Nghiên ứu khả năng sử dụng lá cao su làm vật liệu xử lý cu (ii) trong nước

Trang 13 4 CHƢƠNG 1Ô NHIỄM ĐỒNG TRONG NƢỚC VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ1.1.. Hiện trạng ô nhiễm đồng trong nƣớc, ảnh hƣởng của chúng đến con ngƣời và môi trƣờng 1.1.1.. Quan tr ng là qu ng c

B GIÁO D Ộ ỤC VÀ ĐÀO TẠ O TRƯỜNG ĐẠ I H C BÁCH KHOA HÀ N I Ọ Ộ

B GIÁO D Ộ ỤC VÀ ĐÀO TẠ O TRƯỜNG ĐẠ I H C BÁCH KHOA HÀ N I Ọ Ộ

iv

LỜI CẢM ƠN

TS Tr n L ng d n em nghiên c u và hoàn thành Lu

t n tình d y b o trong su t quá trình h c, trang b ki n th c giúp em hoàn thành Lu

các anh ch trong phòng Công ngh và v t li u môi tr

t u ki n v m t trang thi t b , hóa ch em th c hi n t t quá trình

v

M Ụ C LỤC

L i

L I C iv

M C L C v

DANH M C CÁC CH VI T T T vii

DANH M C HÌNH viii

DANH M C B NG ix

M U 1

1 Tính c p thi t c 1tài 2 M c tiêu nghiên c u 2

ng và ph m vi nghiên c u 2

a Lu

c và th c ti n

6 B c c Lu 3

4

Ô NHI LÝ 1.1 Hi n tr ng ô nhi c, ng c ng 4

c tính c ng

1.1.2 Ngu n g c ô nhi c

1.1.3 ng c a ô nhi i v 1.2 M t s c th i

t t a hóa h c

i ion

p ph

c

1.2.5 M t s

1.3 X lý kim lo i n c b ng v t li u sinh h c

c a ph

ng nhi t mô t quá trình h p ph kim lo i n c b ng v t li u sinh h c 15

1.3.3 M t s ng h c mô t quá trình h p ph

vi

22

U VÀ QUY TRÌNH TH C NGHI M 22

2.1 V t li u 22

2.1.1 L a ch n v t li u 22

2.1.2 Quy trình ch t o v t li u 22

2.2 Hóa ch t và thi t b s d ng 23

2.2.1 Hóa ch t 23

2.2.2 Thi t b , d ng c s d ng 24

nghiên c u th c nghi m

2.5 Quy trình th c nghi m 26

2.5.1 Kh o sát ng c a th i gian ti n hi u su t x lý Cu( 2.5.2 Kh o sát ng c a pH t i hi u su t h p ph Cu(II) 26

2.5.3 Kh o sát ng c a t l r n l n hi u su t h p ph Cu(II i h p, tái s d ng v t li u

2.5.5 X c th i 28

T QU VÀ TH O LU N 29

c tính c a v t li u

3.2 ng c a th i gian ti p xúc t i hi u su t x lý Cu(II) 32

3.3 ng c n hi u su t x lý Cu(II) b i RL

3.4 ng c a t l r n l n hi u su t x lý Cu(II) c a RL

ng nhi t h p ph 37

i h p ph

3.7 K t qu x c th i

ng h c c a quá trình h p ph Cu(II) trong dung d ch b i RL 42

K T LU N 45

TÀI LI U THAM KH O 47

PH L C 51

Ph l c 1 51

Ph l c 2 52

Ph l c 3 57

FTIR Fourier Transform InfraRed Ph h ng ngo i

HUST Hanoi University of Science and

Technology

i h c Bách kh

N i INEST Institute for Environmental

Science and Technology

Vi n Khoa h c và Công ngh

IMS Institute of Materials Science Vi n Khoa h c v t li u

SEM Scanning Electronic Microscope Kính hi n t quét

VAST Vietnam Academy of Science and

Technology

Vi n Hàn lâm Khoa h c vàCông ngh Vi t Nam

viii

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Quá trình m ng lên ch t d o [8] 6

