Luận án Nghiên cứu sử dụng vật liệu keo tụ sinh học chế tạo từ hạt muồng hoàng yến (Cassia fistula L.) để cải thiện chất lƣợng nước thải công nghiệp được nghiên cứu với mục tiêu nhằm nghiên cứu vật liệu chế tạo từ hạt Muồng Hoàng Yến kết hợp nano từ tính để cải thiện môi trường nước thải công nghiệp dệt nhuộm và xi mạ.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ Chun ngành: Mơi trƣờng đất nƣớc Mã ngành: 62440303 TÊN NCS: ĐÀO MINH TRUNG TÊN LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG VẬT LIỆU KEO TỤ SINH HỌC CHẾ TẠO TỪ HẠT MUỒNG HOÀNG YẾN (CASSIA FISTULA L.) ĐỂ CẢI THIỆN CHẤT LƢỢNG NƢỚC THẢI CÔNG NGHIỆP Cần Thơ, 2018 CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề Trong năm gần bên cạnh thành tựu to lớn, người dần hủy hoại mơi trường sống chất thải thải từ công đoạn sản xuất mà không qua xử lý xử lý khơng triệt để Q trình nhiễm phần việc sử dụng hóa chất có nguồn gốc hóa học trình vận hành để cải thiện chất lượng nước thải công nghiệp, xi mạ, dệt nhuộm, thủy sản… ứng dụng rộng rãi Trong trình vận hành hệ thống xử lý nước thải phần dư lượng chất ô nhiễm gây ô nhiễm trực tiếp gián tiếp đến môi trường tiếp nhận (Vijayaraghavan, 2011) Ngồi nhiễm thứ cấp làm thay đổi tính chất vật lý, hóa học, sinh học hệ sinh thái nước theo chiều hướng xấu thực trạng cấp thiết cần có giải pháp thay đổi vật liệu trình vận hành từ cải thiện chất lượng mơi trường tiếp nhận (Nguyễn Thị Phương Loan, 2011) Do nghiên cứu tìm vật liệu thân thiện môi trường ngày quan tâm xử lý nước nay, số nghiên cứu điển hình sử dụng vật liệu thân thiện mơi trường như, Mangale Sapanda, 2012; Muhammad Asif Hanif, 2008) Theo Đoàn Thị Thúy Ái (2013), Nguyễn Văn Cường Huỳnh Thị Kim Ngọc (2014); Luciano Carlos et al (2013), nghiên cứu sử dụng vật liệu nano xử lý nước thải ngành công nghiệp dệt nhuộm xi mạ Những nghiên cứu cho thấy vật liệu sinh học có tiềm thay vật liệu có nguồn gốc hóa học bước tiến cần nghiên cứu ứng dụng, đặc biệt hướng đến nghiên cứu vật liệu nano sinh học thu hồi cải thiện chất lượng nước thải hướng nghiên cứu ứng dụng thời gian tới nhằm góp phần cải thiện chất lượng môi trường nước, bảo vệ môi trường phát triển bền vững 1.2 Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu tổng quát: nghiên cứu vật liệu chế tạo từ hạt Muồng Hoàng Yến kết hợp nano từ tính để cải thiện mơi trường nước thải cơng nghiệp dệt nhuộm xi mạ Mục tiêu cụ thể: - Chế tạo vật liệu keo tụ sinh học từ Muồng Hoàng Yến - Phát triển vật liệu keo tụ sinh học với nano từ tính - Tối ưu hóa q trình loại bỏ màu kim loại nặng khỏi nước thải 1.3 Nội dung nghiên cứu - Chế tạo vật liệu keo tụ sinh học Biogum Biogum cải tiến từ hạt Muồng Hoàng Yến - Nghiên cứu loại bỏ màu nước thải dệt nhuộm - Nghiên cứu loại bỏ kim loại nặng (Ni2+, Cu2+, Zn2+) nước thải xi mạ 1.4 Tính luận án - Tìm vật liệu thay vật liệu sinh học ứng dụng cải thiện chất lượng nước thải vật liệu sinh học sử dụng nhiều lần - Ứng dụng vật liệu keo tụ sinh học vào quy trình cơng nghệ nhằm loại bỏ màu COD nước thải dệt nhuộm - Ứng dụng vật liệu keo tụ sinh học vào quy trình cơng nghệ nhằm loại bỏ ion kim loại nước thải xi mạ 1.5 Ý nghĩa khoa học thực tiễn Ý nghĩa khoa học Kết nghiên cứu nguồn số liệu khoa học dùng nghiên cứu ứng dụng Kết nghiên cứu ứng dụng vào đối tượng nước thải có thành phần tính chất nhiễm tương tự Ý nghĩa thực tiễn Luận án cung cấp thông tin khoa học cải thiện chất lượng nước thải công nghiệp dệt nhuộm xi mạ Kết nghiên cứu luận án tạo tiền đề ứng dụng vật liệu thân thiện môi trường xử lý nước nước thải tương lai CHƢƠNG TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1.Tổng quan vật liệu sinh học Thuật ngữ Biogum dùng để gum ly trích từ thực vật, gum định nghĩa polysaccarit