Nghiên cứu sự hấp phụ kim loại cr (vi) của cây dương xỉ

 Có rất nhiều phương pháp xử lý kim loại nặng trong đó phương pháp xử lý bằng phương pháp hấp phụ bằng nguyên liệu chế tạo từ thực vật đang được các nhà khoa học quan tâm vì tính hiệu q

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU SỰ HẤP PHỤ KIM LOẠI Cr (VI) CỦA CÂY DƯƠNG XỈ

MÃ SÔ: SV2010-81

SVTH: BÙI THỊ NGỌC HÀ ĐÀO TUẤN VŨ TRẦN THỊ THIÊN THANH

Tp Hồ Chí Minh, 2010

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 4

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 5

NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG PHẢN BIỆN 6

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 7

1.1 Đặt vấn đề: 7

1.2 Sự cần thiết: 7

1.3 Mục đích của đề tài: 8

1.4 Phạm vi nghiên cứu: 8

1.5 Đối tượng nghiên cứu: 9

1.6 Phương pháp nghiên cứu: 9

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 10

2.1 Giới thiệu về cây dương xỉ: 10

2.1.1 Đặc điểm của cây dương xỉ: 10

2.1.2 Công dụng: 11

2.2 Giới thiệu về Crôm(VI): 11

2.2.1 Đặc tính của Crôm(VI): 11

2.2.2 Ứng dụng của Crôm(VI): 12

2.2.3 Độc tính của Crôm(VI): 13

2.2.4 Các nguồn phát sinh Crôm(VI): 14

2.3 Các phương pháp xử lý kim loại nặng: 15

2.3.1 Phương pháp trao đổi ion: 15

2.3.2 Phương pháp keo tụ tạo bông: 16

2.3.3 Phương pháp kết tủa hóa học: 17

2.3.4 Phương pháp hấp phụ: 18

2.3.5 Phương pháp lọc màng: 18

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGUYÊN LÝ DÙNG DƯƠNG XỈ ĐỂ XỬ LÝ KIM LOẠI NẶNG: 19

3.1 Lý thuyết hấp phụ: 19

3.2 Kĩ thuật hấp phụ trong điều kiện tĩnh 20

3.3.1 Phương trình phản ứng giả định bậc một 22

3.1.2 Phương trình giả định động học hấp phụ bậc 2: 22

3.4 Đẳng nhiệt hấp phụ 23

3.4.1 Phương trình đẳng nhiệt langmuir: 23

3.4.2 Phương trình đẳng nhiệt Freundlich: 25

CHƯƠNG 4: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 26

4.1 Hóa chất, dụng cụ, thiết bị: 26

4.1.1 Hóa chất: 26

4.1.2 Dụng cụ: 26

4.1.3 Thiết bị: 26

4.4 Tiến hành thí nghiệm: 27

4.4.1 Khảo sát thế Zeta: 27

4.4.2 Xây dựng đường chuẩn crom (VI): 28

4.4.3 Khảo sát ảnh hưởng của pH lên khả năng hấp phụ của dương xỉ đối với ion kim loại Crom: 28

4.4.4 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc lên khả năng hấp phụ của dương xỉ đối với ion kim loại Crôm với nồng độ Co=10mg/l: 29

4.4.5 Khảo sát lượng dương xỉ tối ưu cho quá trình hấp phụ của dương xỉ đối với ion kim loại Crom: 30

4.4.6 Khảo sát nồng độ Crom tối ưu cho khả năng hấp phụ của dương xỉ và thời gian tiếp xúc 40 phút đối với ion kim loại Crom: 30

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT 31

5.1 Khảo sát sự hấp phụ của dương xỉ đối với ion Cr6+ 31

5.1.1 Xây dựng đường chuẩn: 31

5.1.2 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến khả năng hấp phụ của dương xỉ đối với Cr6+ với nồng độ Co=10mg/l, pH = 1, liều dương xỉ = 0.2 g, to=29±0,2oC 32

Hình 5.3: Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến % hấp phụ Cr 6+ , 33

C O = 10mg/l, pH = 1, liều dương xỉ = 0.2 g, t o =29±0,2 o C 33

5.1.3 Khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ của dương xỉ đối với Cr6+ ,CO = 10mg/l, pH = 1, liều dương xỉ = 0.2 g, to=29±0,2oC 33

Hình 5.4: Đồ thị khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Cr 6+

nồng độ

10mg/l, liều dương xỉ = 0.2 g/l, t o =29±0,2 o C 33

5.1.4 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc lên khả năng hấp phụ của dương xỉ đối với Cr6+ với nồng độ Co=15mg/l, pH = 1, liều dương xỉ = 0.2 g, to=29±0,2oC 34

