Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ asen trên cơ sở gel silic kết hợp oxit sắt và oxit mangan để xử lý nước ngầm nhiễm asen

Trang phụ bìa BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN THỊ NHƯ NGỌC NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO VẬT LIỆU HẤP PHỤ ASEN TRÊN CƠ SỞ GEL SILIC KẾT HỢP OXIT SẮT VÀ OXIT MANGAN ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC NGẦM NHIỄM ASEN Chuyên ngành : Công nghệ môi trường LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS Nguyễn Thị Thu Thủy PGS.TS Cao Thế Hà Hà Nội – 2011 MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan Danh mục bảng MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 11 1.1 Khái quát cấu tạo, tính chất As 11 1.2 Vòng tuần hoàn Asen tự nhiên 13 1.3 Hiện trạng ô nhiễm Asen 13 1.3.1 Hiện trạng ô nhiễm Asen giới 13 1.3.2 Hiện trạng ô nhiễm Asen Việt Nam 15 1.4 Tình hình nghiên cứu công nghệ xử lý ô nhiễm Asen nước 18 1.4.1 Các phương pháp Thế giới 18 1.4.2 Các phương pháp xử lý Asen nghiên cứu, áp dụng Việt Nam 20 1.5 Một số lý thuyết trình hấp phụ 23 1.5.1 Nguyên lý chung phương pháp hấp phụ 23 1.5.2 Các đặc tính chất hấp phụ 24 1.5.3 Cân trình hấp phụ dung dịch 26 1.5.4 Xử lý động học hấp phụ theo mô hình bậc bậc 27 1.5.5 Dung lượng hấp phụ 31 1.5.6 Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir 32 1.5.7 Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich 34 1.6 Khả hấp phụ Asen MnO2 35 1.7 Khả hấp phụ Asen Sắt hydroxit/oxit 37 1.8 Thủy tinh lỏng silicagel 38 1.8.1.Thuỷ tinh lỏng 38 1.8.2 Silicagel 39 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 41 2.1 Dụng cụ, hóa chất thiết bị thí nghiệm 41 2.1.1 Các dụng cụ 41 2.1.2 Hóa chất 41 2.1.3 Thiết bị 42 2.2 Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ 43 2.2.1 Silicagel không biến tính 43 2.2.2 Silicagel chứa Sắt (III) 43 2.2.3 Silicagel chứa Mangan 43 2.2.4 Silicagel Sắt Mangan 44 2.2.5 Silicagel chứa quặng Cao Bằng (d < 45µm) 44 2.2.6 Tính toán 44 2.3 Xác định đặc trưng vật liệu 45 2.4 Phương pháp phân tích Asen 45 2.5 Nghiên cứu xác định hiệu hấp phụ 45 2.5.1 Quy trình nghiên cứu động học hấp phụ 45 2.5.3 Nghiên cứu hấp phụ đẳng nhiệt 46 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 48 3.1 Kết điều chế vật liệu hấp phụ 48 3.2 Kết xác định đặc trưng vật liệu 50 3.3 Kết nghiên cứu động học hấp phụ As(III) As(V) 50 3.4 Kết nghiên cứu hấp phụ đẳng nhiệt As(III) As(V) dung dịch 56 3.4.1 Sử dụng phương trình Langmuir để đánh giá khả hấp phụ Asen 57 3.4.2 Sử dụng phương trình Freundlich để đánh giá khả hấp phụ Asen thí nghiệm 60 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 Lời cam đoan Tôi cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác LỜI CẢM ƠN Bằng lòng kính trọng biết ơn sâu sắc em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Thị Thu Thủy PGS.TS Cao Thế Hà giao đề tài, hướng dẫn chu đáo tận tình suốt trình em nghiên cứu hoàn thành luận văn Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thạc sĩ Vũ Ngọc Duy, người tận tình giúp đỡ đóng góp ý kiến quý báu giúp em hoàn thành tốt đề tài Tôi xin chân thành cảm ơn anh chị Trung tâm Công Nghệ Nghiên Cứu Môi Trường Phát Triển Bền Vững (CETASD), trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ suốt trình nghiên cứu Cuối xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình bạn bè bên cạnh động viên giúp đỡ suốt trình học tập, nghiên cứu hoàn thành luận văn Hà Nội, tháng 10 năm 2011 Học viên Nguyễn Thị Như