o0o
LÊ QUANG SANG
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU XÚC TÁC TRÊN NỀN SẮT TỪ BÙN THẢI NHÀ MÁY CẤP NƯỚC VÀ ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM
(Development of catalyst based on iron-containing sludge of water supply plant and its application for textile wastewater treatment)
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Môi Trường Mã số: 8520320
LUẬN VĂN THẠC SỸ
Trang 2TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Trần Nguyễn Hải………………………………
PGS.TS Nguyễn Nhật Huy…………………………
Cán bộ nhận xét 1: …… ….PGS.TS Đinh Thị Nga…………… …………………
Cán bộ nhận xét 2:…….… PGS.TS Bùi Mạnh Hà…………… … ……………
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM ngày …29….tháng …07….năm …2023… Thành phần hội đồng đánh giá Luận văn thạc sỹ gồm: 1 Chủ tịch hội đồng:… …GS.TS Nguyễn Văn Phước………………….… …
2 Thư ký:…………… .TS Phan Thanh Lâm……….…….…………………
3 Phản biện 1:……………PGS.TS Đinh Thị Nga……….………………………
4 Phản biện 2:……………PGS.TS Bùi Mạnh Hà…………………….…………
5 Ủy viên:……………… PGS.TS Nguyễn Trung Thành… …………………
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận Văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
GS TS Nguyễn Văn Phước
TRƯỞNG KHOA
MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN
Trang 3ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SỸ
Họ tên học viên: Lê Quang Sang Ngày, tháng, năm sinh: 02/05/1997 Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường
Mã số học viên: 2070177 Nơi sinh: An Giang Mã số: 8520320
I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu chế tạo vật liệu xúc tác trên nền sắt từ bùn thải nhà
máy cấp nước và ứng dụng trong xử lý nước thải dệt nhuộm
Tên đề tài tiếng Anh: Development of catalyst based on iron-containing sludge of water supply plant and its application for textile wastewater treatment
II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Nghiên cứu bao gồm những nội dung sau:
Giai đoạn 1: Chế tạo và thử nghiệm vật liệu xúc tác oxite sắt là bùn nung (300ºC)
kết hợp Peroxydisulfate (K2S2O8) trên nước thải dệt nhuộm tại một Cụm công nghiệp dệt may ở TP.HCM và phân tích các chỉ số tối ưu đặc trưng cho hệ
Giai đoạn 2: Biến tính bùn nước ngầm sau nung chứa Fe với Mg (MgSO47H2O) thành vật liệu (Fe/Mg) kết hợp Peroxydisulfate (K2S2O8) trên giả thải Methyl blue (MB) và phân tích các chỉ số tối ưu đặc trưng cho hệ
Giai đoạn 3: Vận hành mơ hình xử lý ô nhiễm với vật liệu (Fe/Mg) kết hợp
Peroxydisulfate (K2S2O8) dựa trên bộ thông số tối ưu cho đa dạng nguồn thải từ nhiều nhà máy dệt nhuộm khác nhau
III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ghi theo QĐ giao đề tài): 06/02/2023
Trang 4CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)
TS Trần Nguyễn Hải PGS.TS Nguyễn Nhật Huy
TP HCM, ngày 19 tháng 08 năm 2023
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)
PGS.TS Đặng Vũ Bích Hạnh
TRƯỞNG KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN
(Họ tên và chữ ký)
Trang 5LỜI CẢM ƠN
Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến Trường Đại Học Bách Khoa TP HCM và Khoa Môi Trường và Tài Nguyên đã tạo môi trường học tập, nghiên cứu và trang thiết bị phịng thí nghiệm cho em trong suốt khoảng thời gian học tập tại Trường
Xin chân thành cảm ơn Thầy TS Trần Nguyễn Hải và Thầy PGS.TS Nguyễn Nhật Huy đã đồng hành, hướng dẫn và chia sẻ những kinh nghiệm bổ ích cho em trong quá trình tìm hiểu và thực hiện đề tài Bằng kiến thức chuyên môn của quý Thầy đã chia sẻ là những bài học vô giá và là nền tảng vững chắc để em bước tiếp con đường học tập và làm việc trong tương lai Với tư duy tích cực, ngọn lửa nhiệt huyết và đam mê trong nghiên cứu khoa học của quý Thầy đã tạo động lực lớn lao để em vững tin vào giá trị của nghiên cứu khoa học, của lĩnh vực chun mơn và từ đó sẽ ln phân đấu để cống hiến hết sức mình vì khoa học và vì sáng kiến góp phần bảo vệ mơi trường
Xin chân thành cảm ơn quý doanh nghiệp, các Anh/Chị/Em đồng nghiệp trong lĩnh vực Môi trường đã hỗ trợ thu thập mẫu nước thải thực tế từ nhiều nơi khác nhau để đề tài được diễn ra minh bạch và đảm bảo tiến độ thực nghiệm
Xin chân thành cảm ơn các bạn học viên, sinh viên đã hỗ trợ tìm hiểu và sử dụng thiết bị tại phịng thí nghiệm 710 (Đại Học Bách Khoa, cở sở Dĩ An, Bình Dương), bằng những kiến thức thực nghiệm và kỹ năng chuyên môn đã giúp đề tài được diễn ra nhanh hơn và kịp thời khác phục các sự cố trong q trình triển khai thí nghiệm
TP HỒ CHÍ MINH, ngày 19 tháng…08 năm…2023.… (Họ tên và chữ ký)
Trang 6TÓM TẮT
Bùn nước ngầm chứa (Fe và Mn) được nung theo dãy nhiệt độ (200, 300, 400, 500, 600, 700ºC) để khảo sát xử lý ô nhiễm màu và COD trong nước thải (NT) dệt nhuộm.Vật liệu nung ở 300ºC (Bun-300/NT) có hiệu quả hấp phụ ơ nhiễm cao nhất, trong khi hoạt tính oxy hóa peroxydisulfate (PDS) với liều lượng (0,554 mM/NT; xúc tác đồng thể) chưa cao Mô hình giả lập được thiết kế với bùn (0,5 g/L; 300ºC) và PDS (0,554 mM) ở pH (3,0) cho kết quả khả quan và có lợi cho việc loại bỏ ô nhiễm (xúc tác dị thể) Các thí nghiệm chọn lọc thông số tối ưu được tiến hành ở các ngưỡng pH (1,0 - 4,0); nồng độ PDS (0,0 - 1,11 mM); nồng độ COD đầu vào (33,3 - 230,9
mg/L); tỷ lệ rắn/lỏng m/V (0,0 - 4,0 g/L) Kết quả khảo sát cho thấy tại pH (3,0; %H = 92,3 và 63,9); PDS (0,69 mM; %H = 93,3 và 67,1); m/V (2,0 g/L; %H = 92,0 và
67,5) có hiệu suất loại bỏ màu và COD tối ưu nhất sau 90 phút phản ứng Nồng độ ô nhiễm tỷ lệ nghịch với hệ số pha loãng và tốc độ loại bỏ Với các kết quả ban đầu này cho thấy tiềm năng tái sử dụng bùn và khả năng kết hợp đồng xử lý với PDS Tuy nhiên, cần phải có giải pháp biến tính vật liệu để tối ưu hóa q trình xử lý