có cấu tạo gồm nhiều đơn vị đường liên kết với tạo thành phân tử lớn với thành phần không đồng nhất, bị thủy phân gum tạo thành đơn vị đường đơn giản arabinose, galactose, glucozơ, manozơ, xylozơ hay axit uronic Gum có nhiều tự nhiên thường tìm thấy lồi thực vật bậc cao, gum có ưu điểm dễ phân hủy sinh học, chi phí chế tạo thấp, sẵn có tự nhiên an toàn sinh học (Albuquerque et al., 2016) Phương pháp chung để chiết tách polysaccarit từ thực vật phương pháp hòa tan với kỹ thuật hòa tan nước cất hòa tan dung dịch nước muối 1% (NaCl, KCl…) hòa tan dung dịch axit axetic 1% (Montakhab, 2010; Pawar, 2011; Nguyễn Kim Phi Phụng, 2010) Sau hòa tan, Biogum kết tủa lại dung môi etanol axeton Trong nghiên cứu phương pháp hòa tan nước cất sử dụng để ly trích Biogum - chất thu từ thực vật (Hanif, 2008) Đồng kết tủa phương pháp chế tạo hạt nano từ tính đơn giản hiệu việc điều chỉnh điều kiện thí nghiệm (tác chất nhiệt độ phản ứng) Với phương pháp đồng kết tủa: chất gốc muối vô FeCl2, FeCl3, FeSO4… hòa tan mơi trường nước, sau cho phản ứng với dung dịch bazơ KOH, NaOH, NH4OH chất oxi hóa nhẹ… để tạo kết tủa Sản phẩm kết tủa lọc rửa nước cất làm khô nhiệt độ 40 - 60oC chân không Các hạt tổng hợp có kích thước từ vài nanomet đến vài chục nanomet Bằng cách thay đổi yếu tố tỉ lệ vật liệu ban đầu, trạng thái oxy hóa, pH dung dịch, lực ion… kích thước hạt kiểm sốt từ - 15nm (Laurent et al., 2008) 2.2 Các cơng trình nghiên cứu Hiện có nhiều nghiên cứu ngồi nước tiến hành ly trích vật liệu keo tụ có nguồn gốc sinh học từ hạt Chùm ngây, Ơ mơi, Thảo minh (TNkurunziz et al., 2009; Pal et al., 2014; Lea et al., 2014; Malavika, 2010; Eman et al., 2010; Shak et al., 2014; Subramonian et al., 2014…) Phương pháp ly trích sử dụng chủ yếu ly trích hạt phương pháp hòa tan kết tủa lại dung mơi hữu Quy trình ly trích gum Muồng Hoàng Yến thực phương pháp hòa tan nước cất kết tủa lại gum axeton, sản phẩm sau ly trích ứng dụng xử lý nước Yuan Shing Perng et al (2014) nghiên cứu khả khử màu Biogum nước thải dệt nhuộm áp dụng cho hai phẩm nhuộm hoạt tính RB5 RB19 Kết điều kiện pH lượng chất keo tụ có vai trò quan trọng q trình lắng việc sử dụng Biogum kết hợp với PAC phương pháp hiệu việc xử lý nước thải màu nhuộm Hanif et al (2008) nghiên cứu chi tiết khả Biogum xử lý nước thải ngành công nghiệp dệt sợi Kết hiệu xử lý nước thải Biogum Muồng Hoàng Yến phụ thuộc vào lượng chất keo tụ pH nước thải Lượng tối ưu để xử lý nước tốt 1.500 mg/L Kết nghiên cứu Rachakornkij et al (2004) cho thấy chất keo tụ từ tro bã mía có khả loại bỏ - 98% màu nhuộm hoạt tính, kết đạt cao tiến hành với nồng độ đầu vào nước thải 50 mg/L pH ban đầu mẫu nước thải Trong kết nghiên cứu Maruthi et al (2013) cho thấy hấp thụ sinh học ion kim loại Fe2+ bột hạt Nirmali cho hiệu loại bỏ 30% ion Fe2+ Theo kết nghiên cứu Harpreet et al (2015) chất thải nông nghiệp gồm rơm, mùn cưa, lõi bắp sử dụng chất hấp phụ màu nhuộm, hiệu suất loại bỏ màu nhuộm đạt từ 70 - 75% Khả khử màu từ nước dệt nhuộm nhân tạo Biogum nghiên cứu nhiều nhà khoa học nước Kết hướng ứng dụng chất keo tụ trợ keo tụ có nguồn gốc sinh học thân thiện môi trường cải thiện chất lượng môi trường nước nước thải Theo kết nghiên cứu Salehzadeh (2013) cho thấy vật liệu hấp phụ từ tự nhiên Xanthium Pensylvanicum có hiệu việc loại bỏ ion kim loại nặng khỏi nước thải, hiệu loại bỏ ion kim loại phụ thuộc vào pH dung dịch nồng độ nước thải đầu vào, pH = nồng độ đầu vào 10 mg/L hiệu suất loại bỏ ion kim loại Ni2+, Cu2+, Zn2+ đạt tương ứng 80%, 70% 20% Theo kết nghiên cứu Annadurai et al (2002) vật liệu hấp phụ từ vỏ cam vỏ chuối có khả hấp phụ ion kim loại (Ni2+, Cu2+, Zn2+) khả hấp phụ giảm theo thứ tự sau: Ni2+ > Zn2+ > Cu2+ Kết nghiên