Nghiên cứu xử lý sắt và mangan trong nước bằng phương pháp trao đổi ion

Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt mangan nước phương pháp trao đổi ion” LỜI MỞ ĐẦU Nước thải sản xuất từ ngành công nghiệp, đặc biệt nước thải ngành công nghiệp luyện kim, khai khoáng, hoá chất, gia công chế biến kim loại thường chứa nhiều kim loại như: Zn, Ni, Cr, Mn, Fe, pb, Cd, Hg, Cu, Hầu hết kim loại tồn nước dạng ion, khác với chất thải hữu tự phân huỷ đa số trường hợp Các kim loại nặng phóng thích vào môi trường tồn lâu dài Nếu kim loại nước thải không xử lý tuỳ thuộc vào nguồn thải, hàm lượng chúng gây độc cho hệ sinh thái nguồn tiếp nhận ảnh hưởng trực tiếp gián tiếp đến sức khoẻ người, qua tích luỹ sinh học chúng tích tụ vào mô sống qua chuỗi thức ăn vào thể người gây số bệnh nguy hiểm đe doạ sống người Khác với kim loại khác Fe Mn tồn nước thải công nghiệp luyện kim, khai khoáng có mặt nhiều nước ngầm gây nguy hại cho đối tượng sử dụng nước, ảnh hưởng trực tiếp đến sinh hoạt người Như đóng cặn đường ống, gây mùi khó chịu, vàng ố đồ dùng sinh hoạt… Hiện có nhiều phương pháp để khử kim loại khỏi nước như: keo tụ, hấp phụ, lọc qua màng, điện phân, kết tủa hoá học, trao đổi ion Nhưng chất phương pháp kết tủa hoá học chuyển đổi từ trạng thái ô nhiễm kim loại từ pha lỏng sang pha rắn, bên cạnh trình tạo dạng ô nhiễm thứ cấp Phương pháp điện phân đòi hỏi tiêu thụ điện lớn Hấp phụ hoá học chưa sử dụng nhiều So với phương pháp khác phương pháp trao đổi ion cho phép thu hồi chất có giá trị đạt mức độ làm cao, đảm bảo tiêu chuẩn môi trường ứng dụng phổ biến thực tế Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt mangan nước phương pháp trao đổi ion” tiến hành nghiên cứu nhằm góp phần cung cấp sở thực tiễn để lực chọn phương pháp xử lý kim loại nước, đồng thời góp phần bảo vệ môi trường Khóa luận tốt nghiệp khóa VIII Nguyễn Thị Vượng Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt mangan nước phương pháp trao đổi ion” CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Sắt mangan nước Cả sắt mangan gây ảnh hưởng đáng kể đến việc cấp nước Đặc biệt nguồn nước ngầm Một số nguồn nước ngầm không chứa sắt mangan số khác lại chứa lượng đáng kể 1.1.1 Trong nước ngầm [7] 1.1.1.1 Sắt (Fe) nước ngầm Trong thiên nhiên sắt tồn loại khoáng quặng vỏ trái đất pirit, xederit, pioxen, anfibon, manhetit, diotit, hematit Khi khoáng bị phong hóa, lượng Fe giải phóng chuyển hóa vào nước ngầm dạng Fe2+ Fe3+, sắt (II) thường không bền không khí có mặt ôxy dẽ bị ôxy hóa tạo thành sắt (III) hydrat Ôxit sắt thường có nhiều nước ngầm tầng thường tồn dạng keo Hàm lượng sắt có nước phụ thuộc vào nguồn nước chảy qua, độ pH có mặt số chất CO 32-, CO2, O2 hợp chất hữu tan nước Hàm lượng Fe nước ngầm khác tùy theo địa chất vùng, thường khoảng từ 0,5 - 50 mg/l Khi nước ngầm tiếp xúc với khoáng vật chứa sắt hòa tan sắt Môi trường yếm khí mang tính khử, nên phần lớn sắt nước ngầm tồn dạng Fe2+ tan muối bicacbonnat, sunfat, clorua Trạng thái phổ biến Fe nước ngầm Fe(HCO3)2, tan tốt nước, dạng keo axit humic Nước ngầm thiếu ôxy chứa - mg /l Fe 2+ mùi, tiếp xúc với ôxy (không khí) Fe (II) bị ôxy hóa tạo thành Fe (III) hydroxit (Fe(OH)3) chất khó tan có màu vàng nhạt Khóa luận tốt nghiệp khóa VIII Nguyễn Thị Vượng Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt mangan nước phương pháp trao đổi ion” Bụi Khí Sông Đất Các quặng Fe Mạch nước ngầm Đại Dương Hoà tan sắt (Dạng huyền phù) Fe hòa tan Fe dạng sa lắng Hình 1 Chu trình sắt tự nhiên Trong nước ngầm, đặc biệt nguồn nước nguồn khu vực có dầu mỏ khoáng gần khu công nghiệp nặng hàm lượng sắt cao Có thể đến vài chục đến vài trăm mg/l 1.1.1.2 Mangan (Mn) nước ngầm Trong nước Mn tồn hai dạng tan không tan Ở dạng tan Mn tồn dạng cation Mn2+ dạng không tan Mn tồn dạng kết tủa hydroxit Mangan nguyên tố hay gặp nước ngầm, thường tồn với sắt Trong đất đá chúng thường dạng tan, chuyển thành dạng tan phản ứng khử vi sinh vật thâm nhập vào nước Về tính chất hoá học chúng có