nghiên cứu điều chế than tre ứng dụng xử lý một số kim loại nặng trong nước thải nhà máy mạ

2 Đại học quốc gia Hà Nội Trường đại học khoa học tự nhiên Nguyễn Kim Hiển Nghiên cứu điều chế than tre ứng dụng xử lý một số kim loại nặng trong nước thải nhà máy mạ LUÂ ̣ N VĂN THA ̣ C SI ̃ KHOA HO ̣ C Hà Nội - 2012 3 Đại học quốc gia Hà Nội Trường đại học khoa học tự nhiên Nguyễn Kim Hiển Nghiên cứu điều chế than tre ứng dụng xử lý một số kim loại nặng trong nước thải nhà máy mạ Chuyên nghành: Khoa học môi trường Mã số: 608502 LUÂ ̣ N VĂN THA ̣ C SI ̃ KHOA HO ̣ C Người hướng dẫn khoa học PGS.TS Lê huy du Hà Nội - 2012 4 Mục lục Trang Mở đầu 1 Chương 1. Tổng quan 2 1.1. Than hoạt tính cấu trúc và tính chất 2 1.1.1. Giới thiệu chung 2 1.1.2. Tổng quan về than tre 3 1.1.3. Điều chế than hoạt tính 6 1.1.4. Cấu trúc than hoạt tính 7 1.1.5. Những quy luật hấp phụ vật lý trên than hoạt tính 10 1.1.6. Động học hấp phụ 17 1.1.7. Sự hấp phụ trong dung dịch 18 1.2. Khái quát về nước thải mạ 21 1.2.1. Công nghệ mạ 21 1.2.2. Thành phần và tính chất nước thải mạ 23 1.2.2. ảnh hưởng của nước thải mạ đến môi trường và sức khoẻ con người. 24 1.2.3. Khái quát về các phương pháp xử lý nước thải mạ 25 Chương 2. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu 28 2.1. Đối tượng nghiên cứu 28 2.2. Phương pháp nghiên cứu 28 2.2.1. Phương pháp điều chế than hoạt tính từ tre 28 2.2.2. Phương pháp kế hoạch hoá thực nghiệm 29 2.2.3. Phương pháp thống kê toán học 31 2.2.4. Phương pháp xác định các chỉ tiêu, tính chất đặc 31 5 trưng của than hoạt tính 2.2.5. Phương pháp xác định khả năng hấp phụ một số kim loại trong nước thải mạ của than hoạt tính 36 Chương 3. Kết quả nghiên cứu 39 3.1. Điều chế than hoạt tính 39 3.1.1. Xác định hàm ẩm của nguyên liệu 39 3.1.2. Quá trình than hoá 39 3.1.3. Nghiên cứu tối ưu một số yếu tố hoạt hoá trong quá trình điều chế than hoạt tính từ tre 41 3.2. Đánh giá các tính chất đặc trưng của than hoạt tính điều chế được 44 3.2.1. Tỷ trọng than họat tính 44 3.2.2. Diện tích bề mặt 45 3.2.3. Phân bố lỗ của than họat tính 47 3.3. Xác định khả năng hấp phụ một số kim loại nặng trong nước thải mạ(Cu, Ni, Zn) 49 3.3.1. Xây dựng đường chuẩn 49 3.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của môi trường pH đến khả năng hấp phụ của than 50 3.3.3. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến khả năng hấp phụ của than 54 3.3.4. Tính toán dung lượng hấp phụ cực đại 56 3.3.5. Khảo sát ảnh hưởng của kích thước hạt đến khả năng hấp phụ của than 59 3.3.6. Khảo sát khả năng hấp phụ của than điều chế được đối với một số kim loại nặng(Cu, Zn, Ni) trong nước thải mạ 66 6 Kết luận Tài liệu tham khảo Phụ lục 7 DANH MỤC BẢNG Tên bảng Trang Bảng 2.1 Mức mó húa cỏc biến thực hiện 30 Bảng 3.1 Hàm lượng ẩm của nguyên liệu tre 38 Bảng 3.2 Hiệu suất than hóa khi nhiệt độ thay đổi trong thời gian 90 phút 39 Bảng 3.3 Kết quả của ma trận thực nghiệm 41 Bảng 3.4 Cỏc hệ số của quy hoạch hoa thực nghiệm 41 Bảng 3.5 Kết quả đo tỷ trọng của than và tổng thể tích lỗ 43 Bảng 3.6 Tính chất đặc trưng của than hoạt tính 47 Bảng 3.7 Kết quả thí nghiệm xác định ảnh hưởng của môi trường pH đến khả năng hấp phụ của than đối với Cu 50 Bảng 3.8 Kết quả thí nghiệm xác định ảnh hưởng của môi trường pH đến khả năng hấp phụ của than đối với Zn 51 Bảng 3.9 Kết quả thí nghiệm xác định ảnh