Nghiên cứu tận dụng bùn thải từ nhà máy nước cấp ứng dụng làm vật liệu hấp phụ H2S

Nghiên cứu này đánh giá khả năng hấp phụ H2S của các vật liệu từ bùn nước cấp nhằm tìm ra hướng giải quyết cho vấn đề chất thải rắn (bùn thải) đồng thời tìm được vật liệu hấp phụ rẻ tiền, có sẵn với số lượng lớn có thể xử lý khí thải (H2S).

Hóa học Kỹ thuật mơi trường NGHIÊN CỨU TẬN DỤNG BÙN THẢI TỪ NHÀ MÁY NƯỚC CẤP ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU HẤP PHỤ H2S Lâm Phạm Thanh Hiền1,2, Lê Thị Kiều Thi1,2, Đặng Văn Thành3, Nguyễn Nhật Huy1,2* Tóm tắt: Bùn thải từ nhà máy nước cấp với thành phần kim loại có nguồn gốc từ chất keo tụ (Al, Fe) có tiềm ứng dụng chế tạo vật liệu nano xử lý môi trường Nghiên cứu đánh giá khả hấp phụ H2S vật liệu từ bùn nước cấp nhằm tìm hướng giải cho vấn đề chất thải rắn (bùn thải) đồng thời tìm vật liệu hấp phụ rẻ tiền, có sẵn với số lượng lớn xử lý khí thải (H2S) Các đặc trưng hình thái thành phần khống chất có mẫu bùn xác định phương pháp phân tích kính hiển vi điện tử quét SEM phổ EDS Ảnh hưởng nồng độ lưu lượng H2S đầu vào đến hiệu xử lý đánh giá Kết cho thấy, bùn biến tính nhiệt cho hiệu xử lý tốt bùn thô, đạt tốt 200 oC Mơ hình Langmuir cho thấy phù hợp để mơ tả q trình hấp phụ nghiên cứu với hệ số R2 = 0,9166 dung lượng hấp phụ cực đại theo tính tốn 50,251 mg/g Vật liệu có dung lượng hấp phụ cao vận hành mơ hình lưu lượng thấp, đạt 44,79 mg/g lưu lượng L/phút Từ khóa: Hấp phụ; Bùn nước cấp; Khí H2S; Xử lý khí thải MỞ ĐẦU H2S khí độc với mùi trứng thối khó chịu, có nguồn gốc từ tự nhiên nhân tạo Sự có mặt H2S làm giảm nhiệt trị biogas, gây mùi hăng khó chịu Phương pháp hấp phụ chứng minh hiệu xử lý khí H2S đặc biệt chiếm ưu để loại bỏ khí H2S hỗn hợp khí biogas [1] Trong năm gần đây, bùn thải phát sinh từ nhà máy nước cấp xếp vào danh sách chất thải rắn nguy hại, cần xử lý nghiêm ngặt trước thải môi trường Với thành phần đa dạng, chứa nguyên tố kim loại Fex, Mn, Zn, Pb, Ni, Cr, Cd, Al, Cu [2], bùn nước cấp kỳ vọng tận dụng chế tạo vật liệu có giá trị kinh tế Theo số kết nghiên cứu công bố, bùn thải từ nhà máy nước cấp tận dụng làm thành phần chế tạo gạch nung [2, 3], chậu gốm hay chén hứng mủ cao su [2], bổ sung nguyên liệu sản xuất xi măng [4], ứng dụng làm vật liệu hấp phụ phot-pho nước thải [5] Nhìn chung việc ứng dụng bùn nước cấp chứa thành phần kim loại xử lý khí thải (như H2S) Việt Nam nhiều hạn chế, cần quan tâm nghiên cứu Trước đây, số loại vật liệu khác than hoạt tính biến tính (với NaOH NaCO3), bentonite (bóc tách từ khống sét Bình Thuận), ZnO (bằng phương pháp siêu âm và/hoặc điện hóa) sử dụng để hấp phụ H2S cho hiệu khả quan [6, 7] Trong nghiên cứu này, bùn thải từ nhà máy nước cấp tận dụng làm vật liệu hấp phụ khí H2S Ảnh hưởng nồng độ lưu lượng dịng khí đầu vào đến trình hấp phụ khảo sát nhằm tìm điều kiện vận hành tốt THỰC NGHIỆM 2.1 Vật liệu nghiên cứu Bùn thải sử dụng nghiên cứu lấy từ nhà máy nước cấp Thủ Đức, thành phố Hồ Chí Minh Sau sấy khơ nghiền nhỏ, bùn thô nung nhiệt độ khác từ 200 đến 700 oC [8] Trước bố trí vào mơ hình, hạt vật liệu bùn mịn PS-X (với X nhiệt độ nung) ép-đập-rây lấy kích thước khoảng 0,097-0,45 mm Các đặc trưng hình thái thành phần khống chất có mẫu bùn dùng làm vật liệu hấp phụ xác định kỹ thuật SEM EDS với máy JSM-IT200 (Trung tâm 218 L P T Hiền, …, N N Huy, “Nghiên cứu tận dụng bùn thải … vật liệu hấp phụ H2S.