Hình 5.5: Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đối với Cr 6+ ,C o =15mg/l 34

pH = 1,liều dương xỉ = 0.2 g, t o =29±0,2 o C 34

5.1.5 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc lên khả năng hấp phụ của dương xỉ đối với Cr6+ với nồng độ Co=20mg/l, pH = 1, liều dương xỉ = 0.2 g, to=29±0,2oC 35

Hình 5.6: Đồ thị khảo sát thời gian tiếp xúc đối với Cr 6+ (C o =20mg/l), liều dương xỉ = 0.2 g/l, t o =29±0,2 o C 35

5.1.6 Khảo sát ảnh hưởng lượng dương xỉ đối với quá trình hấp phụ của dương xỉ đối với Cr6+ nồng độ CO = 10mg/l, pH = 1,to=29±0,2oC, thời gian lắc 40 phút.35 Hình 5.7: Đồ thị khảo sát lượng dương xỉ tối ưu đối với Cr 6+ , nồng độ 10mg/l, 36 pH = 1,t o =29±0,2 o C, thời gian lắc t= 40 phút 36

5.1.7 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ Crom đối với khả năng hấp phụ của dương xỉ và thời gian tiếp xúc 40 phút đối với ion kim loại Crom: 36

5.1.8 Động học hấp phụ bậc 1, bậc 2: 38

5.1.9 Tính toán cho phương trình đẳng nhiệt langmuir, frendlich 40

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 41

6.1 Kết luận: 41

6.2 Kiến nghị: 41

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên cho nhóm chúng em được gởi lời cảm ơn chân thành đến Ban quản lý Nghiên Cứu Khoa Học cùng Quý Thầy Cô Khoa Công Nghệ Hóa Học Thực Phẩm đã tạo điều kiện cho nhóm chúng em thực hiện đế tài nghiên cứu khoa học

Đặc biệt chúng em xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Văn Sức,thầy đã định hướng cho chúng em lựa chọn đế tài và đã tận tụy, nhiệt tình giúp đỡ chúng em

Xin cảm ơn cô Hồ Thị Yêu Ly, cô Lê Thị Bạch Huệ và các cô trong bộ môn công nghệ môi trường đã tận tình chỉ dẫn và đã tạo điều kiện cho chúng em thực hiện đề tài

Cảm ơn các bạn đã nhiệt tình giúp đỡ chúng tôi trong quá trình thực hiện nghiên cứu khoa học

Sau cùng chúng em xin kính chúc Thầy Cô luôn luôn dồi dào sức khỏe để tiếp tục dạy dỗ chúng em nên người

TP.HCM, ngày tháng năm 2011 Nhóm nghiên cứu

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

TP.HCM, ngày tháng năm

NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG PHẢN BIỆN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

TP.HCM, ngày tháng năm

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Đặt vấn đề:

 Hiện nay, sự bùng nổ dân số cùng với tốc độ đô thị hóa, công nghiệp hóa nhanh chóng đã tạo ra một sức ép lớn tới môi trường sống ở Việt nam, đặc biệt là sự thiếu hụt và ô nhiễm ngày càng nghiêm trọng của nguồn nước sinh hoạt Nhiều nơi, nguồn nước mặt thậm chí cả nước ngầm đã bị ô nhiễm nặng gây ảnh hưởng xấu tới chất lượng của nước và ảnh hưởng đến sức khỏe con người cùng với sự sinh tồn và phát triển của động – thực vật

 Một trong những vấn đề đang gây nhức nhối hiện nay là việc ô nhiễm kim loại nặng, đáng báo động là TP.Hồ Chí Minh (HCM), Đà Nẵng, Vinh, Hà Nội, Hải phòng v v là những nơi dẫn đầu về mức độ ô nhiễm

 Môi trường sống của người dân đang bị đe dọa bởi các chất thải công nghiệp, trong đó vấn đề bức xúc nhất phải kể đến nguồn nước Hầu hết các ao

hồ, sông ngòi đi qua các nhà máy, xí nghiệp (sản xuất công nghiệp) ở Việt Nam đều bị ô nhiễm đặc biệt là các ao hồ trong các đô thị lớn như Hà Nội và

TP HCM Một trong những nguyên nhân làm ô nhiễm nghiêm trọng nguồn nước ở Việt Nam là nước thải công nghiệp có chứa kim loại nặng như: chì, cadmi, thủy ngân, kẽm, đồng, crôm, nikel ảnh hưởng của các kim loại này gây ra rất lớn (ngay cả khi chúng ở nồng độ rất thấp) do độc tính cao và khả năng tích lũy lâu dài trong cơ thể sống

