NGHIÊN CỨU XỬ LÝ MỘT SỐ HÓA CHẤT VÔ CƠ TỒN DƯ TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM BẰNG PHƯƠNG PHÁP KẾT TỦA VÀ TRUNG HÒA.

Tình trạng ô nhiễm môi trường do chất thải hóa học, trong đó có hóa chất tồn dư trong các phòng thí nghiệm không qua xử lý ở nước ta hiện nay đã lên đến mức báo động, làm cho môi trường xung quanh bị ô nhiễm nghiêm trọng. Trước tình hình đó, yêu cầu bức thiết được đặt ra là cần phải làm thế nào để giữ được một môi trường trong sạch. Để ngăn ngừa sự ô nhiễm môi trường đang bùng phát như hiện nay, người ta đã chú trọng đến việc cải tiến, áp dụng các công nghệ sạch, ít chất thải vào trong sản xuất nhằm giảm thiểu sự phát thải ra môi trường. Bên cạnh đó việc áp dụng một số biện pháp kỹ thuật trong xử lý các chất thải (gồm bã thải rắn, nước thải và khí thải…) là một việc làm rất cần thiết trong nhiệm vụ bảo vệ môi trường

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HÀ NỘI

TRƯỜNG THPT NGUYỄN GIA THIỀU

Quận Long Biên, Hà Nội

ĐỀ TÀI DỰ THI KHOA HỌC, KỸ THUẬT

DÀNH CHO HỌC SINH TRUNG HỌC CẤP THÀNH PHỐ LẦN THỨ TƯ (NĂM HỌC 2014 - 2015)

Tên đề tài: NGHIÊN CỨU XỬ LÝ MỘT SỐ HÓA CHẤT VÔ CƠ TỒN DƯ

TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM BẰNG PHƯƠNG PHÁP KẾT TỦA VÀ TRUNG HÒA.

Lĩnh vực: Khoa học môi trường

NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TÁC GIẢ:

ThS Phạm Thanh Hương 1 Trần Trung Hiếu, Lớp 11B1, Đơn vị công tác: Trường THPT Nguyễn Gia Thiều Trường THPT Nguyễn Gia Thiều 2 Nguyễn Đăng Duy, Lớp 11B1,

Trường THPT Nguyễn Gia Thiều

Hà Nội, tháng 11 năm 2014

MỤC LỤC

Phần I LÍ DO CHỌN ĐÈ TÀI 3

Phần II TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU VÀ ĐIỂM MỚI, SÁNG TẠO CỦA ĐỀ TÀI 4

2.1 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu 4

2.1.1 Cơ sở lí thuyết 4

2.1.2 Cơ sở thực tiễn 4

2.2 Điểm mới của đề tài 4

2.3 Tính sáng tạo của đề tài 4

Phần III: QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ 5

Chương 1: THỰC NGHIỆM 5

3.1.1 Hóa chất 5

3.1.2 Dụng cụ 5

3.1.3 Khảo sát sự kết tủa của các ion kim loại ở các giá trị pH khác nhau 5

3.1.4 Kết luận chương 1 8

Chương 2: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 9

3.2.1 Sơ đồ thiết bị xử lý hóa chất vô cơ tồn dư bằng phương pháp kết tủa và trung hòa 9

3.2.2 Mô hình thiết bị xử lý hóa chất vô cơ tồn dư bằng phương pháp kết tủa và trung hòa 10

3.2.3 Quy trình xử lý 11

3.2.4 Kết quả xử lý 11

3.2.5 Kết luận chương 2 12

3.2.6 Hướng nghiên cứu tiếp theo 12

Phần IV KẾT LUẬN 13

TÀI LIỆU THAM KHẢO 14

Phụ lục 15

Phần I: LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Sự phát triển của khoa học kĩ thuật mà đặc biệt là ngành hóa học luôn luôn tỉ lệ thuận với những nguy cơ ô nhiễm do chất thải, hóa chất độc hại bị xả trực tiếp ra môi trường mà không qua xử lý Điều này làm cho môi trường không còn khả năng tự cân bằng nữa, dẫn đến tình trạng ô nhiễm môi trường ngày càng gia tăng, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người, làm cho chất lượng sống ngày càng giảm sút