Hình 2.1: Quy trình ch t o v t li u t lá cây cao su 23

quy trình th c nghi m theo m n

Hình 3.1: nh SEM c a v t li u RL-H2O (a); RL-NaOH (b); RL-H2SO4 (c)

v i 2000 l n và 10000 l n 2

Hình 3.2: Ph h ng ngo i c a v t li u RL-H2O (a), RL-NaOH (b), RL-H2SO4 (c) 31

Hình 3.3: ng c a th i gian ti n hi u su t x lý Cu(II) b 32

Hình 3.4: ng c u và b) pH cân b n lý Cu(II) b i RL 34

Hình 3.5: ng c a t l r n l n hi u su t x lý Cu(II) b i Hình 3 ng Cu(II) h p ph và t l r n l ng khi s d ng RL 36

ng nhi i v i Cu(II) khi s d ng v t l ng nhi i v i Cu(II) khi s d ng v Hình 3.9: Kh i h p ph ng và tái s d ng RL-H2O 40

Hình 3.10: Kh i h p ph ng và tái s d ng RL-NaOH 4

Hình 3.11: Gi ng h c b i v i h p ph Cu(II) 4

Hình 3.12: Gi ng h c b i v i h p ph Cu(II) 4

ix

DANH M C B NG Ụ Ả

B ng 1.1: Các tính ch t v t lý c ng 4

B ng 1.2: Thành ph c th i c a m t s ngành công nghi p 7

B ng 3.1: H ng s ng nhi t Langmuir và Freudlich khi x lý Cu(II) b i RL 37

B ng 3.2: Kh p ph Cu(II) c a RL so v i m t s v t li u khác 3

B ng 3.4: H ng s t h p ph b c 1 và b i v i Cu trên RL

B ng PL 2.1: ng c a th i gian ti n hi u su t x lý Cu(II) b H2O 52

B ng PL 2.2: ng c a th i gian ti n hi u su t x lý Cu(II) b NaOH 52

B ng PL 2.3: ng c a th i gian ti n hi u su t x lý Cu(II) b H2SO4 53

B ng PL 2.4: ng c n hi u su t x lý Cu(II) c a v t li2O 53 u RL-H B ng PL 2.5: ng c n hi u su t x lý Cu(II) c a v t li u RL-N 54

B ng PL 2.6: ng c n hi u su t x lý Cu(II) c a v t li u RL-H2SO4 54

B ng PL 2.7: ng c a t l r n l n hi u su t x lý C c a v t li u RL-H2O 55

B ng PL 2.8: ng c a t l r n l n hi u su t x lý Cu(II) c a v RL-NaOH 55

B ng PL 2.9: ng c a t l r n l n hi u su t x lý Cu(II) c a v RL-H2SO4 56

1

M Ở ĐẦ U

1 Tính cấp thiết của đề tài

tri c bi t là nhóm ngành công nghi

t Tuy nhiên, bên c nh nh ng l i ích v kinh t , quá trình phát tri n công nghi p

ng b ô nhi m nghiêm tr c bi t s hi n di

n Cu, Cd, Zn, Pb, As,

c c ng quan tâm S tích t kim lo i n ng

i s ng c a các sinh v t th y sinh, gây nh n s c kh e c

c ti n hành nghiên c u nhi u qu c gia nh m x lý kim lo i n ng trong

c Các k t qu nghiên c u g ng minh r ng nhi u v t l

Vi t Nam là m c nông nghi p có ngu n ch t th i nông nghi p d i dào

th gi i v s ng khai thác m cao su v i di n tích tr ng cao su g n 850

ng kho ng cu

2

s d ng lá cao su làm v t li u x ử ụ ậ ệ ử lý Cu(II) trong nước” c th c hi n v i

mong mu n t n d ng ngu n ch t th i là lá cây cao su mùa lá r ch t o v

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên c u ch t o v t li u t lá cây cao su v

 Kim lo i: dung d ch Cu(II) có n kho

4 Đóng góp của Luận văn

- Xây d ng quy trình ch t o VLHP t lá cây cao su v i 3 tác nhân khác

3

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Ti p c ng nghiên c u m i, s d ng v t li u t nhiên giá thành th p,