cứu cho thấy vỏ cam cho hiệu hấp phụ kim loại nặng đạt hiệu hấp phụ 6,01 mg/g (Ni2+); 5,25 mg/g (Zn2+); 3,65 mg/g (Cu2+) cao vỏ chuối 6,88 mg/g (Ni2+); 5,80 mg/g (Zn2+); 4,75 mg/g (Cu2+) Kết nghiên cứu Liu et al (2016) cho thấy nanocomposit xanthat Fe3O4chitosan gắn graphen oxit có khả hấp phụ ion Cu2+ cao pH ban đầu mẫu nước thải với dung lượng hấp phụ đạt 442,48 mg/g Khả hấp phụ ion Cu2+ xanthat Fe3O4- chitosan gắn graphen oxit hai nhân tố - nhân tố thứ số lượng lớn nhóm chức (-COO-, -NH2, -CS2-) bề mặt phân tử nanocomposit tạo nhiều vị trí hấp thụ, nhân tố thứ hai số lượng lớn nhôm chức (-COO-, -NH2) chitosan giúp nanocomposit dễ dàng hút nước phân tán dung dịch Xanthat Fe3O4- chitosan gắn graphen oxit coi chất hấp phụ Cu2+ hiệu tương đối thân thiện với môi trường, dễ phục hồi, thuận tiện để sử dụng thực tế Đỗ Thị Hoài Thanh ctv (2011) nghiên cứu ảnh hưởng tỷ lệ bột gỗ nhựa PP (Polypropylen) đến tính chất Biogum cải tiến gỗ nhựa, kết nghiên cứu sở xây dựng quy trình cơng nghệ lựa chọn tỷ lệ gỗ/nhựa phù hợp cho trình tạo vật liệu này, đồng thời mở định hướng cho nghiên cứu Biogum cải tiến Kết nghiên cứu Shaoping Tong et al (2010) cho thấy chất xúc tác Fe3O4CoO/Al2O3 cho phép cải thiện đáng kể hiệu ozon hóa q trình phân hủy hợp chất hữu axit propionic, nitrobenzen axit oxalic có nước thải Nghiên cứu Thitame et al (2016) cho kết cải thiện màu nhuộm từ than hoạt tính chế tạo từ vỏ hạt hạnh nhân xơ dừa Ngoài vật liệu lọc màng Unlu et al (2009) nghiên cứu, kết cho thấy màng lọc nano (NF) màng lọc micro (MF) cải thiện độ màu đạt 99% COD đạt 97% Mặc dù Biogum thể tốt hiệu xử lý nước thải cơng nghiệp có nhược điểm thu hồi tái sử dụng Ngày nay, khoa học ngày phát triển nhu cầu tìm loại vật liệu sinh học thân thiện với mơi trường vừa có khả xử lý hiệu vừa thu hồi tái sử dụng cần thiết thiết thực CHƢƠNG VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 Phƣơng pháp chung 3.1.1 Phƣơng pháp chế tạo vật liệu * Biogum: + Phương pháp điều chế: Ly trích phương pháp hòa tan nước cất tạo tủa dung môi aceton (Bùi Thị Thu Hương, 2017) - Bước 1: Bóc tách hạt, xay, nghiền, rây bột qua lưới có kích thước lỗ 0,18 mm - Bước 2: Loại màu chất béo thiết bị soxhlet - Bước 3: Ly tâm để thu gel - Bước 4: Chưng cất dung dịch sau ly tâm aceton - Bước 5: Thu sản phẩm + Sản phẩm thu được: Vật liệu Biogum *Biogum cải tiến: Phương pháp điều chế (Thân Văn Long ctv., 2017): - Bước 1: Tổng hợp hạt Nano từ tính - Bước 2: Làm giàu –OH hạt Nano từ tính - Bước 3: Tổng hợp vật liệu Biogum cải tiến 3.1.2 Bố trí thí nghiệm thiết bị Jartest Mục tiêu: Xác định pH nồng độ sử dụng vật liệu tối ưu đối tượng nước thải nghiên cứu Sơ đồ thí nghiệm: Nước thải Chưa đạt - Đo pH; phân tích màu COD - Xác định pH, lượng chất keo tụ tối ưu Jartest Đạt Áp dụng thông số tối ưu - Đo pH; màu, COD - Xác định pH, lượng tối ưu Pilot Đạt Chưa đạt Xác định lại thông số tối ưu bước khuấy Jartest Áp dụng thực tế Hình 3.1: Thí nghiệm với nước thải dệt nhuộm thiết bị Jartest Pilot 3.1.3 Bố trí thí nghiệm thiết bị Pilot Mục tiêu: Ứng dụng thông số vận hành nghiên cứu thiết bị Jartest vào thực tiễn Sơ đồ thí nghiệm: Nước thải Chưa đạt - Đo pH; kim loại - Xác định pH, lượng chất keo tụ tối ưu Jartest Đạt Áp dụng thông số tối ưu - Đo pH; phân tích kim loại - Xác định pH, lượng tối ưu Pilot Đạt Chưa đạt Xác định lại thông số tối ưu bước khuấy Jartest Áp dụng thực tế Hình 3.2: Thí nghiệm với nước thải dệt nhuộm thiết bị Jartest Pilot 3.2 Xử lý số liệu Số liệu thu thập xử lý tính tốn chương trình Microsoft Excel phân tích thống kê phần mềm phân tích thống kê SPSS version 16.0 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1 Kết ứng dụng vật liệu Biogum Biogum cải tiến cải thiện chất lƣợng