Nghiên cứu xử lý nitrat trong nước bằng vật liệu hydroxit lớp kép (mg al LDH PVAAlginat)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC – MÔI TRƯỜNG  BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NITRAT TRONG NƯỚC BẰNG VẬT LIỆU HYDROXIT LỚP KÉP (Mg-Al LDH - PVA/Aginat) SVTH : TRẦN THỊ MINH HẠNH ĐỖ THỊ KIM LIÊN GVHD : TS. NGUYỄN THỊ KIM PHƯỢNG ThS. LÊ PHÚ ĐÔNG BIÊN HÒA, THÁNG 01/2014 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng Trang i TÓM TẮT ***** Hấp phụ là phương pháp xử lý nitrat rất hiệu quả và kinh tế. Do đó luận văn này hướng đến một vật liệu có hiệu quả hấp phụ cao, không độc hại, có khả năng phân hủy sinh học và rẻ tiền đó là hydroxit lớp kép (Mg-Al LDH – PVA/Algninat) Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ nitrat của vật liệu Mg-Al LDH-PVA/Alginat (bằng phương pháp tĩnh) cho thấy:  Xác định được vật liệu tối ưu cho quá trình hấp phụ nitrat là hạt 8% Mg-Al LDH- PVA/Alginat  Độ pH của dung dịch không làm ảnh hưởng hoặc ảnh hưởng không đáng kể đến khả năng hấp phụ của vật liệu, pH dao động từ 5 – 9.  Thời gian hấp phụ tối ưu là 8 giờ.  Nồng độ nitrat càng thấp thì khả năng hấp phụ của vật liệu càng cao.  Ảnh hưởng của các anion trong dung dịch đến khả năng hấp phụ nitrat của vật liệu theo thứ tự: cacbonat > clorua > sulphat > photphat. Nghiên cứu xử lý nitrat bằng phương pháp dòng chảy liên tục cho thấy: thời gian vật liệu không còn khả năng xử lý là sau 28 giờ và thời gian để nồng độ nitrat nằm trong khoảng giới hạn cho phép (2 – 10 mg/L) là 8 giờ. Đường đẳng nhiệt hấp phụ trên vật liệu 8% Mg-Al LDH-PVA/Alginate được mô tả bằng phương trình Langmuir với sự tương thích cao hơn so với phương trình đẳng nhiệt Freundlich, cho thấy quá trình hấp phụ chủ yếu là hấp phụ vật lý, quá trình hấp phụ hóa học xảy ra kém hơn. Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng Trang ii MỤC LỤC TÓM TẮT i MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG vi DANH MỤC CÁC HÌNH vii MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 4 1.1. Tổng quan về nitrat 4 1.1.1.Nguồn phát thải nitrat vào môi trường 4 1.1.1.1. Nước thải sinh hoạt 4 1.1.1.2. Nước thải công nghiệp 5 1.1.1.3. Nước thải nông nghiệp, chăn nuôi 6 1.1.2. Quá trình chuyển hóa của nitrat trong nước 7 1.1.3. Ảnh hưởng của nitrat tới môi trường và con người 9 1.1.3.1. Ảnh hưởng tới môi trường 10 1.1.3.2 Ảnh hưởng tới con người 10 1.1.4. Các phương pháp xử lý nitrat 11 1.1.4.1. Phương pháp lọc thẩm thấu ngược RO 11 1.1.4.2. Phương pháp trao đổi ion. 12 1.1.4.3. Phương pháp sinh học. 12 1.2.1. Khái niệm về LDH 13 1.2.2. Đặc điểm cấu trúc của LDH 14 1.2.3. Tính chất của LDH 15 1.2.4. Phương pháp điều chế LDH: 17 1.2.4.1. Phương pháp muối-oxit 17 1.2.4.2. Phương pháp xây dựng lại cấu trúc 17 1.2.4.3. Phương pháp muối – bazơ (đồng kết tủa) 17 1.2.4.4. Phương pháp kết tủa trong dung dịch đồng thể 18 1.2.4.5. Phương pháp kết tủa trong chế độ chu kỳ và liên tục 18 1.2.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc của LDH trong quá trình điều chế 19 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng Trang iii 1.2.5.1. Ảnh hưởng của pH 19 1.2.5.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ 20 1.3. Ứng dụng của LDH 20 1.4. Hấp phụ và phương pháp xử lý nước thải bằng vật liệu hấp phụ [5] 21 1.4.1. Hấp phụ 21 1.4.