(Luận Văn Thạc Sĩ) Nghiên Cứu Chế Tạo Than Hoạt Tính Từ Quả Phượng Và Ứng Dụng Trong Xử Lý Nước Thải

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI ĐỐ THỊ THI NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THAN HOẠT TÍNH TỪ QUẢ PHƢỢNG VÀ ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƢỚC THẢI LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI, NĂM 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI ĐỖ THỊ THI NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THAN HOẠT TÍNH TỪ QUẢ PHƢỢNG VÀ ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƢỚC THẢI Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trƣờng Mã số: 8520320 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS Nguyễn Hoài Nam HÀ NỘI, NĂM 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ phƣợng ứng dụng xử lý nƣớc thải” nghiên cứu thân thực dƣới dự hƣớng dẫn TS Nguyễn Hoài Nam Các kết nghiên cứu kết luận luận văn trung thực, không chép từ nguồn dƣới hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu (nếu có) đƣợc thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giả luận văn Đỗ Thị Thi i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, với lịng biết ơn kính trọng sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Hoài Nam, giảng viên khoa Kỹ thuật môi trƣờng, trƣờng đại học Thủy Lợi giúp đỡ định hƣớng nghiên cứu, tận tình giúp đỡ em suốt trình thực đề tài, cảm ơn cô dành nhiều thời gian tâm huyết hƣớng dẫn góp ý để em hoàn thành đề tài Xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu Trƣờng Đại học Thủy Lợi thầy cô giảng viên khoa Kỹ thuật môi trƣờng cho phép tạo điều kiện để em thực đề tài Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình, bạn bè ngƣời thân quan tâm động viên đóng góp ý kiến giúp đỡ em hồn thành đề tài nghiên cứu Một lần em xin chân thành cảm ơn! Tác giả luận văn Đỗ Thị Thi ii MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu đề tài Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu .2 Cách tiếp cận phƣơng pháp nghiên cứu Cấu trúc luận văn CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan than hoạt tính .4 1.1.1 Than hoạt tính 1.1.2 Cấu trúc than hoạt tính 1.1.3 Chế tạo than hoạt tính 1.1.4 Biến tính than hoạt tính .10 1.1.5 Ứng dụng than hoạt tính .12 1.2 Tổng quan phƣơng pháp hấp phụ 14 1.2.1 Hiện tƣợng hấp phụ .14 1.2.2 Lý thuyết hấp phụ 15 1.2.3 Kỹ thuật hấp phụ 17 1.2.4 Các phƣơng trình đẳng nhiệt hấp phụ 21 1.3 Giới thiệu vật liệu hấp phụ 25 1.3.1 Nguồn gốc, cấu tạo, đặc điểm dinh dƣỡng phƣợng vĩ 25 1.3.2 Đặc tính vật liệu lignocellulose 27 1.3.3 Cơ sở lý thuyết phƣơng pháp sử dụng vật liệu lignocellulose làm vật liệu hấp phụ 28 1.3.4 Các nghiên cứu ứng dụng chế tạo than hoạt tính từ vật liệu chứa lignocellulose .29 1.4 Giới thiệu xanh metylen 30 1.5 Một số hƣớng nghiên cứu hấp phụ xanh methylen Cu(II) 32 CHƢƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 34 2.1 Hóa chất thiết bị 34 2.1.1 Hóa chất sử dụng 34 2.1.2 Dụng cụ thiết bị thí nghiệm 34 2.2 Chế tạo than từ phƣợng 35 2.2.1 Phƣơng pháp chế tạo than từ phƣợng 35 2.3 Khảo sát yếu tố ảnh hƣởng tới khả tạo thành than 36 2.3.1 Ảnh hƣởng thời gian ngâm hóa chất .36 2.3.2 Ảnh hƣởng nhiệt độ nung .37 2.3.3 Ảnh hƣởng nồng độ hóa chất 37 2.4 Phân tích đánh giá đặc trƣng than .38 2.4.1 Xác định hình