Nghiên cứu phương pháp xử lý kim loại nặng trong nước thải bằng chất hấp phụ sinh học có nguồn gốc từ phế liệu thủy sản chitin chitosan

LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đề tài này, tôi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, động viên và khích lệ của nhiều tập thể và cá nhân. Trước hết tôi xin gửi lời cám ơn chân thành đến Ban giám hiệu Trường Đại học Nha Trang, Ban chủ nhiệm Viện Công nghệ Sinh học và Môi trường cùng quý thầy cô đã giảng dạy và truyền đạt những kiến thức quý báu cũng như tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian học tập tại trường. Sự biết ơn sâu sắc nhất tôi xin gửi đến PGS.TS. Trang Sĩ Trung và ThS. Nguyễn Công Minh - những người đã định hướng và tận tình hướng dẫn, động viên, góp ý những ý kiến thiết thực, quý giá trong suốt thời gian thực hiện đề tài. Qua đây, tôi xin chân thành cám ơn đến toàn thể thầy cô và cán bộ Viện Công nghệ Sinh học và Môi trường, Trung tâm thí nghiệm thức hành – Trường Đại học Nha Trang, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi hoàn thành đề tài này. Xin cám ơn tất cả những người bạn đã luôn quan tâm, động viên và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài. Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến bố mẹ và anh chị em thân yêu. Những người đã luôn dõi theo và ủng hộ cả vật chất lẫn tinh thần cho tôi được hoàn thành đề tài này. Nha Trang, tháng 06 năm 2012 Sinh viên thực hiện Võ Văn Huỳnh i MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT iii DANH MỤC CÁC BẢNG iv DANH MỤC CÁC HÌNH v LỜI MỞ ĐẦU 1 Chương 1: TỔNG QUAN 3 1.1. Kim loại nặng trong nước thải 3 1.1.1. Kim loại nặng trong nước thải 3 1.1.2. Ảnh hưởng của một số kim loại nặng lên cơ thể sống và con người 5 1.1.2.1. Đồng 5 1.1.2.2. Chì 6 1.1.2.3. Crom 6 1.1.2.4. Thủy ngân 7 1.1.2.5. Cadimi 8 1.1.2.6. Asen 8 1.1.2.7. Niken 9 1.2. Một số phương pháp xử lý kim loại nặng thông dụng 10 1.2.1. Phương pháp kết tủa 10 1.2.2. Phương pháp hấp phụ 13 1.2.3. Phương pháp trao đổi ion 17 1.3. Chitin – Chitosan 19 1.3.1. Giới thiệu về chitin – chitosan 19 1.3.1.1. Nguồn gốc và sự tồn tại của chitin – chitosan trong tự nhiên 19 1.3.1.2. Cấu trúc hóa học và tính chất của chitin – chitosan 20 1.3.2. Ứng dụng của chitin – chitosan 24 1.3.2.1. Ứng dụng chitin – chitosan trong xử lý môi trường 24 1.3.2.2. Ứng dụng chitin – chitosan trong các ngành khác 30 1.3.3. Sản xuất chitin – chitosan từ phế liệu thủy sản 30 ii Chương 2: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 32 2.1. Nguyên vật liệu – hóa chất, dụng cụ thiết bị thực nghiệm 32 2.1.1. Mẫu chitosan trong nghiên cứu 32 2.1.2. Nước thải chứa kim loại nặng 33 2.1.3. Hóa chất, dụng cụ thiết bị 34 2.2. Phương pháp nghiên cứu 35 2.2.1. Phương pháp phân tích hóa học 35 2.2.2. Phương pháp bố trí thí nghiệm xây dựng đường chuẩn 35 2.2.3. Phương pháp bố trí thí nghiệm 36 2.2.4. Phương pháp phân tích xử lý số liệu 43 Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 44 3.1. Kết quả phân tích các chỉ tiêu chất lượng của mẫu chitosan 44 3.2. Kết quả xác định khả năng hấp phụ Cu 2+ của chitosan 45 3.3. Kết quả xác định một số yếu tố ảnh hưởng tới khả năng hấp phụ của chitosan 47 3.3.1. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy 47 3.3.2. Ảnh hưởng của thời gian khuấy 48 3.3.3. Ảnh hưởng của pH 52 3.3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ 53 3.4. Kết quả xác định lượng chitosan tối ưu khi xử lý nước có chứa nồng độ Cu 2+ là 50 mg/l 54 3.5. Đề xuất quy trình xử lý nước thải chứa Cu 2+ (50mg/l) bằng chitosan 57 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 PHỤ LỤC 63 iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Chữ viết tắt Diễn giải 1 BSA Bovine Serum Albumin (huyết thanh bò) 2 cps Centipoise 3 d Đường kính 4 DD Độ deacetyl 5 Glc Glucosamine 6 Glc-NAC Glucosamine N-Acetyl 7 h Giờ 8 NXB Nhà xuất bản 9 OD Độ hấp thụ quang 10 PTWI Provisional Tolerable Weekly Intake: Lượng ăn v ào hàng tuần tạm thời chịu đựng được 11 rpm Vòng/phút 12 TB Trung Bình 13 TCVNB Tiêu chuẩn Việt Nam, cột B 14 WHO World Health Organization: tổ chức y tế thế giới 15 ↓ Kết tủa iv DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1: pH tại điểm bắt đầu kết tủa của các kim loại 12 Bảng 1.2: Thành phần hóa học một số loại phế liệu thủy sản thông dụng để sản xuất chitin (No và Meyers, 1997, Trung, 2003) 20 Bảng 1.3: Một số ứng dụng chính của chitin-chitosan và dẫn xuất trong xử lý môi trường 25 Bảng 3.1: Một số chỉ tiêu chất lượng cơ bản của mẫu chitosan 44 Bảng 3.2: Khả năng hấp phụ Cu 2+ của chitosan 45 Bảng 3.3: Kết quả xử lý số liệu theo đường đẳng nhiệt Freundlich 46 Bảng 1: Kết quả đo OD 210nm 66 Bảng 2: Bố trí thí nghiệm chạy đường chuẩn của phương pháp Microbiuret 69 Bảng 3: Kết quả đo OD 330nm 69 Bảng 4: Kết quả xác định hàm lượng ẩm 71 Bảng 5: Kết quả xác định hàm lượng tro 72 Bảng 6: Kết quả xác định độ deacetyl 72 Bảng 7: Kết quả xác định hàm lượng protein 73 Bảng 8: Kết quả đo OD 645nm 73 Bảng 9: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tốc độ khuấy tới khả năng hấp phụ của chitosan 75 Bảng 10.1: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian khuấy tới khả năng hấp phụ của chitosan (≤ 120 Mesh) 76 Bảng 10.2: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian khuấy tới khả năng hấp phụ của chitosan (≤ 60 Mesh) 77 Bảng 11: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH tới khả năng hấp phụ của chitosan 78 Bảng 12: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ tới khả năng hấp phụ của chitosan 79 Bảng 13: Kết quả xác định lượng chitosan tối ưu khi xử lý nước thải có nồng độ Cu 2+ là 50 mg/l 80 Bảng 14: Giá trị giới hạn các thông số và nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải công nghiệp 82 v DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1.1: Cấu trúc hóa học của chitin 21 Hình 1.2: Sự sắp xếp của chuỗi polymer của α-chitin, β-chitin, γ-chitin 21 Hình 1.3: Chitosan và glucosamine tạo thành từ sự thủy phân chitin 22 Hình 1.4: Cấu trúc hóa