Đánh giá khả năng xử lý ion Ni2+ trong nước bằng đá nhân tạo

Bài báo trình bày kết quả đánh giá khả năng xử lý ion Ni2+ trong nước bằng đá nhân tạo. Từ kết quả nghiên cứu cho thấy, đá nhân tạo có khả năng hấp phụ tốt ion Ni2+ trong môi trường nước. Khả năng hấp thụ tối đa của vật liệu là 5 mgg với thời gian tiếp xúc khoảng 15 phút. Bên cạnh đó, vật liệu này còn hấp phụ ion H+ trong dung dịch nên có khả năng đưa môi trường axit (pH < 7) về môi trường trung tính (pH = 7).q

Khoa học Kỹ thuật Công nghệ Đánh giá khả xử lý ion Ni2+ nước đá nhân tạo Lê Thị Xuân Thùy1*, Lê Thị Sương1, Nguyễn Thị Sao Mai1, Kunihiko Kato2 Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng Tổ chức Nghiên cứu nông nghiệp thực phẩm Nhật Bản Ngày nhận 16/1/2018; ngày chuyển phản biện 22/1/2018; ngày nhận phản biện 26/2/2018; ngày chấp nhận đăng 28/2/2018 Tóm tắt: Đá nhân tạo sản phẩm công nghệ tái chế chai, lọ thủy tinh Nhật Bản, có đặc tính khơng sinh chất độc hại, khơng ăn mòn, thân thiện với môi trường ứng dụng nhiều cơng trình Nhật trồng xanh, cơng trình nơng nghiệp, xây dựng Bài báo trình bày kết đánh giá khả xử lý ion Ni2+ nước đá nhân tạo Từ kết nghiên cứu cho thấy, đá nhân tạo có khả hấp phụ tốt ion Ni2+ môi trường nước Khả hấp thụ tối đa vật liệu mg/g với thời gian tiếp xúc khoảng 15 phút Bên cạnh đó, vật liệu hấp phụ ion H+ trong dung dịch nên có khả đưa mơi trường axit (pH < 7) mơi trường trung tính (pH = 7) Từ khóa: Đá nhân tạo, kim loại nặng, Niken, vật liệu thân thiện với môi trường, xử lý nước Chỉ số phân loại: 2.7 Đặt vấn đề để xử lý môi trường quan tâm, cần có Ơ nhiễm mơi trường nước thách thức lớn tồn phát triển nhân loại Việc khai thác tài nguyên nước hợp lý phục vụ phát triển kinh tế, cung cấp nước để đáp ứng nhu cầu sinh hoạt người ngày trở nên cấp thiết Theo Tổ chức Y tế giới, 80% bệnh tật người nguồn nước môi trường không đảm bảo [1, 2] Các chất ô nhiễm chủ yếu bao gồm kim loại nặng, vi sinh vật, phân bón, hợp chất độc hại Trong đó, Niken (Ni2+) xem kim loại nguy hiểm, đưa vào danh sách chất gây ô nhiễm mức cao Cơ quan Bảo vệ môi trường Hoa Kỳ (EPA) [3] Ở nồng độ cao, Ni2+ gây nên ung thư phổi, mũi xương, số dấu hiệu ngộ độc cấp tính Ni2+ gây nhức đầu, chóng mặt, buồn nơn, nơn mửa, đau ngực, ho khan, hơ hấp nhanh, da tím tái suy nhược [4, 5] Do đó, việc giảm hàm lượng ion Ni2+ nước thải ngưỡng cho phép trước xả môi trường tự nhiên yêu cầu bắt buộc Các phương pháp loại bỏ Ni2+ từ nước thải bao gồm kết tủa hóa học, trao đổi ion, lọc, hóa học, điện phân hấp phụ [6]; hấp phụ giải pháp đầy hứa hẹn để xử lý kim loại nặng tồn môi trường nước Đặc biệt, năm gần đây, việc chế tạo ứng dụng loại vật liệu hấp phụ nghiên cứu cụ thể, sâu rộng * Đá nhân tạo sản phẩm tái chế từ chai, lọ thủy tinh qua sử dụng, với cấu trúc có nhiều lỗ khí nên