nƣớc thải dệt nhuộm Nghiên cứu thực cố định giá trị pH tối ưu thay đổi liều lượng Biogum sử dụng, nước thải dệt nhuộm RR lượng Biogum khảo sát từ 0,75 g/L đến 1,35 g/L Với nước thải NMDN thay đổi lượng Biogum từ 0,9 g/L đến 2,1 g/L Hình 4.1: Xác định liều lượng tối ưu Biogum nước thải RR Hình 4.2: Xác định liều lượng tối ưu Biogum nước thải NMDN Kết nghiên cứu từ Hình 4.1 4.2 cho thấy hiệu suất loại màu COD sử dụng vật liệu Bigoum loại màu nước thải RR đạt 91,20%; nước thải NMDN đạt 82,30%, COD đạt 72,66 cho nước thải RR 78,92% cho nước thải NMDN Tiến hành khảo sát xung quanh lượng pH tối ưu (pH ban đầu mẫu nước) để xác định lượng Biogum cải tiến tối ưu cho mẫu nước thải ” Hình 4.3: Xác định liều lượng tối ưu Biogum cải tiến nước thải RR Hình 4.4: Xác định liều lượng tối ưu Biogum cải tiến NMDN Kết nghiên cứu cho thấy độ màu giảm, COD giảm theo hiệu suất loại bỏ COD mẫu nước thải RR, NMDN đạt 95,13% So với Biogum, Biogum cải tiến cho hiệu cải thiện chất lượng nước tốt 10 4.2 Kết ứng dụng vật liệu Biogum Biogum cải tiến cải thiện chất lƣợng nƣớc thải xi mạ Giữ pH ban đầu mẫu nước thải (pH tối ưu), thay đổi lượng Biogum từ 0,4 - g/L nước thải xi mạ giả định 1,6 – 4,8 g/L mẫu NMXM Hình 4.5: Xác định liều lượng tối ưu Biogum nước thải xi mạ giả định Hình 4.6: Xác định liều lượng tối ưu Biogum cải tiến NMDN Kết nghiên cứu xác định thông số tối ưu Biogum cho mẫu nước giả định pH = lượng Biogum 0,8 g/L mẫu Cu2+ Zn2+, 1,6 g/L mẫu Ni2+ với hiệu suất loại bỏ kim loại 79,26% (Ni2+); 83,11% (Cu2+); 82,96% (Zn2+) Kết nghiên cứu nước thải nhà máy cho thấy 2,4 g/L Biogum loại bỏ tối đa 58,91% ion Ni2+; g/L Biogum loại bỏ 71,78% ion Cu2+; 3,2 g/L Biogum loại bỏ 78,06% ion Zn2+ Từ xác định lượng thích hợp để loại bỏ ion kim loại cho mẫu nước thải với thành phần ô nhiễm khác Nghiên cứu đối tượng nước thải xi mạ giả định có nồng độ đầu vào 25 mg/L, biến thiên lượng Biogum cải tiến từ 0,25 g/L đến 0,75 g/L, nghiên cứu đối tượng nước thải NMXM, biến thiên lượng Biogum cải tiến từ 0,5 g/L đến 1,125 g/L 11 Hình 4.7: Xác định liều lượng tối ưu Biogum cải tiến nước thải xi mạ giả định Hình 4.8: Xác định liều lượng tối ưu Biogum cải tiến nước thải xi mạ XMNM Kết nghiên cứu từ Hình 4.7 cho thấy liều lượng tối ưu, Biogum cải tiến cải thiện ion kim loại nước thải giả định đạt cao với ion đồng 97,17%, ion kẽm đạt 94,97% thấp ion niken 92,93% Khi nghiên cứu nước thải xi mạ nhà máy, kết từ Hình 4.8 cho thấy Biogum cải tiến đạt hiệu suất loại bỏ cao với ion kẽm đạt 94,92% sau ion đồng đạt 94,51% thấp ion niken đạt 89,10% Qua cho thấy hiệu suất cải thiện chất lượng nước Biogum cải tiến đạt hiệu ion kim loại nước thải nhà máy đạt từ 89,10 - 94,92% thấp nước thải giả định đạt từ 92,93 - 97,17% Kết giải thích nước thải nhà máy chứa nhiều thành phần ô nhiễm dẫn đến vật liệu Biogum hấp phụ kim loại nặng hấp phụ thành phần nhiễm khác, dẫn đến hiệu suất cải thiện giảm đáng kể 12 4.3 Khả thu hồi tái sử dụng vật liệu Biogum cải tiến Trên nƣớc thải dệt nhuộm Kết Hình 4.9 4.10 cho thấy hoạt tính keo tụ giảm khơng đáng kể sau lần thu hồi tái sử dụng Nghiên cứu cho thấy vật liệu Biogum cải tiến sau thu hồi sử dụng lại để cải thiện độ màu nước thải dệt nhuộm thu kết đáng khả quan, qua nghiên cứu cho thấy hiệu suất loại bỏ màu nước thải RR đạt 93,27% đạt 92,50% cải thiện độ màu nước thải NMDN sau lần thu hồi lần Qua cho thấy so sánh với chất keo tụ truyền thống, Biogum cải tiến có ưu điểm vừa giữ đặc tính keo tụ Biogum vừa tạo bơng cặn có từ tính dễ dàng tách bơng cặn khỏi dung dịch từ trường nam châm đồng thời tăng hiệu xử lý bùn thu hồi triệt để bùn lắng nhanh làm giảm thể tích bể chứa thời gian lắng thấp dẫn đến giảm chi phí xây dựng vận hành, từ tăng H% thu