hưởng của môi trường pH đến khả năng hấp phụ của than đối với Ni 52 Bảng 3.10 Kết quả thớ nghiệm xác định ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến khả năng hấp phụ của than đối với các kim loại Cu, Zn, Ni. 54 Bảng 3.11 Kết quả thí nghiệm khả năng hấp phụ của than đối với các kim loại khi tăng lượng than sử dụng 56 Bảng 3.12 So sánh dung lượng hấp phụ cực đại và hằng số langmuir giữa 3 kim loại 58 Bảng 3.13 Kết quả thí nghiệm xác định ảnh hưởng của kích thước hạt đến khả năng hấp phụ của than đối với các kim loại Cu, Zn, Ni. 61 8 Bảng 3.14 Các thông số đặc trưng cho các mẫu than đối với Cu theo phương trỡnh đẳng nhiệt Langmuir 63 Bảng 3.15 Các thông số đặc trưng cho các mẫu than đối với Zn theo phương trỡnh đẳng nhiệt Langmuir 64 Bảng 3.16 Các thông số đặc trưng cho các mẫu than đối với Ni theo phương trỡnh đẳng nhiệt Langmuir 65 Bảng 3.17 Nồng độ các kim loại trong nước thải mạ nhà máy Z117 trước khi qua cột hấp phụ 66 Bảng 3.18 Nồng độ các kim loại trong nước thải mạ nhà máy Z117 sau khi qua cột hấp phụ 66 DANH MỤC HÌNH Tên hình Trang Hỡnh 1.1 Cấu trúc graphit của than hoạt tính dạng đa và đơn tinh thể 7 Hỡnh 1.2 Dạng phương trỡnh Ponanly-Dubinin 13 Hỡnh 1.3 Dạng phương trỡnh BET 15 Hỡnh 1.4 Dạng phương trỡnh Langmuir 17 Hỡnh 1.5 Dõy truyền cụng nghệ mạ 23 Hỡnh 2.1 Sơ đồ nguyên lý cân hấp thụ động Mac-Ben 34 Hỡnh 2.1 Đường đẳng nhiệt hấp phụ hơi Benzen 34 Hỡnh 3.1 Hiệu suất than húa 39 Hỡnh 3.2 Đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp với benzen 44 Hỡnh 3.3 Đồ thị đường thẳng BET của than hoạt tính điều chế được 45 Hỡnh 3.4 Phân bố lỗ của than hoạt tính đo trên máy ASAP 46 9 Hỡnh 3.5 Đường chuẩn dùng để xác định nồng độ các kim loại 49 Hỡnh 3.6 Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất hấp phụ của than đối với Cu 50 Hỡnh 3.7 Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất hấp phụ của than đối với Zn 51 Hỡnh 3.8 Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất hấp phụ của than đối với Ni 52 Hỡnh 3.9 Ảnh hưởng của thời gianphanr ứng đến hiệu suất hấp phụ của than đối với Cu, Ni, Zn 54 Hỡnh 3.10 Đồ thị đường hấp phụ đẳng nhiệt dạng tuyến tính đối với Cu 56 Hỡnh 3.11 Đồ thị đường hấp phụ đẳng nhiệt dạng tuyến tính đối với Zn 57 Hỡnh 3.12 Đồ thị đường hấp phụ đẳng nhiệt dạng tuyến tính đối với Ni 57 Hỡnh 3.13 Đường phân bố kích thước hạt theo phần trăm thể tích 59 Hỡnh 3.14 Hấp phụ giải hấp nitơ lỏng 60 Hỡnh 3.15 Đồ thị đường hấp phụ đẳng nhiệt dạng tuyến tính của các mẫu than đối với Cu 62 Hỡnh 3.16 Đồ thị đường hấp phụ đẳng nhiệt dạng tuyến tính của các mẫu than đối với Zn 63 Hỡnh 3.17 Đồ thị đường hấp phụ đẳng nhiệt dạng tuyến tính của các mẫu than đối với Ni 64 10 CHỮ VIẾT TẲT Chữ viết tắt ý nghĩa Cu Kim loại đồng Zn Kim loại kẽm Ni Kim loại niken a max Dung lượng hấp phụ cực đại K L Hằng số Langmuir BET Brunauer-Emmett-Teller V tổng (cm 3 /g) Tổng thể tớch lỗ xốp của than hoạt tớnh V lớn (cm 3 /g) Tổng thể tớch cỏc mao quản lớn của than hoạt tớnh V trung (cm 3 /g) Tổng thể tớch cỏc mao quản trung bỡnh của than hoạt tớnh V nhỏ (cm 3 /g) Tổng thể tớch cỏc mao quản nhỏ của than hoạt tớnh S BET Diện tớch bề mặt riờng của than hoạt tớnh tớnh theo BET P; Ps Áp suất hơi và áp suất hơi bóo hũa của chất bị hấp phụ 11 Mở đầu Ngày nay, vấn đề ô nhiễm môi trường nói chung, ô nhiễm môi trường nước nói riêng và các