nhiều điểm tương đồng với sắt: oxi hoá với oxi, tạo kết tủa Khi mạch nước ngầm chảy qua vùng có mỏ khoáng vật hay vùng bị ô nhiễm nguồn nước thải công nghiệp bề mặt hàm lượng Mn hòa tan vào nước tăng lên làm biến đổi chất lượng nước ngầm 1.1.2 Nước mặt [7],[8] Sự tồn kim loại nước Các kim loại nặng đưa vào môi trường nước xảy trình biến đổi sau: Quá trình hydrat hóa, trình Khóa luận tốt nghiệp khóa VIII Nguyễn Thị Vượng Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt mangan nước phương pháp trao đổi ion” thủy phân kim loại, polime hóa, tạo phức chất, Do kim loại nặng nước tồn dạng ion đơn ion phức Sắt nước thải có nguồn gốc từ ngành công nghiệp: luyện kim, chế tạo máy Nguồn địa chất thiên nhiên, khoáng vật Mangan nước thải có nguồn gốc từ ngành công nghiệp Chất thải công nghiệp, luyện kim đen, luyện kim màu, sản xuất pin khô, phân bón thuốc diệt nấm Kim loại nặng nước thải không xử lý dẫn đến ô nhiễm nước trầm trọng điển hình Thành Phố Thái Nguyên Tổng lượng nước thải từ luyện kim, cán thép, chế tạo máy địa bàn ngày Thái Nguyên thải sông Cầu 16.000 m3 Ước tính năm công gang thép Thái Nguyên thải sông Cầu 1,3 triệu m3 nước có nhiễm chất dầu mỡ, phenol, xianua, kim loại nặng pb, Fe, Cu, Mn… Bảng 1.1 Hàm lượng sắt mangan sông Cầu (Thái Nguyên) Ngày lấy mẫu Chỉ số Fe Mn / 2007 0.002 0.014 / 2007 8.6 10.21 TCVN 5942 1995 0.8 Trong hàm lượng Fe Mn tăng lên đáng kể đợt lấy mẫu vào tháng 6, hàm lượng sắt Fe vượt TCCP 10,75 lần, hàm lương Mn vượt TCCP 5,11 lần điều chứng tỏ ô nhiễm kim loại nước lưu vực sông Cầu đáng báo động 1.2 Sự ảnh hưởng sắt mangan tới sức khoẻ sinh vật người 1.2.1 Sự ảnh hưởng sắt [2], [7] Sắt nguyên tố gây ô nhiễm nước ngầm phổ biến Đó tầng trữ nước lòng đất điều kiện có hoạt động vi sinh vật yếm khí sinh CO2, làm cho nước thường có pH < Fe cần thiết cho thể, lượng Fe cần thiết cho thể phụ thuộc vào: tuổi tác, giới tính, trung bình khoảng 10 - 50 mg/ngày Để hạn chế tích lũy Khóa luận tốt nghiệp khóa VIII Nguyễn Thị Vượng Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt mangan nước phương pháp trao đổi ion” thể, mức sử dụng thể xác định 0,8 mg/kg ngày, lượng Fe tính cho tất từ nguồn: thức ăn, nước uống đóng góp khoảng 10 % tức khoảng 20 mg/l không gây ảnh hưởng xấu tới sức khỏe Fe kết tủa dạng hydroxit Fe (III) gây ố bẩn quần áo giặt dụng cụ gia đình với nồng độ > 0,3 mg/l Mùi vị Fe không cảm nhận mức < 0,3 mg/l, nồng độ 1- mg/l nước yếm khí chấp nhận cho mức sinh hoạt phương diện độc hại Tuy cảm quan yêu cầu nồng độ thấp Tiêu chuẩn giới hạn cho phép nước EU 0,2 mg/l, WHO 0,3 mg/l, Việt Nam < 0,3 mg/l 1.2.2 Sự ảnh hưởng mangan [2] Mn nguyên tố vi lượng thể động vật trồng Lượng cần thiết cho thể 30 đến 50.10-6 g / kg thể trọng phụ thuộc nhiều vào yếu tố: dạng tồn tại, có mặt đồng thời kim loại khác sắt đồng Trẻ em động vật non có tốc độ hấp phụ mangan lớn Tác hại Mn Lượng Mn: 45 mg/m gây bệnh viêm thùy phổi dẫn tử vong Mn có dấu hiệu gây ung thư Nhiễm độc Mn gây rối loạn tâm lí, rối loạn thần kinh Bị tử vong nhiễm độc Mn thần kinh trung ương bị tổn thương Độc với thực vật nồng độ cao, Mn có nhiều nước ngầm ảnh hưởng tới đối tượng sử dụng nước gây màu, mùi khó chịu, làm ố bẩn quần áo cụ sinh hoạt, kết tủa dạng hyđroxit đóng cặn đường ống 1.3 Các phương pháp xử lý sắt mangan nước[3] 1.3.1 Các phương pháp xử lý sắt Hiện có nhiều phương pháp xử lý Fe nước chia làm nhóm sau: - Xử lý sắt phương pháp làm thoáng - Xử lý sắt phương pháp dùng hoá chất - Xử lý sắt phương pháp khác Khóa luận tốt nghiệp khóa VIII Nguyễn Thị Vượng Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt mangan nước phương pháp trao đổi ion” 1.3.1.1 Xử lý sắt phương pháp làm thoáng Thực chất phương pháp làm giàu oxi nước, tạo điều kiện để Fe2+ oxi hoá thành Fe3+, sau Fe3+ thực trình thuỷ phân để tạo thành hợp chất tan Fe(OH)3, dùng bể lọc để giữ lại Làm thoáng là: làm thoáng tự nhiên hay làm thoáng nhân tạo Sau làm thoáng trình oxi hoá Fe2+ thuỷ phân Fe3+có thể xảy môi trường tự do, môi trường