Tình trạng ô nhiễm môi trường do chất thải hóa học, trong đó có hóa chất tồn dư trong các phòng thí nghiệm không qua xử lý ở nước ta hiện nay đã lên đến mức báo động, làm cho môi trường xung quanh bị ô nhiễm nghiêm trọng Trước tình hình đó, yêu cầu bức thiết được đặt ra là cần phải làm thế nào để giữ được một môi trường trong sạch Để ngăn ngừa sự ô nhiễm môi trường đang bùng phát như hiện nay, người ta đã chú trọng đến việc cải tiến, áp dụng các công nghệ sạch, ít chất thải vào trong sản xuất nhằm giảm thiểu sự phát thải ra môi trường Bên cạnh đó việc áp dụng một số biện pháp kỹ thuật trong xử lý các chất thải (gồm bã thải rắn, nước thải và khí thải…) là một việc làm rất cần thiết trong nhiệm vụ bảo vệ môi trường

Trong các phòng thí nghiệm ở các trường học nói chung và trung học phổ thông nói riêng hiện nay có nhiều hóa chất tồn dư có từ lâu đời đã bị biến chất hoặc mất nhãn không còn sử dụng được nữa, chưa được tiêu hủy hoặc tiêu hủy không đúng cách đã ảnh hưởng đến môi trường xung quanh, do đó chúng phải được tiêu hủy

Hiện nay có rất nhiều phương pháp tiêu hủy hóa chất được đưa ra như: Phương pháp vật lý, phương pháp hóa học,… mỗi phương pháp đều có những

ưu, nhược đểm nhất định Với đa số hóa chất vô cơ tồn dư thì tiêu hủy bằng phương pháp hóa học được cho là thích hợp nhất

Xuất phát từ thực tế trên, trong đề tài nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu

chúng em tiến hành “Nghiên cứu xử lý một số hóa chất vô cơ tồn dư trong

phòng thí nghiệm bằng phương pháp kết tủa và trung hòa” để có thể loại bỏ

các hóa chất độc hại tồn dư trong phòng thí làm cho môi trường trong sạch hơn

Phần II TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

VÀ ĐIỂM MỚI, SÁNG TẠO CỦA ĐỀ TÀI

2.1 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

2.1.1 Cơ sở lý thuyết

Để xử lý các hóa chất vô cơ tồn dư trong phòng thí nghiệm, phương pháp thường dùng là phương pháp hóa học Đối với các hóa chất vô cơ là ion kim loại thì trong các phương pháp hóa học thì sự kết hợp giữa phương pháp kết tủa và trung hòa mang lại hiệu quả cao nhất

Phương pháp hóa học là phương pháp chuyển hóa các chất độc hại thành các chất khí, chất ít tan hoặc chất không độc hại bằng cách thêm hóa chất

Cơ sở của phương pháp hóa học là các phản ứng trung hòa, tạo phức, kết tủa, các phản ứng ôxi hóa khử hóa học và điện hóa

Nguyên tắc của phương pháp dựa vào các phản ứng hóa học chuyển chất thải nguy hại về dạng không nguy hại, bao gồm các phương pháp chủ yếu như:

a Phương pháp kết tủa

Nguyên tắc chung: thêm một tác nhân tạo kết tủa vào dung dịch nước, điều chỉnh pH của môi trường để chuyển ion cần tách về dạng hợp chất ít tan, tách ra khỏi dung dịch dưới dạng kết tủa

b Phương pháp trung hoà

Nguyên tắc chung là thực hiện một số phản ứng trung hoà giữa axit và bazơ để đưa về môi trường trung tính trước khi thải ra môi trường Tuỳ hoàn cảnh việc trung hoà bằng các cách sau:

