương”. Tại đây, Việt Nam là một trong những nước đã được đánh dấu trên bản đồ ô nhiễm asen của thế giới [30]. Trước tình hình ô nhiễm As ngày càng nặng, ở Việt Nam cũng như trên thế giới, yêu cầu xử lý As ngày càng cấp thiết. Cho đến nay, người ta đã biết có rấ t nhiều phương pháp để xử lý As như phương pháp kết tủa - lắng, phương pháp oxi hoá, phương pháp keo tụ - lắng, lọc, phương pháp trao đổi 1 ion, phương pháp hấp phụ, phương pháp màng lọc thẩm thấu ngược, phương pháp hoá sinh Đáng chú ý là phương pháp hấp phụ Asen lên các vật liệu như than hoạt tính, oxit sắt, oxít nhôm, các khoáng sét như: bentonit, diatonit [25], [30], [32]. Mỗi loại vật liệu có những đặc tính và chi phí khác nhau, hiệu suất xử lý cũng khác nhau. Cũng giống như nhiều tỉnh thành ở Việt Nam, Phú Thọ là một tỉnh có nền kinh tế chủ yếu dựa vào sản xuấ t nông nghiệp, song trong những năm gần đây để hội nhập với sự phát triển kinh tế của đất nước và thế giới, Phú Thọ đang thực hiện công cuộc công nghiệp hoá, hiện đại hoá và bước đầu đã đạt được những thành tựu đáng khích lệ. Nhưng cùng với sự phát triển về kinh tế, bên cạnh những nhà máy hoá chất, nhà máy ắc quy, nhà máy sản xuất phân bón, nhà máy giấy và những khu công nghiệp, Phú Th ọ đang phải đối mặt với những vấn đề về môi trường nghiêm trọng, đặc biệt là nguồn nước đang ngày càng bị nhiễm As nặng. Qua khảo sát của trung tâm quan trắc môi trường Tỉnh có rất nhiều nơi nguồn nước bị nhiễm asen nặng như huyện Tam Nông, Thanh Thuỷ, Cẩm Khê, Lâm Thao, Việt Trì có những nơi hàm lượng asen gấp từ 50 đến 60 lần theo tiêu chuẩn cho phép của Việt Nam nh ưng chưa có giải pháp xử lý triệt để. Trước những yêu cầu cấp thiết kể trên, kế thừa các kết quả trước đó [7], [8], [9], nhiệm vụ của đề tài này là tiến hành nghiên cứu chuyển hóa cao lanh (Dị Nậu) Phú Thọ thành vật liệu hấp phụ cỡ hạt micro(zeolit NaX), bằng cách chuyển cấu trúc lớp hai chiều thành cấu trúc không gian ba chiều, từ kiểu cấu trúc với các đơn vị cấ u trúc cơ bản là các bát diện nhôm và tứ diện silic thành kiểu cấu trúc với các đơn vị cấu trúc cơ bản là các tứ diện nhôm và tứ diện silic liên kết với nhau qua cầu nối oxy. Các quá trình này được tập trung thực hiện theo hướng đơn giản hóa quy trình, phù hợp với điều kiện Việt Nam. Tổng hợp zeolit NaX, nghiên cứu tính chất trao đổi cation và tính chất hấp 2 phụ của zeolit tổng hợp được, thử nghiệm ứng dụng sản phẩm để tách loại asen trong nước cấp dùng cho chế biến thực phẩm, làm cơ sở triển khai ứng dụng sản phẩm vào việc xử lý kim loại nặng nhất là xử lý asen có trong nước ở Phú Thọ. Hy vọng rằng, các kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần đề xuất thêm mộ t hướng ứng dụng thực tiễn của zeolit về xử lý kim loại trong nước, góp phần tạo ra môi trường nước sạch hơn cho cộng đồng dân cư và đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm tại những vùng ô nhiễm asen. * Mục tiêu của đề tài Nghiên cứu công nghệ sản xuất vật liệu Micro từ cao lanh Phú Thọ để xử lý nước cấp dùng cho chế biến thực phẩm. * Nộ i dung nghiên cứu của đề tài - Chọn nguyên liệu cao lanh tại