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ 22 1.4.3. Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ 23 1.5. Phân tích nitrat bằng phương pháp đo quang phổ so màu UV - VIS 23 CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM 26 2.1. Thiết bị và hóa chất 26 2.2. Nghiên cứu xử lý nitrat trong nước 26 2.2.1. Hấp phụ nitrat theo phương pháp tĩnh (batch experiment): 27 2.2.1.1.Nghiên cứu ảnh hưởng của lượng Mg-Al LDH trong hạt PVA/Alginat 27 2.2.1.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của pH 28 2.2.1.3. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ 28 2.2.1.4. Ảnh hưởng của nồng độ nitrat ban đầu trong dung dịch 28 2.2.1.5. Ảnh hưởng của các anion cạnh tranh 28 2.2.2. Xử lý nitrat theo phương pháp dòng chảy liên tục (column experiment) 29 2.2.3. Phương pháp phân tích nitrat bằng phương pháp salicylat [4] 29 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 31 3.1. Đặc trưng cấu trúc của hạt Mg-Al LDH–PVA/Alginat 31 3.2. Nghiên cứu hấp phụ nitrat bằng phương pháp tĩnh 32 3.2.1. Ảnh hưởng của lượngMg-Al LDH có trong hạt PVA/alginat 32 3.2.2. Ảnh hưởng của pH 35 3.2.3. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ 36 3.2.4. Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu 38 3.2.5. Ảnh hưởng của các anion cạnh tranh 42 3.3. Nghiên cứu xử lý nitrat bằng phương pháp dòng chảy liên tục 45 CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 49 4.1. Kết luận 49 4.2. Kiến nghị 49 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng Trang iv TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 PHỤ LỤC 55 Phụ lục 1. Các dạng hạt Mg-Al LDH-PVA/Alginat 55 Phụ lục 2. Số liệu khảo sát quá trình hấp phụ nitrat bằng phương pháp tĩnh 56 Phụ lục 2.1. Ảnh hưởng của hàm lượng Mg-Al LDH trong hạt PVA/Alginat 56 Phụ lục 2.2. Ảnh hưởng của pH dung dịch đến quá trình hấp phụ nitrat của vật liệu 8% Mg-Al LDH-PVA/Alginat 57 Phụ lục 2.3. Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình hấp phụ nitrat trên vật liệu 8% Mg-Al LDH-PVA/Alginat 58 Phụ lục 2.4. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ dung dịch đến khả năng hấp phụ của vật liệu 8% Mg-Al LDH-PVA/Alginat 59 Phụ lục 2.5. Ảnh hưởng của các anion đến quá trình hấp phụ nitrat trên vật liệu 8% Mg-Al LDH-PVA/Alginat 60 Phụ lục 3. Xử lý nitrat của vật liệu 8% Mg-Al LDH-PVA/Alginat bằng phương pháp dòng chảy liên tục 61 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng Trang v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt LDH Layered Double Hydroxide Hydroxit lớp kép Abs Absorbance Độ hấp thụ QCVN Quy chuẩn Việt Nam TV Thực vật XRD X-Ray Diffraction Nhiễm xạ tia X SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét NOD Nhu cầu tiêu thụ oxy do nitơ EPA Environmental Protection Agency Cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ TKN Nồng độ hợp chất nitơ ĐV Động vật TV Thực vật TDS Total Disolved Solids Tổng lượng khoáng Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng Trang vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Nồng độ nitơ tổng trong nước thải công nghiệp 6 Bảng 1.2. Thành phần chính trong phân tươi của một số loài nuôi (giá