Khảo sát trên giả thải Methylene blue (MB) đối với vật liệu đã qua cải biến bằng cách nung theo dãy nhiệt độ (200, 300, 400, 500, 600, 700ºC) sau đó bổ sung Mg2+
(MgSO47H2O) theo dãy tỷ lệ (1:0,2; 1:0,5; 1:1; 1:1,5; 1:2) cho thấy (Bun-200/MB) và (Bun-200; 1:0,2/MB) có hiệu quả loại bỏ cao nhất Các khảo sát năng lực hấp phụ của bùn và oxy hóa của PDS trên MB cũng cho kết quả đồng xử lý theo hướng có lợi Các thí nghiệm khảo sát thơng số tối ưu ở các ngưỡng pH (1,0 - 6,0); nồng độ PDS
(0,0 - 1,11 mM); nồng độ ô nhiễm (14,7 - 500 ppm); m/V (1,0 - 4,0 g/L) chỉ ra rằng
Trang 7bùn nước ngầm và vật liệu biến tính đều cho kết quả khả quan trong việc loại bỏ ô nhiễm màu và COD Phạm vi khảo sát được mở rộng không chỉ đối với phẩm nhuộm hữu cơ mà còn là nước thải từ nhiều nhà máy Kết quả đánh giá được tổng quan hơn cho cả phẩm màu axit và bazơ
Trang 8ABSTRACT
Groundwater sludge containing (Fe and Mn) was calcined in a range of temperatures (200, 300, 400, 500, 600, 700ºC) to investigate and treat color and COD pollution in textile dyeing wastewater (Ww) At 300ºC (Bun-300/Ww) had the highest pollutant adsorption efficiency, while peroxydisulfate (PDS) oxidizing activity at a dose (0.554 mM/Ww; homogeneous catalysis) was not high The simulation model designed with sludge (0.5 g/L; 300ºC) and PDS (0.554 mM) at pH (3.0) gave positive results, beneficial for the removal of pollution (heterogeneous catalysis) Optimal parameter selection experiments were conducted at pH ranges (1.0 - 4.0); PDS concentration (0.0 - 1.11 mM); COD input concentration (33.3 -
230.9 mg/L); solid/liquid ratio m/V (0.0 - 4.0 g/L) Optimal parameter selection
experiments were conducted at pH ranges (1.0 - 4.0); PDS concentration (0.0 - 1.11
mM); COD input concentration (33.3 - 230.9 mg/L); solid/liquid ratio m/V (0.0 - 4.0
g/L) The survey results show that at pH (3.0; %H = 92.3 and 63.9); PDS (0.69 mM;
%H = 93.3 and 67.1); m/V (2.0 g/L; %H = 92.0 and 67.5) has the best COD and color
removal efficiency after 90 minutes of reaction Contaminant concentration is inversely proportional to the dilution factor and removal rate These preliminary results suggest the potential for sludge reuse and the possibility of combining co-treatment with PDS However, it is necessary to have a solution to modify the material to optimize the processing
Survey on the Methylene blue (MB) for materials that have been modified by heating according to the temperature range (200, 300, 400, 500, 600, 700ºC) and then adding Mg2+ (MgSO47H2O) in ratios sery (1:0.2; 1:0.5; 1:1; 1:1.5; 1:2) shows (Bun-200/MB) and (Bun-200; 1:0.2/MB) has the highest removal efficiency Investigations on the adsorption capacity of sludge and oxidation of PDS on MB also showed beneficial co-treatment results Experiments investigate optimal parameters at pH (1.0 - 6.0); PDS concentration (0.0 - 1.11 mM); pollution concentration (14.7 - 500
Trang 9had the most optimal COD and color removal efficiency after 120 min of reaction The lower the contaminant concentration (ppm), the faster the treatment speed and time Experiments run optimization parameters on MB (%H = 99.9 and 98.6), Rhodamine B (RhB; H% = 75.0 and 75.0), Tartrazine (Ttz; %H = 59.0 and 55.8) and wastewater from factory 1 (%H = 98 and 94.2), factory 2 (%H = 71 and 60.6), and factory 3 (%H = 76.0 and 50.9) all have the same efficiency (%H > 50) for both criteria Thus, groundwater sludge and modified materials both give positive results in removing color and COD pollution The scope of the survey was extended not only to organic dyes but also to wastewater from many factories The evaluation results are more general for both acid and basic dyes
Keywords: Advanced oxidation process; adsorption; colour; chemical oxygen
Trang 10LỜI CAM ĐOAN
Tôi tên: Lê Quang Sang là Học viên Cao học khóa 2020 (mã số học viên là 2070177), chuyên ngành Kỹ thuật Môi trường
Tôi xin cam đoan:
Đề tài được thực hiện tại Đại Học Bách Khoa TP HCM - Cơ sở Dĩ An, Bình Dương Đây là đề tài do chính tơi thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy TS Trần Nguyễn Hải và PGS.TS Nguyễn Nhật Huy Đồng thời có sự giúp đỡ và hỗ trợ của các bạn học viên, sinh viên trong việc hướng dẫn sử dụng thiết bị và hóa chất
Các hình ảnh, số liệu và thơng tin tham khảo là do chính bản thân tơi thu thập và phân tích Kết quả phân tích đã được giáo viên hướng dẫn kiểm duyệt và công nhận qua nhiều lần vận hành mẫu lập, mẫu đối chứng cho các kết quả Các biểu đồ, bảng biểu thống kê được thiết lập từ số liệu thực nghiệm
Mẫu nước thải dệt nhuộm từ các Công ty khác nhau phục vụ quá trình nghiên cứu là nước thải thực tế, lấy trực tiếp từ các đơn vị sản xuất và được bảo quản theo khuyến cáo để đảm bảo độ chính xác và đáng tin cậy cho cơ sở dữ liệu của đề tài
Q trình viết và cơng bố báo cáo khoa học là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn tận tình của Thầy TS Trần Nguyễn Hải và đã được Hội đồng khoa học của Tạp chí Khoa học và Cơng nghệ Đại học Duy Tân thông qua và chấp nhận đăng vào số 3 (58), xuất bản vào tháng 06 năm 2023
TP HỒ CHÍ MINH, ngày 19 tháng 07 năm…2023… (Họ và tên học viên)
Trang 11MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1
1.1 Đặt vấn đề 1
1.2 Mục tiêu nghiên cứu 3
1.3 Nội dung nghiên cứu 3
1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4
1.4.1 Đối tượng nghiên cứu 4
1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 4
1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 4
1.5.1 Tính mới của đề tài 4
1.5.2 Ý nghĩa khoa học 5
1.5.3 Ý nghĩa thực tiễn 5
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 6