vật liệu có đặc tính thơng khí nước tốt Ngoài ra, đặc điểm ưu việt đá nhân tạo trọng lượng siêu Hình Đá nhân tạo Tác giả liên hệ: Email: letxthuy@gmail.com 60(6) 6.2018 59 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ Evaluating the possibility of removing Ni2+ ion from aqueous solution by artificial stone Thi Xuan Thuy Le1*, Thi Suong Le1, Thi Sao Mai Nguyen1, Kunihiko Kato2 University of Scicence and Technology, The University of Da Nang NARO Tohoku Agricultural Research Center Received 16 January 2018; accepted 28 February 2018 Abstract: Artificial stone is the product created from the recycling technology of glass bottles and jars in Japan with its non-toxic, non-corrosive properties, so this product is considered an environmentally friendly product and used in many projects in Japan such as planting trees, agricultural projects, construction, etc.  The article presents the assessment results of removing Ni(II)  ion from aqueous solution using artificial stone The research demonstrated that the Ni(II) ion adsorption capacity of artificial stone in aqueous solution was very high with mg/g in 15-minute contact time condition In addition, artificial stone was also capable of increasing pH value from the acid medium (pH < 7) to the neutral medium (pH = 7) Keywords:  Artificial stone, environmentally friendly materials, heavy metals, Nickel, water treatment Classification number: 2.7 3x10-2 ∼ 1x10 cm/s) Phương pháp nghiên cứu Hóa chất thuốc thử: Đá nhân tạo sử dụng nghiên cứu sản xuất Công ty Trim, Nhật Bản (hình 1) Các hóa chất khác bao gồm nước cất, dung dịch NiSO4 250 mg/l, dung dịch NaOH M, dung dịch NaOH 10%, dimethyl glyoxin 1%, dung dịch I2 0,05 M, dung dịch HCl 0,1 M điều chế phòng thí nghiệm Chuẩn bị dung dịch Ni2+ 250 mg/l: Hòa tan 0,6567 g  NiSO4  vào 1000 ml nước cất, nhỏ 3-4 giọt HCl đậm đặc nhằm ổn định ion Ni2+ dung dịch Chuẩn bị dung dịch dimethyl glyoxin 1%: Hòa tan g dimethyl glyoxin vào 100 ml dung dịch NaOH 5% Chuẩn bị dung dịch I2 0,05 M: Hòa tan 3,175 g I2 9,525 g KI vào 250 ml nước cất Dung dịch I2 bảo quản chai sẫm màu Nội dung thí nghiệm xử lý ion Ni2+ nước đá nhân tạo: Khả hấp phụ ion Ni2+ đá nhân tạo nghiên cứu dựa việc khảo sát thông số khác thời gian tiếp xúc, nồng độ kim loại, pH lượng vật liệu, thể tích mẫu dung dịch Trong đó, thời gian tiếp xúc khảo sát từ phút đến 360 phút; nồng độ kim loại khảo sát tăng dần từ mg/l đến 250 mg/l; giá trị pH thay đổi từ đến 10 (được điều chỉnh dung dịch HCl đậm đặc NaOH 10%); lượng đá nhân tạo khảo sát từ g đến 40 g thể tích mẫu khảo sát tăng từ 25-250 ml Khi tiến hành khảo sát thơng số giá trị thơng số điều chỉnh thay đổi, thơng số khác giữ cố định Sau hấp phụ, đá nhân tạo lọc để lấy khỏi mẫu nước thí nghiệm Nồng độ Ni2+ lại dung dịch xác định máy