hậu quả kéo theo của nó đang ngày càng bức xúc và nhận được nhiều sự quan tâm của nhân loại. Ô nhiễm môi trường nước ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng cuộc sống và sự phát triển bền vững của mỗi quốc gia. Trong đó, vấn đề bức bối nhất hiện của ô nhiễm môi trường nước chính là vấn đề ô nhiễm bởi kim loại nặng. Các kim loại nặng xâm nhập vào môi trường nước do các quá trình rửa trôi, do nước thải của các quá trình sản xuất công nông nghiệp. Đặc biệt, nguồn nước thải của các ngành công nghiệp mạ thải ra môi trường một lượng lớn các kim loại nặng, nếu không được xử lý triệt để sẽ gây ra ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Có nhiều phương pháp khác nhau để xử lý nước thải của ngành công nghiệp mạ. Trong đó phương pháp hấp phụ là phương pháp có hiệu quả cao và đang được nghiên cứu để ứng dụng rộng rãi. Than hoạt tính là một trong những vật liệu hấp phụ được sử dụng phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau như: khai thác chế biến dầu mỏ, công nghiệp dệt, công nghiệp thực phẩm. Ngày nay, việc ứng dụng than hoạt tính vào mục đích xử lý môi trường ngày càng tăng. Tre là nguồn nguyên liệu rẻ và dồi dào ở Việt Nam. Việc khai thác tre để điều chế than vừa có chi phí sản xuất thấp vừa ít ảnh hưởng đến môi trường. Than tre có có khả năng hấp phụ tốt vì có diện tích bề mặt cao, phân bố lỗ trung và lỗ lớn nhiều. Như vậy, than tre hoàn toàn có thể ứng dụng trong lĩnh vực xử lý môi trường. Tuy nhiên, ở nước ta hiện nay, việc nghiên cứu điều chế than hoạt tính từ tre, ứng dụng xử lý các kim loại nặng trong nước vẫn chưa được quan tâm nhiều. Chính vì vậy luận văn này đề cập đến việc “Nghiên cứu điều chế than tre ứng dụng xử lý một số kim loại nặng trong nước thải mạ”. Mục đích của luận văn là: - Nghiên cứu điều chế than hoạt tính từ tre. - Đánh giá các tính chất đặc trưng của than tre hoạt tính điều chế được - Nghiên cứu khả năng ứng dụng than tre hoạt tính trong việc xử lý một số kim loại nặng có trong nước thải mạ. [...]... khả năng ứng dụng của than hoạt tính từ tre Do đó, luận văn của tôi xin trình bày về việc nghiên cứu điều chế than tre cũng như ứng dụng than tre điều chế được để xử lý một số kim loại nặng trong nước thải mạ Đây là vấn đề mới chưa có tác giả nào nghiên cứu trước đây và cũng có tính ứng dụng trong thực tiễn rất cao 1.1.3 Điều chế than hoạt tính Như đã biết nguồn nguyên liệu để điều chế than hoạt tính... đã nghiên cứu ứng dụng than hoạt tính từ tre trong lĩnh vực bảo quản thực phẩm - Tác giả Fewu, RL Tseng ở ấn Độ đã nghiên cứu dùng than hoạt tính từ tre để xử lý thuốc nhuộm và phenol trong nước thải đệt nhuộm [18] 15 - Tác giả T Asada , Sishihara ở Bănglađét đã nghiên cứu dùng than hoạt tính từ tre để làm sạch khí Các nghiên cứu về than tre hoạt tính còn ít và chưa cho thấy được hết các khả năng ứng. .. chọn phân lập vi sinh vật còn nhiều hạn chế nên áp dụng trong thực tế còn nhiều khó khăn Cho đến nay, đã có nhiều công trình nghiên cứu về nước thải mạ và phương pháp xử lý nước thải mạ ví dụ như: - Tác giả Trần Văn Thắng đã nghiên cứu mô hình hóa và tối ưu hóa quy trình xử lý nước thải mạ Crôm Tác giả bảo vệ luận án tiến với đề tài trên vào năm 1996 Trong nghiên cứu của mình tác giả đã xây dựng được... trình di chuyển các chất ô nhiễm(ion kim loại) - hay là các chất bị hấp phụ đến bề mặt pha rắn -chất