thái học bề mặt .38 iii 2.4.2 Xác định diện tích bề mặt riêng 38 2.4.3 Xác định thành phần nguyên tố 40 2.4.4 Phƣơng pháp quang phổ hồng ngoại 40 2.5 Nghiên cứu yếu tố ảnh hƣởng đến trình hấp phụ 41 2.6 Phƣơng pháp phân tích trắc quang 42 2.6.1 Cơ sở phƣơng pháp phân tích trắc quang 43 2.6.2 Phƣơng pháp định lƣợng trắc quang 44 2.7 Phân tích hàm lƣợng Cu nƣớc phƣơng pháp chuẩn độ 44 2.8 Chế tạo mơ hình thực nghiệm 46 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 50 3.1 Kết khảo sát yếu tố ảnh hƣởng tới khả tạo than 50 3.1.1 Khảo sát thời gian ngâm hóa chất 50 3.1.2 Khảo sát nhiệt độ nung than 53 3.1.3 Khảo sát thời gian ngâm 57 3.2 Kết đánh giá đặc trƣng than 60 3.2.1 Hình thái bề mặt (SEM) 61 3.2.2 Diện tích bề mặt riêng vật liệu BET 62 3.2.3 Thành phần nguyên tố kỹ thuật tán xạ lƣợng tia X (EDX) 63 3.2.4 Phân tích phổ hồng ngoại 65 3.3 Đánh giá yếu tố ảnh hƣởng tới trình hấp phụ xanh metylen 68 3.3.1 Đƣờng chuẩn dung dịch xanh metylen 68 3.3.2 Ảnh hƣởng thời gian tiếp xúc tới trình hấp phụ 68 3.3.3 Ảnh hƣởng khối lƣợng vật liệu hấp phụ 69 3.3.4 Ảnh hƣởng nồng độ ban đầu chất bị hấp phụ 70 3.3.5 Ảnh hƣởng pH 72 3.4 Xây dựng đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ 72 3.4.1 Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ mẫu than hoạt hóa H3PO4 73 3.4.2 Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ mẫu than hoạt hóa KOH 75 3.5 Đánh giá yếu tố ảnh hƣởng tới trình hấp phụ đồng (II) 77 3.5.1 Ảnh hƣởng thời gian tiếp xúc 77 3.5.2 Ảnh hƣởng nồng độ Cu đầu vào 78 3.5.3 Ảnh hƣởng khối lƣợng than 79 3.5.4 Xây dựng đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ 81 3.6 Nghiên cứu xử lý mơ hình dòng chảy liên tục 83 3.6.1 Ảnh hƣởng tốc độ dòng chảy 83 3.6.2 Ảnh hƣởng chiều cao lớp vật liệu 84 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 85 1.1 Kết luận 85 1.2 Kiến nghị 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO 88 iv DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Mơ hình cột hấp phụ .18 Hình 1.2 Dạng đồ thị đƣờng cong q trình hấp phụ 19 Hình 1.3 Quá trình chuyển khối cột hấp phụ [12] .20 Hình 1.4 Đƣờng đẳng nhiệt Frenundrich .22 Hình 1.5 Đồ thị phụ thuộc lgq logCf 22 Hình 1.6 Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir 24 Hình 1.7 Đồ thị phụ thuộc 24 Hình 1.8 Cây phƣợng vĩ 25 Hình 1.9 Quả phƣợng xanh .26 Hình 1.10 Quả phƣợng già 26 Hình 2.1 Một số thiết bị thí nghiệm 35 Hình 2.2 Quả phƣợng sau đƣợc rửa 36 Hình 2.3 Quả phƣợng sau nung .36 Hình 2.4 Hình ảnh đồ thị đƣờng BET 39 Hình 2.5 Mơ hình thực nghiệm .48 Hình 2.6 Mơ hình thí nghiệm với đồng (II) xanh metylen .49 Hình 3.1 Ảnh mẫu than đƣợc chế tạo sau ngâm với H3PO410% 50 Hình 3.2 Ảnh mẫu than đƣợc chế tạo sau ngâm với KOH 10% .51 Hình 3.3 Dung lƣợng hấp phụ VLHP với thời gian ngâm hóa chất khác 52 Hình 3.4 So sánh dung lƣợng hấp phụ mẫu than ngâm KOH H3PO4 .53 Hình 3.5 Mẫu than đƣợc nung 200°C 54 Hình 3.6 Mẫu than đƣợc nung 250°C 54 Hình 3.7 Mẫu than đƣợc nung 300°C .55 Hình 3.8 Mẫu than đƣợc nung 350°C 55 Hình 3.9 Mẫu than đƣợc nung 400°C 56 Hình 3.10 Dung lƣợng hấp phụ mẫu than với nhiệt độ nung khác 57 Hình 3.11 Các mẫu than ngâm với H3PO415% với thời gian khác 58 Hình 3.12 Các mẫu than ngâm với H3PO4 20% với thời gian khác .58 Hình 3.13 Mẫu than ngâm với KOH 15% với thời gian khác 59 Hình 3.14 