trị trung bình) 7 Bảng 2.1. Kết quả khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính của nitrat 30 Bảng 3.1. Các giá trị của phương trình Langmuir và Freundlich 40 Bảng 3.2. Các tham số đẳng nhiệt hấp phụ của hạt 8% Mg-Al LDH-PVA/alginat 42 Bảng 3.3. Ảnh hưởng của anion cạnh tranh đến quá trình hấp phụ nitrat trên vật liệu 8% Mg-Al LDH-PVA/Alginat 43 Bảng 3.4. Tham số hấp phụ của vật liệu 8% Mg-Al LDH-PVA/Alginat theo phương pháp dòng chảy liên tục 47 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng Trang vii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Cấu trúc của LDH 14 Hình 2.1: Vật liệu hấp phụ (hạt Mg-Al LDH-PVA/Alginat) 27 Hình 2.2. Mô hình cột hấp phụ với vật liệu hydroxit cấu trúc lớp kép 29 Hình 2.3. Đồ thị khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính của nitrat 30 Hình 3.1: Phổ XRD của vật liệu hydroxit cấu trúc lớp kép 31 Hình 3.2: Ảnh SEM 32 Hình 3.3. Ảnh hưởng của hạt Mg-Al LDH trong hạt PVA/Alginat đến quá trình hấp phụ nitrat (nồng độ nitrat ban đầu 10 mg/L) 33 Hình 3.4. Ảnh hưởng của hạt Mg-Al LDH trong hạt PVA/Alginat đến quá trình hấp phụ nitrat (nồng độ nitrat ban đầu 25 mg/L) 34 Hình 3.5. Ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ nitrat trên vật liệu 8% Mg-Al LDH-PVA/Alginat (nồng độ nitrat ban đầu 10 mg/L) 35 Hình 3.6 Ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ nitrat trên vật liệu 8% Mg-Al LDH-PVA/Alginat (nồng độ nitrat ban đầu 25 mg/L) 36 Hình 3.7. Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình hấp phụ nitrat trên vật liệu 8% Mg- Al LDH-PVA/Alginat (nồng độ nitrat ban đầu 10 mg/L) 37 Hình 3.8. Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình hấp phụ nitrat trên vật liệu 8% Mg- Al LDH-PVA/Alginat (nồng độ nitrat ban đầu 25 mg/L) 37 Hình 3.9. Ảnh hưởng của nồng độ nitrat ban đầu đến quá trình hấp phụ trên vật liệu 8% Mg-Al LDH-PVA/Alginat 39 Hình 3.10. Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir 41 Hình 3.11. Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich 42 Hình 3.12. Ảnh hưởng của các anion cạnh tranh đến quá trình hấp phụ nitrat trên vật liệu 8% Mg-Al LDH-PVA/alginat (nồng độ nitrat ban đầu 10 mg/L) 44 Hình 3.13. Ảnh hưởng của các anion cạnh tranh đến quá trình hấp phụ nitrat trên vật liệu 8% Mg-Al LDH-PVA/alginat (nồng độ nitrat ban đầu 25 mg/L) 44 Hình 3.14. Đường cong hấp phụ nitrat trên vật liệu 8 % Mg-Al LDH-PVA/Alginat theo phương pháp dòng chảy liên tục 45 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng Trang viii Hình 3.15. Đồ thị tuyến tính hấp phụ nitrat trên vật liệu 8 % Mg-Al LDH-PVA/Alginat theo phương pháp dòng chảy liên tục 46 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng Trang 1 MỞ ĐẦU *****  Tính cấp thiết của đề tài: Xử lý nước thải trước hết nhằm mục đích cải thiện điều kiện vệ sinh môi trường sống của con người và xa hơn nhằm duy trì cân bằng sinh thái, tạo điều kiện phát triển bền vững lâu dài cho con người. Nước thải – nước sau khi sử dụng đã bị nhiễm bẩn từ sinh hoạt, hoạt động công nghiệp, nông nghiệp được thải ra khỏi khu vực đang sử dụng về một nguồn nhận như ao, hồ, sông, biển. Trong khi dịch chuyển, một lượng nước thải nhất định sẽ thấm vào đất tạo ra nước ngầm cũng đem theo chất gây