học của chitosan 23 Hình 1.5: Quy trình xử lý chì từ nước thải bằng chitosan của Chauhan và cộng sự (2008) 27 Hình 1.6: Quy trình xử lý đồng từ nước thải bằng chitosan 28 Hình 1.7: Sơ đồ tổng quát quá trình sản xuất chitin – chitosan từ phế liệ thủy sản 31 Hình 2.1: Mẫu chitosan ban đầu (a) và sau khi xay (b) 32 Hình 2.2: Sơ đồ bố trí thí nghiệm tổng quát 36 Hình 2.3: Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định khả năng hấp phụ Cu 2+ của chitosan 37 Hình 2.4: Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định ảnh hưởng của tốc độ khuấy (lắc) tới khả năng hấp phụ của chitosan 38 Hình 2.5: Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định ảnh hưởng của thời gian khuấy (lắc) tới khả năng hấp phụ của chitosan 39 Hình 2.6: Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định ảnh hưởng của pH tới khả năng hấp phụ của chitosan 40 Hình 2.7: Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định ảnh hưởng của nhiệt độ tới khả năng hấp phụ của chitosan 41 Hình 2.8: Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định lượng chitosan tối ưu khi xử lý nước có chứa nồng độ Cu 2+ là 50 mg/l 42 Hình 3.1: Đồ thị khả năng hấp phụ Cu 2+ của chitosan 45 Hình 3.2: Đồ thị đường đẳng nhiệt Freundlich 46 Hình 3.3: Đồ thị ảnh hưởng của tốc độ khuấy 47 vi Hình 3.4.1: Đồ thị ảnh hưởng của thời gian khuấy khi Cu 2+ ở nồng độ 50 mg/l (120 Mesh) 49 Hình 3.4.2: Đồ thị ảnh hưởng của thời gian khuấy khi Cu 2+ ở nồng độ 100 mg/l (120 Mesh) 49 Hình 3.5.1: Đồ thị ảnh hưởng của thời gian khuấy khi Cu 2+ ở nồng độ 50 mg/l (60 Mesh) 50 Hình 3.5.2: Đồ thị ảnh hưởng của thời gian khuấy khi Cu 2+ ở nồng độ 100 mg/l (60 Mesh) 50 Hình 3.6: Đồ thị ảnh hưởng của pH 52 Hình 3.7: Đồ thị ảnh hưởng của nhiệt độ 54 Hình 3.8: Đồ thị xác định lượng chitosan tối ưu khi xử lý nước có chứa nồng độ Cu 2+ là 50 mg/l 55 Hình 3.9: Mẫu nước chứa Cu 2+ trước (a) và sau khi hấp phụ bằng chitosan (b) 56 Hình 3.10: Mẫu nước chứa Cu 2+ sau khi lọc (a) và chitosan sau khi hấp phụ (b) 56 Hình 3.11: Sơ đồ quy trình xử lý Cu 2+ (50mg/l) bằng chitosan đề xuất 57 Hình 1: Đồ thị biểu diễn phương trình đường chuẩn của phương pháp xác định độ deacetyl 66 Hình 2: Đồ thị biểu diễn phương trình đường chuẩn của phương pháp Microbiuret 70 Hình 3: Đồ thị biểu diễn phương trình đường chuẩn CuSO 4 74 Hình 4: Thiết bị đo UV-mini 1240, Nhật Bản 83 Hình 5: Cân phân tích AY220, Nhật Bản 84 Hình 6: Máy đo pH 84 Hình 7: Máy lắc ngang NB-101MH, Hàn Quốc (a) và máy lắc ổn nhiệt KS 4000i-IKA, Đức (b) 84 1 LỜI MỞ ĐẦU Trong một vài thập kỷ gần đây, cùng với sự phát triển nhanh chóng của đất nước là sự phát triển không ngừng của các ngành công nghiệp. Chúng đóng góp một vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân. Bên cạnh sự phát triển không ngừng đó thì các ngành công nghiệp đã phát thải ra môi trường các chất ô nhiễm, tác động tiêu cực trực tiếp đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Ion kim loại nặng trong nước thải của các ngành công nghiệp như mạ điện, thuộc