NGHIÊN cứu điều CHẾ vật LIỆU hấp PHỤ ASEN và CÔNG NGHỆ xử lý nước NGẦM NHIỄM ASEN từ bùn THẢI NHÀ máy nước cấp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠNG NGHỆ HỐ HỌC VÀ THỰC PHẨM BỘ MƠN CƠNG NGHỆ MƠI TRƢỜNG  KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU HẤP PHỤ ASEN VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƢỚC NGẦM NHIỄM ASEN TỪ BÙN THẢI NHÀ MÁY NƢỚC CẤP GVHD : ThS HOÀNG THỊ TUYẾT NHUNG SVTH : TIÊN ĐỨC HUY HỒNG THỊ THANH TP.HỒ CHÍ MINH – THÁNG 7/2014 TĨM TẮT Ơ nhiễm nƣớc giới nói chung Việt Nam nói riêng asen vấn đề nhức nhối tác hại to lớn chúng đến chất lƣợng mơi trƣờng sức khỏe ngƣời tồn giới Trong năm gần đây, vấn đề ô nhiễm asen nguồn nƣớc sinh hoạt cộng đồng ngày trở nên nghiêm trọng, WHO mô tả kiện “mét thảm hoạ môi trƣờng lớn từ trƣớc tới nay” Cùng với nhu cầu sử dụng nƣớc ngầm ngày tăng yêu cầu tìm hiểu nghiên cứu cơng nghệ xử lý nƣớc ngầm ngày trở nên cấp thiết Hiện nhà khoa học nƣớc nỗ lực nghiên cứu phƣơng pháp khác để loại asen nƣớc đến mức chấp nhận đƣợc đồng thời đảm bảo tính hiệu mặt kinh tế Ngồi phƣơng pháp vật lý, hóa học nhƣ sinh học áp dụng đƣợc nghiên cứu để đƣa vào ứng dụng việc nghiên cứu sử dụng vật liệu vấn đề cần thiết cho ngành nghề Đặc biệt sử dụng vật liệu tự nhiên, tái sử dụng phế thải thân thiện với môi trƣờng đƣợc đặt lên hàng đầu nhằm không gây tổn hại tới môi trƣờng, đảm bảo phát triển bền vững mà đem lại hiệu cao sử dụng Với nhận định trên, chúng em tập trung nghiên cứu điều chế loại vật liệu hấp phụ asen Ceramic – Bùn sắt chế tạo từ bùn sắt - đất sét – mùn cƣa, từ đƣa công nghệ xử lý asen hiệu quả, dễ làm phù hợp với điều kiện nông thôn Việt Nam để bảo vệ sức khoẻ ngƣời, cung cấp nguồn nƣớc an toàn cho hộ gia đình Với đề tài nghiên cứu này, chúng em thu đƣợc kết sau: - Vật liệu Ceramic – Bùn sắt có khả hấp phụ asen tốt - Vật liệu loại bỏ ion kim loại thƣờng tồn nƣớc ngầm nhƣ As5+, Cu2+, Pb2+, Zn2+, Fe2+ với hiệu suất cao 80% - Nghiên cứu thiết kế cột lọc asen tích hợp mơ hình bình lọc nƣớc hai tầng đạt chuẩn QCVN 01 – 2009/BYT dùng cho ăn uống với hiệu suất xử lý 90% - Thiết kế thùng lọc asen FC sử dụng hộ gia đình đạt yêu cầu chất lƣợng theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia chất lƣợng nƣớc sinh hoạt QCVN 02 2009/BYT MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Mục đích nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu Những đóng góp đề tài CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI 1.1.1 Cơ sở lý luận 1.1.2 Cơ sở thực tiễn 1.2 TỔNG