hồi bùn triệt để tăng lắng nhanh Hình 4.9: Hiệu suất loại màu Biogum cải tiến sau lần thu hồi nước thải RR Hình 4.10: Hiệu suất loại màu COD Biogum cải tiến sau lần thu hồi nước thải NMDN Chú thích: CTH1, CTH2, CTH3, CTH4, CTH5: sử dụng Biogum cải tiến thu hồi lần 1, 2, 3, 4, Hiệu suất loại màu PAC, Biogum Biogum cải tiến đạt 13 99,97%; 91,20%; 99,97% (RR) 94,10%; 82,30%; 99,03% (NMDN) Hiệu suất loại COD PAC, Biogum Biogum cải tiến đạt 91,33%; 72,66%; 96,00% (RR) 78,14%; 78,92%; 95,13% (NMDN) Trên nƣớc thải xi mạ Kết nghiên cứu từ Hình 4.11 cho thấy khả cải thiện chất lượng nước thải xi mạ Biogum cải tiến thu hồi sử dụng 0,5 g/L Biogum cải tiến mẫu nước Cu2+, Zn2+ 0,375 g/L Biogum cải tiến mẫu nước Ni2+, kết nghiên cứu cho thấy đến lần thu hồi thứ 3, hàm lượng ion Zn2+ lại vào khoảng 5,83 mg/L với hiệu suất đạt 76,69%; hàm lượng ion Cu2+ lại vào khoảng 5,82 mg/L với hiệu đạt 76,73%; hàm lượng ion Ni2+ lại vào khoảng 5,91 mg/L với hiệu suất đạt 76,37% Vậy Biogum cải tiến thu hồi tái sử dụng lần mẫu nước thải xi mạ nghiên cứu Hình 4.11: Hiệu suất loại bỏ kim loại Biogum cải tiến lần thu hồi So sánh với kết nghiên cứu Liu et al (2016) cho thấy khả hấp phụ vật liệu nanocomposit xanthat Fe3O4-Chitosan graphen oxit cho hiệu thu hồi tái sử dụng sau lần Tuy nhiên so sánh với nghiên cứu Suman et al (2016) cho thấy hiệu suất loại bỏ ion kim loại Pb2+ Cr3+ nanocomposit (nanocenlulozơ - nano bạc) giảm không đáng kể sau lần thu hồi tái sử dụng Khả hấp phụ Pb2+ giảm từ 99,48% xuống 98% khả hấp phụ Cr3+ giảm từ 98,30% xuống 97,80% Qua cho thấy Biogum cải tiến cho hiệu thấp nghiên cứu Liu et al (2016) Vậy để tăng hiệu cải thiện vật liệu thu hồi cần nghiên cứu điều kiện tối ưu sử dụng lại vật liệu 4.4 Khả phân hủy sinh học vật liệu Biogum Khả phân hủy sinh học Biogum đánh giá cách khảo sát độ giảm khối lượng Biogum Kết nghiên cứu độ giảm khối lượng Biogum từ Hình 4.12 cho thấy Biogum có độ giảm khối lượng sau 15 ngày vi sinh vật 14 sử dụng Biogum làm chất dinh dưỡng trình phát triển phần trình tự phân hủy Biogum theo nguyên tắc bán phân hủy theo thời gian Hình 4.12: Hiệu suất giảm khối lượng Biogum theo thời gian Kết nghiên cứu cho thấy Biogum cho vào nước cất sau 15 ngày giảm 55,83% khối lượng so với ban đầu, cho vào nước thải dệt nhuộm sau 15 ngày giảm 35,98% khối lượng so với ban đầu, cho vào nước thải xi mạ (Cu2+) sau 15 ngày giảm 30,55% khối lượng so với ban đầu Từ cho thấy Biogum có khả phân hủy môi trường nước tự nhiên môi trường nước nghiên cứu Từ kết nghiên cứu cho thấy Biogum vừa có khả phân hủy sinh học mơi trường nước vừa có khả cải thiện chất ô nhiễm, kim loại nặng, màu, COD nước thải khả hấp phụ Biogum 4.5 Cấu trúc vật liệu Biogum Biogum cải tiến 4.5.1 Cấu trúc vật liệu Biogum Kết nghiên cứu từ Hình 4.13 cho thấy phổ hấp thu bước sóng hồng ngoại có dao động mạnh tần số 3425,5 cm-1 vùng 980 - 1200 cm-1, dao động giãn đặc trưng nhóm -OH nhóm C-OH, C-O (Cerqueira et al., 2011), từ xác nhận cấu tạo Biogum chứa nhiều nhóm nhóm chức -OH Các nhóm -OH cầu nối hình thành liên kết hóa học Biogum với chất nhiễm giúp Biogum có khả keo tụ loại bỏ chất ô nhiễm 15 FT-IR Gum 100 Transmittance (%) 95 90 85 80 75 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 Wavenumber (cm-1) Hình 4.13: Kết FT-IR Biogum Kết nghiên cứu Kapoor (2000) galactomannan trích ly từ hạt thực vật chi Cassia cho thấy galactomannan có cấu trúc gồm mạch phân tử đường β-D-mannozơ liên kết với liên kết (1→4) glycosid mạch nhánh đường α-D-galactozơ liên kết với mạch liên kết (1→6) glycosid Kết phân tích phổ cộng hưởng từ hạt nhân 13C-NMR Biogum (Hình 4.15) cho thấy tín hiệu cacbon Biogum nghiên cứu tương đồng với tín hiệu cacbon tác giả Kapoor (Hình 4.14), từ xác