- T n d ng ngu n ch t th i nông nghi ch t o v t li u sinh h c có kh

4

CHƯƠNG 1

Ô NHIỄM ĐỒNG TRONG NƯỚC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ

1.1 Hiện trạng ô nhiễm đồng trong nước, ảnh hưởng của chúng đến con người

và môi trường

1.1.1 Đặc tính của đồng

nguyên t u hình electron c a Cu là [Ar]3d104s1 Bán kính nguyên

malachit Cu2(OH)2CO3, tenorit cao ng có m t trong v t v i n

ppm

ng là m t trong nh ng nguyên t r c bi t v m t sinh v t h c

lo i cây n c bón thêm m ng thích nghi các h p ch t c

M ng hóa h c

X lý hoá h c Làm nh y

dung môi, Cu(II) và các

7

2SO4

2CO3

Thành ph c th i c a m t s ngành công

gi ng nhau và ph thu c vào t ng lo i hình s n ph m Các s li u còn cho th y

n kim lo i n ng trong dòng th i c a các xí nghi u l

hóa h c, hóa lý, sinh h c N kim lo i n ng nói chung và Cu(II) nói riêng

ng phát sinh t các ngu n nh nh Do v y, cách t t nh t là x lý ngay tngu n gây ô nhi có th l a ch

ng l n hóa ch t và sau x lý sinh ra m ng bùn th i l n có n kim

1.2.2 Phương pháp trao đổi ion

i ion trong x lý kim lo

i v i các ion trên nh a cationit ho ng tính

pH=6- 11

11

Cu2+ + 2R SO3H - ( R SO3)2 Cu + 2H+ (1.5)

nh (R-SO

3H); cation axit y u OH,

+ Kh i ion l n, hi u qu x lý kim lo i cao

n, d s d ng + Không gian x lý nh

+ Có kh i kim lo i có giá tr , không t o ra ch t th i th c p

- m: Chi phí x lý cao nên không phù h p v i các nhà máy có quy

mô l n

1.2.3 Phương pháp hấp phụ

trình di chuy n các ion kim lo i t pha l ng sang pha r n, các ion kim lo i b h p

ph lên b m t ho c trong mao qu n c a v t li u h p ph có các tâm h p ph Quá

có th c gi i h p ph tái s d ng l i v t li u h p ph và thu h i kim lo i

Freundlich ho c Langmuir M i quan h ng gi a n kim lo i t

li u h p ph , n kim lo i trong dung d ch, nhi , b n ch t c a v t li

khu y tr

u không thu n l i có th gây ng c và làm ch

v t nên làm gi m kh lý Ngoài ra, vi c khó thu h i sinh kh i sau quá trình

13

1.2.5 Một số phương pháp khác

a) Phương pháp trích ly

kh n ng hóa h c gi a ch t trích ly trong dung môi h

tron c v i các ion kim lo i n ng Sau quá trình ph n ng, tách pha h

Hi u qu c a quá trình trích ly ph thu c vào nhi u y u t a dun

d ch, t l th tích gi a các pha, b n ch t c a ion kim lo và ch t trích ly i

ch t tan v c v n chuy n cùng dung môi qua màng Màng bán th ch

l i v i ch t tan cao thì kh

n ch t tan, hóa tr ion và áp su ng l c c a h

phí x lý

c) Phương pháp điện hóa

n hóa ho ng theo nguyên t c oxy hóa kh

Anot: Làm b ng graphit ho c oxit chì (PbO2)

Catot: Làm b ng molipden ho c h p kim W- - Fe Ni

Quá trình kh và k t t a Cu(II) t n c c catot x

1.3 Xử lý kim loại nặng trong nước bằng vật liệu sinh học

1.3.1 Cơ sở của phương pháp

15

này có kh p thu ion kim lo i do c u trúc có nhi u l x p và thành ph ng

polymer này ch a các nhóm ch

c a quá trình h p ph khá ph c t p S h p thu các kim lo i n ng

s ng và ngu n g c sinh kh i Các kim lo c lo i b kh c b i

i ion, t o ph c ho c h p ph b i liên k t v t lý Quá

nh không làm ng quá l n quá trình h p ph Ngoài ra, các thông s

h p ph

Vi c s d ng ph ph m nông nghi m là giá thành r , có s n

t a trong quá trình s n xu t nông nghi p, c n ít quá trình x

li u có th tái s d c vì v y khi s d x lý kim lo i n

1.3.2 Phương trình đẳng nhiệt mô tả quá trình hấp phụ kim loại nặng trong

nước bằng vật liệu sinh học

16

1.3.2.1 Phương trình đẳng nhi t Langmuir ệ

bC

bCQq

e

bQ

CQq



bQ

CQq

q

11)