da, dệt nhuộm, chế biến thép, luyện kim, hóa chất, sơn khi xả thải vào môi trường làm ô nhiễm nguồn nước, ảnh hưởng rất lớn (ngay cả khi chúng ở nồng độ thấp) do độc tính cao và khả năng tích lũy lâu dài trong cơ thể sống. Ô nhiễm kim loại nặng có trong nước thải đang là một trong những vấn đề bức xúc nhất của môi trường ở Việt Nam hiện nay, tuy nhiên hiện nay ở Việt Nam việc xử lý các nguồn nước thải chứa kim loại nặng từ các nhà máy vẫn chưa có sự quan tâm đúng mức. Bởi các nhà máy ở Việt Nam thường có quy mô sản xuất vừa và nhỏ do vậy khả năng đầu tư vào các hệ thống xử lý nước thải là hạn chế. Hầu hết các nhà máy chưa có hệ thống xử lý hoặc hệ thống xử lý quá sơ sài do vậy nồng độ kim loại nặng của các nhà máy thải ra môi trường vượt quá tiêu chuẩn cho phép. Phương pháp truyền thống trong xử lý nước thải chứa kim loại nặng hay được các nhà máy ở Việt Nam sử dụng là phương pháp kết tủa thì hiệu quả không cao mà tiêu tốn nhiều hóa chất, còn một số phương pháp khác tỏ ra hiệu quả nhưng thường là giá thành cao, và không phù hợp với xử lý ở quy mô lớn hoặc đòi hỏi nhiều không gian xử lý. Do vậy việc nghiên cứu để đưa ra một phương pháp mới hiệu quả hơn, rẻ tiền hơn, có không gian xử lý phù hợp và thân thiện hơn với môi trường trong xử lý nước thải chứa kim loại nặng là hết sức cần thiết. Từ những yêu cầu thực tiễn nêu trên, đòi hỏi phải có những phương pháp thích hợp, hiệu quả để xử lý kim loại nặng nhằm tránh và hạn chế những tác động xấu của nó đến môi trường và sức khỏe cộng đồng. Được sự đồng ý của Chủ nhiệm 2 Viện Công nghệ Sinh học và Môi trường, Trường Đại học Nha Trang, đề tài: “Nghiên cứu phương pháp xử lý kim loại nặng trong nước thải bằng chất hấp phụ sinh học có nguồn gốc từ phế liệu thủy sản chitin-chitosan” được thực hiện. Mục tiêu của đề tài: Nghiên cứu phương pháp xử lý kim loại nặng trong nước thải bằng chất hấp phụ sinh học có nguồn gốc từ phế liệu thủy sản chitin-chitosan. Từ đó, đưa ra quy trình xử lý kim loại nặng bằng chất hấp phụ sinh học với các điều kiện tối ưu nhất để đạt hiệu quả xử lý cao nhất. Nội dung nghiên cứu của đề tài: - Đánh giá chất lượng của mẫu chitosan. - Xác định khả năng hấp phụ Cu 2+ của chitosan. - Xác định một số yếu tố ảnh hưởng tới khả năng hấp phụ của chitosan. - Xác định lượng chitosan tối ưu khi xử lý nước có chứa nồng độ Cu 2+ là 50mg/l. - Đề xuất quy trình xử lý kim loại nặng bằng chitosan với các điều kiện tối ưu nhất. Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng bên cạnh việc đạt được một số kết quả nhất định thì đề tài vẫn còn có rất nhiều thiếu sót. Kính mong sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô và các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn. 3 Chương 1 TỔNG QUAN 1.1. Kim loại nặng trong nước thải 1.1.1. Kim loại nặng trong nước thải Kim loại nặng là những kim loại có khối lượng riêng lớn hơn 5g/cm 3 . Các kim loại nặng tồn tại trong nước thải gây ảnh hưởng tới sức khỏe con người và môi trường sống như là Zn, Cu, Pb, Cd, Hg, Ni, Cr, As, Nguồn