định thành phần hoạt tính Biogum galactomannan Từ kết phân tích liệu phổ hồng ngoại FT-IR (Hình 4.13) kết phân tích phổ 13C-NMR (Hình 4.14) Biogum cho thấy có mặt nhóm chức -OH Biogum, kết lần xác nhận Biogum hạt Muồng Hoàng Yến galactomannan Hình 4.14: Phổ 13C-NMR Biogum hạt Cassia nodosa (Kapoor, 2000) 16 Hình 4.15: Phổ 13C-NMR Biogum hạt Muồng Hoàng Yến Theo kết nghiên cứu Tegshi Muschin (2012); Verma et al (2012) chế keo tụ Biogum giải thích hình thành liên kết nhóm -OH phân cực phân tử galactomannan Biogum với cặp electron nguyên tử Nitơ electron vòng benzen phân tử chất ô nhiễm để tạo thành cặn lớn loại bỏ nhờ trọng lực Theo kết nghiên cứu Srivastava et al (2005), cho Biogum vào nước thải chứa ion kim loại, nhóm cis OH Biogum kết hợp với ion kim loại để hình thành hợp chất phức không tan dẫn đến ion kim bị loại khỏi nước Hình 4.16: Ảnh SEM Biogum ly trích từ hạt Muồng Hồng Yến Kết chụp ảnh SEM (Hình 4.16) cho thấy Biogum ly trích từ hạt Muồng Hồng Yến chất bột vơ định hình với bề mặt gồ ghề Từ kết nghiên cứu thành phần cấu trúc hiển thị Hình 4.16 cho thấy bề mặt gồ ghề, lồi lõm vật liệu dự đốn Biogum có khả loại bỏ cation kim loại nặng, chất màu chất hữu khác có nước thải hấp phụ bề mặt 4.5.2 Cấu trúc vật liệu Biogum cải tiến Với mục đích đánh giá cấu trúc thành phần Biogum cải tiến phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), SEM, phổ hồng ngoại (FT-IR), phương pháp đo độ từ hóa 17 từ kế mẫu rung (VSM) sử dụng Cấu trúc hạt nano từ tính CoFe 2O4 điều chế kiểm tra phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), SEM phổ hồng ngoại (FT-IR), tính chất từ kiểm tra từ kế mẫu rung (VSM) Hình 4.17: Giản đồ phổ FT-IR (a) hạt nano; (b) Biogum sinh học trích ly từ hạt Muồng Hoàng Yến; (c) vật liệu Biogum cải tiến CoFe2O4 - Biogum Giản đồ Hình 4.17 phù hợp với kết nghiên cứu Pui (2011) Theo kết nghiên cứu Gherca (2011) Pui (2011), kết nghiên cứu cho thấy hai nhóm dao động mạnh khoảng 409 cm-1 khoảng 594 cm-1 tương ứng với dao động mạnh bên hợp chất có cấu trúc tứ diện phối hợp với bát diện cấu trúc spinel Sự khác độ truyền qua đặc tính dao động cho độ dài liên kết oxy với ion kim loại lỗ trống bát diện ngắn độ dài liên kết oxy với ion kim loại lỗ trống tứ diện Tập hợp hạt CoFe2O4 có kích thước nano mét nên diện tích bề mặt riêng lớn, phân tán tốt có tiềm ứng dụng xử lý nước thải nhờ khả hấp phụ ion kim loại, chất hữu cơ, chất màu… Mặt khác hạt CoFe 2O4 từ tính dễ thu hồi tái sử dụng lại sau q trình hấp phụ nhờ từ trường ngồi, phương pháp tổng hợp đơn giản Việc tách từ trường tạo điều kiện thuận lợi trình điều chế, tách tái sử dụng vật liệu, đảm bảo tính kinh tế vừa tiết kiệm thời gian Biogum cải tiến vật liệu dạng bột màu đen có từ tính điều chế phương pháp đồng kết tủa sử dụng chất hoạt động bề mặt sodium dodecyl sulfat Kết phân tích phổ hồng ngoại mẫu Biogum cải tiến (Hình 4.17) cho thấy diện pic đặc trưng hạt nano từ tính gồm dao động tần số 586 412 cm-1 đặc trưng cho dao động liên kết kim loại với oxy nằm phổ Biogum cải 18 tiến Và có mặt pic tần số 1134 983 cm-1 đặc trưng cho liên kết tương ứng gồm C-O, C-O-H Hình 4.18: Đường cong từ trễ hạt CoFe2O4 vật liệu Biogum cải tiến (BiogumCoFe2O4) Ghi chú: - a Nano - b Biogum Đường cong từ trễ hạt nano từ tính CoFe2O4 vật liệu Biogum cải tiến (Hình 4.18) cho thấy có giảm rõ rệt từ độ bão hòa vật liệu kết hợp Biogum sinh học với hạt nano CoFe2O4 Khi có mặt Biogum sinh học, từ tính vật liệu tổng hợp giảm đáng kể (từ 65 emu/g 25 emu/g) Sự bao phủ Biogum lên hạt nano làm giảm lực kháng từ vật liệu, từ 208 Oe lực kháng từ giảm 115 Oe Giản đồ phân tích nhiệt TGA (Hình 4.19) cho thấy vật liệu Biogum cải tiến tổng hợp thay đổi khối lượng khoảng nhiệt độ chính, gồm