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ thí nghiệm thực hành, Đại học Cơng nghiệp Thực phẩm Tp HCM) Than hoạt tính sử dụng nghiên cứu than hoạt tính thương mại có nguồn gốc từ Trung Quốc 2.2 Mơ hình nghiên cứu Mơ hình thí nghiệm hấp phụ H2S bố trí hình Máy thổi khí (1) đẩy khơng khí qua xử lý sơ than hoạt tính (2) nhằm khử tạp chất nước trước đến nơi pha trộn Cùng lúc đó, bơm hút (3) hút khí H2S vừa tạo từ hệ thống tạo khí (4) từ phản ứng Na2S.9H2O (Xilong, Trung Quốc) dung dịch H2SO4 3% (Xilong, Trung Quốc) đưa đến bình ổn định nồng độ (5) Lưu lượng dịng khí kiểm sốt lưu lượng kế Sau đạt nồng độ đầu vào lưu lượng mong muốn, dịng khí chứa H2S đưa vào ống hấp phụ (6) chứa vật liệu hấp phụ với khối lượng xác định Cụm kiểm tra lưu lượng (8) sử dụng để kiểm tra lại lưu lượng dòng khí trước đưa vào ống hấp phụ Mẫu khí H2S thu thập cụm lấy mẫu (7) phân tích theo Tiêu chuẩn ngành 10TCN 676-2006 Bộ Nơng nghiệp Phát triển nơng thơn Hình Mơ hình hấp phụ H2S: (1, 3) Bơm khí; (2) Bộ lọc; (4) Bình tạo khí H2S; (5) Bình ổn định; (6) Ống hấp phụ; (7) Cụm lấy mẫu; (8) Lưu lượng kế KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 3.1 Kết phân tích SEM EDS Kết phân tích SEM (hình 2) bùn thơ, bùn nung 200 oC (PS-200) 300 oC (PS-300) cho thấy, mẫu PS-200 có bề mặt tương đối nhẵn so với mẫu bùn thô Khi tăng nhiệt độ nung lên 300 oC, vật liệu có xu hướng vỡ tạo hạt nhỏ nên bề mặt mẫu PS-300 có phần gồ ghề mẫu PS-200 a b c Hình Kết SEM bùn thô (a), PS-200 (b) PS-300 (c) Kết EDS thể hình Mẫu bùn thô tồn nguyên tố O, Fe, Ca với hàm lượng cao (> 10%), Si, C, S, Al, Mn với hàm lượng trung bình, Na, N, P với hàm lượng thấp Các thành phần có đơi nét khác biệt so với kết nghiên cứu Lâm Minh Triết cộng [2] Điều khác tính chất nước đầu vào liều lượng thành phần hóa chất sử dụng nhà máy nước cấp Sau nung, nguyên tố Na S với mẫu PS-200 N, Na, P, S với mẫu PS-300 khơng tìm thấy Từ kết luận rằng, việc biến tính nhiệt làm thay đổi thành Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học - Vật liệu, - 2020 219 Hóa học Kỹ thuật mơi trường phần nguyên tố bùn nước cấp Sự gia tăng hàm lượng O mẫu bùn biến tính nhiệt giúp nguyên tố đa hóa trị Fe hay Mn chuyển dạng bền hơn, tránh trình xử lý kỳ vọng cải thiện khả hấp phụ H2S so với mẫu bùn thơ ban đầu Theo đó, vai trị oxit kim loại FeO Al2O3 vừa chất hấp phụ vật lý nhờ cấu trúc xốp, vừa chất hấp phụ hóa học việc tạo thành hợp chất FeS Al2S3 b a c Nguyên tố C N O Na Al Si P S Ca Mn Fe Bùn thô 6,17 1,11 41,54 1,16 4,35 6,67 0,31 9,4 10,14 5,73 13,42 PS-200 6,66 0,22 53,24 9,33 