hạt hay môi trường xúc tác a) Phản ứng oxi hoá Fe2+ thành Fe3+ thuỷ phân Fe3+ môi trường tự Trong nước Fe tồn dạng Fe 2+ Nếu nước có oxi hoà tan, trình oxi hoá thuỷ phân diễn sau: 4Fe2+ + O2 + 10H2O = 4Fe(OH) + 8H+ (1.1) Đồng thời xảy phản ứng phụ H + + HCO3- = H 2O + CO (1.2) Quá trình thuỷ phân H+ môi trường axit phản ứng bị kìm hãm theo phản ứng (1.1) Sau ion Fe2+ hoà tan nước chuyển hoá thành cặn Fe(OH)3 Việc loại bỏ cặn khỏi nước thực bể lọc chủ yếu theo chế giữ cặn học b) Phản ứng oxi hoá Fe2+ thủy phân Fe3+ môi trường dị thể lớp vật vật liệu lọc Trường hợp này, làm thoáng cung cấp oxi nước Khi làm thoáng, ion Fe2+ oxi hoá thành Fe3+ với tỉ lệ nhỏ Quá trình oxi hoá Fe2+ thành Fe3+ thuỷ phân Fe3+ thành Fe(OH)3 chủ yếu xảy lớp vật liệu lọc Khóa luận tốt nghiệp khóa VIII Nguyễn Thị Vượng Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt mangan nước phương pháp trao đổi ion” Quá trình làm thoáng vậy, tạo bề mặt hạt vật liệu lọc lớp màng Lớp màng có cấu tạo từ hợp chất Fe như: Fe2+, Fe3+, Fe(OH)2, Fe(OH)3 c) Phản ứng oxi hoá Fe2+ thành Fe3+ có mặt lớp màng xúc tác oxit mangan Lớp màng oxit mangan chất xúc tác làm tăng trình oxi hoá Fe 2+ thành Fe3+ trường hợp pH thấp (pH < 5) Các phản ứng lớp màng xảy sau: MnOMn2O7 + Fe(HCO3)2 +2H2O = 3MnO2 + Fe(OH)3 +8CO2 (1.3) 3MnO2 + O2 = MnOMn2O7 (1.4) Dưới tác dụng lớp màng MnOMn2O7 có hợp chất Fe2+ qua, MnOMn2O7 làm chất xúc tác, kết thúc phản ứng MnOMn 2O7 lại hình thành, nên lớp màng dày, trình phản ứng xảy nhanh Trong trình sử dụng, lớp màng tăng lên đến giới hạn định phải bỏ lớp màng để thay 1.3.1.2 Xử lý sắt phương pháp dùng hoá chất a Xử lý sắt chất oxi hoá mạnh Các chất oxi hoá mạnh thường sử dụng để khử Fe là: Cl 2, KMnO4, O3 Khi cho chất oxi hoá mạnh vào nước, phản ứng diễn sau: 2Fe2+ + Cl2 + 6H2O = 2Fe(OH)3 + 2Cl- + 6H+ (1.5) 3Fe2+ + KMnO4 + 7H2O = 3Fe(OH)3 + MnO2 + K+ + 5H+ (1.6) So sánh với phương pháp xử lý Fe làm thoáng ta thấy, dùng chất oxi hoá mạnh phản ứng xảy nhanh hơn, pH môi trường thấp (pH < 6) Nếu nước có tồn hợp chất như: H 2S, NH3 chúng gây ảnh hưởng đến trình khử Fe Khóa luận tốt nghiệp khóa VIII Nguyễn Thị Vượng Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt mangan nước phương pháp trao đổi ion” b Xử lý Fe vôi Phương pháp xử lý Fe vôi thường không đứng độc lập, mà kết hợp với trình làm ổn định nước làm mền nước Khi cho vôi vào nước, trình khử Fe xảy theo thường hợp: • Trường hợp nước có oxi hoà tan: Vôi coi chất xúc tác, phản ứng khử Fe diễn sau: 4Fe(HCO3)2 + O2 + 2H2O + 4Ca(OH)2 = 4Fe(OH)3 + Ca(HCO3)2 (1.7) Fe(OH)3 tạo thành, dễ dàng lắng lại bể lắng giữ lại hoàn toàn bể lọc • Trường hợp nước oxi hoà tan: Khi cho vôi vào nước phản ứng diễn sau: Fe(HCO3)2 + Ca(OH)2 = FeCO3 + CaCO3 + H2O (1.8) Fe khử dạng FeCO3 hydroxit sắt 1.3.1.3 Xử lý Fe phương pháp khác a Xử lý Fe điện phân Dùng cực âm Fe, Al, cực dương Cu, pt hay Cu mạ kền dùng điện cực hình ống trụ hay hình sợi thay cho điện cực phẳng b Xử lý Fe phương pháp vi sinh vật Cấy mầm khuẩn Fe lớp cát lọc bể lọc Thông qua hoạt động vi khuẩn, Fe loại bỏ khỏi nước c Xử lý sắt trao đổi cationit Cho nước qua lớp vật liệu lọc có khả trao đổi ion Các ion H + Na+ có thành phần lớp vật lọc, trao đổi với ion Fe 2+ nước Kết Fe2+ bị giữ lại lớp vật liệu lọc Lớp vật liệu lọc có khả trao đổi ion gọi cationit, thường sử dụng cho nguồn nước có chứa Fe 2+ dạng hoà tan Khóa luận tốt nghiệp khóa VIII Nguyễn Thị Vượng Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt mangan nước phương pháp trao đổi ion” 2[K]Na + 2[K]H [K]2Fe + 2NaHCO3 Fe(HCO3)2 [K]2Fe + H2CO3 + Fe(HCO3)2 (1.9) (1.10) Cationit tái sinh HCl, NaCl NaCl HCl + + [K]2Fe [K]Na + FeCl2 (1.11) [K]2Fe [K]H + FeCl2 (1.12) Cùng với trình này, ion Ca 2+, Mg2+ tham gia vào trình trao đổi Phương pháp đem lại hiệu khử sắt cao, thường dùng với việc kết hợp làm mềm nước 1.3.2 Các phương pháp xử lý mangan Trong thực tế, việc xử lý mangan nước thường tiến hành đồng thời với xử lý sắt 1.3.2.1 Xử lý mangan phương pháp làm thoáng