khoảng 63 - 150oC; 200 - 250oC 317 - 400oC Khi nung đến khoảng 150oC, khối lượng giảm 5,54%; nguyên nhân bốc nước phân tử nước hấp phụ bề mặt bẻ gãy liên kết nước hóa học vật liệu Giai đoạn thứ 2, với nhiệt độ khoảng 200 - 250oC khối lượng mẫu giảm 6,37%, giải thích khử gốc -OH cấu trúc spinel phân hủy tác dụng nhiệt phân tử Biogum gắn lên bề mặt hạt CoFe2O4 Giai đoạn cuối 400 - 600oC, độ giảm khối lượng 4,6%, giai đoạn Biogum bề mặt hạt CoFe2O4 tiếp tục bị phân hủy nhiệt hình thành pha tinh thể kim loại liên kết với oxy Trên giản đồ TGA giảm khối lượng đáng kể tăng nhiệt độ đến 850 oC, điều cho thấy giá trị nhiệt độ hạt tinh thể hình thành hoàn toàn tinh khiết (Hasxhim et al., 2013) 19 Hình 4.19: Giản đồ phân tích nhiệt vật liệu Biogum cải tiến Hình 4.20: Hình Biogum cải tiến bị hút từ tính nam châm Ghi chú: (a) Dung dịch chứa vật liệu Biogum cải tiến cốt hạt nano từ tính, (b) Vật liệu Biogum cải tiến cốt hạt nano từ tính lắng nam châm (c) sau lấy nam châm a b Hình 4.21: Hình (a) PAC (b) Biogum khơng bị hút từ nam châm Kết nghiên cứu cho thấy Biogum cải tiến bị hút từ tính nam châm phía Biogum PAC khơng bị ảnh hưởng lực từ Hình 4.21, qua tiến hành khảo sát khả cải thiện chất lượng nước vật liệu biogum cải tiến sau thu hồi tái sử dụng vật liệu 20 CHƢƠNG KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 5.1 Kết luận Kết đề tài “Nghiên cứu sử dụng vật liệu keo tụ sinh học chế tạo từ hạt Muồng Hoàng Yến (Cassia fistal L.) để cải thiện chất lượng nước thải cơng nghiệp” có kết vật liệu keo tụ sinh học Biogum Biogum cải tiến cho kết cải thiện chất lượng nước thải công nghiệp dệt nhuộm xi mạ cụ thể sau: Với nước thải dệt nhuộm Nghiên cứu cải thiện chất lượng nước thải dệt nhuộm giả định RR (reactive red 3BS) nước thải NMDN (nhà máy dệt nhuộm) cho thấy PAC, Biogum Biogum cải tiến cho kết đạt hiệu suất loại màu cao, với hiệu suất loại bỏ màu nước thải RR đạt 99,97% sử dụng vật liệu PAC, 91,20% sử dụng Biogum 99,97% sử dụng vật liệu Biogum cải tiến Mặt khác khảo sát đối tượng nước thải NMDN, hiệu suất loại bỏ màu PAC đạt 94,10%, Biogum đạt 82,30% Biogum cải tiến đạt 99,03% Mặt khác ứng dụng thông số tối ưu pH liều lượng xác định từ thiết bị Jartest vào vận hành thiết bị Pilot, kết nghiên cứu cho thấy Biogum cải tiến đạt hiệu suất loại bỏ màu cao PAC Biogum, đạt hiệu suất loại bỏ màu cao 94% Với nước thải xi mạ Khi nghiên cứu cải thiện chất lượng nước thải xi mạ Ni2+, Cu2+ Zn2+, kết nghiên cứu cho thấy hiệu loại bỏ ion kim loại PAC đạt thấp cao Biogum cải tiến hai đối tượng nước thải xi mạ giả định nhà máy PAC cho hiệu xuất loại bỏ ion kim loại giả định đạt cao với Cu2+ (68,93%) Biogum đạt thấp với nước thải Ni2+ (79,26%) cao với nước thải Cu2+ (83,11%) Trong hiệu suất loại bỏ ion kim lại Biogum cải tiến đạt cao Ni2+ (92,93%) ; Cu2+ (97,17%) Zn2+ (94,97%) Kết cho thấy Biogum Biogum cải tiến cho hiệu suất cải thiện chất lượng nước thải xi mạ giả định cao nhất, đồng nghĩa với hiệu xử lý tốt Mặt khác nghiên cứu hiệu loại bỏ ion kim loại nước thải NMXM, kết nghiên cứu cho thấy vật liệu PAC cho hiệu suất loại bỏ ion kim loại đạt cao ion Zn2+ (58,73%) Vật liệu Biogum đạt hiệu suất loại bỏ cao đạt cao với ion Zn2+ (78,06%) Biogum cải tiến đạt hiệu suất loại bỏ ion kim loại cao so với PAC Biogum, Ni 2+ đạt 89,10%, Cu2+ đạt 94,51% Zn2+ đạt 94,92% Kết cho thấy Biogum Biogum cải tiến cho hiệu cải thiện chất lượng nước thải xi mạ Cu, Zn Ni đạt hiệu suất cao nhiều so với vật liệu đối chứng PAC Và thực tế khảo sát vận hành nước thải xi mạ giả định thiết bị Pilot, kết nghiên cứu cho thấy Biogum cho hiệu suất loại bỏ cao Ni 2+ (98,88%) Biogum cải tiến đạt cao với Ni2+ (99,15%) Mặt khác vận hành với nước thải NMXM cho hiệu thấp nước thải