2.1 Ô nhiễm hữu cơ và màu phát sinh từ nước thải dệt nhuộm 6
2.2 Công nghệ xử lý nước thải dệt nhuộm phổ biến hiện nay 7
2.3 Cơng nghệ xử lý ơ nhiễm dựa trên q trình oxy hóa nâng cao AOPs 10
2.3.1 Cơ chế và khả năng ứng dụng trong xử lý nước thải dệt nhuộm 10
2.3.2 Đặc tính K2S2O8 và cơ chế xử lý ô nhiễm 11
2.3.3 Các ưu điểm của PDS so với các tác nhân oxy hóa khác 13
2.4 Tình hình khai thác nước ngầm và đặc tính bùn thải ở Vũng Tàu 14
2.5 Đặc tính bùn thải nhà máy nước ngầm và vật liệu từ bùn thải nước ngầm 15
Trang 122.6.2 Nghiên cứu trong nước 18
2.7 Phương pháp chế tạo vật liệu xúc tác 20
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 22
3.1 Quy trình nghiên cứu 22
3.2 Vật liệu và hóa chất 23
3.3 Quy trình chế tạo vật liệu bùn sấy khơ, bùn nung và bùn biến tính 25
3.3.1 Quy trình chế tạo vật liệu bùn sấy khơ 25
3.3.2 Quy trình chế tạo vật liệu bùn nung 26
3.3.3 Quy trình pha chế và xây dựng đường chuẩn cho các mẫu giả thải 27
3.3.4 Quy trình thu thập và tiền xử lý mẫu giả thải 28
3.4 Phương pháp phân tích mẫu nước và vật liệu 28
3.4.1 Phương pháp phân tích mẫu nước 28
3.4.2 Phương pháp phân tích đặc tính vật liệu 30
3.5 Các thí nghiệm xử lý ơ nhiễm màu trong nước thải và nước 30
3.5.1 Quy trình chế tạo vật liệu bùn nung biến tính với Mg 31
3.5.2 Thí nghiệm xử lý ơ nhiễm trong điều kiện nước thải thực tế 32
3.5.3 Thí nghiệm xử lý ơ nhiễm trong điều kiện nước thải thực tế 33
3.6 Phương pháp tính tốn và xử lý số liệu 34
3.6.1 Cơ sở khoa học tính tốn 34
3.6.2 Xử lý số liệu và đồ thị 37
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 38
4.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến đặc tính xử lý ơ nhiễm hữu cơ của bùn 38
Trang 134.2.1 Khảo sát ảnh hưởng pH đến hiệu quả xử lý độ màu và COD 41
4.2.2 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ chất hoạt hóa [PDS] đến hiệu quả xử lý độ màu và COD 43
4.2.3 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ COD và độ màu đến hiệu quả xử lý 44
4.2.4 Khảo sát ảnh hưởng liều lượng vật liệu đến hiệu quả xử lý độ màu và COD 46
4.2.5 Đánh giá hiệu quả hấp phụ, oxy hóa (dựa vào PDS) và xúc tác dị thể trong việc xử lý độ màu và COD trong nước thải dệt nhuộm 48
4.3 Ảnh hưởng của việc bổ sung muối MgSO4 đến đặc tính xử lý ơ nhiễm hữu cơ của bùn thải nung biến tính (hay bùn biến tính với Mg) 50
4.4 Đánh giá q trình xử lý màu methylene blue trên vật liệu Bun-200(1/0,2) 53
4.5 So sánh hiệu quả xử lý màu Methylene blue, Rhodamine B và Tartrazine bởi Bun-200(1/0,2) 56
4.6 So sánh hiệu quả xử lý độ màu và COD ở nước thải từ ba nhà máy bởi mẫu bùn biến tính Bun-200(1/0,2) 58
4.7 Kết quả đặc tính vật liệu bùn khơ, bùn nung, và bùn biến tính bằng các phân tích khác nhau 62
4.7.1 Phân tích TGA và DTG 62
4.7.2 Phân tích đường đẳng nhiệt hấp phụ và giải hấp phụ khí N2 tại 77 K 63
4.7.3 Phân tích XRF 65
4.7.4 Phân tích SEM–EDS 67
4.7.5 Phân tích XRD 69
4.7.6 Phân tích FTIR 71
Trang 15DANH MỤC VIẾT TẮT
Ký tự Diễn giải
TS Total solid (tổng chất rắn hòa tan)
TSS Total suspended solids (tổng chất rắn lơ lửng)
BOD Biochemical oxygen demand (nhu cầu oxy sinh học) COD Chemical oxygen demand (nhu cầu oxy hóa học) CHC Chất hữu cơ
TOC Total organic carbon (tổng lượng carbon hữu cơ) SF Synergy factor (nhân tố cộng hưởng)
TCVN Tiêu chuẩn quốc gia Việt Nam
QCVN Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia Việt Nam LDH Layered double hydroxite (hydroxit lớp kép)
UV Ultraviolet
SEM Scanning electron microscope (kính hiển vi điện tử quét)
EDS Energy dispersive X-ray spectroscopy (phổ tán sắc năng lượng tia X)
XRD X-ray diffraction (nhiễu xạ tia X)
FTIR Fourier transform infrared spectroscopy (Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier)
BET Brunauer Emmet Teller
XRF X-ray fluorescence spectrometer (huỳnh quang tia X) TGA Thermal gravimetric analysis (phân tích trọng trường)DTG Differential thermogravimetric (phân tích nhiệt vi sai)
MB Methylene blue RhB Rhodamine B
Ttz Tartrazine
Co
Nồng độ đầu vào của COD hoặc màu (MB, RhB hoặc Ttz; mg/L), hoặc độ màu ban đầu (Pt-Co) của nước thải
Trang 16Co(RhB) Nồng độ đầu vào của màu RhB trong nước (mg/L)
Co(Ttz) Nồng độ đầu vào của màu Ttz trong nước (mg/L)
Ct Nồng độ COD hoặc màu (mg/L) hoặc độ màu (Pt-Co) tại thời điểm
t
%H Hiệu quả xử lý (%)
Pt-Co Đơn vị màu viết tắt từ Platinum-Cobalt PDS Peroxydisulfate (hoặc peroxydisunfat)
[PDS] Nồng độ peroxydisulfate trong dung dịch (mM)
f Hằng số pha loãng (lần)
Trang 17MỤC LỤC BẢNG
Bảng 2 1: Phân tích các cơng nghệ xử lý nước thải tiêu biểu hiện nay 7
Bảng 2 2: Thế oxy hóa của các gốc tự do chính hình thành bởi PDS 12
Bảng 2 3: So sánh năng lực hoạt hóa của một số tác nhân oxy hóa 13
Bảng 2 4: Thơng kê giá thành và đặc tính của các hóa chất hoạt hóa phổ biến 13
Bảng 2 5: Kết quả phân tích chất lượng nước ngầm (nước thô) 14
Bảng 2 6: Kết quả phân tích nước ngầm đầu ra (thương mại) 15
Bảng 2 7: Thống kế các phương pháp chế tạo vật liệu phổ biến hiện nay 21
Bảng 3 1: Thơng tin một số hóa chất được sử dụng trong luận văn 23
Bảng 3 2: Định lượng và pha chế hóa chất sử dụng trong luận văn 24
Bảng 3 3: Một số đặc tính của ba loại màu được sử dụng 25
Bảng 3 4: Tên các thiết bị được sử dụng trong phân tích đặc tính vật liệu 30
Bảng 4 1: Đặc tính độ màu và nồng độ COD ở ba nhà máy trước và sau khi xử lý bởi vật liệu Bun-200(1/0,2) kết hợp với PDS 59
Bảng 4 2: Kết quả phân tích đặc tính vật liệu 64