AAS nhẹ mặt nước Với đặc điểm này, đá nhân tạo đánh giá cao giá trị sử dụng đưa vào ứng dụng nhiều lĩnh vực Nhật Bản công trình xây dựng cơng cộng hay cơng trình nơng nghiệp xử lý môi trường Việt Nam mẻ chưa Hiệu suất (E%) lượng Ni2+ sau hấp phụ (Qe) 2+ Hiệu suấtnghiên (E%) vàxác lượng khithức: hấp phụ (Qe) xác định theo công thức: địnhNitheosau công nghiên cứu Do đó, chúng tơi tiến hành cứu đánh giá khả xử lý ion Ni2+ nước đá �� � �� nhân tạo �= Đối tượng phương pháp nghiên cứu �� �100(%); �� = (�� �� ) � Trong đó, E hiệu suất trình hấp phụ (%); C0 nồng độ Ni2+ ban đầu Trong đó, E hiệu suất trình hấp phụ (%); C Đối tượng nghiên cứu (mg/l); Ce nồng độ Ni2+ sau hấp phụ (mg/l); Q lượng Ni2+ sau hấp0 phụ (mg); nồng độ Ni2+ ban đầu (mg/l); eCe nồng độ Ni2+ sau hấp V thể tích dung dịch (l) - Mẫu nước chứa ion Ni2+ phụ (mg/l); Q là lượng Ni2+ sau hấp phụ (mg); V là thể Kết nghiên cứu thảo luận e - Đá nhân tạo (tỷ trọng khô: 0,4 ~ 0,5; hệ số thấm nước: tích dung dịch (l) Ảnh hưởng thời gian tiếp xúc 60(6) 6.2018 60 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ  Kết nghiên cứu thảo luận Ảnh hưởng thời gian tiếp xúc Hình Ảnh hưởng thời gian tiếp xúc đến lượng Ni2+ hấp phụ g đá nhân tạo Ảnh hưởng nồng độ ban đầu Hình Ảnh hưởng thời gian tiếp xúc đến hiệu suất xử lý Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng thời gian tiếp xúc đến hiệu suất xử lý ion Ni2+ đá nhân tạo thực cách cho 20 g đá nhân tạo vào 100 ml dung dịch mẫu có pH = 4, nồng độ Ni2+ ban đầu 65 mg/l, thời gian tiếp xúc khảo sát từ phút đến 360 phút (hình 2) Khi tăng thời gian tiếp xúc từ đến 360 phút khả hấp phụ Ni2+ đá nhân tạo giảm, khoảng thời gian tiếp xúc từ đến 30 phút, hiệu suất xử lý Ni2+ đá nhân tạo tăng dần đạt đến trạng thái gần bão hòa, nồng độ Ni2+ giảm xuống 0,5 mg/l Nhưng tiếp tục tăng thời gian từ 60 đến 360 phút, đường biểu diễn hiệu suất có xu hướng giảm xuống, nồng độ Ni2+ tăng từ 1,359 đến 7,454 mg/l Tại mốc thời gian tiếp xúc 15 phút, hiệu suất xử lý Ni2+ cao (99,72%) Do vậy, thông số khảo sát thời gian hấp phụ 15 phút Ngoài ra, ưu điểm sử dụng đá nhân tạo khả hấp phụ H+ giúp điều chỉnh pH dung dịch Khi vật liệu tiếp xúc với mẫu nước có giá trị pH ban đầu 4, mẫu nước sau xử lý có xu hướng tăng pH lên đạt giá trị Vì vậy, sở góp phần nâng cao hiệu suất xử lý đá nhân tạo mà khơng cần sử dụng hóa chất để nâng giá trị pH loại nước thải có tính axit, đồng thời làm giảm lượng bùn thải sau xử lý Cũng tương tự đường biểu diễn hiệu suất xử lý, đường biểu diễn lượng Ni2+ hấp phụ g đá nhân tạo có xu hướng giảm nhẹ tăng thời gian tiếp xúc vật liệu (hình 3) 60(6) 6.2018 Hình Ảnh hưởng nồng độ đầu vào đến hiệu suất xử lý Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng nồng độ đầu vào đến hiệu suất xử lý ion Ni2+ đá nhân tạo thực cách cho 20 