1(

Langmuir 3

e

e m

qbQ

e

e

Cq

ng nhi t Langmuir cho phép gi i thích th

th c nghi m Tuy nhiên, m t s nghiên c u ch ra r ng có s không phù h p trong

ng h p ph p nhi th p và khi b m t ch t h p ph

1.3.2.2 Phương trình đẳng nhi t Freundlichệ

u h p ph s d ng vÔng ch ra r ng n u n ch t tan cân b ng trong dung d ch là e C

18

lnqe = lnKF + (1/ ) lnn Ce (1.10)

d c c th lnqe và lnCe cho bi t giá tr c a KF và 1/n

không ph i luôn luôn mô t u th c nghi m trong vùng nli

+

h = k2

(1.15) (1.16) : h (mg/g.phút) là t l h p ph u

nghiên c u r t nhi u k c trên th gi i và Vi t Nam V i nh ng v t li u h p ph

r ng, t ph ph m nông nghi n sinh kh i c a các cây công nghi

m i vùng có lo i v t li u t nhiên khác nhau

ph n 95% Quá trình h p ph phù h p v i mô hình Langmuir v

i v i lá chè, lá mía, lá ngô l t là 4,96 mg/g; 1,81 mg/g và 1,49 m[17]

ra r ng v chu i có kh p

c c lo i b h t các t p ch 0 c, s y khô l i 100chu c bi n tình b ng dung d ch acid citric bão hòa, khu y b ng máy khu y t

và nung 1200 u ki n th c nghi m là pH dung d ch b ng 5, th i gian khu y

citric 0,6M trong 30 phút và r a b c c t n trung tính, s y khô 600C Thí

22

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM

2.1 Vật liệu

2.1.1 Lựa chọn vậ liệut

V t li u h p ph c s d ng trong toàn b quá trình th c nghi m là sinh

kh i khô c a lá cây cao su t nhiên Lá cây cao su r ng trong quá

thu gom t n cao su t i t

Cây cao su có tên khoa h c là Heavea brasilliensis

3, phi n b u d c, không lông, cu

c bao quanh hoa cá

m nh v ghép thành 3 bu ng; m i nang tròn, to 3÷4 cm; h t hình c u ho c b u d c,

ng kính h t 1 ÷18 mm

c r a s Toàn b v t li c b o qu n trong l plastic và gihút th c hi n các quy trình ch t o v t li u khác nhau dùng trong th c nghi m

2.1.2 Quy trình chế tạo vật liệu

Lá cao su t nhiên (RL) sau khi r c thu gom, r a s ch nh m lo b i

c t 0,6-1 mm Quá trình ch t o v t li cquy trình trên hình 2.1

- Dung d ch g c CuSO4 c pha t mu 4.5Hi CuSO2O (tinh khi t phân

tích);

Lá cao su (RL)

Nghi n nh 0,6<d<1 mm

24

d ng chu n khi phân tích;

- Quang ph h p th nguyên t (AAS) AA800 c a hãng Perkin Elmer (M );

- Cân phân tích Libror AEG 220 c a hãng Shimazu (Nh t B n);

2.3 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

hi n trong bình tam giác c nhám dung tích 100 mL ch a dung d ch Cu(II) và v t

máy l c n nhi c duy trì ti p xúc nhi0C v i t 25 khu y tr n là

100 vòng/phút trong các kho ng th

b ng gi y l c và ti n hành phân tích n Cu(II) còn l i trong dung d ch

M u tr ng (không ch a v t li u h p ph c ti n hành song song v i m u

hành thí nghi m

u ki n ti n hành quá trình th c nghi m:

2.4 Phương pháp đo và phân tích

c phân tích theo TCVN 6193:1996 - p th nguyên t ng

l a Nguyên t c c

Dung d ch Cu(II)

u ch nh pBình tam giác

Máy l c n nhi t 250C, tkhu y tr n 100 vòng/phút

L c Dung d ch sau l c

27

2.5.3 Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ rắn lỏng đến hiệu suất hấp phụ Cu(II)