QUAN VỀ ASEN 1.2.1 Giới thiệu chung asen 1.2.2 Tính chất asen 1.2.2.1 Tính chất nguyên tử 1.2.2.2 Tính chất vật lí 1.2.2.3 Tính chất hóa học asen hợp chất asen 1.2.3 Các dạng tồn chuyển hóa asen mơi trƣờng 1.2.3.1 Asen khơng khí nƣớc 1.2.3.2 Asen đá quặng 1.2.3.3 Asen đất vỏ phong hóa 1.2.3.4 Asen trầm tích 1.2.3.5 Asen sinh vật 1.2.4 Nguyên nhân dẫn đến ô nhiễm asen nƣớc ngầm 1.2.5 Hiện trạng ô nhiễm asen giới Việt Nam 1.2.5.1 Hiện trạng ô nhiễm asen giới 1.2.5.2 Hiện trạng ô nhiễm asen Việt Nam 1.2.6 Ảnh hƣởng asen đến sức khỏe ngƣời 1.2.6.1 Độc tính dạng asen tác hại sức khỏe ngƣời 1.2.6.2 Cơ chế gây độc asen 1.2.6.3 Biện pháp phòng ngừa giải độc 1.2.7 1.3 Quy định nồng độ giới hạn asen CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ ASEN 1.3.1 Phƣơng pháp xử lý asen giới 1.3.1.1 Phƣơng pháp hóa học 1.3.1.2 Phƣơng pháp hóa lý 1.3.1.3 Phƣơng pháp màng 1.3.1.4 Phƣơng pháp sinh học 1.3.2 Phƣơng pháp xử lý asen đƣợc nghiên cứu áp dụng Việt Nam CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ 2.1 LÝ THUYẾT HẤP PHỤ 2.2 KỸ THUÂT HẤP PHỤ 2.2.1 Hấp phụ điều kiện tĩnh 2.2.2 Hấp phụ điều kiện động 2.3 ĐỘNG HỌC HẤP PHỤ 2.3.1 Phƣơng trình phản ứng giả định bậc 2.3.2 2.4 Phƣơng trình phản ứng giả định bậc hai ĐẲNG NHIỆT HẤP PHỤ 2.4.1 Phƣơng trình Langmuir 2.4.1 Phƣơng trình Freundlich 2.5 MỘT SỐ CHẤT HẤP PHỤ CHƢƠNG 3: NGUYÊN VẬT LIỆU SỬ DỤNG ĐIỀU CHẾ CERAMIC – BÙN SẮT 3.1 BÙN SẮT 3.2 ĐẤT SÉT 3.3 MÙN CƢA CHƢƠNG 4: PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH 4.1 DỤNG CỤ, THIẾT BỊ, HĨA CHẤT 4.1.1 Dụng cụ 4.1.2 Thiết bị 4.1.3 Hóa chất 4.1.4 Một số lƣu ý trƣớc tiến hành thí nghiệm 4.2 VẬT LIỆU 4.2.1 Chuẩn bị vật liệu 4.2.2 Xác định khối lƣợng riêng vật liệu 4.2.3 Điều chế vật liệu 4.2.3.1 Khảo sát lƣợng mùn cƣa tối ƣu 4.2.3.2 Khảo sát kích thƣớc mùn cƣa tối ƣu 4.2.3.3 Khảo sát lƣợng bùn đỏ tối ƣu 4.2.3.4 Khảo sát cỡ hạt Ceramic – Bùn sắt tối ƣu 4.2.4 Khảo sát hiệu hấp phụ asen vật liệu trƣờng hợp khác 4.2.4.1 Hiệu hấp phụ asen có mặt mùn cƣa – trấu 4.2.4.2 Hiệu hấp phụ asen Ceramic Ceramic – Bùn sắt 4.2.4.3 Hiệu hấp phụ asen Ceramic – Bùn sắt rửa không rửa 4.3 CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH 4.3.1 Phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) 4.3.2 Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 4.3.3 Phƣơng pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) 4.3.4 Phƣơng pháp xác định bề mặt riêng theo phƣơng pháp hấp phụ (BET) 4.4 KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG TỚI QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ ASEN CỦA VẬT LIỆU THEO PHƢƠNG PHÁP GIÁN ĐOẠN 4.4.1 Ảnh hƣởng pH 4.4.2 Ảnh hƣởng thời gian hấp phụ 4.4.3 Nghiên cứu cân hấp phụ đẳng nhiệt 4.4.4 Nghiên cứu động học hấp phụ 4.5 KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG TỚI QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ ASEN CỦA VẬT LIỆU THEO PHƢƠNG PHÁP CỘT 4.5.1 Chuẩn bị cột hấp phụ 4.5.2 Ảnh hƣởng pH 4.5.3 Ảnh hƣởng nhiệt độ 4.5.4 Ảnh hƣởng lƣu lƣợng chảy 4.5.5 Ảnh hƣởng nồng độ 4.5.6 Ảnh hƣởng cation anion 4.5.7 Nghiên cứu hấp phụ cột mơ hình Bed - Volume 4.6 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MƠ HÌNH XỬ LÝ NƢỚC NGẦM NHIỄM ASEN 4.6.1 Cột lọc asen tích hợp mơ hình bình lọc nƣớc hai tầng 4.6.1.1 Thiết kế mơ hình 4.6.1.2 Vận hành mơ hình 4.6.1.3 Nghiên cứu khả xử lý asen qua lần lọc 4.6.2 Công nghệ xử lý nƣớc ngầm nhiễm asen quy mơ hộ gia đình CHƢƠNG 5: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 5.1 ĐẶC TÍNH CỦA VẬT LIỆU 5.1.1 Kết xác định khối lƣợng riêng vật liệu 5.1.2 Kết phân tích thành phần Sắt có mẫu 5.1.3 Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) 5.1.4 Cấu trúc bề mặt kiểm tra kính hiển vi điện tử quét (SEM) 5.1.5 Xác định diện tích bề mặt theo phƣơng pháp hấp phụ (BET) 5.2 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU 5.2.1 Khảo sát hiệu lƣợng mùn cƣa tối ƣu 5.2.2 Khảo sát hiệu kích thƣớc mùn cƣa tối ƣu 5.2.3 Khảo sát hiệu lƣợng bùn sắt tối ƣu 5.2.4 Khảo sát cỡ hạt Ceramic – Bùn sắt tối ƣu 5.3 KẾT QUẢ KHẢO SÁT HIỆU QUẢ HẤP PHỤ ASEN CỦA VẬT LIỆU Ở CÁC TRƢỜNG HỢP KHÁC NHAU 5.3.1 Hiệu hấp phụ asen có mặt mùn cƣa – trấu 5.3.2 Hiệu hấp phụ asen Ceramic Ceramic – Bùn sắt tối ƣu 5.3.3 Hiệu hấp phụ asen Ceramic – Bùn sắt rửa không rửa 5.4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ ASEN CỦA VẬT LIỆU THEO PHƢƠNG PHÁP GIÁN ĐOẠN 5.4.1 Khảo sát ảnh hƣởng pH đến hiệu hấp phụ asen 5.4.2 Khảo sát ảnh hƣởng thời gian hấp phụ đến hiệu hấp phụ asen 5.4.3 Cân hấp phụ đẳng nhiệt 5.4.4 Động học hấp phụ 5.5 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ ASEN CỦA VẬT LIỆU THEO PHƢƠNG PHÁP CỘT 5.5.1 Khảo sát ảnh hƣởng pH đến hiệu hấp phụ asen 5.5.2 Khảo sát ảnh hƣởng lƣu lƣợng chảy đến hiệu hấp phụ asen 5.5.3 Khảo sát ảnh hƣởng nhiệt độ đến hiệu hấp phụ asen 5.5.4 Khảo sát ảnh hƣởng nồng độ đến hiệu hấp phụ asen 5.5.5 Khảo sát ảnh hƣởng cation anion 5.5.6 Nghiên cứu hấp phụ động cột mơ hình Bed - Volume 5.6 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ MƠ HÌNH XỬ LÝ NƢỚC NGẦM