nước thải chứa kim loại nặng chủ yếu được thải vào môi trường do các quá trình sản xuất công nghiệp, quá trình khai khoáng, quá trình tinh chế quặng, kim loại, sản xuất kim loại thành phẩm Thêm vào đó, các hợp chất của kim loại nặng được sử dụng rộng rãi trong các nghành công nghiệp khác như quá trình tạo màu và nhuộm, ở các sản phẩm của thuộc da, cao su, dệt, giấy, luyện kim, mạ điện và nhiều nghành khác là nguồn đáng kể gây ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường nước. Ngoài ra còn có sự tồn tại của kim loại nặng ở trong nước thải sinh hoạt do các tác nhân trong các mỹ phẩm dùng để trang điểm, rửa mặt và một vài hóa chất được sử dụng trong nông nghiệp cũng gây nên sự ô nhiễm này. Ion kim loại nặng trong môi trường nước thường kết hợp với các thành phần khác để chuyển về trạng thái bền hơn. Trong nước chúng thường bị hyđrat hóa tạo ra lớp vỏ là các phân tử nước che chắn nó với các phân tử không phải là nước ở xung quanh để trở về trạng thái bền hơn. Lớp vỏ hyđrat này thường là hình cầu mà ion kim loại nằm ở trung tâm, các phân tử nước bao xung quanh được gọi là lớp vỏ. Các phân tử nằm sát với ion kim loại nhất thì chúng có tương tác với ion kim loại mạnh nhất, các lớp tiếp sau thì yếu hơn và trong một khoảng cách nào đó thì sẽ không có tương tác [10]. [...]... a phương pháp: * Ưu i m: + ơn gi n, d s d ng, không gian x lý nh + Kh năng trao i ion l n, do v y x lý r t hi u qu i v i kim lo i n ng ây là m t trong nh ng phương pháp t t nh t trong x lý kim lo i n ng + Thích h p x lý nư c th i có ch a nhi u hơn m t kim lo i + Có kh năng thu h i các kim lo i có giá tr + Không t o ra ch t th i th c p Ngoài các phương pháp ư c nêu trên còn có m t s các phương pháp. .. [7], [9] 10 1.2 M t s phương pháp x lý kim lo i n ng thông d ng Các phương pháp x lý kim lo i n ng ư c s d ng ph bi n trong nư c và trên th gi i: Phương pháp k t t a: Phương pháp sinh h c: Quá trình oxi hóa kh H p thu sinh h c Quá trình k t t a hi roxit Chuy n hóa sinh h c Quá trình k t t a sunphit S d ng enzyme Quá trình phôtphát hóa Phương pháp bãi lau s y H p ph và trao Phương pháp i n hóa: i ion:... là phương pháp màng, phương pháp trích ly, phương pháp quang hóa Tuy nhiên các phương pháp này thư ng không ư c ng d ng nhi u trong x lý nư c th i công nghi p ch a kim lo i n ng b i hi u qu x lý không ư c cao và giá thành l i t Trên ây là các phương pháp x lý nư c th i ch a kim lo i n ng thông d ng, các phương pháp này u có nh ng ưu, như c i m riêng Do v y, tùy t ng i u ki n, t ng hoàn c nh mà ta có. .. p ch t màu t nhà máy d t nhu m Chitin, chitosan H t X lý thu h i protein Chitosan Dung d ch ng X lý ch t màu 26 * ng d ng chitin – chitosan x lý kim lo i n ng trong nư c th i: Chitin ã ư c nghiên c u trong vi c làm ch t h p ph , t o ph c v i kim lo i n ng t th k trư c Chitin có th t o ph c v i nhi u kim lo i n ng như chì, crom Tương t , chitosan cũng h p ph nhi u ion kim lo i năng như ng, ng, chì,... a phương pháp: * Ưu i m: + ơn gi n, d s d