Trang 18DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 3 1 Quy trình nghiên cứu tổng quát 22Hình 3 2 Ảnh chụp mẫu bùn thơ, bùn sau khi sàn và rây (kích thước < 0,15 mm) và sau sấy 105°C 26Hình 3 3 Ảnh chụp cốc nung có chứa mẫu Bun, mẫu Bun sau khi nung ở các nhiệt độ khác nhau 27Hình 3 4 Dữ liệu quét phổ của các nhóm màu trên máy DR6000 27Hình 3 5 Các công đoạn tiền xử lý mẫu nước thải thực tế 28Hình 3 6 Đồ thị đường chuẩn xác định nồng độ màu (a) Methylene blue, (b) Rhodamine B và (c) Tartrazine 29Hình 3 7 Máy khuấy Jartest và thí nghiệm xử lý độ màu và COD trên máy Jartest 31Hình 3 8 (a) Quá trình khuấy bùn trên máy, (b) quá trình siêu âm bùn, (c) bùn sau khi lọc, (d) vật liệu bùn biến tính sau khi sấy và rây với kích thước <0.15 mm 32 Hình 4 1 Hiệu suất xử lý màu MB bởi bùn thải nung và khơng nung (Điều kiện thí nghiệm: m/V = 1,0 g/L, [PDS] = 0,554 mM, Co(MB) = 500 mg/L và pH = 3,0) 38Hình 4 2 Hiệu suất xử lý (a) độ màu (Pt-Co) và (b) COD (mg/L) bởi bùn thải nung và không nung (m/V = 0,5 g/L, [PDS] = 0,554 mM, pH = 3,0, COD = 123,2 ± 3,41 mg/L và độ màu = 144,3 ± 7,09 Pt-Co) 40
Hình 4 3 Ảnh hưởng thơng số pH đến hiệu suất xử lý (a) độ màu (Pt-Co) và (b)
Trang 19Hình 4 5 Ảnh hưởng của (a) độ màu (Pt-Co) và (b) nồng độ COD (mg/L) ban đầu
đến hiệu quả xử lý (m/V= 0,5 g/L, [PDS] = 0,55 mM, pH = 3,0 và thời gian 90 phút) 45
Hình 4 6 Ảnh hưởng của liều lượng vật liệu (m/V; g/L) đến hiệu suất xử lý (a) độ màu (Pt-Co) và (b) COD trong nước thải (pH = 3,0, [PDS] = 0,55 mM, COD = 125,5
± 3,78 mg/L và độ màu = 145,3 ± 8,14 Pt-Co) 47
Hình 4 7 So sánh hiệu quả xử lý (a) độ màu và (b) COD bởi ba quá trình: hấp phụ,
oxy hóa và xúc tác dị thể Điều kiện thí ngiệm: m/V = 0,5 g/L, COD = 122,8 ± 5,77 mg/L, độ màu = 153,7 ± 11,5 Pt-Co, [PDS] = 0,55 mM đối với hệ oxy hóa và xúc tác dị thể, pH = 3,0 48Hình 4 8 Hiệu suất xử lý màu MB bởi bùn thải nung và không nung (m/V = 1,0 g/L, [PDS] = 0,554 mM, Co(MB) = 500 mg/L và pH = 3,0) 51Hình 4 9 Hiệu suất xử lý màu MB bởi bùn thải nung và không nung (m/V = 1,0 g/L, [PDS] = 0,554 mM, Co(MB) = 500 mg/L và pH = 3,0) 52Hình 4 10 Hiệu quả xử lý màu MB bởi Bun-200(1/0,2) ở các thí nghiệm ảnh hưởng
(a) pH đầu vào, (b) nồng độ màu MB đầu vào, (c) nồng độ PDS được thêm vào và (d) tỷ lệ Bun-200(1/0,2) trên thể tích mẫu màu MB (m/V) Điều kiện thí nghiệm: (a)
m/V = 1,0 g/L, [PDS] = 0,554 mM, Co(MB) = 490,3 ± 2,09 mg/L; (b) m/V = 1,0 g/L, [PDS] = 0,554 mM, pH = 3,0; (c) m/V = 1,0 g/L, pH = 3,0, Co(MB) = 491,4 ± 5,87 mg/L; (d) [PDS] = 0,554 mM, pH = 3,0, Co(MB) = 490,2 ± 1,43 mg/L 54Hình 4 11 So sánh hiệu quả xử lý màu MB bởi ba: hệ hấp phụ, oxy hóa, và xúc tác dị thể Điều kiện thí nghiệm hấp phụ (Co(MB) = 490,7 ± 1,15 mg/L, pH = 3,0, m/V = 1,0 g/L), oxy hóa (Co(MB) = 495,3 ± 2,31 mg/L, [PDS] = 0.554 mM, pH = 3.0) và và xúc tác dị thể (Co(MB) = 498,3 ± 1,03 mg/L, [PDS] = 0.554 mM, pH = 3.0, m/V = 1,0 g/L) 56Hình 4 12 So sánh hiệu quả quá trình xử lý màu MB, RhB và Ttz trên vật liệu
Trang 20Hình 4 13 Cấu trúc và khối lượng phân tử (Mw) của ba loại màu (a) Methylene blue (MB), (b) Rhodamine B (RhB) và (c) Tartrazine 58
Hình 4 14 So sánh hiệu quả xử lý độ màu và COD đối với vật liệu Bun-200(1/0,2) trên nền nước thải từ ba nhà máy (m/V = 1,0 g/L, pH = 2,0, [PDS] = 0,69 mM) 61Hình 4 15 Kết quả phân tích TGA và DTG của mẫu bùn sấy (Bun) 62
Hình 4 16 (a) Đường đẳng nhiệt hấp phụ và giải hấp phụ khí N2 tại 77 K và (b)
phân bổ kích thước mao quản của các mẫu Bun, Bun-200 và Bun-200(1/0,2) 64Hình 4 17 Các nguyên tố bị giới hạn bởi phân tích XRF bao gồm H, He, Li, Be, B, C, N, O, F, Ne, Na, và Mg (ảnh chụp màn hình từ nơi phân tích mẫu) 65
Hình 4 18 Ảnh SEM của vật liệu (a) Bun, (b) 200, (c) 300 và (d)
Bun-300(1/0,2) 68
Hình 4 19 Phổ EDS của các vật liệu (a) Bun, (b) 200, (c) 300 và (d)
Bun-300(1/0,2) 69
Trang 21CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề
Hiện nay, nhóm ngành công nghiệp dệt - may - nhuộm đã và đang phát triển không ngừng Với sự phát triển ồ ạt đã gây ra những tác động không nhỏ đối với mơi trường tồn cầu đóng góp 8% phát thải carbon, 20% nước thải trên toàn thế giới và làm tăng 50% phát thải khí nhà kính vào năm 2023 [1] Nhu cầu về sản lượng ngày càng tăng, theo thống kế từ 2007 đến 2014 đã tăng từ 20,2 triệu tấn lên 90,8 triệu tấn kéo theo đó là lượng chất thải rắn phát sinh từ lĩnh vực này sẽ tăng từ 92 triệu tấn rác thời trang lên 148 triệu tấn tính đến năm 2030 [2] Các cơng đoạn như: dệt, nhuộm và tẩy sử dụng một lượng nước rất lớn Theo thống kê của Liên Hợp Quốc trên toàn cầu mỗi năm lĩnh vực này sử dụng khoảng 97 tỷ lít nước và tạo ra 20% nước thải toàn cầu trong tổng sản lượng nước thải được tạo ra mỗi năm [3]
Hoạt động sản xuất ở các nhà máy dệt nhuộm sử dụng một lượng lớn hóa chất, mơi trường làm việc thuộc nhóm khá độc hại cho người lao động khi tiếp xúc thường xuyên [1] Cui và cộng sự [4] báo cáo khoảng 300.000 tấn thuốc nhuộm được sử dụng hằng năm Các chất hóa học phổ biến được tìm thấy trong nước thải bao gồm: phẩm màu, kim loại nặng, NaOH, hồ tinh bột và axite Đặc tính nước thải có độ pH, chất rắn lơ lửng (SS), nhu cầu oxy hóa học (COD), nhu cầu oxy sinh học (BOD) [5], kim loại [6], nhiệt độ [7] và muối thường rất cao Các yếu tố ô nhiễm này tác động đến môi trường nước mặt, nước ngầm, làm thay đổi các chu trình chuyển hóa của động thực vật và gây ra hiện tượng tích lũy sinh học khơng mong muốn, làm gia tăng tỷ lệ ung thư trên toàn cầu Với dung tích, quy mơ và sự tác động đa chiều của lĩnh vực thì đây là một trong những thách thức lớn đối với các hoạt động công nghiệp và an sinh nhân loại