 Có rất nhiều phương pháp xử lý kim loại nặng trong đó phương pháp xử

lý bằng phương pháp hấp phụ bằng nguyên liệu chế tạo từ thực vật đang được các nhà khoa học quan tâm vì tính hiệu quả cao, chi phí thấp, thân thiện với môi trường Một trong số đó là sử dụng cây dương xỉ

1.2 Sự cần thiết:

 Kim loại nặng (KLN) có vai trò rất to lớn trong quá trình phát triển của loài người, đặc biệt trong các ngành công nghiệp Tuy nhiên nước thải có chứa kim loại nặng ở trạng thái ion thì lại rất độc hại với con người, thực vật, động vật nếu nó xâm nhập vào Nếu tích lũy với nồng độ cao, KLN có thể gây ung thư cho con người, động vật, còn thực vật không phát triển được…

 Hiện nay có nhiều công trình nghiên cứu nhằm tìm ra phương pháp tối

ưu nhất để loại bỏ ion kim loại nặng ra khỏi môi trường bị ô nhiễm Xuất phát

từ những vấn đề trên, nhóm chúng em tiến hành thực hiện đề tài “Nghiên cứu

sự hấp phụ kim loại Crôm(VI) (Cr(VI)) bằng cây dương xỉ” nhằm tìm thêm một phương pháp mới có thể loại bỏ kim loại nặng ra khỏi môi trường bị ô nhiễm kim loại nặng Trong phạm vi của đề tài, nhóm chúng em chỉ nghiên cứu việc loại bỏ KLN ra khỏi môi trường nước

 Cây dương xỉ là nguyên liệu rẻ tiền, dễ tìm Nếu nghiên cứu thành công khả năng hấp phụ của cây dương xỉ đối với ion kim loại nặng thì sẽ mang lại hiệu quả kinh tế rất lớn, tận dụng được cây dương xỉ ở những vùng ẩm ướt, ít nắng và có sẵn trong thiên nhiên Đây là một nét mới của đề tài, những đề tài tương tự chưa được nghiên cứu nhiều ở nước ta

1.5 Đối tượng nghiên cứu:

 Nguyên liệu sử dụng để nghiên cứu là cây dương xỉ

 Ion kim loại nặng là Cr(VI)

1.6 Phương pháp nghiên cứu:

 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết, trên cơ sở các nguồn tài liệu: sách, báo, internet, truyền hình, tạp chí, báo cáo khoa học… ta tiến hành chọn lọc, phân tích và tổng hợp các nội dung liên quan đến việc xử lý kim loại nặng bằng phương pháp hấp phụ, đặc biệt là kim loại Crôm để có hướng nghiên cứu cho phù hợp

 Phương pháp thực nghiệm: Đây là một phương pháp có tính quyết định đến kết quả đề tài Các thí nghiệm cần tiến hành một cách khoa học, theo một logic nhất định nhằm đem lại kết quả khách quan và giảm thiếu sai số

 Phương pháp toán học: Xử lý các số liệu thực nghiệm, tính toán các thông số cho quá trình hấp phụ

 Phương pháp đồ thị: Từ các số liệu đã xử lý ta sử dụng đồ thị để diễn đạt, phương pháp này đem lại cái nhìn trực quan toàn diện hơn, dễ dàng phân tích các kết quả đạt được, giúp người đọc dễ hiểu hơn

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 Giới thiệu về cây dương xỉ:

2.1.1 Đặc điểm của cây dương xỉ:

 Lớp Dương xỉ tòa sen hay lớp Tòa sen (danh pháp khoa

học: Marattiopsida) là một nhóm dương xỉ chỉ chứa một bộ với danh

pháp Marattiales và một họ có danh pháp Marattiaceae Lớp Marattiopsida đã

rẽ nhánh ra khỏi các nhóm dương xỉ khác từ rất sớm trong lịch sử tiến hóa của mình và hoàn toàn khác biệt với nhiều loại thực vật quen thuộc đối với những người ở khu vực ôn đới

 Họ Marattiaceae là một trong số hai họ dương xỉ túi bào tử thật, nghĩa là túi bào tử được hình thành từ một nhóm tế bào chứ không phải túi bào

tử giả (trong đó túi bào tử sinh ra từ một tế bào ban đầu) Hiện nay, người ta công nhận 4 chi còn sinh tồn là: Angiopteris, Christensenia, Danaea và Marattia