NHIỄM ASEN 5.6.1 Cột lọc asen tích hợp mơ hình bình lọc nƣớc hai tầng 5.6.1.1 Thiết kế mơ hình 5.6.1.2 Kết vận hành mơ hình bình lọc nƣớc hai tầng 5.6.1.3 Kết nghiên cứu khả xử lý asen qua lần lọc 5.6.2 Công nghệ xử lý nƣớc ngầm nhiễm asen quy mơ hộ gia đình 5.6.2.1 Sơ đồ công nghệ 5.6.2.2 Thuyết minh sơ đồ công nghệ 5.6.2.3 Thiết kế mơ hình thùng lọc FC CHƢƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 6.1 KẾT LUẬN 6.1.1 Kết luận 6.1.2 Thiếu sót hạn chế 6.2 KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC I: TÍNH TỐN THIẾT KẾ I.1 Tính tốn q trình chuyển khối cột I.2 Thiết kế mơ hình PHỤ LỤC II: TÍNH TỐN KINH TẾ II.1 Chi phí điện tiêu thụ II.2 Chi phí khấu hao thiết bị điều chế II.3 Chi phí cơng điều chế thuê vật tƣ III.2.3 Ảnh hƣởng nồng độ Thông số Nồng độ As vào Nồng độ As đầu Nồng độ trung bình Hiệu suất xử lý Đơn vị ppb Giá trị 50 100 150 200 250 300 13,77 30,01 45,71 56,32 64,19 94,82 12,11 29,21 47,09 58,12 65,78 91,15 11,36 31,02 47,05 59,87 66,53 90,95 ppb 12,41 30,08 46,62 58,10 65,50 92,31 % 75,18 69,17 68,92 70,95 73,80 69,23 ppb III.3 KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG TỚI QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ THEO PHƢƠNG PHÁP CỘT III.3.1 Ảnh hƣởng pH Thông số Đơn vị pH Giá trị Nồng độ As vào ppb Nồng độ As đầu ppb Nồng độ trung bình Hiệu suất xử lý 300 62,18 60,89 59,15 53,78 47,77 54,03 65,43 62,74 59,02 53,59 48,55 55,58 ppb 63,81 61,82 59,09 53,69 48,16 54,81 % 78,73 79,39 80,30 82,10 83,95 81,73 35 40 46 III.3.2 Ảnh hƣởng nhiệt độ Thông số Nhiệt độ Đơn vị C Nồng độ As vào ppb Nồng độ As đầu ppb Nồng độ trung bình Hiệu suất xử lý Giá trị 20 25 30 300 49,96 43,87 37,90 29,98 41,05 42,28 51,09 44,14 37,04 30,20 40,29 42,76 ppb 50,52 44,01 37,47 30,09 40,67 42,52 % 83,16 85,33 87,51 89,97 86,44 85,83 III.3.3 Ảnh hƣởng lƣu lƣợng chảy Thông số Đơn vị Lƣu lƣợng chảy ml/phút Nồng độ As vào ppb Nồng độ As ppb Giá trị 300 28,91 36,18 39,08 38,96 40,05 44,97 53,87 30,31 36,29 38,03 39,82 39,01 46,29 53,46 ppb 29,61 36,24 38,55 39,39 39,53 45,69 53,67 % 90,13 87,92 87,15 86,87 86,82 84,77 82,11 Nồng độ trung bình Hiệu suất xử lý III.3.4 Ảnh hƣởng nồng độ Đơn vị Thông số Nồng độ As vào ppb Nồng độ As đầu ppb Nồng độ trung bình Hiệu suất xử lý Giá trị 50 100 150 200 250 300 5,98 14,92 21,85 38,09 71,11 92,34 7,21 15,29 23,75 38,11 70,10 92,85 ppb 6,60 15,10 22,80 38,10 70,60 92,60 % 86,80 84,90 84,80 80,95 71,76 69,13 III.3.5 Ảnh hƣởng cation Thông số Ảnh hƣởng Cu2+ C0 (ppb) 300 CCu2+ (mg/l) 10 