Ngọc Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Kí hiệu Nghĩa từ TTL Thủy tinh lỏng CB Cao Bằng (quặng Cao Bằng) S S-F Silicagel không biến tính Silicagel chứa Sắt S-FM Silicagel chứa Sắt Mangan S-M Silicagel chứa Mangan S-Q Silicagel chứa quặng Cao Bằng D Diameter: Đường kính mao quản d Density: Khối lượng riêng Vt Volume total: Tổng thể tích lỗ SBET Diện tích bề mặt tính theo phương pháp BET BET Brunauer- Emmett-Teller BJH Barret-Joyner-Halenda Danh mục bảng Bảng 3.1 Hàm lượng nguyên tố vật liệu tổng hợp 48 Bảng 3.2 Các thông số đặc trưng bề mặt mẫu F, FM quặng CB 50 Bảng 3.3 Dữ liệu nghiên cứu động học hấp phụ As(III) As(V) loại vật liệu (HSHP hiệu suất hấp phụ) 51 Bảng 3.4 Bảng so sánh giá trị R2giữa mô hình bậc bậc vật liệu 56 Bảng 3.5 Dữ liệu nghiên cứu hấp phụ đẳng nhiệt xử lý theo phương trình Langmuir 57 Bảng 3.6 Các hệ số phương trình Langmuir cân hấp phụ As(III) vật liệu 58 Bảng 3.7 Các hệ số phương trình Langmuir cân hấp phụ As(V) vật liệu 59 Bảng 3.8 So sánh dung lượng hấp phụ cực đại As(III) As(V) vật liệu 59 Bảng 3.9 Dữ liệu nghiên cứu hấp phụ đẳng nhiệt xử lý theo phương trình Freundlich 61 Bảng 3.10 Các hệ số phương trình Freundlich cân hấp phụ As(III) vật liệu 63 Bảng 3.11 Các hệ số phương trình Freundlich cân hấp phụ As(V) vật liệu 63 Danh mục hình vẽ, đồ thị Hình 1.1 Bản đồ phân bố khu vực ô nhiễm Asen giới 14 Hình 1.2 Bản đồ ô nhiễm Asen miền Bắc 16 Hình 1.3 Tình hình nhiễm Asen Hà nội 12/1999 17 Hình 1.4 Bản đồ ô nhiễm Asen lưu vực sông Mekong –Việt Nam [11] 18 Hình 1.5 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir 33 Hình 1.6 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir 34 Hình 1.7 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich 34 Hình 1.8 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich 35 Hình 1.9 Cơ chế phản ứng As (III) MnO2 37 Hình 2.1 Các thiết bị phục vụ nghiên cứu 42 Hình 3.1 Silicagel không biến tính 48 Hình 3.2 Silicagel chứa Sắt 49 Hình 3.3 Silicagel chứa Mangan 49 Hình 3.4 Silicagel chứa Sắt Mangan 49 Hình 3.5 Silicagel chứa quặng Cao Bằng 50 Hình 3.6 Đường cong động học hấp phụ As(III) loại vật liệu 54 Hình 3.7 Đường cong động học hấp phụ As(V) loại vật liệu 54 Hình 3.8 Đồ thị hấp phụ As III S-FM xử lý theo phương trình Langmuir 57 Hình 3.9 Đồ thị hấp phụ As V S-FM xử lý theo phương trình Langmuir 58 Hình 3.10 Đồ thị so sánh dung lượng hấp phụ cực đại loại vật liệu 59 Hình 3.11 Đồ thị hấp phụ As III S-FM xử lý theo phương trình Freundlich 62 Hình 3.12 Đồ thị hấp phụ As V S-FM xử lý theo phương trình Freundlich 62 MỞ ĐẦU Nước nhân tố quan trọng tồn phát triển người Trong thời gian gần cảnh báo "sát thủ vô hình" sức khoẻ người, tồn As nước As tồn nước không gây mùi, vị lại có khả gây bệnh vô nguy hiểm đe doạ sức khoẻ tính mạng người Chính việc xác định hàm lượng As nước quan trọng Hiện vấn đề xem điểm nóng không Việt Nam mà Thế giới Để giải vấn đề cấp bách trạng ô nhiễm asen nguồn nước bảo vệ sức khỏe người dân, nhà khoa học giới nói chung Việt Nam nói riêng tiến hành nhiều nghiên cứu phương pháp loại bỏ asen Cho đến nay, kết nghiên cứu cho thấy hợp chất oxit Sắt Mangan cho khả loại bỏ asen tốt Tuy nhiên, vật liệu loại asen thương mại bán thị trường có giá thành cao Và với điều kiện kinh tế đất nước, đại đa số người dân không đủ khả chi trả cho nhu cầu sử dụng vật liệu Nhằm góp phần giải vấn đề trên, tiến hành nghiên cứu với đề tài với mục tiêu tìm vật liệu có khả xử lý asen tốt hơn, dễ chế tạo quan trọng giá thành rẻ, phù hợp với người dân có thu nhập thấp