 Chi phổ biến nhất trong họ Marattiaceae là Marattia, có mặt

trong khắp khu vực nhiệt đới, thông thường ở các cao độ lớn Đây cũng là các loài dương xỉ lớn với các thân rễ hình cầu, nhưng các lá lược có thể là dạng lông chim kép tới 4 lần Các túi bào tử hợp nhất thành các cấu trúc hai mảnh vỏ gọi là cụm túi bào tử

2.1.2 Công dụng:

 Cây dương xỉ còn gọi là cây răng dê, theo hội dược liệu Việt Nam thì dân gian thường dùng lá tươi giã đắp cầm máu, làm lành vết thương, chữa sưng tấy

 Cây dương xỉ có tác dụng khử mùi, khi để chậu dương xỉ trong nhà bếp sẽ có tác dụng khử mùi dầu mỡ, giảm khói

2.2 Giới thiệu về Crôm(VI):

2.2.1 Đặc tính của Crôm(VI):

 Crom hay crôm (tiếng La tinh: Chromium, ký hiệu Cr) là nguyên

tố hóa học nhóm 6 trong bảng tuần hoàn Mendeleev,có số nguyên tử là 24, khối lượng nguyên tử bằng 52 đvC Khối lượng riêng 7.150 kg/m³, nhiệt độ nóng chảy 21800K, nhiệt độ sôi 29940K Crom là một kim loại cứng, mặt bóng, màu xám thép với độ bóng cao Nó là chất không mùi, không vị, không tan trong nước và dễ gia công

 Các trạng thái ôxi hóa phổ biến của crom là +2, +3 và +6, với +3

là ổn định nhất Các trạng thái +1, +4 và +5 là khá hiếm Các hợp chất của crom với trạng thái ôxi hóa +6 là những chất có tính ôxi hóa mạnh

 Tính chất hóa học của Crôm:

1 Tác dụng với phi kim tạo ra oxit của Crôm, ở nhiệt độ thường trong không khí, kim loại crôm tạo ra màng mỏng crôm (III) oxit có cấu tạo mịn, bền vững bảo vệ lớp bên dưới Ở nhiệt độ cao khử được nhiều phi kim

2 Crôm không tác dụng với nước do có màng oxit bảo vệ

3 Tác dụng với dung dịch axit HCl, H2SO4 loãng, nóng, màng axit bị phá huỷ Cr khử được H+ trong dung dịch axit Đối với axit H2SO4

đặc, nguội, nó làm Crôm bị thụ động hóa (tạo thành màng oxit bao quanh kim loại) nên chúng ko thể tác dụng được với nhau

2.2.2 Ứng dụng của Crôm(VI):

1 Trong ngành luyện kim, Crôm dùng để tăng cường khả năng chống ăn mòn và đánh bóng bề mặt

- Như là một thành phần của hợp kim, chẳng hạn dùng Cr trong thép không gỉ để làm dao, kéo

- Trong mạ Crôm

- Trong quá trình anot hóa (dương cực hóa) nhôm, theo nghĩa đen là chuyển bề mặt nhôm thành ruby

2 Làm thuốc nhuộm và sơn:

- Ôxít crôm (III) (Cr2O3) là chất đánh bóng kim loại với tên gọi phấn lục

- Các muối Crôm nhuộm màu cho thủy tinh thành màu xanh lục của ngọc lục bảo

- Crôm là thành phần tạo ra màu đỏ của hồng ngọc, vì thế

nó được sử dụng trong sản xuất hồng ngọc tổng hợp

- Tạo ra màu vàng rực rỡ của thuốc nhuộm và sơn

3 Crôm còn là một chất xúc tác

4 Cromit được sử dụng làm khuôn để nung gạch, ngói

5 Các muối crom được sử dụng trong quá trình thuộc da

6 Dicromat kali (K2Cr2O7)là một thuốc thử hóa học, được sử dụng trong quá trình làm vệ sinh các thiết bị bằng thủy tinh trong phòng thí nghiệm

cũng như trong vai trò của một tác nhân chuẩn độ Nó cũng được sử dụng làm thuốc cẩn màu (ổn định màu) cho các thuốc nhuộm vải

7 Ôxít crôm (IV) (CrO2) được sử dụng trong sản xuất băng từ, trong đó độ kháng từ cao hơn so với các băng bằng ôxít sắt tạo ra hiệu suất tốt hơn

8 Trong thiết bị khoan giếng như là chất chống ăn mòn

9 Trong y học, như là chất phụ trợ ăn kiêng để giảm cân, thông thường dưới dạng clorua crom (III) hay picolinat crom (III) (CrCl3)