Công nghệ xử lý mangan phương pháp làm tháng bao gồm công đoạn tương tự sắt: làm thoáng, lắng tiếp xúc, lọc Trong trình lọc, lớp vật liệu lọc phủ lớp Mn(OH) tích điện âm, lớp hyđroxit mangan có tác dụng chất xúc tác hấp phụ Mn 2+ ôxy hoá chúng Cũng trình ôxy hoá mangan diễn chậm sắt, nên bể lọc phải có bề dày 1,2 – 1,5m 1.3.2.2 Các phương pháp xử lý mangan khác a Phương pháp dùng hoá chất Sử dụng chất oxi hoá mạnh Clo, ozone, kaliphermanganat, để ôxy hoá Mn2+ thành Mn4+ Clo, Cl2 ôxy hoá Mn2+ pH = 60 – 90 phút clođioxit (ClO 2) zone ôxy hoá Mn2+ 6,5 - 10 – 15 phút b Phương pháp sinh học Cấy loại vi sinh vật có khả hấp phụ mangan trình sinh trưởng lên bề mặt lớp vật liệu lọc Xác vi sinh vật tạo thành lớp màng oxit Khóa luận tốt nghiệp khóa VIII Nguyễn Thị Vượng Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt mangan nước phương pháp trao đổi ion” mangan bề mặt hạt vật liệu lọc Lớp màng có tác dụng xúc tác trình khử mangan 1.4 Phương pháp trao đổi ion [4] Trao đổi ion phương pháp thường dùng để tách kim loại nặng khỏi nước thải Nhựa trao đổi ion tổng hợp từ nhóm vô hay hữu có gắn nhóm (-SO3H), (-COO-), amin… Các cation anion hấp thụ bề mặt nhựa trao đổi ion: nRH + Men+ RnMe + nH+ RCL + A RA (1.13) + Cl- (1.14) 1.4.1 Cơ sở trình trao đổi ion Phương pháp lợi dụng khả trao đổi ion số chất cao phân tử thiên nhiên nhân tạo gọi ionit Đó dịch chuyển thuận nghịch ion pha nước pha rắn Những hợp chất có khả trao đổi cation gọi cationit, hợp chất có khả trao đổi anion anionit Trao đổi ion trình gồm hai phần ứng dụng công nghệ Một làm mềm nước, trình di chuyển ion nước thay chúng ion Na + Cl-, công dụng thông thường làm giảm độ cứng nước tái sử dụng lại phế thải nước Nó làm giảm cặn bẩn nước Ứng dụng thứ hai đề ion hóa Trong trình ion nước di chuyển thay ion H+ OH-, hai loại ion tạo nên cấu trúc nước Quá trình làm việc sau: nhựa trao đổi ion (những hạt nhỏ có số lượng thích hợp) bao bên ion chiếm chỗ Trong trường hợp làm mềm nước hạt nhựa bao Na + Cl- Trong trường hợp đề ion hóa chúng bao bọc OH- H+ Nước chảy từ bề mặt hạt nhựa, ion nước di chuyển sang (hút sang) nhựa, ion nước tự chúng di chuyển sang nhựa 1.4.2 Cơ chế trao đổi Khóa luận tốt nghiệp khóa VIII 10 Nguyễn Thị Vượng Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt mangan nước phương pháp trao đổi ion” Với mnhựa = 0,1 g: CFe = 20 mg/l η = 94,35 % CFe = 30 mg/l η = 93,53 % CFe = 40 mg/l η = 92,96 % CFe = 50 mg/l η = 91,76 % Như với 0,1 g nhựa nồng độ sắt 20 mg/l hiệu suất trao đổi đạt cao Cùng nồng độ sắt, thời gian trao đổi, tăng khối lượng nhựa lên hiệu suất trao đổi tăng Với CFe =20 mg/l: mnhựa = 0,1 g η = 94,35 % mnhựa = 0,15 g η = 95,76 % mnhựa = 0,2 g η = 96,47 % mnhựa = 0,25 g η = 96,47 % Khi tăng khối lượng nhựa tăng từ 0,1 – 0,2 g hiệu suất trao đổi tăng từ 94,34 – 96,47 %, khối lượng nhựa tăng đến 0,2 g hiệu suất trao đổi không tăng bề mặt chất hấp phụ bão hoà Như khối lượng nhựa tối ưu 0,2g 3.1.2 Khảo sát ảnh hưởng khối lượng nhựa tới hiệu suất trao đổi Mn Tương tự với Fe3+, Mn2+ khảo sát nồng độ 20 mg/l, pH thời gian trao đổi với khối lượng nhựa khác là: 0,1 g; 0,15 g; 0,2 g; 0,25 g, kết bảng 3.2 đây: Bảng 1: Kết khảo sát ảnh hưởng khối lượng nhựa tới hiệu suất trao đổi Mn nồng độ khác Khóa luận tốt nghiệp khóa VIII 28 Nguyễn Thị Vượng Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt mangan nước phương pháp trao đổi ion” mnhựa CMn sau trao đổi (mg/l) 20 30 40 50 (g) 0.1 0.15 0.2 0.25 0.99 0.72 0.54 0.54 1.85 1.40 1.22 1.22 2.62 2.53 2.17 2.17 Hiệu suất (%) 30 40 20 4.16 3.84 3.25 3.25 94.33 95.88 96.91 96.91 93.21 94.87 95.53 95.53 92.97 93.21 94.18 94.18 50 90.96 91.65 92.93 92.93 Mối liên hệ khối lượng nhựa hiệu suất trao đổi mangan nồng độ khác Được cho hình sau đây: 97.0 Mn: 20 mg/l Mn: 30 mg/l Mn: 40 mg/l Mn: 50 mg/l 96.5 96.0 HiÖu suÊt (%) 95.5 95.0 94.5 94.0 93.5 93.0 92.5 92.0 91.5 91.0 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 0.22 0.24 0.26 Khèi l îng nhùa (g) Hình 3.1 Khảo sát ảnh hưởng khối