hấp phụ (trong luận văn chất hấp phụ là than hoạt tính) * Phương pháp sinh học Nguyên tắc: - là sử dụng các loại sinh vật, vi sinh vật để tiêu hủy các kim loại nặng có trong nước thải Các loại sinh vật này có khả năng sử dụng kim loại nặng có trong nước thải mạ như một nguồn dinh dưỡng cho chúng tồn tại... NaCN Cu(CN)2 Muội Ag Mạ crụm Mạ Niken ZnO H3BO3 Mạ kẽm Cr6+ Ni2+, axit CN-, Zn2+, axit Mạ đồng Mạ vàng Cu2+, axit CN-, axit Hình 1.5 Dây chuyền công nghệ mạ 1.2.2 Thành phần và tính chất nước thải mạ Nước thải từ xưởng xi mạ có thành phần đa dạng về nồng độ và pH Đặc trưng chung của nước thải ngành mạ là chứa hàm lượng cao các muối vô cơ và kim loại nặng Tuỳ theo kim loại của lớp mạ mà nguồn ô ề nhiễm... đã nghiên cứu điều chế than tre và ứng dụng than tre dạng hạt 2-5 ly để hấp phụ hơi hữu cơ (benzen, xylen, toluen ) Tác giả đã thí nghiệm xác định thời gian bảo vệ của cột than tre (tiêu chuẩn quốc tế) theo benzen trên thiết bị thực nghiệm của Nga với chiều cao 5cm trong cột đường kính 2,5cm là 40 đến 60 phút Đây là nghiên cứu đầu tiên ở Việt Nam trong việc dùng than hoạt tính từ tre hấp phụ xử lý. .. hệ thống xử lý nước thải, cần tách riêng nếu không sẽ ảnh hưởng đến hoạt động của vi sinh vật khi thực hiện xử lý sinh học 35 Ảnh hưởng đến con người: Mạ là ngành có mật độ gây ô nhiễm môi trường cao bởi hơi hóa chất, nước thải có chứa các ion kim loại nặng, kim loại độc ảnh hưởng tới sức khỏe con người gây nên nhiều căn bệnh khó chữa, nguy hiểm tới tính mạng Nước thải từ các quá trỡnh mạ kim loại, nếu... và cũng tuỳ thuộc vào loại muối kim loại được sử dụng mà nước thải có chứa các độc tố như xianua, sunfat, amoni, crômat,… Các chất hữu cơ ít có trong nước thải xi mạ, phần chủ yếu là chất tạo bông, chất hoạt động bề mặt … nên BOD, COD thường thấp và không thuộc đối tượng xử lý Đối tượng xử lý chớnh là cỏc ion vụ cơ mà đặc biệt là các muối kim loại nặng như Cr, Ni, Cu, Fe,… Nước thải nên tách riêng thành... hấp phụ xử lý khí thải chứa dung môi hữu cơ - Tác giả Trần Quang Sáng (viện Hóa học Quân sự) [12] đã sử dụng than hoạt tính từ tre được điều chế trong phòng thí nghiệm để hấp phụ NH 4+ trong nước Công trình này đã thu được kết quả xử lý được 80% NH 4+ trong nước, và tác giả bảo vệ luận văn cao học đề tài này năm 2006 Nhiều nước châu á hiện đang nghiên cứu và sản xuất than hoạt tính từ tre như Trung Quốc,... động [6] Mặc dù tre vẫn là nguồn tài nguyên thiên nhiên chưa được sử dụng nhiều, nhưng nếu được nghiên cứu chế tạo làm than hoạt tính thì phạm vi ứng dụng sẽ tăng lên một cách rõ rệt và rất ý nghĩa trong lĩnh vực xử lý môi trường.Theo kinh nghiệm dân gian, than được chế tạo từ tre có khả năng kháng khuẩn và khử mùi, bột than tre có thể dùng để nuôi gia súc và cải tạo đất đai Để tận dụng nguồn nguyên . này đề cập đến việc Nghiên cứu điều chế than tre ứng dụng xử lý một số kim loại nặng trong nước thải mạ . Mục đích của luận văn là: - Nghiên cứu điều chế than hoạt tính từ tre. - Đánh giá các. vậy, than tre hoàn toàn có thể ứng dụng trong lĩnh vực xử lý môi trường. Tuy nhiên, ở nước ta hiện nay, việc nghiên cứu điều chế than hoạt tính từ tre, ứng dụng xử lý các kim loại nặng trong nước. nhiên Nguyễn Kim Hiển Nghiên cứu điều chế than tre ứng dụng xử lý một số kim loại nặng trong nước thải nhà máy mạ Chuyên nghành: Khoa học môi trường Mã số: 608502 LUÂ ̣ N