Phú Thọ phù hợp cho quy trình sản xuất - Nghiên cứu xây dựng được quy trình công nghệ sản xuất vật liệu hấp phụ Micro. - Nghiên cứu xây dựng quy trình thử nghiệm sản phẩm để xử lý nước cấp dùng trong công nghiệp chế biến thực phẩm. - Biên soạn được bài thực hành phục vụ cho đào tạo. 3 PHẦN I TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. GIỚI THIỆU VỀ CAO LANH 1.1.1. Sơ lược về cao lanh. Cao lanh là loại khoáng sét tự nhiên ngậm nước, thành phần chính là khoáng vật kaolinit có cấu trúc 1:1 dạng diocta, chiếm khoảng 85-90% trọng lượng. Công thức hoá học của cao lanh là Al 2 O 3 .2SiO 2 .2H 2 O, công thức lí tưởng là Al 4 (Si 4 O 10 )(OH) 8 với hàm lượng SiO 2 = 46,54%; Al 2 O 3 = 39,5% và H 2 O = 13,9% trọng lượng [7]. Trong thực tế, thành phần lí tưởng này rất ít gặp vì ngoài ba thành phần chính kể trên, trong cao lanh thường xuyên có mặt Fe 2 O 3 , TiO 2 , MgO, CaO, K 2 O, Na 2 O với hàm lượng nhỏ. Ngoài ra còn có các khoáng khác như hydromica, halloysit, montmorillonit, felspar, rutil… nhưng hàm lượng chiếm tỷ lệ nhỏ. Kaolinit là khoáng vật chính trong cao lanh có cấu trúc lớp 1:1, bao gồm một mạng lưới tứ diện silic liên kết với một mạng lưới bát diện nhôm. Chiều dày một lớp cấu trúc từ 7,10 ÷ 7,21 Å. Mỗi lớp cấu trúc được phát triển liên tục trong không gian theo hướng trục a và b. Các lớp cấu trúc được xếp chồng song song với nhau và tự ng ắt quãng theo hướng trục c [36], [38] (Hình 1.1). Trong cấu trúc không gian của kaolinit, ở mạng bát diện cứ ba vị trí tâm bát diện thì có hai vị trí bị Al 3+ chiếm giữ còn một vị trí bị bỏ trống. Điều đó giúp phân biệt kaolinit thuộc phân nhóm diocta. Các tứ diện đều quay đỉnh chung về phía mạng bát diện. Ở vị trí đỉnh chung của mạng tứ diện và bát diện ion OH - của bát diện được thay bằng ion O 2- của tứ diện, nên mặt chứa những ion O 2- nằm cạnh mặt chứa những ion OH - [40]. Giữa hai mặt này xuất hiện một lực liên kết giữ chặt các lớp lại làm cho mạng tinh thể kaolinit ít bị di động, hấp phụ ít nước, không trương nở [7]. 4 Hình 1.1. Sơ đồ không gian mạng lưới cấu trúc của kaolinit. 1.1.2. Tính chất cơ bản của cao lanh. Ở dạng tinh khiết, khoáng vật chính trong cao lanh là kaolinit có màu trắng. Khi bị lẫn tạp chất nó có màu trắng xám hoặc màu vàng. Cũng như các loại khoáng sét khác, cao lanh có ba tính chất cơ bản cần được đề cập đến là tính chất trao đổi ion, tính chất hấp phụ và tính chất xúc tác. a. Tính chất trao đổ i ion Đại lượng đặc trưng cho dung lượng trao đổi được tính bằng mili đương lượng (meq) trên 1 gam hoặc 100 gam mẫu. Với cao lanh, quá trình trao đổi cation vào mạng tinh thể kaolinit thường được quan tâm nhiều hơn do khả năng ứng dụng rộng hơn so với trao đổi anion. Dung lượng trao đổi cation (CEC) của kaolinit thường từ 2 ÷ 10 meq/100 gam và phụ thuộc vào kích thước hạt cao lanh. c = 7,15 Å a c b - Oxy - OH - - Si - Al o 5 Dung lượng trao đổi ion của kaolinit thường phản ánh hai tính chất quan trọng đó là diện tích bề mặt và lượng điện tích trên diện tích bề mặt ấy. Bề mặt của kaolinit được chia thành bề mặt trong và bề mặt ngoài. CEC ở