10 Hexacacbonyl crom (Cr(CO)6) được sử dụng làm phụ gia cho xăng

11 Borua crom (CrB) được sử dụng làm dây dẫn điện chịu nhiệt độ cao

12 Sulfat crom (III) (Cr2(SO4)3) được sử dụng như là chất nhuộm màu xanh lục trong các loại sơn, đồ gốm sứ, vécni và mực cũng như trong quy trình mạ crôm

2.2.3 Độc tính của Crôm(VI):

 Crom kim loại và các hợp chất crom (III) thông thường không được coi là nguy hiểm cho sức khỏe, nhưng các hợp chất crom hóa trị sáu (crom VI) lại là độc hại nếu nuốt (hít) phải

 Cr(VI) hấp thụ qua dạ dày, ruột nhiều hơn Cr(III) (mức độ hấp thụ qua đường ruột tuỳ thuộc vào dạng hợp chất mà nó sẽ hấp thu) và còn có thể thấm qua màng tế bào Nếu Crom (III) chỉ hấp thu 1% thì lượng hấp thu của Cr(VI) lên tới 50% Liều tử vong của các hợp chất crom (VI) là khoảng nửa thìa trà vật liệu đó

 Crom xâm nhập vào cơ thể theo ba con đường: hô hấp, tiêu hoá

và tiếp xúc trực tiếp với da

Con đường xâm nhập, đào thải Crom ở cơ thể người chủ yếu qua con đường thức ăn Cr(VI) đi vào cơ thể gây biến chứng, tác động lên tế bào, lên

mô tạo ra sự phát triển tế bào không nhân, gây ung thư

 Với hàm lượng cao Crom làm kết tủa các prôtêin, các axit nuclêic

và ức chế hệ thống men cơ bản Dù xâm nhập vào cơ thể theo bất kỳ con đường nào Crom cũng được hoà tan vào trong máu ở nồng độ 0,001mg/l; sau đó chúng chuyển vào hồng cầu và hoà tan nhanh trong hồng cầu (nhanh 10 ÷ 20 lần), từ hồng cầu Crom chuyển vào các tổ chức phủ tạng , được giữ lại ở phổi, xương, thận, gan, phần còn lại chuyển qua nước tiểu Từ các cơ quan phủ tạng Crom hoà tan dần vào máu, rồi đào thải qua nước tiểu từ vài tháng đến vài năm

 Các hợp chất crom (VI) gây kích thích mắt, da và màng nhầy Phơi nhiễm kinh niên trước các hợp chất crom (VI) có thể gây ra tổn thương mắt vĩnh viễn nếu không được xử lý đúng cách

 Tổ chức y tế thế giới (WHO) khuyến cáo hàm lượng cho phép tối đa của crom (VI) trong nước uống là 0,05 miligam trên một lít

2.2.4 Các nguồn phát sinh Crôm(VI):

 Nguồn tự nhiên:

- Crom là nguyên tố phổ biến thứ 21 trong vỏ Trái Đất với nồng độ trung bình 100 ppm Các hợp chất crom được tìm thấy trong môi trường do bào mòn các đá chứa crom và có thể được cung cấp từ nguồn núi lửa

- Nồng độ trong đất nằm trong khoảng 1 đến 3000 mg/kg, trong nước biển từ 5 đến 800 µg/lít, và trong sông và hồ từ 26 µg/lít đến 5,2 mg/lít

- Crom được khai thác dưới dạng quặng cromit (FeCr2O4)

và các trầm tích crom tự nhiên (crom nguyên chất), tuy là khá hiếm, nhưng một vài mỏ crom kim loại tự nhiên đã được phát hiện và khai thác

 Nguồn nhân tạo:

Có đặc điểm là một kim loại cứng, mặt bóng, màu xám thép với độ bóng cao, không mùi, không vị, không tan trong nước và dễ gia công nên crom được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp

- Các hợp chất của crom đã từng được sử dụng trong thuốc nhuộm và sơn cũng như trong thuộc da, nên các hợp chất này thông thường hay được tìm thấy trong đất và nước ngầm tại các khu vực công nghiệp đã bị bỏ hoang Các loại sơn lót chứa crom VI vẫn còn được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng sửa chữa lại tàu vũ trụ và ô tô

- Công nghiệp xi mạ thường sử dụng crom (VI) để mạ lên

bề mặt kim loại hay còn gọi là gia công kim loại

- Công nghiệp thuộc da thường sử dụng Crom (III), một dạng crom được chế tạo từ crom (VI) qua phản ứng một chiều Tuy nhiên, trong quá trình chế tạo luôn có một lượng crom VI sẽ còn tồn dư lại