lượng nhựa tớihiệu suất trao đổi mangan nồng độ khác Cùng khối lượng vât liệu thời gian trao đổi, nồng độ Fe lớn hiệu suất trao đổi giảm: Với mnhựa = 0,1 g: CMn = 20 mg/l η = 94,35 % CMn = 30 mg/l η = 93,53 % CMn = 40 mg/l η = 92,96 % CMn = 50 mg/l η = 91,76 % Khóa luận tốt nghiệp khóa VIII 29 Nguyễn Thị Vượng Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt mangan nước phương pháp trao đổi ion” Như với 0,1 g nhựa nồng độ Mn 20 mg/l hiệu suất trao đổi đạt cao Cùng nồng độ, thời gian trao đổi, tăng khối lượng nhựa lên hiệu suất trao đổi tăng Với CMn =30 mg/l: mnhựa = 0,1 g η = 93,21 % mnhựa = 0,15 g η = 94,87 % mnhựa = 0,2 g η = 95,35 % mnhựa = 0,25 g η = 95,35 % Từ ta thấy khối lượng nhựa tăng từ 0,1- 0,2 g hiệu suất trao đổi tăng từ 93,12 - 95,35 % Khi khối lượng tăng đến 0,2 g hiệu suất trao đổi tăng thêm bề mặt chất hấp phụ bão hoà Như khối lượng tối ưu đạt 0,2 g 3.2 Khảo sát ảnh hưởng thời gian đến hiệu suất trao đổi 3.2.1 Khảo sát ảnh hưởng thời gian đến hiệu suất trao đổi sắt Thời gian có ảnh hưởng lớn tới hiệu suất trao đổi, thời gian thích hợp cho hiệu suất tối ưu Với giá trị pH, nồng độ sắt, khối lượng nhựa, khảo sát với khoảng thời gian khác cho kết khác cụ thể bảng 3 sau: Bảng 3 Kết khảo sát ảnh hưởng thời gian đến hiệu suất trao đổi Fe3+ Khóa luận tốt nghiệp khóa VIII 30 Nguyễn Thị Vượng Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt mangan nước phương pháp trao đổi ion” Thời gian (phút) 0.5 10 30 60 90 120 150 180 240 CFe sau trao đổi (mg/l) 16.77 15.42 12.22 8.06 5.25 3.58 2.43 1.54 1.02 1.02 Hiệu suất (%) 7.42 14.84 32.51 55.48 71.02 80.21 86.57 91.52 94.35 94.35 Quan hệ hiệu suất trao đổi thời gian trao đổi Fe thể hình 3.3 100 HiÖu suÊt (%) 80 60 40 20 0 50 100 150 200 250 t (phót) Hình 3 Ảnh hưởng thời gian cân đến hiệu suất trao đổi Fe3+ Với giá trị pH ban đầu, nồng độ Fe 3+, khối lượng nhựa nhau, cho tiếp xúc với cation khoảng thời gian khác hiệu suất trình khác Hiệu suất trình tỉ lệ thuận với thời gian tiếp xúc thời gian tiếp xúc Thời gian tiếp xúc 30 giây hiệu suất đạt thấp đạt 7,42 %, tăng thời gian lên 5, 10 phút hiệu suất tăng lên nhanh (thể độ dốc đồ thị) Tiếp tục tăng thời gian hiệu suất tăng theo Khi thời gian tiếp xúc 3,5 h hiệu suất đạt 94,35 % Tăng dài thời gian tiếp xúc thêm 30 phút Khóa luận tốt nghiệp khóa VIII 31 Nguyễn Thị Vượng Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt mangan nước phương pháp trao đổi ion” hiệu suất không thay đổi 94,53 % bề mặt chất hấp phụ bão hoà Như 3,5 h thời gian trao đổi cho hiệu suất trao đổi cao 3.3.2 Khảo sát ảnh hưởng thời gian đến hiệu suất trao đổi mangan Giống trình trao đổi sắt hiệu suất trao đổi mangan khảo sát khoảng thời gian khác Có bảng kết cụ thể Bảng 4: Kết khảo sát ảnh hưởng thời gian đến hiệu suất trao đổi Mn2+: 20 mg/l CFe sau trao đổi Thời gian (phút) 0.5 10 30 60 90 120 150 180 240 (mg/l) 16.09 14.01 7.50 5.20 4.16 3.25 2.40 1.36 0.99 0.99 Hiệu suất (%) 8.25 20.10 57.22 70.36 76.29 81.44 86.34 92.27 94.33 94.33 Liên quan thời gian khác tới hiệu suất trao đổi mangan thể hình 3.4 sau Khóa luận tốt nghiệp khóa VIII 32 Nguyễn Thị Vượng Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt mangan nước phương pháp trao đổi ion” 100 HiÖu suÊt (%) 80 60 40 20 0 50 100 150 200 250 t (phót) Hình Ảnh hưởng thời gian cân đến hiệu suất trao đổi Mn2+ Hiệu suất trình phụ thuộc vào thời gian tiếp xúc.Khi pH ban đầu, khối lượng, nồng độ Mn2+ nhau, cho tiếp xúc với cation khoảng thời gian khác hiệu suất trình khác Thời gian tiếp xúc 30 giây hiệu suất đạt nhỏ đạt 8,25 %, tăng thời gian lên 5, 10 phút hiệu suất tăng lên nhanh (thể độ dốc đồ thị) Tiếp tục tăng thời gian hiệu suất tăng theo Thời gian tiếp xúc 3,5 h hiệu suất đạt 94,33 % Kéo dài thời gian tiếp xúc thêm 30 phút hiệu suất không thay đổi 94,5 % bề mặt hấp phụ bão hoà Như 3,5 h thời gian trao đổi tối ưu 3.3 Khảo sát ảnh hưởng pH đến hiệu suất trao đổi 3.3.1 Khảo sát ảnh hưởng pH đến hiệu suất trao đổi sắt Khảo sát ảnh hưởng pH tới hiệu suất