2.1.2 Cơ sở thực tiễn

Trong các phòng thí nghiệm ở hệ thống các trường học hiện nay có nhiều

óa chất tồn dư từ lâu đời đã bị biến chất hoặc mất nhãn không được sử dụng để thí nghiệm, chúng phải tiêu hủy Bao gồm các hóa chất mất nhãn và hóa chất để lâu ngày do đó bị biến chất và những hóa chất đó chưa có biện pháp tiêu hủy hoặc tiêu hủy không đúng cách

2.2 Điểm mới của đề tài

Đã xử lý thành công một số hóa chất vô cơ tồn dư trong phòng thí nghiệm

có từ lâu đời bằng sự kết hợp 2 phương pháp kết tủa và trung hòa mà chưa có biện pháp xử lý chúng

2.3 Tính sáng tạo của đề tài

Tận dụng được lượng hóa chất vô cơ tồn dư là các axit, bazơ cần được xử

lý để làm chất để kết tủa các ion kim loại và để trung hòa mà không cần đưa thêm hóa chất mới hoặc có cần sử dụng hóa chất mới thì hóa chất đó cũng rất rẻ tiền

Phần III: QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ

Chương 1: THỰC NGHIỆM 3.1.1 Hóa chất

- Hóa chất dùng trung hòa và điều chỉnh pH: Ca(OH)2; HCl

- Hóa chất dùng làm thí nghiệm: CuSO4; ZnSO4 ; FeCl 3 ; CrCl 3 ; AlCl 3 ; MgCl2 ; FeCl 2 ; …

3.1.2 Dụng cụ

- Pipet các loại - Phễu lọc các loại

3.1.3 Khảo sát sự kết tủa của các ion kim loại ở các giá trị pH khác nhau

Trong phương pháp kết tủa, dạng kết tủa thường được sử dụng để tách các kim loại nặng ra khỏi dung dịch là hydroxit Với quá trình kết tủa hydroxit kim loại thì pH của dung dịch có ảnh hưởng rất lớn đến việc hình thành hay hòa tan Bằng việc tính toán lý thuyết kết hợp với làm thực nghiệm chúng ta có thể biết được khoảng pH cần thiết để kết tủa cho từng ion kim loại

Ngoài ra có một số ion kim loại có thể tạo thành các hydroxit kim loại lưỡng tính như Cr3+, Al3+ … các hydroxit này có thể tan cả trong môi trường axit

và kiềm Vì vậy việc chọn khoảng pH thích hợp cho các kim loại này là hết sức quan trọng, nó đảm bảo cho việc tách các kim loại dưới dạng hydroxit được triệt

để Dưới đây là bảng Ảnh hưởng của pH đến sự tạo thành và sự hòa tan kết tủa của một số ion kim loại thường gặp trong phòng thí nghiệm

Bảng 3.1 Ảnh hưởng của pH đến sự tạo thành kết tủa của các ion kim loại

ion kim loại pH bắt đầu kết tủa pH kết tủa hoàn toàn

Căn cứ vào khoảng kết tủa của các ion kim loại ở bảng trên, nhóm nghiên cứu đã tiến hành làm thí nghiệm kiểm tra đánh giá kết quả ở 2 khoảng giá trị pH

từ 5 - 6 và từ từ 9 - 10 như sau:

3.1.3.1 Thực nghiệm về sự kết tủa của các ion kim loại ở pH khoảng từ 5 - 6

Hòa tan các muối: CuSO4; ZnSO4 ; FeCl 3 ; CrCl 3 ; AlCl 3 ; MgCl 2 ; FeCl 2 mỗi muối có khối lượng 1 gam vào cốc thủy tinh có dung tích 1000ml Sau đó tiến hành kiểm tra pH và dùng Ca(OH)2 và HCl để điều chỉnh pH về khoảng từ 5 - 6 Với mục đích kết tủa một số ion kim loại như: Fe3+; Al3+; Cr3+