2.3 Các phương pháp xử lý kim loại nặng:

2.3.1 Phương pháp trao đổi ion:

Là quá trình trao đổi ion dựa trên sự tương tác hoá học giữa ion trong pha lỏng và ion trong pha rắn Trao đổi ion là một quá trình gồm các phản ứng hoá học đổi chỗ (phản ứng thế ) giữa các ion trong pha lỏng và các ion trong pha rắn (là nhựa trao đổi) Sự ưu tiên hấp thu của nhựa trao đổi dành cho các ion trong pha lỏng nhờ đó các ion trong pha lỏng dễ dàng thế chổ các ion có trên khung mang của nhựa trao đổi Quá trình này phụ thuộc vào từng loại nhựa trao đổi và các loại ion khác nhau

Có hai phương pháp sử dụng trao đổi ion là trao đổi ion với lớp nhựa chuyển động , vận hành và tái sinh liên tục; và trao đổi ion với lớp nhựa trao đổi đứng yên,vận hành và tái sinh gián đoạn Trong đó trao đổi ion với lớp nhựa tĩnh là phổ biến

Nhựa trao đổi ion còn gọi là ionit ,các ionit có khả năng hấp thu các ion dương gọi là cationit, ngược lại các ionit có khả năng hấp thu các ion

âm gọi là anionit Còn các ionit vừa có khả năng hấp thu cation ,vừa có khả năng hấp thu anion thì được gọi là ionit lưỡng tính

Quá trình trao đổi ion được tiến hành trong các cột cationit và anionit Đây là phương pháp có hiệu suất cao, có thể thu hồi các sản phẩm có giá trị kinh tế

Ví dụ như quá trình trao đổi ion Ni2+ : 2(R-SO3H) + Ni- = (R-SO3)2Ni + H+Trong đó R- là gốc hữu cơ của nhựa trao đổi ion, SO3 là gốc nhóm cố định của nhóm ion hoạt động –SO3H+

Khả năng trao đổi sẽ giảm khi hoặc cạn kiệt khi toàn bộ các nhóm hoạt tính của nhựa trao đổi ion bị thay thế bằng các ion kim loại

Để khôi phục khả năng trao đổi ion ngừơi ta có thể rửa vật liệu bằng các dung dịch có nồng độ cao của ion trao đổi của ion H+, hay Na+ … tùy theo lớp lọc là H-cationit hay Na-cationit…

Ưu điểm: Thu hồi có chọn lọc KLN, Thể tích chất thải ít, thể tích chất tái sinh ít, thiết bị gọn nhẹ

Nhược điểm: Chi phí đầu tư cao, vận hành phức tạp

2.3.2 Phương pháp keo tụ tạo bông:

Cơ chế của quá trình này là việc thêm vào nước thải các hóa chất

để làm kết tủa các chất hòa tan trong nước thải hoặc chất rắn lơ lửng sau đó loại bỏ chúng thông qua quá trình lắng cặn

Hai quá trình hóa học này kết tụ các chất rắn lơ lửng và các hạt keo để tạo nên những hạt có kích thước lớn hơn Nước thải có chứa các hạt keo

có mang điện tích (thường là điện tích âm) Chính điện tích của nó ngăn cản không cho nó va chạm và kết hợp lại với nhau làm cho dung dịch được giữ ở trạng thái ổn định Việc cho thêm vào nước thải một số hóa chất (phèn, ferrous chloride ) làm cho dung dịch mất tính ổn định và gia tăng sự kết hợp giữa các hạt để tạo thành những bông cặn đủ lớn để có thể loại bỏ bằng quá trình lọc hay lắng cặn

Các chất keo tụ thường được sử dụng là muối sắt hay nhôm có hóa trị 3 Các chất tạo bông cặn thường được sử dụng là các chất hữu cơ cao phân tử như polyacrilamid Việc kết hợp sử dụng các chất hữu cơ cao phân tử

với các muối vô cơ cải thiện đáng kể khả năng tạo bông cặn Thông thường, người ta xài thí nghiệm jatest để xác định lựong phèn tối ưu tại

pH tối ưu

Trước đây người ta thường dùng quá trình này để khử bớt chất rắn lơ lửng, sau đó là BOD của nước thải khi có sự biến động lớn về SS, BOD của nước thải cần xử lý theo mùa vụ sản xuất; khi nước thải cần phải đạt đến một giá trị BOD, SS nào đó trước khi cho vào quá trình xử lý sinh học và trợ giúp cho các quá trình lắng trong các bể lắng sơ và thứ cấp Hiệu suất lắng phụ thuộc vào lượng hóa chất sử dụng và yêu cầu quản lý Thông thường nếu tính toán tốt quá trình này có thể loại được 80 - 90% TSS, 40 - 70% BOD5, 30 – 60% COD và 80 - 90% vi khuẩn trong khi các quá trình lắng cơ học thông thường chỉ loại được 50 - 70% TSS, 30 - 40% chất hữu cơ