trao đổi tiến hành dải pH từ 0,5 – 3,5 với điều kiện trao đổi: nồng độ, khối lượng nhựa, thời gian trao đổi Kết thể bảng sau: Bảng 5: Kết khảo sát ảnh hưởng pH đến hiệu suất trao đổi Fe3+: 20 mg/l Khóa luận tốt nghiệp khóa VIII 33 Nguyễn Thị Vượng Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt mangan nước phương pháp trao đổi ion” pH CFesau trao đổi pH cân 0.34 0.72 1.24 1.72 2.11 2.38 2.67 0.5 1.5 2.5 3.5 (mg/l) 15.30 6.98 2.11 1.60 1.28 1.02 1.02 Hiệu suất (%) 15.55 61.48 88.34 91.17 92.93 94.35 94.35 Sự tương quan pH với hiệu suất trao đổi sắt thể hình 100 HiÖu suÊt (%) 80 60 40 20 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 pH c©n b»ng Hình Ảnh hưởng pH cân đến hiệu suất trao đổi Fe3+: 20 mg/l Nhìn vào bảng 3.5 nhận thấy dải pH khảo sát từ 0,5 – 3,5 cho hiệu suất trao đổi khác Đồng thời pH tỉ lệ thuận với hiệu suất trao đổi Hiệu suất trao đổi nhỏ pH = 0,5 đạt 15,55 % tăng dần đến pH = đạt 94,35 % hiệu suất không tăng thêm bề mặt chất hấp phụ bão hoà Vậy hiệu suất trao đổi đạt cực đại pH = hay pH = giá trị pH tối ưu Khóa luận tốt nghiệp khóa VIII 34 Nguyễn Thị Vượng Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt mangan nước phương pháp trao đổi ion” 3.3.2 Khảo sát ảnh hưởng pH đến hiệu suất trao đổi mangan Giá trị pH có ảnh hưởng lớn tới hiệu suất trao đổi, khảo sát trình trao đổi mangan giá trị pH khác cho kết sau Bảng 6: Kết khảo sát ảnh hưởng pH đến hiệu suất trao đổi Mn2+: 20 mg/l CMn sau trao đổi pH pH sau trao đổi 0.25 0.64 1.16 1.35 1.76 2.15 2.64 0.5 1.5 2.5 3.5 (mg/l) 14.24 9.13 4.38 1.81 1.36 0.99 0.99 Hiệu suất (%) 18.81 47.94 75.00 89.69 92.27 94.33 94.33 Quan hệ với hiệu suất trao đổi pH mangan cho hình 100 90 HiÖu suÊt (%) 80 70 60 50 40 30 20 10 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 pH c©n b»ng Hình Ảnh hưởng pH cân đến hiệu suất trao đổi Mn Khóa luận tốt nghiệp khóa VIII 35 Nguyễn Thị Vượng Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt mangan nước phương pháp trao đổi ion” Từ kết cho thấy pH tỉ lệ thuận với hiệu suất trao đổi, pH = 0,5 hiệu suất trao đổi nhỏ đạt 18,81 %, pH tăng lên đến hiệu suất lớn đạt 94,33 % pH tăng thêm hiệu suất trao đổi không tăng thêm bề mặt chất hấp phụ bão hoà Giá trị pH = giá trị pH tối ưu cho hiệu suất trao đổi cao 3.4 Tái sinh nhựa dung dịch H2SO4 nồng độ khác 3.4.1 Tái sinh nhựa dung dịch H2SO4 nồng độ khác sắt Nhựa sau trao đổi với dung dịch sắt tái sinh trở lại dung dịch axit sunphurit nồng độ khác bảng kết sau: Bảng 7: Kết nhả hấp Fe H2SO4 nồng độ khác Nồng độ axit (%) CFe sau giải hấp (mg/l) 1.5 10 13 15 18 8.256 8.896 10.752 12.672 15.104 16.832 16.832 Khóa luận tốt nghiệp khóa VIII 36 Hiệu suất (%) 46 49 54 70 83.15 94.67 94.67 Nguyễn Thị Vượng Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt mangan nước phương pháp trao đổi ion” Mối tương quan khả tái sinh nhựa axit nồng độ khác khác với hiệu suất tái sinh thể hình 100 90 HiÖu suÊt (%) 80 70 60 50 40 10 12 14 16 18 20 Nång ®é axit sunphuarit Hình 7: Hiệu suất nhả hấp Fe dung dịch axit sunphuarit Khi tăng nồng độ axit lên hiệu suất tái sinh nhựa tăng theo Ở nồng độ axit 1,5 % hiệu suất tái sinh 46 %, tiếp tục tăng nồng độ hiệu suất tái sinh tăng dần (biểu độ dốc đồ thị) Đến nồng độ axit tăng từ 15 % đến 18 % hiệu suất tái sinh không tăng thêm 94,67 % Như nhựa tái sinh thêm hay bão hoà nồng độ axit 15 % 3.4.2 Tái sinh nhựa dung dịch H 2SO4 nồng độ khác mangan Quá trình trao đổi Mn kết thúc nhựa tái sinh dung dịch axit khác cho hiệu suất thể bảng Bảng 8: Kết nhả hấp Fe H2SO4 nồng độ khác Nồng độ axit (%) CMn sau giải hấp 1.5 (mg/l) 6.373 8.181 Khóa luận tốt nghiệp khóa VIII 37 Hiệu suất (%) 36 46.64 Nguyễn Thị Vượng Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt mangan nước phương pháp trao đổi ion” 10 13 15 18 9.402 12.114 14.871 16.543 16.543 54 67 85 94 94 Biểu diễn hiệu suất tái sinh với nồng độ axit khác cho 100 90 HiÖu suÊt (%) 80 70 60 50 40 30 10 12 14 16 18 20 Nång ®é axit sunphuarit (%) Hình 8: Hiệu suất nhả hấp