g đá nhân tạo vào 100 ml dung dịch mẫu có pH = 4, thời gian tiếp xúc 15 phút Nồng độ ion Ni2+ thay đổi từ đến 250 mg/l (hình 4) Khi tăng nồng độ Ni2+ từ đến 250 mg/l hiệu suất xử lý Ni2+ đá nhân tạo thay đổi rõ rệt Ở nồng độ mg/l hiệu suất xử lý Niken thấp nhất, đạt 48,47% Khi tăng nồng độ từ đến 50 mg/l hiệu suất tăng từ 90,52 đến 99,22%, nhiên tiếp tăng nồng độ lên đến 250 mg/l hiệu suất xử lý có xu hướng giảm Sự thay đổi lên xuống đường biểu diễn nồng độ giải thích sau: Tại mốc thời gian tiếp xúc 15 phút mốc thời gian phù hợp để đá nhân tạo hấp phụ vừa đủ ion Ni2+ khoảng nồng độ từ đến 50 mg/l, lại vượt ngưỡng thời gian bão hòa vật liệu tiếp xúc mẫu nước chứa ion Ni2+ với nồng độ mg/l Còn khoảng nồng độ từ 100 đến 250 mg/l, hiệu suất xử lý giảm thời gian tiếp xúc chưa đủ nồng độ ion Ni2+ lớn 61 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ lượng vật liệu sử dụng Bên cạnh đó, đường biểu diễn lượng Ni2+ hấp phụ g đá nhân tạo có xu hướng tăng dần tăng nồng độ Mặc dù hiệu suất xử lý đạt cao nồng độ 50 mg/l (99,22%) dựa vào biểu đồ biểu diễn hấp phụ Ni2+ g vật liệu cho thấy tăng nồng độ lên khả hấp phụ đá nhân tạo tăng lên rõ rệt đạt mức cao nồng độ 250 mg/l (hình 5) Do vậy, nồng độ 250 mg/l chọn để khảo sát tiếp thơng số sau xử lý trường hợp có thay đổi không đáng kể, đạt 99% Ở mơi trường pH > có mặt nhóm hydroxit dẫn đến tượng kết tủa Ni(OH)2, mơi trường có pH < ion Ni2+ tan dung dịch, bền vững so với môi trường pH > Căn kết thu được, pH từ đến 10 khoảng tối ưu cho thí nghiệm lại Tuy nhiên để hạn chế việc sử dụng hóa chất tiết kiệm chi phí đầu tư hóa chất việc điều chỉnh pH, đồng thời để phát huy tối đa hiệu sử dụng vật liệu, pH = chọn để khảo sát thông số Đường biểu diễn lượng Ni2+ hấp phụ g đá nhân tạo tương đồng với đường biểu diễn hiệu suất xử lý Niken Khi thay đổi gia trị pH từ đến 6, lượng Ni2+ hấp phụ g đá nhân tạo có thay đổi rõ ràng, nhiên tiếp tục nâng giá trị pH từ đến 10 có thay đổi khơng đáng kể (hình 7) Hình Ảnh hưởng nồng độ ban đầu đến lượng Ni2+ hấp phụ g đá nhân tạo Ảnh hưởng pH Hình Ảnh hưởng pH đến lượng Ni2+ hấp phụ g đá nhân tạo Hình Ảnh hưởng pH đến lượng Ni2+ hấp phụ g đá nhân tạo Hình Ảnh hưởng pH đến hiệu suất xử lý Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng pH đến hiệu suất xử lý ion Ni2+ đá nhân tạo thực cách cho 20 g đá nhân tạo vào 100 ml dung dịch mẫu có nồng độ ion Ni2+ 250 mg/l, thời gian tiếp xúc 15 phút, khoảng pH khảo sát dao động từ đến 10 (hình 6) đá nhân tạo 100 10 98 96 94 92 90 10 15 20 30 40 Nồng độ Niken sau xử lý (mg/l) Hiệu suất xử lý (%) Ảnh Ảnh hưởng củahưởng lượng đácủa nhânlượng tạo Lượng đá nhân tạo (g) Hiệu suất xử lý (%) Nồng độ Niken sau xử lý (%) Hình Ảnh hưởng lượng đá nhân tạo đến hiệu suất xử lý Hình Ảnh hưởng lượng đá nhân tạo đến hiệu suất xử