2.3.3 Phương pháp kết tủa hóa học:

Dựa trên phản ứng hóa học giữa chất đưa vào nước thải với kim loại cần tách, ở độ pH thích hợp sẽ tạo thành hợp chất kết tủa và được tách ra khỏi nước thải bằng phương pháp lắng Cr (VI) được khử đến Cr (III) trong môi trường acid và tạo thành Cr(OH)3 kết tủa trong môi trường kiềm

Các chất khử Cr6+ thường là khí sunfurơ SO2, khói có chứa SO2, natri bisunfit NaHSO3, natri sunfit Na2SO3, polisunfit, natri sunfua Na2S, các muối sắt Fe2+ Các phản ứng khử Cr6+ thành Cr3+ diễn ra như sau:

Với natri sunfua:

Cr2O7 2-

+ 3S2- + 14H+ → 2Cr3+ + 3S + 7H2O

Với natri bisunfua:

Cr2O7 2-

để, cần thiết phải acid hóa nước thải tới pH = 2÷4 Khi pH<10, các phản ứng khử Cr6+ chỉ diễn ra trong 10 phút Vì vậy trong công nghệ xử lý nước thải mạ,

người ta thường hợp nhất hai dòng acid và dòng crom Nếu không đảm bảo được pH yêu cầu thì phải châm thêm acid vào Trong thực tế, để đạt được hiệu quả khử Cr6+ thành Cr3+, lượng hóa chất tiêu hao thường gấp 1,25 lần nếu dùng natri sunfit hoặc sắt sunfat và gấp 1,75 lần nếu dùng natri bisunfit Lượng acid cho vào hệ thống phản ứng để đảm bảo pH = 2÷4 phụ thuộc vào loại acid và

pH của nước thải trước xử lý

2.3.4 Phương pháp hấp phụ:

Phương pháp hấp phụ được xem là phương pháp ưu việt nhất Sử dụng phương pháp này có thể xử lý triệt để, loại bỏ hầu hết các chất vô cơ và hữu cơ, màu sắc, mùi vị, không để lại ô nhiễm phụ sau xử lý, thu gom và kiểm soát được hoàn toàn chất thải Tuy nhiên, điều này cũng còn phụ thuộc vào khả năng chất hấp phụ sử dụng và kinh phí cho phép

Chất hấp phụ thường được sử dụng là than hoạt tính Chất hấp phụ vô cơ như đất sét, silicagel, keo nhôm và các hydroxit kim loại tuy có khả năng hấp phụ nhưng ít được sử dụng vì năng lượng tương tác tương đối lớn Than hoạt tính có khả năng hấp phụ cả chất hữu cơ và vô cơ, các chất phân cực

và không phân cực Việc lựa chọn than hoạt tính cần lưu ý đến các yếu tố như

bề mặt riêng, cấu trúc lỗ rỗng; tương tác yếu với phân tử nước và mạnh với phân tử chất bẩn, có tính chọn lọc cao; có lượng chất hấp phụ lớn trong thời gian ngắn; tái sinh được Than hoạt tính phải có giá thành thấp, không giảm khả năng hấp phụ sau khi tái sinh và số chu kỳ làm việc lớn

2.3.5 Phương pháp lọc màng:

Kỹ thuật lọc màng được sử dụng nhằm thu hồi tái sử dụng trực tiếp kim loại nặng trong dòng thải của quá trình sản xuất

Ưu điểm: Chiếm diện tích nhỏ, có thể tái sinh

Nhược điểm: Chi phí vận hành và đầu tư rất cao, yêu cầu công nhân vận hành phải có chuyên môn sâu

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGUYÊN LÝ DÙNG DƯƠNG XỈ

ĐỂ XỬ LÝ KIM LOẠI NẶNG:

3.1 Lý thuyết hấp phụ:

Bên trong một vật rắn thường bao gồm các nguyên tử (ion hay phân tử), giữa chúng có các liên kết cân bằng để tạo ra các mạng liên kết cứng (chất vô định hình) hoặc các mạng tinh thể có quy luật (chất tinh thể) Trong khi đó, các nguyên tử nằm ở bề mặt ngoài không được cân bằng liên kết, do đó khi tiếp xúc với một chất khí, vật rắn luôn có khuynh hướng thu hút các phân tử khí lên

bề mặt của nó để cân bằng liên kết kết quả là nồng độ của chất khí ở trên pha

bề mặt lớn hơn trong pha thể tích Người ta gọi đó là hiện tượng hấp phụ Vậy, hấp phụ là sự tăng nồng độ của khí (hơi) trên bề mặt phân cách pha (rắn - khí)