ng, x lý hi u qu kim lo i n ng + Có th gi i h p n ng th p tái sinh v t li u h p ph + Có th t n d ng m t s v t li u là ch t th i c a các ngành khác * Như c i m: + Thư ng áp d ng cho x lý kim lo i n ng n ng th p n tr ng thái 17 + Chi phí x lý v n còn cao 1.2.3 Phương pháp trao Phương pháp trao i ion [3], [8] i ion là m t trong nh ng phương pháp ph bi n x lý. .. hóa i ion i n hóa 1.2.1 Phương pháp k t t a [8], [10] X lý kim lo i n ng b ng phương pháp k t t a là phương pháp ph bi n và thông d ng nh t Vi t Nam hi n nay V i ưu i m là r ti n, kh năng x lý nhi u kim lo i trong dòng th i cùng m t lúc và hi u qu x lý kim lo i n ng m c ch p nh n ư c thì phương pháp này ang là l a ch n s m t cho các nhà máy công nghi p Vi t Nam * Cơ ch c a phương pháp: Mn+ + Am- = MmAn↓(k... ta có th l a ch n phương pháp nào nh t ho c có th k t h p hai th m chí là ba phương pháp x lý h p lý có th x lý tri t và hi u qu nh t Tuy nhiên các phương pháp trên ây luôn t n t i nh ng như c i m l n như thư ng là sinh ra ch t th i th c p ho c t ti n, ho c òi h i m t không gian x lý khá l n Nh m kh c ph c tình tr ng ô nhi m này òi h i c p bách ph i có nh ng bi n pháp x lý nư c th i kim lo i n ng hi... v i nư c th i có ch a kim lo i n ng lư ng tính như Zn 1.2.2 Phương pháp h p ph [3], [8] Phương pháp h p ph là m t trong nh ng phương pháp ph bi n nh t trong x lý nư c th i nói chung và nư c th i ch a kim lo i n ng nói riêng Phương pháp h p ph ư c s d ng khi x lý nư c th i ch a các hàm lư ng ch t c h i không cao Quá trình h p ph kim lo i n ng x y ra gi a b m t l ng c a dung d ch ch a kim lo i n ng và... c a chitin- chitosan và d n xu t ư c trình bày B ng 1.3 M t s ng d ng qua tr ng B ng 1.4 ng d ng chính c a chitin- chitosan và d n xu t trong x lý môi trư ng ng d ng Lo i D ng X lý kim lo i n ng - Th y ngân Chitosan H t - Chì Chitosan và d n xu t H t, b t - Cadimi Chitosan, d n xu t H t, vi h t - Niken Chitosan H t, vi h t -K m Chitosan H t, vi h t - Chitin, chitosan, d n xu t H t, vi h t - Crom Chitin, ... t, vi h t - Crom Chitin, chitosan H t, vi h t - Urani Chitosan, d n xu t chitosan H t, vi h t (glutamate glucan) - Vanadi Chitosan, d n xu t chitosan H t, vi h t - Các kim lo i khác Chitin, chitosan, d n xu t H t, vi h t - Monoazo Chitin, chitosan, d n xu t H t - Diazo Chitin, chitosan, d n xu t H t - Anthraquynone Chitin, chitosan, d n xu t H t - Triphenylmethane Chitin, chitosan, d n xu t H t - H . Nghiên cứu phương pháp xử lý kim loại nặng trong nước thải bằng chất hấp phụ sinh học có nguồn gốc từ phế liệu thủy sản chitin- chitosan. Từ đó, đưa ra quy trình xử lý kim loại nặng bằng chất. nghệ Sinh học và Môi trường, Trường Đại học Nha Trang, đề tài: Nghiên cứu phương pháp xử lý kim loại nặng trong nước thải bằng chất hấp phụ sinh học có nguồn gốc từ phế liệu thủy sản chitin- chitosan . 1.1. Kim loại nặng trong nước thải 1.1.1. Kim loại nặng trong nước thải Kim loại nặng là những kim loại có khối lượng riêng lớn hơn 5g/cm 3 . Các kim loại nặng tồn tại trong nước thải gây