Trang 22(siêu lọc) [14], phân hủy sinh học (vi khuẩn Cedecea davisae) [15], xử lý sinh học (vi tảo) [16], trao đổi ion (nhựa terpolyme trao đổi cation) [17] và hấp phụ [18] Hầu kết các nghiên cứu này vẫn tồn tại các bài toán cần phải cân đối như: tốc độ và thời gian xử lý, chi phí xử lý trên mỗi m3 nước thải, hóa chất tồn dư, chi phí đầu tư ban đầu cao và hạn chế khả năng ứng dụng thực tế Vì vậy, các nghiên cứu mới cần được thúc đẩy để tìm ra các giải pháp tối ưu hơn và giải quyết được các tồn tại hiện nay của các công nghệ trên
Công nghệ oxy hóa nâng cao AOPs (advanced oxidation processes) được phát triển từ những năm 1987, đặt nền móng cho các nghiên cứu tiên tiến và là cơ sở để các nhà khoa học phát triển bằng việc kết hợp nhiều cơ chế, nhiều vật liệu nhằm tìm ra các giải pháp tối ưu nhất để ứng dụng thực tế [19] Những hạn chế hiện nay là quy mô và khả năng thương mại hóa vẫn chưa cao Đa phần các công nghê sử dụng vật liệu làm chất xúc tác thường chế tạo bằng các chất hóa học nguyên chất, có độ tinh khiết cao vì khả năng dễ tổng hợp của chúng [20] Nhận thức thấy, các dòng kim loại chuyển tiếp (Fe và Mn) khá dồi dào trong bùn thải nhà máy nước ngầm có thể tận dụng để chế tạo thành các dạng vật liệu xúc tác khi nồng độ trong bùn thải hợp lý Ở Việt Nam, hiện có 4500 trạm cấp nước tập trung, cơng suất khoảng 10,9 triệu m3/ngày đêm (nước mặt chiếm 87%, nước ngầm chiếm 13%) [21] Lượng bùn thải phát sinh từ nước ngầm có thể lên đến hàng triệu tấn/ngày hầu hết đều được đem đi chôn lấp Như vậy, nếu có thể tận dụng loại hình ơ nhiễm này sẽ góp phần giảm thiểu ảnh hưởng đến môi trường rất lớn, đồng thời giảm thiểu sử dụng chất hóa học và phát sinh chất hóa học có hại trong các cơng trình xử lý
Trang 23xúc tác chứa các kim loại chuyển tiếp (ở dạng oxite hoặc hydroxite) để xử lý thành phần ô nhiễm trong nước thải dệt nhuộm là hồn tồn hợp lý và mang tính khả quan cao [24]
1.2 Mục tiêu nghiên cứu
Tìm ra giải pháp xử lý ơ nhiễm màu và COD trong nước thải dệt nhuộm với vật liệu tái chế từ nguồn thải, giảm chi phí xử lý và ít ảnh hưởng đến môi trường dựa trên:
- Tái sử dụng bùn thải nước ngầm chứa các dạng kim loại chuyển tiếp để chế tạo vật liệu có khả năng hấp phụ và xúc tác tốt
- Khảo sát trên cả 2 dạng phẩm màu hữu cơ phổ biến hiện nay (axit và bazơ) để đánh giá khả năng thích nghi của vật liệu
- Khảo sát vật liệu trên đa dạng nguồn thải (nước thải nhà máy) nhằm đánh giá phạm vi và khả năng ứng dụng thực tế của vật liệu
1.3 Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu tập trung vào các nội dung chính sau đây:
- Giai đoạn 1: Chế tạo và thử nghiệm vật liệu xúc tác oxite sắt là bùn nung
(300ºC) kết hợp Peroxydisulfate (K2S2O8) trên nước thải dệt nhuộm tại một Cụm công nghiệp dệt may ở TP.HCM và phân tích các chỉ số tối ưu đặc trưng cho hệ
- Giai đoạn 2: Biến tính bùn nước ngầm sau nung chứa Fe với Mg
(MgSO47H2O) thành vật liệu (Fe/Mg) kết hợp Peroxydisulfate (K2S2O8) trên giả thải Methyl blue (MB) và phân tích các chỉ số tối ưu đặc trưng cho hệ
- Giai đoạn 3: Vận hành mơ hình xử lý ô nhiễm với vật liệu (Fe/Mg) kết hợp
Trang 241.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.4.1 Đối tượng nghiên cứu
Các đối tượng nghiên cứu gồm có:
- Nước thải dệt nhuộm của các nhà máy được thu thập, bùn thải từ nhà máy nước ngầm và các loại phẩm nhuộm hữu cơ theo nội dung nghiên cứu
1.4.2 Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu ở mức độ quy mơ phịng thí nghiệm Địa điểm nghiên cứu: Phịng thí nghiệm Khoa Mơi Trường Và Tài Nguyên, Đại Học Bách Khoa TP HCM, cơ sở 2 (VRJ4+65C), Đơng Hịa, Dĩ An, Bình Dương
Thời gian bắt đầu thực hiện: 11/2022
1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
1.5.1 Tính mới của đề tài
Thơng qua q trình tìm hiểu tài liệu và các cơng trình nghiên cứu trước đây, đề tài sẽ có các cải tiến như sau:
- Nguyên liệu sử dụng chế tạo xúc tác lấy từ chất thải, cụ thể là bùn chứa Fe3+
thay cho hóa chất hồn tồn mới Mục đích giảm chi phí và mang ý nghĩa khuyến khích tái chế
- Quy cách chế tạo vật liệu xúc tác ở dạng bột, đóng gói và bảo quản đơn giản, dễ vận chuyển và dễ ứng dụng
- Chất hoạt hóa là K2S2O8 thay cho các tác nhân hoạt hóa khác như: quang xúc tác, ozon, H2O2…, nhằm giảm kích thước và độc tính trong nước gây ảnh hưởng đến cơng trình vi sinh phía sau hoặc hệ thống vi sinh vật trong môi trường tự nhiên
Trang 251.5.2 Ý nghĩa khoa học
Từ các kết quả kỳ vọng có thể đạt được sẽ thúc đẩy quá trình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ cao vào lĩnh vực xử lý nước thải nói chung và nước thải dệt nhuộm nói riêng
Đồng thời, nghiên cứu cung cấp bộ các thông số và dữ liệu quan trọng làm tiền đề cho các nghiên cứu về sau khi tiến hành nghiên cứu kết hợp cơng nghệ xúc tác và oxy hóa nâng cao vào xử lý nước thải dệt nhuộm
1.5.3 Ý nghĩa thực tiễn
Trên thực tế, nghiên cứu chỉ ra các mặt hạn chế và ưu điểm của một số công nghệ đang được áp dụng để xử lý nước thải dệt nhuộm Từ các khuyến cáo và kết quả nghiên cứu sẽ có các ưu điểm sau:
- Khuyến khích khả năng tái sử dụng chất thải và đặc biệt là bùn thải nếu quy mô sản xuất xúc tác số lượng lớn
Trang 26CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
2.1 Ô nhiễm hữu cơ và màu phát sinh từ nước thải dệt nhuộm
Trang 272.2 Công nghệ xử lý nước thải dệt nhuộm phổ biến hiện nay
Các giải pháp công nghệ đang được ứng dụng để xử lý nước thải dệt nhuộm hiện nay đang tập trung vào cải thiện hiệu quả loại bỏ các thông số ô nhiễm đặc trưng là: độ màu, BOD, COD và kim loại nặng Để đạt chuẩn chất lượng nước đầu ra, nước thải phải trãi qua nhiều công đoạn xử lý phức tạp và được kiểm soát nghiêm ngặc Để giảm bớt chi phí đầu tư, nâng cao hiệu quả xử lý và ít sử dụng nhân cơng trong vận hành các giải pháp cải tiến công nghệ theo hướng tự động hóa đã và đang được chuyển giao ở các nhà máy xây dựng mới Sau đây là thống kê một số công nghệ được ứng dụng trong xử lý nước thải dệt nhuộm hiện nay:
Bảng 2 1: Phân tích các cơng nghệ xử lý nước thải tiêu biểu hiện nay
STT Giải pháp Quá trình kết hợp
Cơng trình tiêu biểu Ưu điểm Nhược điểm
01 Công nghệ truyền thống Xử lý cơ học, xử lý hóa lý, xử lý sinh học Song chắn rác, mương lắng cát, bể keo tụ - tạo bông, bể
lắng I, bể Aerotank, bể lắng II
Xử lý hoàn toàn BOD,
COD, TSS, kim loại nặng, 95% độ màu và cơ
chế vận hành đơn giản [28]
Kích thước cơng trình lớn, khó
tự động hóa hồn tồn, lãng phí hóa chất, chi phí nhân cơng cịn
cao
Trang 28trình sinh học (MBBR), bể lắng, bể lọc sinh học [29]90% - 95 % N, giảm 30% - 40% kích thước so với cơng trình bùn hoạt tính thơng thường
sinh khối tạo ra lớn, tiềm ẩn nguy cơ phát sinh mùi
03 Cơng nghệ tự động hóa hồn tồn ứng dụng công nghệ màng Xử lý cơ học, xử lý sinh học bám dính và thẩm thấu ngược Song chắn rác, mương lắng cát, bể điều hòa, hệ thống màng lọc (RO, Ultra, Micro,…), nguồn tiếp
nhận
Xử lý hoàn toàn BOD,
COD, TSS, kim loại nặng, > 95% độ màu, các muối khống bất lợi
[28]
Chi phí đầu tư ban đầu cao, chi
phí vận hành tốn kém, phụ thuộc rất lớn vào đặc tính của
màng, dễ bị sốc tải, nghẽn màng 04 Công nghệ ứng dụng các q trình oxy hóa nâng cao Xử lý cơ học, hóa lý (nâng cao), xử lý sinh học Song chắn rác, mương láng cát, bể điều hòa, bể phản ứng (oxy hóa/xúc tác AOPs), nguồn tiếp
nhận
Xử lý hoàn toàn BOD, COD, kim loại nặng, > 95% độ màu, vi sinh có hại, nước thải có nồng
độ ơ nhiễm cao [30]
Tốn kém chi phí hóa chất, khả năng bất hoạt cao bởi các sản phẩm thứ cấp, ảnh hưởng đến các cơng trình vi sinh phía sau,
Trang 2905 Công nghệ ứng dụng các quá trình hấp phụ Xử lý cơ học, hấp phụ (vật lý, sinh học), bể lắng, nguồn tiếp nhận Song chắn rác, mương lắng cát, bể hấp phụ (than hoạt tính, vật liệu khác), bể lắng, … [31]Khả năng xử lý một phần BOD và COD tùy
thuộc vào đặc tính vật liệu, BTEX (80% - 99,9%), PAH (98% - 99,8%), AOX (> 90%), phenol (60% - 90%), hợp chất của N (99%) [32]Dễ tắt nghẽn, dễ cháy nổ đối với hấp phụ bằng than hoạt tính, dễ phát sinh mùi đối với
hấp phụ sinh học, vật liệu có chu kỳ sử dụng ngắn và thường
xuyên thay mới hoặc hoàn nguyên, khả năng xử lý hạn chế
Trang 302.3 Công nghệ xử lý ơ nhiễm dựa trên q trình oxy hóa nâng cao AOPs 2.3.1 Cơ chế và khả năng ứng dụng trong xử lý nước thải dệt nhuộm
Các phản ứng của các tác nhân oxy hóa hình thành theo cơ chế vật lý (tia UV, sóng siêu âm, plasma, ) và hóa học (H2O2, O3, PDS, PMS, …) giúp loại bỏ các thành phần ô nhiễm trong nước thải Sản phẩm của các phản ứng phân ly, trao đổi ion và điện giải là các sản phẩm thứ cấp [19] như: OH, H2O, O, SO4-, tiếp xúc với chất ô nhiễm và phân giải chúng thành các chất ít ơ nhiễm hoặc khơng ơ nhiễm thơng qua q trình oxy hóa khử Ngồi ra, trong cơng nghệ vật liệu thì vật liệu xúc tác đã đạt được các thành tựu trong ứng dụng xử lý ô nhiễm ở nước thải dệt nhuộm trong thời gian qua Các dạng vật liệu xúc tác đóng vai trị là chất mang, được tổng hợp ở các dạng oxit hà hydroxit mà chúng có khả năng sản sinh gốc hydroxyl (OH) khi phản ứng với nước Hiện nay, các nghiên cứu xử lý ô nhiễm trên nền (AOPs) đã được ứng dụng vào thực tế phổ biến nhất là Fenton và các cải tiến của nó
Trang 312.3.2 Đặc tính K2S2O8 và cơ chế xử lý ô nhiễm
2.3.2.1 Các tính chất đặc trưng của K2S2O8
Kali persulfate (K2S2O8) là hợp chất vơ cơ, có tính oxy hóa mạnh [33] PDS có dạng bột trắng, khối lượng mol là 238,1052 g/mol, khối lượng riêng 2,4 g/cm3 Nhiệt độ nóng chảy ở 180°C, có khả năng kích thích nặng cho da, mắt và hệ hơ hấp Thế oxy hóa khử trong môi trường dung dịch là 2,01 V [34] Ion chuyển tiếp (SO4-) được hình thành có thế oxy hóa khử 2,531V, gốc oxy hóa này có khả năng phân hủy mạnh mẽ các hợp chất hữu cơ đặc biệt là các vịng thơm Các gốc tự do SO4• tồn tại ở giá trị pH = 2,0 - 7,0 [35], đây cũng là ưu điểm của việc sử dụng PDS làm chất hoạt hóa thay cho H2O2 bởi các gốc OH hình thành ở pH = 9,0 - 12
2.3.2.2 Cơ chế xử lý chất ô nhiễm kết hợp với vật liệu xúc tác từ bùn nước ngầm
Bùn thải nhà máy nước ngầm chứa hàm lượng lớn sắt, hỗn hợp môi trường phản ứng đặc trưng cho hệ xúc tác đơng thể gồm có: bùn chứa sắt (vật liệu), PDS và nước thải Các phản ứng đặc trưng loại bỏ chất ô nhiễm được diễn ra như sau [36]:
Trang 32SO4- + H2O H+ + SO42- + OH (10) SO4- + HCO3- SO42- + H+ + CO3 (11) SO4- + Cl- SO42- + Cl (12)
Một số nghiên cứu phân tích khả năng oxy hóa của PDS là các chuỗi phản ứng giữa các tác nhân oxy hóa gốc và các tác nhân oxy hóa hoạt tính đặc biệt sinh ra từ chúng (reaction oxidation Specials, ROS) Tác nhân oxy hóa gốc sinh ra từ q trình chuyển điện tích từ một cation kim loại (Fe, Mn, Al, Mg) sang (SO42-) là anion này thừa điện tích âm và hình thành (SO4-) là trạng thái hoạt động có năng lực oxy hóa cao Các q trình hình thành (SO4-) được thể hiện như sau [24]:
Mn+ + HSO5- M(n+1) + SO4-+ OH- (13) M(n+1) + HSO5- Mn+ + SO5-+ H+
(14) Mn+ + S2O82- M(n+1) SO4- + SO42- (15)
Các phản ứng thứ cấp (bậc 2) sinh ra các tác nhân oxy hóa hoạt tính đặc biệt, thường có tổng thế oxy hóa của các (ROS) luôn cao hơn so với các tác nhân oxy hóa gốc [24]:
Bảng 2 2: Thế oxy hóa của các gốc tự do chính hình thành bởi PDS
Trạng thái hoạt động Năng lực oxy hóa, Eº (V)
SO4- / SO42- 2,60
S2O82-/SO42- 2,01
HSO5-/SO42- 1,75
Trang 332.3.3 Các ưu điểm của PDS so với các tác nhân oxy hóa khác
Cũng theo nhóm nghiên cứu của tác giả Oh và Lim đã phát hiện ra rằng năng lực hoạt hóa của gốc oxy hóa chính (SO4-/PDS) là cao hơn so với các gốc (OH/H2O2) và (O2-, 1O2/O3) hình thành từ các hóa chất trợ xúc tác phổ biến hiện nay được trình bày trong Bảng 2.3.