bề mặt ngoài phụ thuộc nhiều vào sự gãy liên kết và sự tăng khuyết tật bề mặt hay sự giảm kích thước hạt. CEC ở bề mặ t trong phản ánh toàn bộ điện tích âm chưa cân bằng trong mạng lưới cấu trúc và khả năng hấp phụ của kaolinit. Như vậy, dung lượng trao đổi ion nói chung và CEC nói riêng là tín hiệu cho biết số ion hoặc cation hấp phụ giữa các lớp trong cấu trúc và số ion hoặc cation hấp phụ lên bề mặt ngoài hoặc trong của kaolinit [3], [46]. CEC của kaolinit phụ thuộc vào pH của môi trường trao đổi và tăng dần từ môi trường axit đến môi trường ki ềm. Ngoài ra, CEC còn phụ thuộc vào bản chất các cation trao đổi. Có sự trao đổi cation trong kaolinit là do: + Sự phá vỡ liên kết trên bề mặt aluminosilicat làm tăng điện tích chưa bão hoà và cần được cân bằng bởi các cation. + Trong mạng lưới tinh thể kaolinit tồn tại các nhóm OH. Nguyên tử H trong nhóm này có thể bị thay thế bởi các cation có khả năng trao đổi. Một số nhóm OH - bao quanh bề mặt của kaolinit bị phá vỡ đã tạo điều kiện cho các nguyên tử H trong nhóm này thực hiện phản ứng trao đổi. + Sự thay thế đồng hình Si 4+ bằng Al 3+ trong mạng lưới tứ diện và Al 3+ bằng cation có hoá trị thấp hơn (thường là Mg 2+ ) trong mạng lưới bát diện làm xuất hiện điện tích âm trong mạng lưới cấu trúc dẫn đến sự trao đổi cation trong mạng lưới cấu trúc kaolinit. b. Tính chất hấp phụ. Do có diện tích bề mặt nhỏ, thường dao động trong khoảng từ 15÷20 m 2 /gam nên khả chất hấp phụ của kaolinit không cao. Với cấu trúc 1:1 làm [...]... trọng hơn cả là việc sử dụng cao lanh làm nguyên liệu cho tổng hợp zeolit [7], một vật liệu không thể thiếu trong các ngành công nghiệp phát triển như hiện nay, nhất là trong ngành công nghệ lọc hóa dầu và làm vật liệu hấp phụ để xử lý các ion kim loại nặng có trong nước * Nguồn cao lanh ở Phú Thọ Nguồn nguyên liệu khoáng cao lanh ở tỉnh Phú Thọ khá phong phú, cao lanh xuất hiện ở hầu hết các huyện... tỉnh Phú Thọ nói riêng, đề tài này sử dụng zeolit NaX được tổng hợp từ cao lanh Phú Thọ làm vật liệu hấp phụ để xử lý As trong nước, tiến đến có thể sử dụng zeolit NaX xử lý nước nhiễm As tại những vùng bị ô nhiễm 31 PHẦN II NGUYÊN LIỆU vµ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 NGUYÊN LIỆU VÀ HÓA CHẤT TỔNG HỢP VẬT LIỆU HẤP PHỤ 2.1.1 Nghiên cứu chọn và sơ chế nguyên liệu 2.1.1.1 Thành phần hóa học của cao lanh. .. Trong công nghiệp giấy người ta sử dụng cao lanh để làm chất độn để tăng độ trắng, tăng khả năng bắt mực với giấy in, làm cho mặt giấy có độ mịn cao Trong các ngành mỹ phẩm, dược phẩm và đồ uống thì cao lanh dưới dạng bột được dùng rộng rãi trong sản xuất kem đánh răng, kem xoa, làm tá dược cho các loại thuốc mỡ Cao lanh cũng có thể được dùng để hút độc tố, nọc rắn, vi khuẩn để giải độc, trong sản xuất. .. sỏi trong bê tông Cao lanh còn có tác dụng làm chất độn trong nhiều sản phẩm từ cao su, trong ngành sản xuất gốm sứ, sản xuất sợi thuỷ tinh, sản xuất các vật liệu cách điện, cách nhiệt Do cao lanh không độc nên nó đóng vai trò làm chất độn trơ hay chất mang các thành phần hoạt động trong ngành sản xuất thuốc viên 7 Trong