Mn dung dịch axit sunphuarit Hiệu suất tái sinh nhựa tỉ lệ thuận với nồng độ axit Ở nồng độ axit 1,5 % hiệu suất tái sinh 36 %, tiếp tục tăng nồng độ hiệu suất tái sinh tăng dần (biểu độ dốc đồ thị) Đến nồng độ axit tăng đến 15 % hiệu suất tái sinh 94 %, tăng thêm % axit hiệu suất không đổi 94 % Như nhựa tái sinh thêm hay bão hoà nồng độ axit 15 % 3.5 Khảo sát khả xử lý nhựa tái sinh lần 3.5.1 Khảo sát khả xử lý sắt với nhựa tái sinh lần Sau nhựa tái sinh sử dụng trở lại điều kiện tối ưu khảo sát như: nồng độ Fe 3+ 20 mg/l, pH = 3, thời gian trao Khóa luận tốt nghiệp khóa VIII 38 Nguyễn Thị Vượng Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt mangan nước phương pháp trao đổi ion” đổi 3,5 h, khối lượng nhựa tái sinh lần 0,2 g, thu kết thể bảng sau: Bảng Kết khảo sát hiệu suất trao đổi sắt với nhựa chưa tái sinh nhựa tái sinh lần CFe sau trao đổi (mg/l) Chưa tái sinh Đã tái sinh 0.64 1.54 Hiệu suất (%) Chưa tái sinh Đã tái sinh 96.47 91.52 Sau nhựa trao đổi tái sinh trở lại Sau nhựa sử dụng trở lại hiệu suất trao đổi đạt cao: 91,52 % So sánh hai bảng kết cho thấy khả hấp phụ vật liệu tốt 95 % so với nhựa chưa tái sinh, không khác nhiều so với lần đầu sau giải hấp Như nhựa cation dùng trở lại nhiều lần 3.5.2 Khảo sát khả xử lý mangan với nhựa tái sinh lần Tương tự Fe , nhựa tái sinh song trao đổi lại điều kiện tối ưu khảo sát như: nồng độ Mn 2+ 20 mg/l, pH = 3, thời gian trao đổi 3,5 h, khối lượng nhựa tái sinh lần 0,2 g, có bảng kết đây: Bảng 10 Kết khảo sát hiệu suất trao đổi mangan với nhựa chưa tái sinh nhựa tái sinh lần CFe sau trao đổi (mg/l) Chưa tái sinh Đã tái sinh 0.54 1.58 Hiệu suất (%) Chưa tái sinh Đã tái sinh 96.91 90.98 Nhựa trao đổi tái sinh trở lại lần Sau nhựa sử dụng trở lại cho hiệu suất trao đổi đạt cao: 90.98 % Không khác nhiều so với nhựa chưa tái sinh Bảng kết so sánh trao đổi vật liệu tái sinh lần 94 % so với nhựa chưa tái sinh khả hấp phụ vật liệu tốt Khóa luận tốt nghiệp khóa VIII 39 Nguyễn Thị Vượng Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt mangan nước phương pháp trao đổi ion” 94 % so với nhựa chưa tái sinh Vậy nhựa cation dùng trở lại nhiều lần CHƯƠNG IV KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1 Kết luận Qua trình thực đề tài “Nghiên cứu xử lý sắt mangan nước phương pháp trao đổi ion” thu kết sau: Cùng khối lượng nhựa, pH, thời gian trao đổi, nồng độ kim loại cao cho hiệu suất trao đổi thấp Tại nồng độ sắt mangan 20 mg/l cho hiệu suất tối ưu Cùng nồng độ, khối lượng nhựa, pH, thời gian trao đổi lớn hiệu suất trao đổi lớn Thời gian trao đổi tối ưu khảo sát sắt mangan 3,5 h Cùng nồng độ, khối lượng nhựa, thời gian trao đổi, pH tăng dải từ 0,5 đến 3,5 hiệu suất trao đổi tăng Giá trị pH tối ưu khảo sát sắt magan Tái sinh nhựa cation dung dịch axit sunphuarit nồng độ khác cho hiệu suất trao đổi khác nhau, tăng theo nồng độ axit Nồng độ axit 18 % nồng độ tái sinh nhựa đạt hiệu suất cao nhất, sắt 94,67 %, mangan 94 % Khảo sát khả xử lý nhựa tái sinh lần Hiệu suất trao đổi cao không khác nhiều so với nhựa chưa tái sinh sắt hiệu suất trao đổi 95 %, mangan hiệu suất đạt 94 % so với nhựa chưa tái sinh 4.2 Kiến nghị Khóa luận tốt nghiệp khóa VIII 40 Nguyễn Thị Vượng Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt mangan nước phương pháp trao đổi ion” Với kết nghiên cứu chứng tỏ phương pháp trao đổi ion dùng để tách kim loại nước cho hiệu cao phương pháp cần áp dụng, sử dụng rộng rãi thực tế Phương pháp không dùng để tách sắt mangan mà cần phát triển hướng nghiên cứu với nhiều kim loại khác Do hạn chế mặt thời gian, nghiên cứu phương pháp chưa rộng, số lần tái sinh nhựa Nên có nhiều hạn chế Vì phương pháp cần nghiên cứu sâu rộng Khóa luận tốt nghiệp khóa VIII 41 Nguyễn Thị Vượng Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt mangan nước phương pháp trao đổi ion” Khóa luận tốt nghiệp khóa VIII 42 Nguyễn Thị Vượng [...]... NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Mục đích nghiên cứu Đề tài xử lý kim loại Fe và Mn trong nước bằng phương pháp trao đổi ion với mục đích nghiên cứu 1 Nghiên cứu khả năng xử lý kim loại Fe và Mn bằng phương pháp trao đổi ion 2 Từ thực nghiệm tìm ra các điều kiện tối ưu của quá trình như: khối lượng nhựa, nồng độ tối ưu của chất trao đổi, thời gian trao đổi của quá trình xử lý kim loại Fe và Mn để...Đề tài: Nghiên cứu xử lý sắt và mangan trong nước bằng phương pháp trao đổi ion Trong quá trình trao đổi ion xảy ra sự trao đổi ở bề mặt nhựa trao đổi Quá trình trao đổi ion tuân theo định luật cân bằng tỉ lượng: mỗi ion dời bề mặt phải được thay thế bởi một ion khác Lượng ion chuyển đến bề mặt và tách khỏi bề mặt bằng nhau Gần bề mặt nhựa trao đổi, sự vận chuyển xẩy ra thông... tài: Nghiên cứu xử lý sắt và mangan trong nước bằng phương pháp trao đổi ion 1.4.4 Tính năng chất trao đổi ion [4] - Tính vật lý: Hình dạng bên ngoài nhựa trao đổi ion là một loại vật chất trong suốt Mỗi loại nhựa có thành phần khác nhau Nhựa trao đổi ion sử dụng trong thực tế thường ở dạng viên tròn - Cỡ hạt: Cỡ hạt của nhựa ảnh hưởng tương đối lớn đối với quá trình xử lý nước Hạt lớn tốc độ trao đổi. .. quan trọng của chất trao đổi ion để có thể sử dụng nó lặp đi lặp lại nhiều lần - Tính chọn lọc của chất trao đổi ion: Nhựa trao đổi ion có ái lực khác nhau với loại ion khác nhau trong nước Các ion có điện tích lớn có khả năng trao đổi tốt hơn Hiện tượng này là tính chọn lọc của nhựa trao đổi ion - Dung lượng trao đổi ion: Biểu thị lượng ion có thể trao đổi trong một loại chất trao đổi ion Đó là một chỉ... của chất trao đổi ion Có hai phương pháp biểu thị dung lượng trao đổi: Biểu thị theo khối lượng mđlg/ l và biểu thị theo thể tích mđlg/m3 Dung lượng trao đổi thường dùng có các loại sau: + Tổng dung lượng trao đổi E: Sau khi đem toàn bộ gốc hoạt tính trong chất trao đổi sinh thành ion có thể trao đổi Dung lượng trao đổi này chủ yếu dùng để nghiên cứu chất trao đổi ion + Dung lượng trao đổi cân bằng B:... độ quá trình trao đổi được quyết định bởi quá trình chậm nhất trong các giai đọan trên Đó là quá trình khuếch tán trong màng chất lỏng hay khuếch tán trong hạt trao đổi, còn quá trình phản ứng hóa học trao đổi ion xảy ra rất nhanh 1.4.3 Vật liệu trao đổi ion [4] Khóa luận tốt nghiệp khóa VIII 11 Nguyễn Thị Vượng Đề tài: Nghiên cứu xử lý sắt và mangan trong nước bằng phương pháp trao đổi ion Các loại... Đề tài: Nghiên cứu xử lý sắt và mangan trong nước bằng phương pháp trao đổi ion - Tính năng hóa học + Tính thuận nghịch của phản ứng trao đổi ion: Phản ứng trao đổi ion có tính thuận nghịch 2RH + Ca2+ CaR2 + 2H+ (1.18) Sau khi phản ứng thuận nghịch đạt cân bằng muốn khôi phục lại năng lực trao đổi ion có thể lợi dụng tính thuận nghịch của phản ứng (1.18) để khôi phục lại tính năng trao đổi Đây là... trao đổi của Fe và Mn - Khảo sát khả năng tái sinh nhựa bằng dung dịch acid H2SO4 - Khảo sát khả năng xử lý của nhựa tái sinh lần một 2.4 Phương pháp nghiên cứu 2.4.1 Phương pháp phân tích mẫu trong phòng thí nghiệm - Giá trị pH đo bằng máy đo pH Mettler, với độ chính sác 10-2 Khóa luận tốt nghiệp khóa VIII 20 Nguyễn Thị Vượng Đề tài: Nghiên cứu xử lý sắt và mangan trong nước bằng phương pháp trao đổi. .. tốt nghiệp khóa VIII 23 Nguyễn Thị Vượng Đề tài: Nghiên cứu xử lý sắt và mangan trong nước bằng phương pháp trao đổi ion Axit oxalic,dung dịch H2C2O4.2H2O 0,1N Kali thioxianat, dung dịch KSCN 20% Kali pemanganat, dung dịch KMnO4 0,1 M Axit HNO3 AgNO3 2.5.3 Vật liệu trao đổi cation được sử dụng Trong quá trình nghiên cứu đã dùng Nhựa trao đổi ion: cationit Dunolite C-206F S- DVIS; gel; KLRR: 1,19; HL... trao đổi ion - Hàm lượng sắt được phân tích trong nước bằng phương pháp trắc quang dùng thuốc thử thioxianat Cơ sở của phương pháp là ôxy hóa toàn bộ sắt có trong mẫu nước thành sắt (III) Trong môi trường axit tạo được với ion SCN phức chất mầu đỏ Một số cation như đồng, coban cản trở phản ứng này, song những ion này trong nước là rất ít - Hàm lượng mangan được phân tích trong nước bằng phương pháp trắc