Bảng 2 3: So sánh năng lực hoạt hóa của một số tác nhân oxy hóa
Trạng thái hoạt động Năng lực oxy hóa, E0 (V)
SO4-/SO42- 2,60
OH/OH- 1,90
1O2/O2- 0,65
O2-/O2 0,33
Ngoài ưu điểm về năng lực oxy hóa mạnh, PDS cịn có giá thành kinh tế tương đối rẻ hơn so với các loại hóa chất khác Sau đây là các thống kê mới nhất về lợi ích chi phí được phân tích trong nghiên cứu của Zhang và cộng sự [37] và Wan và cộng sự [38] được thể hiện trong Bảng 2.4
Trang 34Potassium- Ferrate - 0,7 - 3 Không bền nếu pH ≠ 9 2000 396 PDS 92 730 >5 tháng 0,74 0,18 PMS 377 298 Trong ngày 2,2 1,36
Như vậy, thơng qua phân tích các phản ứng, khả năng đồng xử lý với vật liệu xúc tác chứa kim loại và các đặc tính về năng lực oxy hóa, lợi ích chi phí thì peroxydisulfate (PDS) là hóa chất có các tiêu chí đảm bảo để được lựa chọn đồng xử lý kết hợp với bùn nước ngầm trong nghiên cứu này
2.4 Tình hình khai thác nước ngầm và đặc tính bùn thải ở Vũng Tàu
Theo thống kê tồn tỉnh có 9 tâng nước triển vọng, trữ lượng khai thác tối đa tính đến nay là 338.258 m3/ngày đêm [39] Các công ty cấp nước lớn nhất sử dụng nguyên liệu nước ngầm hiện nay là Công ty cổ phần cấp nước Bà Rịa - Vũng Tàu và Công ty cổ phần cấp nước Phú Mỹ Sau đây là các kết quả phân tích nước và đặc tính của bùn nước ngầm đặc trưng cho tỉnh và khu vực [40] được liệt kê trong Bảng 2.5 và Bảng 2.6
Bảng 2 5: Kết quả phân tích chất lượng nước ngầm (nước thô)
STT Chỉ tiêu Đơn vị Kiểm tra QCVN 01/2009 BYT
1 Fe mg/L 7,03 0,3
2 Mn mg/L 0,2 0,3
3 Chỉ số pecmanganat mg/L KPH 2,0
Trang 355 pH - 5,45 6,5 - 8,5
Ghi chú: Các quy trình xử lý phổ biến tại các nhà máy trên địa bàng tỉnh hiện nay
trãi qua các cơng đoạn chính sau: (1) Nước thơ, (2) tháp làm thống, (3) bể lọc nhanh, (4) bể chứa (kiềm hóa, khử trùng), (5) mạng lưới cấp nước
Bảng 2 6: Kết quả phân tích nước ngầm đầu ra (thương mại)
STT Chỉ tiêu Đơn vị Kết quả QCVN 01/BYT
1 Fe mg/L 0,15 0,3
2 Mn mg/L 0,2 0,3
3 pH - 6,5 6,5 - 8,5
4 NTU - 0,5 2,0
Như vậy, thông qua cân bằng vật chất và tính ổn định của cơng nghệ thì bùn thải nước ngầm có chứa các ngun tố chính như sau: Fe (6,88 mg/L), có thể chưa các ion kim loại khác như: Mn, Al, Mg, muối khống chứa gốc (CO32-, Cl-)
2.5 Đặc tính bùn thải nhà máy nước ngầm và vật liệu từ bùn thải nước ngầm
Trang 36(Hà Nội) và phía nam (TP.HCM) chủ yếu là: Si ( > 36 %); Al ( > 28%); Ca ( > 18%); Fe ( > 14%); K ( > 0,62%); Mg ( > 0,46%); Mn ( > 0,37%) [43]
Hiện nay, một số nghiên cứu đang tập trung vào việc tái sử dụng các dòng kim loại chuyển tiếp (Al, Fe, Mn, Mg,…) để chế tạo vật liệu xúc tác và đã có những tiến bộ cho thấy hiệu quả với khả năng đồng xử lý với các tác nhân oxy hóa khác Các loại vật liệu này chứa lớp đôi liên kết gọi là LDH (Layered double hydroxite) cấu tạo từ các cation kim loại và lớp trung gian có vai trò thêu kết chứa các anion (CO32-, NO3- Cl-, …) [44] Các cation được tổng trong môi trường pH cao và tồn tại ở trạng thái (oxit; hydroxit) khi phản ứng với nước có khả năng giải phóng các gốc tự do hydroxyl (OH) đóng vai trị là tác nhân xử lý ô nhiễm chính của vật liệu Thơng thường, bùn thải nước ngầm có chứa hàm lượng lớn các anion (CO32-, Cl-, ) gọi là độ cứng của nước Thành phần cation và anion trong bùn nước ngầm rất thích hợp để chế tạo vật liệu xúc tác Trong một số trường hợp bùn thải hoặc hóa chất có chứa tạp chất thì kỹ thuật chế tạo phải trãi qua q trình axit hóa để tách các thành phần kim loại ra khỏi tạp chất giúp chúng dễ hình thành các lớp hydroxite hơn trong cơng đoạn kiềm hóa
2.6 Tình hình nghiên cứu ứng dụng vật liệu xúc tác chế tạo từ bùn thải nhà máy nước ngầm hiện này
Xu hướng tái sử dụng chất thải để chế tạo vật liệu đang phát triển không ngừng ở Việt Nam và trên toàn thế thới Các lĩnh vực nghiên cứu như: vật liệu, hóa học, mơi trường đang được đẩy mạnh ở các trường Đại học hay Viên nghiên cứu với mục tiêu ngày càng hồn thiện các cơng đoạn xử lý và giảm thiểu ô nhiễm Sau đây là một số nghiên cứu tiêu biểu có tính chất tương tự với đề tài được tham khảo
2.6.1 Nghiên cứu quốc tế
Nâng cấp bùn xử lý nước ngầm thành thanh nano mang Fe/Mn từ tính để hấp
phụ crommat từ quá trình xử lý nước thải
Trang 37hành chế tạo vật liệu xúc tác Nghiên cứu tập trung vào chuyển hóa với tỉ lệ Fe/Mn trong bùn thải thô là Fe (28,8%) và Mn (8,1%) thông qua phương pháp thủy nhiệt bổ sung ascorbate trong môi trường kiềm NaOH (0,35 M) Vật liệu sau khi gia nhiệt hình thành các khống tích màu nâu có từ tính được đem đi thí nghiệm để hấp phụ nguyên tố kim loại nặng (Cr) trong nước thải Kết quả cho thấy, vật liệu sau khi chế tạo có chứa các khống hydroxite là Fe/Mn và Si/Al Khả năng hấp phụ tối đa (Cr) trên mỗi gram vật liệu là 183,2 mg/g Thông qua các phân tích về tính khả quan ở quy mơ phịng thí nghiệm thì bùn thải nước ngầm rất thích hợp cho việc tái sử dụng để chế tạo vật liệu Tuy nhiên, hạn chế của nghiên cứu là lượng ascorbat bổ sung vào vật liệu tương đối cao với tỉ lệ (Mascorbat/MFe = 1/0,7), độ bền của vật liệu và khả năng hồn ngun cịn thấp
Tái sử dụng bền vững bùn sắt xử lý nước ngầm để loại bỏ chất hữu cơ khỏi