ô nhiễm. Tác nhân gây ô nhiêm môi trường trong nước là các chất có khả năng chuyển hóa thành các chất khác và các chất bền tác động đến cân bằng sinh thái trong môi trường nước nhận. Rất nhiều hợp chất gây ô nhiễm trong nước thải có khả năng chuyển hóa cao trong môi trường nước tự nhiên thông qua các phản ứng hóa học, sinh hóa, quang hóa và tác động đến cân bằng sinh thái của môi trường. Nitrat – là một phần chuyển hóa của chu trình nitơ, là thành phần dinh dưỡng cần thiết cho sinh vật. Tuy nhiên, quá nhiều nitrat trong nước sẽ gây ra hiện tượng phú dưỡng làm rong rêu phát triển quá mức, giảm hàm lượng oxy tan trong nước, phá hủy hệ động vật thủy sinh, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe môi trường và chất lượng nước mặt. Nitrat cũng là nguyên nhân của bệnh methemoglobin huyết, hết sức có hại cho trẻ em và các bà mẹ đang nuôi con nhỏ. Nước thải từ các ngành công nghiệp chế biến thực phẩm, giết mổ gia súc, sinh hoạt đô thị thường có chứa nhiều nitrat. Ngoài ra, ngành sản xuất nông nghiệp cũng sản sinh ra một lượng nước nhiễm nitrat đáng kể do sử dụng phân bón, thuốc trừ sâu…chúng bị rửa trôi ra sông hồ hoặc thấm vào nguồn nước ngầm. Ô nhiễm môi trường nước bởi nitrat đã trở thành mối quan tâm của toàn cầu. Có rất nhiều phương pháp xử lý nước ô nhiễm nitrat như phương pháp thẩm thấu ngược, trao đổi anion, hấp phụ, xử lý sinh học Tuy nhiên các phương pháp này có nhiều hạn chế như tạo ra nhiều bùn thải, không xử lý triệt để và chi phí quá lớn. Hấp phụ là phương pháp xử lý nitrat rất hiệu quả và kinh tế. Vật liệu hấp phụ được sử dụng phổ biến đó là than hoạt [...]... PVA/Algninat)”  Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu xử lý nitrat trong nước bằng vật liệu hydroxit lớp kép Mg -Al LDH ngậm trong hạt polyvinyl alcol/alginat  Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu khả năng hấp phụ N-NO3- của vật liệu Mg -Al LDH- PVA/Alginat theo phương pháp tĩnh (batch experiment), nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ như: lượng Mg -Al LDH chứa trong hạt PVA/Alginat, pH của dung dịch,... 2.2 Nghiên cứu xử lý nitrat trong nước Vật liệu hấp phụ là hạt Mg -Al LDH- PVA/Alginat do phòng thí nghiệm Hóa lý Phân tích tổng hợp (XEM HÌNH) Trang 26 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng Hình 2.1: Vật liệu hấp phụ (hạt Mg -Al LDH- PVA/alginat) Vật liệu x% Mg -Al LDH- PVA/alginat (với x =0%, 2%, 4%, 6%, 8% và 10%) còn gọi là hạt 0%, 2%, 4%,6%, 8%và 10% Mg -Al LDH- PVA/Alginat Hạt 2% Mg -Al LDH- PVA/Alginat... các hạt LDH- PVA/Alginat Nghiên cứu hiệu quả xử lý N-NO3- trong nước của hạt LDH- PVA/Alginat Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và Freundlich được sử dụng để phân tích kết quả thực nghiệm Trang 2 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng Xuất phát từ những ưu điểm nêu trên chúng tôi chọn đề tài: Nghiên cứu xử lý nitrat trong nước bằng vật liệu hydroxit lớp kép (Mg- Al LDH - PVA/Algninat)”... các ion trong dung dịch lên lớp vật liệu trao đổi và thay thế bằng những ion bằng lớp vật liệu trao đổi hòa tan vào dung dịch ấy Để khử ion nitrat trong nước, khi sử dụng phương pháp trao đổi ion chất lượng nước sau xử lý sẽ đạt được độ an toàn cao Ion nitrat sẽ được trao đổi với