T l gi a hai pha r n l i trong th c nghi m khá

ch n t các k t qu th c nghi m m c 2.5.1 và 2.5.2 Sau kho ng th i gian quá

t cân b ng, pha l c tách và phân tích n c a Cu(II) còn dung d ch

2.5.4 Thăm dò khả năng giải hấp, tái sử dụng vật liệu

l pha r n - pha l ng là 5 g/L, khu y tr n 185 vòng/phút, nhi oC trong 25

Cf: n ion Cu(II) trong dung d ch sau khi h p ph , mg/L

Cr : n ion Cu(II) trong dung d ch sau khi gi i h p ph , mg/L

Vad: th tích dung d ch h p ph , mL

Vr: th tích dung d ch gi i h p ph , mL

28

2.5.5 Xử lý nước thải

ng c a 1 Công ty m

29

CHƯƠNG 3: KẾ T QU VÀ TH O LU N Ả Ả Ậ 3.1 Xác định đặc tính của vật liệu

Th c nghi c ti n hành v i v t li u RL có di n tích b m t l

0,46 m2/g (RL-H2O); 0,68m2/g (RL-NaOH); 0,71m2/g (RL-H2SO4 c0,6<d<1mm B m t v t li c ch p trên kính hi n t quét SE

trên hình 3.1 Hình nh cho th y b m t c a v t li u có nhi u n p g p có d ng s i

30

nh nh ng nhóm ch c ch y u có th tham trình x lý kim lo i, ph h ng ngo i (FTIR) c a 3 lo i v t li u RL-H2O, RL-NaOH,

hóa d u và v t li u xúc tác h p ph - Vi n K thu t hóa h c th trên hình 3.2

Ph h ng ngo i trong kho ng s sóng 400÷4000 cm-1 cho th y nhóm ch c

cacboxyl, hydroxyl, amin trên HBL D i ph r ng t i kho ng 3436,6 cm-1 do nhóm

nhóm C-O trong lacton [33] Vùng 559,4 cm-1cho th y c u trúc c

u ch nh trong su t quá trình th c nghi m v u ki n th c nghi

mô t m c 2.3 (nhi oC, t 25 khu y tr n 100 vòng/ phút, t l r n - l ng 5 g/L, n Cu(II) 20 mg/L) Các k t qu th c nghi m bi u di n trên hình 3.3 cho

020406080100

RL-H2O RL-NaOH RL-H2SO4

c a ch t tan vào bên trong v t li u

M t khác, theo K.S Low [25], có th gi thi h p ph

3.3 Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý Cu(II) bởi RL

pH là m t trong nh ng y u t quan tr ng n quá trình x lý k

lo c và chi ph i các quá trình h p ph do có th

m t c a v t li u [22], tan c a các ion kim lo i và s

i các nhóm ch c c a thành t bào sinh kh i [28

ng c n quá trình x lý, ti n hành th c nghi m vtrình bày m c 2.5.2 trong kho ng th i gian ti c l a ch n t k t qu

su t x lý Cu(II) b c th hi n trên hình 3.4 Th c nghi c ti n

hi u su t ph thu c r t nhi u vào pH ba u c a dung d th hình 3.4 c

r ng, hi u su t x lý Cu(II) c a các lo i v t li

u c a dung d ch C th , t u b ng 2,0, hi u su t

c a c 3 lo i v t li u r t th p (H<33%) n

i v i RL-H2SO4) Gi i thích cho s i này, D Brady và c ng s [23]

cho r ng, t i giá tr pH r t th p, hi u su t h p ph Cu(II) th p do s c nh tranh gi a

RL-H2O RL-NaOH RL-H2SO4

pH can bang

35

T th y t i pH th p (3,5) quá trình h p ph Cu(II) b

u ki n th c t , khi mà h u h c th i b ô nhi m b i kim lo i n

pH th p, không c u ch nh pH mà v n có th t hi u su t x lý cao Bên c

t li u RL-H2O có pH cân b ng 5,7 6 và RL-NaOH có pH cân b ng 6,6 6,7  

u 3,5 5,5 th hi 2SO4 có pH cân b ng i RL-H3,7 3,9 do có pH sau x  lý n ng gi i h n c a QCVN 40:2011

3.4 Ảnh hưởng của tỷ lệ rắn – lỏng đến hiệu suất xử lý Cu(II) của RL

Quá trình th c nghi m nghiên c u ng c a t l r n - l n hi u

RL-H2O RL-NaOH RL-H2SO4