nước sông Neris
Trang 38 Tổng hợp xanh của chất hấp phụ từ tính sử dụng bùn xử lý nước ngầm để hấp
phụ Tetracyline
Nhóm nghiên cứu của Zhan Qu và cộng sự [45] ở Trung Quốc đã tiến hành tái chế bùn thải từ nhà máy nước ngầm ở thành phố Panshi, tỉnh Cát Lâm để xử lý Tetracyline Vật liệu được sấy khô ở 50ºC, liều lượng tổng hợp xúc tác là 1 g bùn khô, 20 mL nước khử ion và 10 mL dung dịch NaOH, khuấy với tốc độ 250 vòng/phút Hỗn hợp được cho vào ấm Teflon 50 mL và đun ở nhiệt độ 160ºC trong 10 giờ Quá trình phản ứng với 50 mL nước thải đã khử ion và 0,2 g vật liệu trong điều kiện pH = 3,0 Giá trị pH được khảo sát nhằm phát hiện môi trường phản ứng tối ưu từ pH = 3,0 - 11,0 Nồng độ Tetracyline được khảo sát ở các mức từ 0 - 2.000 mg/L để đánh giá sự ảnh hưởng của nồng độ ô nhiễm đến hiệu quả xử lý Kết quả chỉ ra rằng, vật liệu được tổng hợp trong môi trường kiếm với 2 mol.L-1 NaOH thể hiện thế điện hóa bão hịa mạnh là 8.2 emu/g Khả năng hấp phụ tối đa của vật liệu đạt 362,3 mg/g đối với Tetracyline Cơ chế hấp phụ đóng vai trị chủa đạo trong việc loại bỏ ô nhiễm Với các kết quả nghiên cứu đạt được, cho thấy bùn thải nước ngầm từ nhà máy cấp nước ở Cát Lâm có tiềm năng trong việc loại bỏ ơ nhiễm Tuy nhiên, nghiên cứu cần có các giải pháp cải tiến như: biến tính vật liệu để nâng cao hiệp quả hấp phụ, phân tích thêm sự ảnh hưởng của các yếu tố ảnh hưởng để nghiên cứu gần hơn với thực tế
2.6.2 Nghiên cứu trong nước
Nghiên cứu loại bỏ Rhodamine B trong nước bằng quá trình Fenton sử dụng
vật liệu bùn thải từ nhà máy xử lý nước ngầm nhiễm sắt
Trang 39bùn nung ở 300°C tạo ra vật liệu có hiệu quả loại bỏ RhB cao nhất với 99% sau 90 phút xử lý đạt QCVN 13:2015/BTNMT (cột A) với 12,5 mM H2O2 ở pH (2,8) Nghiên cứu đã cho thấy khả năng hấp phụ màu khá tốt của vật liệu làm từ bùn nước ngầm Tuy nhiên, môi trường giả thải và nước thải thực vẫn rất khác biệt và có nhiều tạp chất Đồng thời khảo sát chưa mở rộng với nhiều loại màu khác nhau nên chưa thấy được khả năng ứng dụng rộng rãi của vật liệu
Loại bỏ phẩm màu hữu cơ khó phẩn hủy bằng oxy hóa nâng cao sử dụng
bùn sắt biến tính
Nhóm nghiên cứu của Nơng Thị Bình và cộng sự [47] của Đại học Lâm Nghiệp đã tiến hành tái sử dụng bùn sắt thu thập tại Bắc Kạn làm vật liệu khảo sát xử lý trên đa dạng phẩm nhuộm hữu cơ như: Reactive Yellow 160, Direct Red 239, Direct Red 224, Fast Blue 199, Acid Red 23 Bùn được biến tính bằng cách bổ sung thêm F2O3
với liều lượng 1g Fe2O3/ 10g Bùn sắt và nung ở nhiệt độ 400ºC trong 3 giờ Kết quả khảo sát đặc tính của vật liệu thơng qua phân tích phổ tán xạ tia X chỉ ra rằng hàm lượng sắt trong thành phần nguyên tố ở mức khảo qua (30,46%) cho việc chế tạo vật liệu Các hệ xúc tác đồng thể kết hợp giữa vật liệu (2,5 g/L) và H2O2 (1,96 mM) phản ứng ở môi trường pH (2,0) đối với RY 160 (0,05 g/L) đạt hiệu suất xử lý 99,93% sau 60 phút phản ứng Ngoài ra, kết quả khảo sát trên các phẩm màu khác đều cho các kết quả khả quan với hiệu suất trên 50% Khảo sát khả năng thu hồi và tái sử dụng của vật liệu chỉ ra rằng vật liệu có khả năng tái sử dụng 1 lần so với ban đầu Nghiên cứu đã chỉ ra khả năng xử lý tốt và phạm vi ứng dụng rộng rãi của Bùn sắt trên đa dạng phẩm màu hữu cơ Tuy nhiên, cần phân tích chi tiết hơn đặc tính của vật liệu bằng các phương pháp xác định vật liệu rắn để đánh giá sự ảnh hưởng của q trình biến tính và nhiệt độ nung Cần khảo sát các thơng số hóa lý (nhiệt độ nung, pH, tỷ lệ rắn/lỏng, nồng độ H2O2 và nồng độ ơ nhiễm) theo hình thức định lượng để tìm ra giới hạn tối ưu cho hệ và đảm bảo tính kinh tế khi ứng dụng hệ xúc tác vào thực tế
Thử nghiệm sử dụng bùn thải từ quá trình xử lý nước cấp làm vật liệu hấp
phụ
Trang 40nhà máy cấp nước sử dụng nguyên liệu nước mặt tại huyện Hóc Mơn làm ngun liệu chính trong việc xử lý kẽm trong nước thải dệt nhuộm Bùn sau khi thu gom được phơi khô khoảng 15 phút được giã nhuyễn và rây ở kích thước 0.1 - 0.045 mm Vật liệu được chế tạo bằng phương pháp biến tính nhiệt ở 400ºC, 500ºC, 600ºC, 700ºC Nước thải dệt nhuộm được lấy từ bể mạ kẽm tại nhà máy xi mạ ở Tân Un, Bình Dương Nồng độ ơ nhiễm (Zn) đầu vào là 76.2 ± 14.8 mg/L, pH = 10 - 12 Vận hành Jartest với tốc độ 100 vòng/phút với 200 mL dung dich nước thải được chứa trong bình tam giác, pH = 10, khối lượng vật liệu 0.1 g Kết quả xử lý đạt 100% với mẫu SWTSA ở nhiệt độ 500ºC và 90% với mẫu SWTSA ở 700ºC Vật liệu sau khi phân tích BET có diện tích bề mặt tiếp xúc đạt 68.45 m2/g, khá thấp so với than hoạt tính thơng thường Nghiên cứu cho thấy tiềm năng tái sử dụng bùn nhà máy cấp nước trong việc nghiên cứu chế tạo vạt liệu xúc tác để hấp phụ kim loại nặng trong nước thải dệt nhuộm là rất lớn Tuy nhiên, nghiên cứu cần phải có các cải tiến mới như: biến tính vật liệu để tăng diên tích bề mặt hấp phụ, khảo sát các điều kiện tối ưu để thiết lập các giá trị đặc trưng cho vật liệu và loại hình nước thải, mở rộng phạm vi khảo sát nhằm tối ưu hóa khả năng xử lý ơ nhiễm của vật liệu
2.7 Phương pháp chế tạo vật liệu xúc tác