Sự hấp phụ là quá trình tập trung chất lên bề mặt phân chia pha và gọi là

sự hấp phụ bề mặt

Có 2 quá trình hấp phụ: hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học

Hấp phụ vật lí là quá trình hấp phụ gây ra bởi lực hấp phụ có bản chất

vật lí và không hình thành liên kết hóa học, được thể hiện bởi các lực liên kết yếu như liên kết Vander Waals, lực tương tác tĩnh điện hoặc lực phân tán London Hấp phụ vật lý xảy ra ở nhiệt độ thấp, nhiệt hấp phụ thường nhỏ hơn

so với hấp phụ hóa học, khoảng dưới 20 kJ/mol Sự hấp phụ vật lí đặc trưng nhất là hấp phụ hơi nước trên bề mặt silicagen

Hấp phụ hóa học là quá trình hấp phụ gây ra bởi lực có bản chất hoá

ọc Hấp phụ hóa học thường xảy ra ở nhiệt độ cao với tốc độ hấp phụ chậm Nhiệt hấp phụ hóa học khoảng 80-400 kJ/mol, tương đương với lực liên kết hoá học Hấp phụ hóa học thường kèm theo sự hoạt hoá phân tử bị hấp phụ nên còn được gọi là hấp phụ hoạt hoá Hấp phụ hóa học là giai đoạn đầu của phản ứng xúc tác dị thể Hấp phụ hóa học về bản chất khác với hấp phụ vật lý

Giữa hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học thật ra khó phân biệt, có khi nó tiến hành song song, có khi chỉ có giai đoạn hấp phụ vật lý tuỳ thuộc tính chất của bề mặt của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, tuỳ thuộc vào điều kiện quá trình (nhiệt độ, áp suất )

Trong quá trình hấp phụ có toả ra một nhiệt lượng, gọi là nhiệt hấp phụ

Bề mặt càng lớn tức độ xốp của chất hấp phụ càng cao thì nhiệt hấp phụ toả ra càng lớn

Các kiểu lực hấp phụ:

- Lực Vander Waals: là các lực tương tác lưỡng cực - lưỡng cực giữa các phân tử (hoặc các nhóm phân tử) sự hấp phụ do các lực tương tác Vander Waals được gọi là hấp phụ vật lý

- Lực liên kết hóa học: các phân tử (nguyên tử) của các chất khí tác dụng với các “hóa trị tự do” của các tiểu phân bề mặt vật rắn để hình thành các liên kết có bản chất hóa học sự hấp phụ xảy ra do lực liên kết hóa học được gọi

là hấp phụ hóa học

3.2 Kĩ thuật hấp phụ trong điều kiện tĩnh

- Hấp phụ trong điều kiện tĩnh là không có sự dịch chuyển tương đối của phân tử chất lỏng (nước) so với phân tử chất hấp phụ mà chúng cùng chuyển động với nhau Biện pháp thực hiện là cho chất hấp phụ vào nước và khuấy trộn trong một thời gian đủ để đạt được trạng thái cân bằng (nồng độ cân bằng) Tiếp theo cho lắng hoặc lọc để giữa chất hấp phụ lại và tách nước ra

- Với những điều kiện như nhau, tốc độ của các quá trình thuận nghịch tương ứng với tỷ lệ với nồng độ chất bẩn trong dung dịch và trên bề mặt chất hấp phụ Khi nồng độ chất bẩn trong dung dịch ở giá trị cao nhất thì tốc độ hấp phụ cũng lớn nhất Khi nồng độ chất bẩn trên bề mặt chất hấp phụ tăng thì

số phân tử (đã bị hấp phụ) sẽ di chuyển trở lại dung dịch cũng càng nhiều hơn

- Trong một đơn vị thời gian, số phân tử bị hấp phụ từ dung dịch trên bề mặt chất hấp phụ bằng số phân tử di chuyển ngược lại từ bề mặt chất hấp phụ vào dung dịch thì nồng độ chất bẩn hòa tan trong dung dịch sẽ là một

đại lượng không đổi Nồng độ này gọi là nồng độ cân bằng Ở nhiệt độ không

đổi, lượng chất bị hấp phụ là một hàm số của nồng độ và gọi là hấp phụ đẳng nhiệt Đại lượng đặc trưng cho quá trình hấp phụ là dung lượng hấp phụ hay hoạt tính hấp phụ tĩnh, là lượng chất bẩn tính bằng miligam hay gam, bị hấp