15 Ce As (ppb) 39,54 38,85 30,66 14,94 2,31 % Hấp phụ 86,82 87,05 89,78 95,02 99,23 CeCu2+ (mg/l) - 0,35 0,47 0,75 0,95 % Hấp phụ - 88,33 90,57 92,55 93,68 Thông số Ảnh hƣởng Pb2+ C0 (ppb) 300 CPb2+ (mg/l) 10 Ce As (ppb) 58,67 56,91 65,16 73,53 % Hấp phụ 87,11 81,03 78,28 75,49 CePb2+ (mg/l) - 0,62 1,21 2,63 % Hấp phụ - 79,35 75,89 73,72 Thông số Ảnh hƣởng Zn2+ C0 (ppb) 300 CZn2+ (mg/l) 10 Ce As (ppb) 42,03 43,14 57,03 60,12 % Hấp phụ 85,99 85,62 80,99 79,96 CeZn2+ (mg/l) - 0,32 0,61 1,53 % Hấp phụ - 89,33 87,84 84,71 Thông số Ảnh hƣởng Fe2+ C0 (ppb) 300 CFe2+ (mg/l) 10 Ce As (ppb) 35,67 29,04 23,97 12,69 % Hấp phụ 88,11 90,32 92,01 95,77 CeFe2+ (mg/l) - 0,21 0,25 0,42 % Hấp phụ - 92,91 94,97 95,85 III.3.6 Ảnh hƣởng anion Thông số Ảnh hƣởng NO3- C0 (ppb) 300 CNO3- (mg/l) 500 750 1000 CeAs (ppb) 39,09 49,86 57,63 72,39 % Hấp phụ 86,97 83,38 80,79 75,87 CeNO3- (mg/l) - 101,15 182,78 284,20 % Hấp phụ - 79,77 75,63 Thông số Ảnh hƣởng SO42- C0 (ppb) 300 71,58 CSO42- (mg/l) 100 300 500 Ce As (ppb) 45,33 40,89 42,93 45,78 % Hấp phụ 84,89 86,37 85,69 84,74 CeSO42- (mg/l) - 17,71 68,31 139,9 % Hấp phụ - 82,29 77,23 72,02 III.3.7 Hấp phụ động cột mơ hình Bed- Volume Thời gian Nồng độ As vào Nồng độ As Thể tích xử lý (phút) (ppb) (ppb) (lít) 50 0,71 0,3 50 1,05 1,2 50 1,83 2,4 24 50 2,96 7,2 48 50 5,34 14,4 72 50 7,52 21,6 96 50 9,87 28,8 120 50 10,89 36 144 50 15,06 43,2 168 50 19,93 50,4 192 50 26,22 57,6 216 50 33,18 64,8 240 50 37,33 72 264 50 42,14 79,2 288 50 49,81 86,4 III.4 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MƠ HÌNH XỬ LÝ NƢỚC NGẦM NHIỄM ASEN III.4.1 Vận hành mơ hình bình lọc nƣớc hai tầng (lọc sứ lõi lọc asen FC) Thời gian Nồng độ As vào Nồng độ As Thể tích xử lý Hiệu suất (ngày) (ppb) (ppb) (lít) (%) 52,72 7,02 21,6 86,68 52,72 6,13 28,8 88,37 52,72 4,43 43,2 91,60 52,72 5,32 64,8 89,91 12 52,72 5,46 86,4 89,64 15 52,72 4,09 108 92,24 18 52,72 4,14 129,6 92,15 21 52,72 5,15 151,2 90,23 24 52,72 5,75 172,8 89,09 27 52,72 4,78 194,4 90,93 30 52,72 5,15 216 90,23 33 52,72 4,32 237,6 91,81 36 52,72 5,43 259,2 89,70 39 52,72 4,17 280,8 92,09 42 52,72 5,17 302,4 90,19 45 52,72 5,35 324 89,85 III.4.2 Nghiên cứu khả xử lý asen qua lần lọc Nồng độ As vào Nồng độ As Thể tích xử lý Hiệu suất (ppb) (ppb) (lít) (%) 52,72 17,41 66,98 52,72 11,04 79,06 52,72 8,35 12 84,16 52,72 7,43 16 85,91 52,72 7,02 20 86,68 Số lần lọc PHỤ LỤC IV CÁC HÌNH ẢNH  IV.1 HÌNH ẢNH VỀ VẬT LIỆU ĐIỀU CHẾ Đất sét sấy khô Đất sét ƣớt Bột đất sét sau nghiền Kích thƣớc mùn cƣa