Dung lƣợng hấp phụ mẫu than ngâm H3PO4 nồng độ khác .60 Hình 3.15 Mẫu than chƣa hoạt hóa .61 Hình 3.16 Mẫu than đƣợc ngâm với H3PO4 61 Hình 3.17 Mẫu than đƣợc ngâm KOH 61 Hình 3.18 Phổ phân tích EDX than hoạt tính biến tính KOH 10% 64 Hình 3.19 Phổ phân tích EDX than hoạt tính biến tính H3PO4 10% 65 Hình 3.20 Mẫu H3PO4 trƣớc hấp phụ MB 65 Hình 3.21 Mẫu H3PO4 sau hấp phụ MB 66 Hình 3.22 Mẫu KOH trƣớc hấp phụ MB 66 Hình 3.23 Mẫu KOH sau hấp phụ MB 67 v Hình 3.24 Mẫu KOH sau hấp phụ Cu 67 Hình 3.25 Đƣờng chuẩn dung dịch xanh metylen 68 Hình 3.26 Ảnh hƣởng thời gian tiếp xúc đến dung lƣợng hấp phụ 69 Hình 3.27 Dung lƣợng hấp phụ với khối lƣợng VLHP khác 70 Hình 3.28 Dung lƣợng hấp phụ theo thời gian mẫu H3PO4 71 Hình 3.29 Dung lƣợng hấp phụ theo thời gian mẫu KOH 71 Hình 3.30 Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng pH đến dung lƣợng hấp phụ VLHP 72 Hình 3.31 Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir 73 Hình 3.32 Sự phụ thuộc Ccb/q vào Ccb 73 Hình 3.33 Sự phụ thuộc lg q vào lg Ccb 74 Hình 3.34 Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir 75 Hình 3.35 Sự phụ thuộc Ccb/q vào Ccb 76 Hình 3.36 Sự phụ thuộc lg q vào lg Ccb 76 Hình 3.37 Biến thiên nồng độ Cu theo thời gian 78 Hình 3.38 Dung lƣợng hấp phụ Cu với nồng độ khác 79 Hình 3.39 Dung lƣợng hấp phụ VLHP với khối lƣợng than khác 80 Hình 3.40 Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir 81 Hình 3.41 Sự phụ thuộc Ccb Ccb/q 81 Hình 3.42 Sự phụ thuộc lgCcb lgq 82 Hình 3.43 Đƣờng cong MB với tốc độ dòng chảy khác 83 Hình 3.44 Đƣờng cong Cu với tốc độ dòng chảy khác 84 Hình 3.45 Đƣờng cong dung dịch MB với chiều cao VLHP khác 85 Hình 3.46 Đƣờng cong thoát Cu với chiều cao VLHP khác 85 vi DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Một số đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ thông dụng 21 Bảng 1.2 Thành phần phƣợng vĩ 26 Bảng 2.1 Thơng số thí nghiệm khảo sát ảnh hƣởng thời gian ngâm hóa chất 36 Bảng 2.2 Các thơng số thí nghiệm khảo sát nhiệt độ nung than 37 Bảng 2.3 Thơng số khảo sát nồng độ hóa chất ngâm mẫu 37 Bảng 2.4 Các điều kiện tối ƣu 38 Bảng 2.5 Thông số đầu vào thí nghiệm khảo sát ảnh hƣởng thời gian tiếp xúc tới trình hấp phụ 41 Bảng 2.6 Thơng số đầu vào thí nghiệm khảo sát ảnh hƣởng nồng độ MB ban đầu tới trình hấp phụ 41 Bảng 2.7 Thơng số đầu vào thí nghiệm khảo sát ảnh hƣởng khối lƣợng VLHP tới trình hấp phụ 42 Bảng 2.8 Thông số đầu vào thí nghiệm khảo sát ảnh hƣởng pH tới trình hấp phụ .42 Bảng 3.1 Dung lƣợng hấp phụ mẫu than với nhiệt độ nung khác 56 Bảng 3.2 Dung lƣợng hấp phụ mẫu than ngâm H3PO4 nồng độ khác 59 Bảng 3.3 Kết đo kích thƣớc diện tích bề mặt kích thƣớc lỗ rỗng mẫu than .62 Bảng 3.4 Kích thƣớc diện tích bề mặt kích thƣớc lỗ rỗng 63 Bảng 3.5 Thành phần phần trăm khối lƣợng ngun tử có mẫu than biến tính H3PO4 63 Bảng 3.6 Thành phần phần trăm khối lƣợng nguyên tử có mẫu than biến tính KOH .64 Bảng 3.7 Dung lƣợng hấp phụ cực đại số hấp phụ langmuir 74 Bảng 3.8 Hằng số hấp phụ Freundlich 75 Bảng 3.9 Dung lƣợng hấp phụ cực đại số hấp phụ langmuir 76 Bảng 3.10 Hằng số hấp phụ Freundlich 77 Bảng 3.11 Dung lƣợng hấp phụ cực đại số hấp phụ langmuir 82 Bảng 3.12 Hằng số hấp phụ Freundlich 82 vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT MB xanh metylen VLHP vật liệu hấp phụ viii