một ion của nhựa trao đổi ion với một lưu lượng dòng chảy được lựa chọn Trong phương pháp xử lý nước ngầm nhiễm nitrat, ... Phượng tính nhưng chi phí xử lý quá cao Do đó, nhiệm vụ đặt ra là sớm khai thác được vật liệu hấp phụ thật rẻ tiền để xử lý nitrat Hydroxit lớp kép (Layered Double Hydroxide - LDH) là nhóm vật liệu khoáng sét anion cấu trúc nano, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như là xúc tác, xử lý môi trường, y học, v.v và đang được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu LDH có công thức chung... asen[28-31] trong nước Cơ chế xử lý độc chất oxyanion trong nước bằng LDH chủ yếu là hấp phụ và trao đổi anion Nhìn chung, tất cả các công trình công bố ở trên đều cho thấy hiệu quả loại bỏ hợp chất oxyanion trong nước của bột LDH, tuy nhiên, do độ thấm thấp và lượng bùn sinh ra quá lớn, nên vật liệu LDH dạng bột không phù hợp ứng dụng trong hệ thống lọc của các quy trình xử lý nước và nước thải Để... học và gel không tan trong nước [35] Tuy nhiên, do độ bền cơ học và độ ổn định hóa học của canxi alginat trong nước kém, nên nhanh chóng bị biến dạng, để cải thiện yếu điểm này canxi alginat được phối trộn với polyvinyl alcol (PVA)[36] Nghiên cứu này được thực hiện nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng LDH trong quá trình xử lý độc chất oxyanion trong nước Bột LDH sẽ được ngậm trong canxi alginat pha trộn với... tử nước nằm xen giữa trung hòa lớp điện tích dương của các lớp hydroxit Những lớp điện tích dương trong LDH được cân bằng bởi anion ở lớp trung gian Do đó, LDH có khả năng trao đổi anion ở lớp trung gian Ngoài những anion, các phân tử nước cũng được định vị ở lớp trung gian giữa những lớp hydroxit kim loại Tương tác tích điện giữa các lớp kim loại với các anion và liên kết hydrogen giữa các phân tử nước. .. hạn chế trên, LDH dạng hạt được đề nghị sử dụng Ngậm vật liệu chức năng (functional materials)” trong canxi alginat, ứng dụng xử lý chất ô nhiễm trong nước và nước thải đang được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm do tính đơn giản và hiệu quả [32,33] Độ xốp của Ca-alginat cho phép chất ô nhiễm khuếch tán vào bên trong các hạt và tiếp xúc với các vật liệu chức năng [34] Ngoài ra, alginat là chất... natri salicylat [37] đo ở bước sóng 420nm trên thiết bị quang phổ so màu của hãng HACH (Mỹ) 2.2.1.1 .Nghiên cứu ảnh hưởng của lượng Mg -Al LDH trong hạt PVA/Alginat Ảnh hưởng của lượng Mg -Al LDH đến khả năng hấp phụ N-NO3- được xác định bằng cách ngâm 3 gam vật liệu x% Mg -Al LDH- PVA/Alginat (với x =0%, 2%, 4%, 6%, 8% và 10%) vào trong 50ml dung dịch N-NO3- có nồng độ 10 mg/L và 25 mg/L, pH dung dịch bằng . Nghiên cứu xử lý nitrat trong nước bằng vật liệu hydroxit lớp kép (Mg- Al LDH - PVA/Algninat)”.  Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu xử lý nitrat trong nước bằng vật liệu hydroxit lớp kép Mg -Al. SINH HỌC – MÔI TRƯỜNG  BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NITRAT TRONG NƯỚC BẰNG VẬT LIỆU HYDROXIT LỚP KÉP (Mg- Al LDH - PVA/Aginat) SVTH : TRẦN THỊ. dụng LDH trong quá trình xử lý độc chất oxyanion trong nước. Bột LDH sẽ được ngậm trong canxi alginat pha trộn với PVA tạo thành các hạt LDH- PVA/Alginat. Nghiên cứu hiệu quả xử lý N-NO 3 - trong