khai thác dầu mỏ thì cao lanh còn một trong những thành phần để pha vào dung dịch... chưa được xử lý ở nhiệt độ cao trong dung dịch kiềm thì quá trình chuyển hoá cấu trúc rất khó khăn, sản phẩm thu được thường là feldspar ngậm nước hoặc là hydroxysodalit Do đó, khi tổng hợp zeolit từ cao lanh thường phải trải qua giai đoạn xử lý nhiệt ở 600oC để cao lanh chuyển về dạng metacaolanh: 600 ÷ 700oC 2Al2Si2O5(OH)4 2Al2Si2O7 + H2O Sau khi nung ở nhiệt độ cao, cao lanh trở thành các pha khuyết... đó, nghiên cứu chuyển hoá cao lanh thành zeolit nói chung và zeolit X nói riêng là vấn đề rất có ý nghĩa cả về mặt lí thuyết và thực tiễn [31], [43], [46] 1.1.3 Ứng dụng của cao lanh Cao lanh có nhiều ứng dụng trong thực tế Ngay từ những thời cổ xưa người ta đã biết dùng khoáng sét vào đời sống thực tiễn; như vận dụng làm đồ sinh hoạt gốm sứ, gạch xây, hoa văn trang trí… Trong công nghiệp chế biến. .. tấn Đây là một nguồn nguyên liệu rẻ tiền, dễ khai thác cho nhiều ngành công nghiệp, nhưng hiện tại nguồn nguyên liệu này mới chỉ sử dụng không nhiều phục vụ một số lĩnh vực sản xuất, tạo ra giá trị chưa cao 8 Cao lanh (Dị Nậu) Phú Thọ là một loại khoáng sét tự nhiên ngậm nước mà thành phần chính là kaonilit, có công thức hóa học đơn giản là Al2O3.2SiO2 2H2O, công thức lý tưởng là Al4(Si4O10)(OH)8... LIỆU HẤP PHỤ 2.1.1 Nghiên cứu chọn và sơ chế nguyên liệu 2.1.1.1 Thành phần hóa học của cao lanh (Dị Nậu) Phú Thọ Nguyên liệu được sử dụng để tổng hợp vật liệu hấp phụ (zeolit X) là cao lanh ( Dị Nậu) Phú Thọ Đây là loại cao lanh phổ biến, có trữ lượng lớn, và có thành phần kaonilit cao nên thuận lợi cho việc tổng hợp Zeolit Thành phần hóa học của kaonilit có ảnh hưởng lớn đến cấu trúc, tính chất và khả... giải độc, trong sản xuất đồ uống người ta còn dùng bột Cao lanh để tẩy mùi và khử độc [4], [12] Trong các nhà máy điện nguyên tử, cao lanh được sử dụng để khử các chất thải phóng xạ Một ứng dụng khá phổ biến của cao lanh nữa là làm phụ gia cho sơn, cao su, luyện kim…Trong sơn người ta có thể pha tới 0,2 - 1 (Kg/l) Khi sử dụng các phụ gia này làm cho sơn, cao su có nhiều đặc tính quý và hiệu quả kinh... cát phủ MnO2, hạt nhựa trao đổi ion và các vật liệu xenllulo như mùn cưa, bột giấy + Phương pháp lọc: Được sử dụng để tách các chất rắn ra khỏi nước bằng cách cho nước thô đi qua khối vật liệu lọc bằng cát, than hoạt tính, vải lọc, cát thạch anh Những vật liệu này có tác dụng cho nước đi qua và giữ các chất bẩn như: bùn, sét, các hạt thể keo, các hạt nhỏ từ các chất hữu cơ trong tự nhiên, các hợp . toàn thực phẩm tại những vùng ô nhiễm asen. * Mục tiêu của đề tài Nghiên cứu công nghệ sản xuất vật liệu Micro từ cao lanh Phú Thọ để xử lý nước cấp dùng cho chế biến thực phẩm. * Nộ i dung nghiên. cấp bộ đề tài R&D Tên đề tài: Nghiên cứu công nghệ sản xuất vật liệu micro từ cao lanh phú thọ để xử lý nớc cấp dùng cho chế biến thực phẩm Chủ nhiệm đề tài: Th.s Hà Thị. sản xuất vật liệu micro từ cao lanh phú thọ để xử lý nớc cấp dùng cho chế biến thực phẩm Chủ nhiệm đề tài: Hà Thị Lan Anh Cơ quan chủ trì: Trờng Cao đẳng Công nghiệp Thực phẩm