Trong phương pháp xử lý asen, phương pháp hấp phụ phương pháp đơn giản, dễ áp dụng cho hiệu xử lý asen tốt Vì nghiên cứu này, sử dụng phương pháp hấp phụ để nghiên cứu khả xử lý asen vật liệu Nội dung nghiên cứu đề tài sau : Chế tạo vật liệu hấp phụ sử dụng silicagel làm chất mang phương pháp tạo gel, gồm: + Silicagel không biến tính + Silicagel có chứa Sắt (III) + Silicagel có chứa Mangan + Silicagel có chứa Mangan Sắt + Silicagel có chứa quặng Cao Bằng (chứa 41% Mn; 5,7% Fe 20,1% SiO2 quặng) Khảo sát đặc trưng vật liệu tổng hợp, vật liệu tự nhiên (quặng Cao Bằng) Nghiên cứu động học hấp phụ As(III), As(V) dung dịch Nghiên cứu hấp phụ đẳng nhiệt As(III), As(V) dung dịch 10 Bảng 3.4 Bảng so sánh giá trị R2giữa mô hình bậc bậc vật liệu Vật liệu R2 theo mô hình bậc R2 theo mô hình bậc S (As III) 0,94733 0,99962 S (As V) 0,99168 0,99536 S –F (As III) 0,95351 0,98291 S –F (As V) 0,99547 0,98876 S –M(As III) 0,95441 0,99966 S –M(As V) 0,99054 0,98095 S –FM(As III) 0,98701 0,99560 S –FM(As V) 0,99320 0,99857 S-Q (As III) 0,88693 0,99995 S-Q (As V) 0,97116 0,99595 CB (As III) 0,98285 0,99856 CB (As V) 0,99720 0,99736 Từ bảng so sánh thấy mô hình động học bậc phù hợp mô tả quy luật động học loại vật liệu Tuy nhiên khác biệt so với mô hình bậc không đáng kể (thông qua so sánh giá trị R2), điều cho thấy phần bậc mô hình động học đóng góp phần nhỏ so với phần bậc mang ý nghĩa thể mô hình tiệm cận với vùng tối ưu động học hấp phụ loại vật liệu nghiên cứu 3.4 Kết nghiên cứu hấp phụ đẳng nhiệt As(III) As(V) dung dịch Chúng tiến hành nghiên cứu cân hấp phụ đẳng nhiệt As(III) As(V) với vật liệu tổng hợp (S, S-F, S-M, S-FM, S-Q), vật liệu tự nhiên (quặng CB) nồng độ khác khoảng từ 100 ppb đến 800 ppb Các thí nghiệm thực 30oC, pH = ± 0,1 Kết xử lý theo phương trình Langmuir phương trình Freundlich sau: 56 3.4.1 Sử dụng phương trình Langmuir để đánh giá khả hấp phụ Asen Dạng tuyến tính phương trình Langmuir: 1 = + a a m K m C a m (1) Lập đồ thị 1/a theo 1/C ta xác định thông số Km am ™ Đánh giá khả hấp phụ vật liệu S-FM Bảng 3.5 Dữ liệu nghiên cứu hấp phụ đẳng nhiệt xử lý theo phương trình Langmuir As III Co As V a (µg/g) 683 1/C 1/a 800 C (µg/l) 117 a (µg/g) 677 1/C 1/a 0,00146 C (µg/l) 123 0,00855 0,00813 0,00148 650 85 565 0,01176 0,00177 97 553 0,01031 0,00181 500 50 450 0,02 0,00222 52 448 0,01923 0,00223 350 28 322 0,03571 0,00311 41 309 0,02439 0,00324 200 17 183 0,05882 0,00546 23 177 0,04348 0,00565 100 92 0,125 0,01087 91 0,11111 0,01099 (µg/l) S-FM As III Langmuir 0,012 0,01 1/a 0,008 y = 0,08137x + 0,00062 R² = 0,99627 0,006 0,004 0,002 0 0,05 0,1 0,15 1/C Hình 3.8 Đồ thị hấp phụ As III S-FM xử lý theo phương trình Langmuir 57 Hình 3.9 Đồ thị hấp phụ As V S-FM xử lý theo phương trình Langmuir ™ Đánh giá khả hấp phụ vật liệu S, S-F, S-M, S-Q CB tương tự đánh giá với vật liệu S-FM nói Kết xử lý tính toán giá trị 1/C, 1/a đồ thị biểu diễn quan hệ hai đại lượng vật liệu trình bày phụ lục Từ kết phân tích hàm lượng Asen thu có bảng kết tổng hợp sau: Bảng 3.6 Các hệ số phương trình Langmuir cân hấp phụ As(III) vật liệu Chất hấp phụ As (III) Kích thước am(µg/g) Km R2 S 45µm < d < 63µm 518 0,00894 0,98733 S-F 45µm < d < 63µm 935 0,01939 0,98646 S-M 45µm < d < 63µm 800 0,01491 0,98387 S-FM 45µm < d < 63µm 1613 0,00762 0,99627 S-Q 45µm < d < 63µm 752 0,01748 0,99972 CB 45µm < d < 63µm 621 0,02469 0,99237 58 Bảng 3.7 Các hệ số phương trình Langmuir cân hấp phụ As(V) vật liệu Chất hấp phụ As (V) Kích thước am(µg/g) Km R2 S 45µm< d