giả định, Biogum đạt 21 hiệu suất cao với ion kim loại Cu2+ đạt 63,87% Biogum cải tiến đạt hiệu suất cao với ion Zn2+ 95,06% Kết nghiên cứu xác định Biogum Biogum cải tiến có tiềm cải thiện tốt với nước thải xi mạ đồng kẽm loại xi mạ nghiên cứu Với kết nghiên cứu thấy Biogum cải tiến có tiềm thay vật liệu có nguồn gốc hóa học PAC cơng nghệ xử lý nước thải công nghiệp dệt nhuộm xi mạ Khả thu hồi tái sử dụng vật liệu Biogum cải tiến Vật liệu sử dụng cải thiện chất lượng nước thải công nghiệp thông thường tan nước, khó thu hồi sau sử dụng Với Biogum cải tiến kết hợp oxit sắt từ Biogum sinh học vừa có khả cải thiện chất lượng nước thải mặt khác dễ thu hồi sau sử dụng, dựa vào tính từ oxit sắt thu hồi dễ dàng nam châm Kết nghiên cứu cho thấy vật liệu sau thu hồi tái sử dụng sau thu hồi đạt hiệu suất loại màu đạt 92,50% sau lần thu hồi tái sử dụng lần Tóm lại, kết nghiên cứu cho thấy Biogum cải tiến vật liệu có nguồn gốc sinh học có khả thu hồi tái sử dụng lại cho hiệu suất loại bỏ màu nước thải dệt nhuộm ion kim loại nước thải xi mạ Qua khẳng định tiềm vật liệu cần nghiên cứu ứng dụng vào quy trình xử lý nước thải thực tế, từ góp phần vào bảo vệ môi trường ngày bền vững 5.2 Đề xuất Về vật liệu nghiên cứu tương tự, đề xuất nghiên cứu vật liệu Biogum Biogum cải tiến từ loại hạt có tính chất tương tự Muồng Hồng Yến xương rồng, bột mì, vỏ cam, vỏ bưởi, chế tạo làm vật liệu cải thiện chất lượng nước thân thiện môi trường 22 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ Dao Minh Trung, Tran Thi Thanh Ngoc, Nguyen Thi Thao Tran, Ngo Kim Dinh, Nguyen Vo Chau Ngan (2016) Natural auxiliary coagulants – perspectives for the treatment of textile westwater J.Viet.Env.2016, Vol 8, No 3, pp 190 – 194 ISSN: 2193 6471 Đào Minh Trung, Nguyễn Võ Châu Ngân, Ngô Kim Định (2016) Hiệu xử lý nước thải dệt nhuộm chất trợ keo tụ hóa học sinh học Tạp chí Khoa Học Trường Đại Học Sư Phạm Thành Phố Hồ Chí Minh Số (87)/2016, tr 127 - 137 ISSN: 1859 – 3100 Đào Minh Trung, Bùi Thị Thu Hương, Nguyễn Võ Châu Ngân (2016) Ứng dụng chất trợ keo tụ sinh học cải thiện chất lượng nước thải thủy sản Tạp chí Khoa Học Trường Đại Học Sư Phạm Thành Phố Hồ Chí Minh Số (84)/2016, tr 134 -146 ISSN: 1859 – 3100 Đào Minh Trung, Bùi Thị Thu Hương, Ngô Kim Định Nguyễn Võ Châu Ngân (2016) Hiệu cải thiện chất lượng nước thải chế biến thủy sản số chất trợ keo tụ chiết xuất từ thực vật Tạp chí Phát triển khoa học Cơng nghệ, Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh Tập 19, Số T6-2016, tr 265- 277 ISSN: 1859 - 0128 Đào Minh Trung, Nguyễn Võ Châu Ngân (2017) Đánh giá chất lượng nước thải xi mạ đồng (Cu2+) chất keo tụ sinh học trích ly từ hạt muồng hồng yến (biogum) Tạp chí Khoa Học Trường Đại Học Sư Phạm Thành Phố Hồ Chí Minh Số T2 - 2017, tr 101 – 110 ISSN: 1859 – 3100 Đào Minh Trung, Nguyễn Võ Châu Ngân, Nguyễn Xuân Dũ, Lê Văn Huỳnh, Ngô Kim Định (2017) Nghiên cứu xử lý tách ion Cu2+ từ nước thải mạ đồng GumHYCoFe2O4 (Biogum cải tiến) Tạp chí xúc tác Hấp phụ Việt Nam, Hội xúc tác Hấp phụ Việt Nam Số T6 - No4/2017, tr 117 - 120 ISSN: 0866 - 7411 23 ... sử dụng vật liệu 20 CHƢƠNG KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 5.1 Kết luận Kết đề tài Nghiên cứu sử dụng vật liệu keo tụ sinh học chế tạo từ hạt Muồng Hoàng Yến (Cassia fistal L.) để cải thiện chất lượng nước. .. Zn2+) nước thải xi mạ 1.4 Tính luận án - Tìm vật liệu thay vật liệu sinh học ứng dụng cải thiện chất lượng nước thải vật liệu sinh học sử dụng nhiều lần - Ứng dụng vật liệu keo tụ sinh học vào... tính để cải thiện mơi trường nước thải công nghiệp dệt nhuộm xi mạ Mục tiêu cụ thể: - Chế tạo vật liệu keo tụ sinh học từ Muồng Hoàng Yến - Phát triển vật liệu keo tụ sinh học với nano từ tính