Sau một thời gian, để cho kết tủa lắng xuống, lọc bỏ kết tủa, lấy một phần nước lọc gửi mẫu đi phân tích tại phòng phân tích môi trường, viện Hóa hoc công nghiệp Việt Nam, kết quả thu được kết quả như sau:

Bảng 3.2 Kết quả hàm lượng các ion trước và sau thực nghiệm

ở pH khoảng từ 5 - 6

Từ kết quả trên, có thể vẽ được biểu đồ so sánh hàm lượng các ion trước

và sau khi làm thí nghiệm như sau:

Hình 3.1 Biểu đồ so sánh hàm lượng các ion trước và sau thực nghiệm

Cation Kim loại

Trước xử lí (mg/l)

Sau xử lí (mg/l)

QCVN 40:2011 BTNMT (cột A)

-ở pH khoảng từ 5 - 6

Nhận xét: Nhìn vào bảng 3.2 và hình 3.1 ta thấy:

- Ở khoảng pH này Các ion Fe3+, Al3+ và Cr3+ đã kết tủa được gần hết (đạt tiêu chẩn A về nước thải công nghiệp: QCVN 40:2011 BTNMT)

- Một phần các ion Cu2+, Zn2+ và Mg2+ cũng được kết tủa theo, tuy nhiên hàm lượng các ion này còn rất lớn (lớn hơn rất nhiều so với quy chuẩn A về nước thải công nghiệp: QCVN 40:2011 BTNMT), do đó chúng cần được xử lý tiếp ở khoảng pH cao hơn

3.1.3.2 Thực nghiệm về sự kết tủa của các ion kim loại ở pH khoảng từ 9 - 10

Một phần nước lọc ở thí nghiệm trên (pH khoảng từ 5 – 6) được cho vào cốc có dung tích 500 ml sau đó dùng Ca(OH)2 để điều chỉnh pH lên khoảng từ

9 - 10 Với mục đích kết tủa các ion kim loại còn lại như: Cu2+, Zn2+, Mg2+ và

Pb2+,…

Sau một thời gian, để cho các ion kim loại còn lại kết tủa hết và lắng xuống, lọc bỏ kết tủa, lấy nước lọc gửi đi phân tích tại phòng phân tích môi trường, viện Hóa hoc công nghiệp Việt Nam, kết quả thu được kết quả như sau:

Bảng 3.3 Kết quả hàm lượng các ion trước và sau thực nghiệm

ở pH khoảng từ 9 – 10

Cation

kim loại

Trước xử lí (mg/l)

Sau xử lí (mg/l)

QCVN 40:2011 BTNMT (cột A)

Từ kết quả trên, có thể vẽ được biểu đồ so sánh hàm lượng các ion trước

và sau khi làm thí nghiệm như sau

Hình 3.2 Biểu đồ so sánh hàm lượng các ion trước và sau thực nghiệm

ở pH khoảng từ 9 - 10

Nhận xét: Nhìn vào bảng 2.3 và hình 2.4 ta thấy:

- Đã kết tủa được hầu hết phần còn lại các ion Cu2+, Zn2+, Mg2+ và Pb2+ Hàm lượng các ion đó đều đạt tiêu chẩn A về nước thải công nghiệp: QCVN 40:2011 BTNMT

- Với kết quả đó, nước lọc sau khi đã tách được hầu hết các ion kim loại

có thể thải ra môi trường sau khi điều chỉnh pH về giá trị trung tính

3.1.4 Kết luận chương 1

Qua quá trình làm thực nghiệm kết tủa các ion kim loại ở các giá trị pH khác nhau, chúng em nhận thấy:

- Ở khoảng pH từ 5 - 6, đã kết tủa được gần hết các ion Al3+, Fe3+, Cr3+ và kết tủa được một phần các ion Cu2+, Fe2+, Zn2+, Mg2+ và Pb2+ Tuy nhiên ở pH từ