lý Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng lượng đá nhân tạo đến hiệu suất xử lý ion Ni2+ khảo ảnh100hưởng nhân tạo Khi tăng giá trị pH nồng độ Niken sau xử lý giảm, thực hiệnThí bằngnghiệm cách cho đá nhân sát tạo vào ml dungcủa dịchlượng mẫu có đá có pH = 4, nồng 250 mg/l, thờixử gianlýtiếp xúcNi từ2+15được phút, khối liệu khảo sát độ ion Ni2+đến hiệu suất ion thựclượng hiệnvậtbằng cách cho hiệu suất xử lý tăng, ứng với khoảng pH từ đến nồng đến 40 gtạo (hìnhvào 8) 100 ml dung dịch mẫu có có pH = 4, nồng nhân độ Ni2+ sau xử lý giảm từ 226,231 xuống 34,145 mg/l, thay hiệuđổi từđá hình thấy, ứng với g đá nhân tạo, nồng độ Ni2+ sau xử lý ion Ni2+ 8làcho250 mg/l, thời gian tiếp xúc từ 15 phút, khối suất tăng từ 9,47 lên 86,23% pH đến 10, Kếtđộ 2,675 mg/l, hiệu suất xử lý đạt 98,93% Tiếp tục tăng lượng đá nhân tạo lên đến 40 g lượng vật liệu khảo sát thay đổi từ đến 40 g (hình 8) nồng độ Ni2+ sau xử lý có giá trị nhỏ 0,7 mg/l, hiệu suất hiệu suất xử lý không thay đổi nhiều, đạt 99%, nồng độ Ni2+ sau xử lý dao động khoảng từ 0,164-0,869 mg/l Ngược lại với đường biểu diễn hiệu suất, đường 60(6) 6.2018 62 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ Khả hấp phụ Ni2+/1 g đá hân tạo Kết hình cho thấy, ứng với g đá nhân tạo, nồng độ Ni2+ sau xử lý 2,675 mg/l, hiệu suất xử lý đạt 98,93% Tiếp tục tăng lượng đá nhân tạo lên đến 40 g hiệu suất xử lý không thay đổi nhiều, đạt 99%, nồng độ Ni2+ sau xử lý dao động khoảng từ 0,1640,869 mg/l Ngược lại với đường biểu diễn hiệu suất, đường biểu diễn ảnh hưởng khối lượng đến khả hấp phụ 2+ /1 g đá tạo cóđếnsựkhả thay ràng, cóg xu hướng biểu diễn Ni ảnh hưởng củanhân khối lượng năngđổi hấprõphụ Ni2+/1 đá nhân tạo có tăng dầndầnkhối lượng 9) (hình 9) thay đổi rõgiảm ràng, dần có xukhi hướng giảm tăng dần(hình khối lượng 10 Hình 11 Ảnh hưởng việc tăng thể tích đến lượng Ni2+ hấp phụ g đá nhân tạo Kết luận Để loại bỏ chất ô nhiễm khỏi nước cần phải áp dụng công nghệ xử lý nước Tuy nhiên, áp dụng công nghệ bị chi phối hai yếu tố chính, kinh tế hiệu suất xử lý Bên cạnh đó, để tránh 10 15 20 30 40 phát sinh thêm chi phí xử lý mơi trường q trình vận hành, sở sản xuất, doanh nghiệp quan tâm đến Lượng đá nhân tạo (g) lượng bùn thải trình xử lý, lượng bùn cặn hay 2+ tạo Hình9 Ảnh củacủa khối khối lượng lượng đến khảđến năngkhả hấp phụ Ni2+hấp phụ g đáNi nhân Hình Ảnhhưởng hưởng nhiều lại tùy thuộc vào cơng nghệ xử lý Vì vậy, việc gcủa đáthể nhân Ảnh hưởng tíchtạo mẫu tư vấn giới thiệu vật liệu đồng thời đảm bảo yếu tố cần thiết Nghiên cứu giới thiệu vật liệu Ảnh hưởng thể tích mẫu thân thiện với mơi trường - sản phẩm tạo thành từ việc tái chế loại chai, lọ thủy tinh Các kết thí nghiệm trình bày nghiên cứu chứng minh đá nhân tạo góp phần loại bỏ ion Ni2+ khỏi môi trường nước, đồng thời