5 - 6 này hàm lượng các ion Cu2+, Zn2+, Mg2+ và Pb2+còn rất cao, do đó cần được

xử lý tiếp

- Ở khoảng pH từ 9 - 10, đã kết tủa gần được hết các ion Cu2+, Zn2+ Zn2+,

Mg2+ và Pb2+ Ở khoảng pH này các ion có mặt trong nước thải đều thấp hơn so với quy chuẩn A (QCVN 40:2011/BTNMT) và được phép thải ra môi trường

Chương 2: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

Xuất phát từ thực tế, lượng hóa chất vô cơ tồn dư trong phòng thí nghiệm của các nhà trường hiện nay rất lớn và cần được xử lý Nhóm nghiên cứu chúng

em đã tiến hành nghiên cứu và xử lý một số hóa chất vô cơ tồn dư theo phương pháp kết tủa và trung hòa Sử dụng hai phương pháp này có ưu điểm là có thể tận dụng nguồn axit và bazơ tồn dư trong phòng thí nghiệm để xử lý lẫn nhau,

và dùng để điều chỉnh giá trị pH để cho phản ứng kết tủa các ion kim loại được xảy ra theo ý muốn Do đó, trong đề tài này chúng em đã tiến hành kết hợp hai phương pháp trên để xử lý có hiệu quả một số hóa chất vô cơ tồn dư, đặc biệt là kim loại nặng, một trong những tác nhân gây độc hại cho môi trường

Qua quá trình nghiên cứu tài liệu và phần thực nghiệm, nhóm nghiên cứu chúng em đưa ra quy trình xử lý hóa chất vô cơ tồn dư trong phòng thí nghiệm bằng phương pháp kết tủa và trung hòa theo các công đoạn sau:

- Thu gom hóa chất tồn dư

- Kết tủa một số ion kim loại ở khoảng pH từ 5 - 6

- Kết tủa một số ion kim loại ở khoảng pH từ 9 - 10

- Trung hòa để đưa pH về xấp xỉ = 7 trước khi thải ra môi trường

Sau khi xử lý hóa chất tồn dư tiến hành kiểm tra các chỉ tiêu cơ bản của nước thải, nếu đạt quy chuẩn Việt Nam về nước thải công nghiệp (QCVN 40:2011/BTNMT) thì được phép cho chảy vào nguồn nước công cộng

Từ các công đoạn trên nhóm nghiên cứu chúng em đã đưa ra sơ đồ thiết bị

xử lý hóa chất vô cơ tồn dư bằng phương pháp kết tủa và trung hòa

3.2.1 Sơ đồ thiết bị xử lý hóa chất vô cơ tồn dư bằng phương pháp kết tủa

và trung hòa

Hình 3.3 Sơ đồ thiết bị xử lý một số hóa chất vô cơ tồn dư

bằng phương pháp kết tủa và trung hòa

1

5

5 2

3

6

Chú thích

1- Bể thu gom và kết tủa ở pH khoảng từ 5 - 6 (bể 1)

2 - Bể kết tủa ở pH khoảng từ 9 - 10.(bể 2)

3 - Bể trung hòa (bể 3)

4 - Đường hóa chất vào

5 - Máy khuấy

6 - Đường nước thải sau khi đã xử lý

3.2.2 Mô hình thiết bị xử lý một số hóa chất vô cơ tồn dư bằng phương pháp kết tủa và trung hòa

Từ sơ đồ thiết bị xử lý hóa chất vô cơ tồn dư bằng phương pháp kết tủa và trung hòa và qua quá trình nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, nhóm nghiên cứu chúng em đã triển khai thiết kế mô hình công nghệ xử lý một số hóa chất vô cơ tồn dư bằng phương pháp kết tủa và trung hòa như sau:

Hình 3.4 Mô hình thiết bị xử lý một số hóa chất vô cơ tồn dư

bằng phương pháp kết tủa và trung hòa

3.2.3 Quy trình xử lý

Thu gom tất cả hóa chất tồn dư cần được xử lý hoặc nước thải phòng thí nghiệm vào bể thu gom (bể số 1) sau đó dùng axit hoặc bazơ để điều chỉnh pH

về khoảng từ 5 - 6 Khi đó trong bể có thể xảy ra phản ứng trung hòa giữa axit

và bazơ tồn dư cần xử lí và phản ứng kết tủa một số hidroxit ở pH thấp như Fe(OH)3; Cr(OH)3; Al(OH)3; Sau một thời gian, các kết tủa này lắng xuống đáy bể, cho phần dung dịch chảy sang bể kết tủa số 2

Tại bể kết tủa số 2, sử dụng dung dịch nước vôi trong Ca(OH)2 để điều chỉnh pH lên khoảng từ 9 - 10, với mục đích kết tủa một số hidroxit như Fe(OH)2; Cu(OH)2; Zn(OH)2; Mg(OH)2; Sau một thời gian, các kết tủa này lắng xuống đáy bình, tách lấy phần dung dịch cho chảy sang bể trung hòa số (bể

số 3)

Tại bể trung hòa, có thể sử dụng axit tồn dư (nếu có) để điều chỉnh pH về khoảng xấp xỉ 7 trước khi thải ra môi trường

3.3.4 Kết quả xử lý

Sau khi tiến hành vận hành thiết bị xử lý hóa chất vô cơ tồn dư trong phòng thí nghiệm bằng phương pháp kết tủa và trung hòa, nhóm nghiên cứu chúng em đã lấy mẫu nước thải sau xử lý ở thiết bị gửi sang phòng phân tích môi trường, viện Hóa học công nghiệp Việt Nam, thu được kết quả hàm lượng các ion kim loại trong nước sau xử lý như sau:

Bảng 3.4 Hàm lượng ion kim loại sau xử lý (pH khoảng 7)

Cation kim loại

Sau xử lí (mg/l)

QCVN 40:2011 BTNMT (cột A)

Từ kết quả ở bảng trên, ta có thể so sánh được hàm lượng các ion kim loại sau xử lý với quy chuẩn về nước thải công nghiệp (QCVN 40:2011 BTNMT) ở biểu đồ sau:

Hình 3.5 Biểu đồ so sánh hàm lượng các ion sau xử lý

ở pH khoảng ≈ 7 và quy chuẩn A

Nhận xét: Nhìn vào bảng 3.1 và hình 3.3 ta thấy:

- Hàm lượng các ion sau khi xử lý ở thiết bị đều đạt tiêu chẩn A về nước thải công nghiệp (QCVN 40:2011 BTNMT) được phép thải ra môi trường

- Các ion Al3+ và Mg2+ không có độc tính (trong quy chuẩn không có mức giới hạn) do đó không so sánh được, nhưng với hàm lượng của các ion đó rất thấp cho nên cũng có thể thải ra môi trường

3.2.5 Kết luận chương 2

Đã chạy thử thiết bị để xử lý một số hóa chất tồn dư có trong phòng thí nghiệm cho kết quả tốt, đáp ứng được quy chuẩn về nước thải công nghiệp (QCVN 40:2011 BTNMT), được phép thải ra môi trường

3.2.6 Hướng nghiên cứu tiếp theo

Trong khuân khổ đề tài này nhóm nghiên cứu mới dừng lại ở việc xử lí một số hóa chất vô cơ tồn dư, chủ yếu là ion kim loại, đặc biệt là kim loại nặng

có độc tính cao Do đó đề tài mới đi giải quyết được một phần lượng hóa chất tồn dư trong phòng thí nghiệm Trong thời gian tới nhóm nghiên cứu tiếp tục triển khai một số công việc sau :

- Tiếp tục nghiên cứu xử lý các hóa chất vô cơ tồn dư còn lại, để loại bỏ toàn bộ lượng hóa chất độc hại tồn đọng trong phòng thí nghiệm góp phần bảo

vệ môi trường

- Xin ý kiến của ban giám hiệu nhà trường cho nhóm nghiên cứu được triển khai quy trình xử lý một số hóa chất vô cơ tồn dư trong phòng thí nghiệm của nhà trường