nhờ khả hấp phụ ion H+ nước nên vật liệu có khả đưa mơi trường nước từ axit trung tính, khả hấp thụ ion Ni2+ đá nhân tạo phụ thuộc chặt chẽ vào thông số thời gian tiếp xúc, nồng độ ion kim loại Ni2+ ban đầu, pH, lượng đá nhân tạo cần dùng, thể tích mẫu nước, nhìn chung vật liệu đá nhân tạo có khả hấp phụ Ni2+ tối đa mg/g Hình 10 Ảnh hưởng việc tăng thể tích đến hiệu suất xử lý TÀI LIỆU THAM KHẢO ThíHình nghiệm ảnh hưởng thể tíchthể mẫutích dung dịchhiệu đến suất hiệu xử suấtlý xử lý ion 10.khảo Ảnhsáthưởng việc tăng đến [1] World Health Organization - WHO (2011), Guidelines for Ni2+ đá nhân tạo thực cách cho g đá nhân tạo vào mẫu dung Drinking-Water Quality, 4th ed, ISBN 978 92 154815 2+ Thí nghiệm khảo dịch có pH = 7, nồng độ ion Ni sát 250 ảnh mg/l,hưởng thời giancủa tiếpthể xúctích 15mẫu phút, dung thể tích mẫu 2+ [2] R Desjardins (1997), Le Traitement Des Eaux, 2nd ed., Ecole dịch đến xử(hình lý ion khảo sát dao động từ hiệu 25 đếnsuất 250 ml 10).Ni đá nhân tạo thực cách cho g đá nhân tạo vào mẫu dung dịch Polytechnique de Montreal: Montreal, QC, Canada, p.304 có pH = 7, nồng độ ion Ni2+ 250 mg/l, thời gian tiếp xúc 15 phút, thể tích mẫu khảo sát dao động từ 25 đến 250 ml (hình 10) Khi tăng thể tích mẫu nước chứa ion Ni2+ từ 25 đến 250 ml hiệu suất xử lý ion Ni2+ có xu hướng giảm xuống, từ 99,24 xuống 58,36%, nồng độ lại sau xử lý dao động từ 1,898 đến 104,104 mg/l Cùng với đó, đường biểu diễn ảnh hưởng việc tăng thể tích đến lượng Ni2+ hấp phụ g đá nhân tạo có chiều hướng thay đổi giống với đường biễn diễn hiệu suất (hình 11) 60(6) 6.2018 [3] B Volesky (2001), “Detoxification of metal-bearing effluents: biosorption for the next century”, Hydrometallurgy, 59, pp.203-216 [4] K Kadirvelu*, K Thamaraiselvi, C Namasivayam (2001), “Adsorption of nickel(II) from aqueous solution onto activated carbon prepared from coirpith”, Separation and Purification Technology, 24, pp.497-505 [5] P Parker (1980), Encyclopedia of Environmental Sciences, 2nded, McGraw Hill, New York [6] J.D Dean, F.L Bosqui, K.H Lanouette (1972), “Removing heavy metals from waste water”, Environ Sci Technol., 6(6), pp.518522 63 ... đácủa nhânlượng tạo Lượng đá nhân tạo (g) Hiệu suất xử lý (%) Nồng độ Niken sau xử lý (%) Hình Ảnh hưởng lượng đá nhân tạo đến hiệu suất xử lý Hình Ảnh hưởng lượng đá nhân tạo đến hiệu suất xử. .. pH đến lượng Ni2+ hấp phụ g đá nhân tạo Hình Ảnh hưởng pH đến hiệu suất xử lý Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng pH đến hiệu suất xử lý ion Ni2+ đá nhân tạo thực cách cho 20 g đá nhân tạo vào 100 ml... xử lý Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng lượng đá nhân tạo đến hiệu suất xử lý ion Ni2+ khảo ảnh100hưởng nhân tạo Khi tăng giá trị pH nồng độ Niken sau xử lý giảm, thực hiệnThí bằngnghiệm cách cho đá