13,89 0,08 2,83 0,29 13,46 PS-300 3,61 48,62 11,02 14,61 4,04 0,38 17,72 Hình Kết EDS bùn thơ (a), PS-200 (b), PS-300 (c) kèm bảng thành phần nguyên tố (% khối lượng) loại bùn 3.2 Ảnh hưởng nhiệt độ nung đến hiệu hấp phụ H2S bùn nước cấp Nhiệt độ biến tính bùn thải có ảnh hưởng lớn đến khả hấp phụ H2S vật liệu [9] Thí nghiệm tiến hành với nồng độ H2S đầu vào 250-280 mg/m3, g vật liệu hấp phụ Sự thay đổi nồng độ H2S đầu theo thời gian thể hình 350 Nồng độ (mg/m³) 300 250 200 150 Bùn thơ PS-300 PS-500 PS-700 Than hoạt tính 100 50 0 50 100 150 200 250 Thời gian (phút) 300 PS-200 PS-400 PS-600 Đầu vào 350 400 Hình Nồng độ H2S sau hấp phụ theo thời gian với vật liệu khác 220 L P T Hiền, …, N N Huy, “Nghiên cứu tận dụng bùn thải … vật liệu hấp phụ H2S.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Nhìn chung, việc biến tính nhiệt cải thiện khả hấp phụ H2S bùn nước cấp tất mẫu bùn biến tính nhiệt có thời gian bão hịa lâu mẫu bùn thơ Kết luận tương tự đưa nghiên cứu Ortiz cộng [9] Tuy nhiên, nghiên cứu này, thay đổi nhiệt độ nung từ 200 đến 700 oC, khác biệt nồng độ đầu không thật rõ ràng mẫu vật liệu PS-X Xét thời gian bão hòa, mẫu PS-200 chiếm ưu có thời gian bão hịa lâu 330 phút với dung lượng hấp phụ đạt 35,51 mg/g cao mẫu bùn thô ~1,2 lần (29,62 mg/g) Tác động tích cực dự đốn nhờ vào cấu trúc lỗ xốp cải thiện vật liệu biến tính nhiệt Mặc khác, so sánh với than hoạt tính, vật liệu có nguồn gốc từ bùn nước cấp cho hiệu xử lý vượt trội nhờ vào thành phần chất khống Al Fe giúp hình thành tâm hấp phụ bề mặt vật liệu từ cải thiện hiệu xử lý 3.3 Thông số động học trình hấp phụ H2S vật liệu PS-200 Nồng độ H2S thay đổi khoảng 50-500 mg/m3 nhằm khảo sát ảnh hưởng nồng độ đầu vào đến hiệu hấp phụ Kết (hình 5a) cho thấy tăng nồng độ khí H2S đầu vào từ 50 lên 250 mg/m3, dung lượng hấp phụ vật liệu tăng vượt trội từ 15 mg/g lên 48,71 mg/g Điều tăng nồng độ khí H2S dẫn đến động lực trình truyền từ khối tăng từ gia tăng khả hấp phụ vật liệu, giúp vật liệu đạt dung lượng hấp phụ cao Tuy nhiên, tiếp tục tăng nồng độ H2S đầu vào lên 500 mg/m3, dung lượng hấp phụ H2S lại giảm 39,75 mg/g Điều chứng tỏ mức nồng độ 500 mg/m3, trình hấp phụ H2S PS-200 bị giới hạn bề mặt mật độ cấu tử H2S cao dẫn đến dung lượng hấp phụ giảm Kết tính tốn thơng số động học theo phương trình hấp phụ đẳng nhiệt cho thấy, phương trình Langmuir phù hợp để mơ tả q trình hấp phụ H2S PS-200 (R2 = 0,9166) phương trình Freundlich Theo phương trình Langmuir, dung lượng hấp phụ cực đại mà vật liệu PS-200 đạt lên đến 50,251 mg/g với hệ số hấp phụ KL = 0,0102 m3/mg 3.4 Ảnh hưởng lưu lượng đầu vào đến hiệu hấp phụ Trong thí nghiệm này, lưu lượng dịng khí thay đổi từ đến L/phút Khi lưu lượng qua thiết bị tiết diện khơng đổi tăng vận tốc dịng lưu chất tăng Vì vậy, thời gian tiếp xúc H2S vật liệu rút ngắn, không thuận lợi cho trình truyền khối Điều với kết thực nghiệm hình 5b dung lượng cao đạt lưu lượng L/phút với giá trị 44,79 mg/m3 giảm 29,05 mg/g lưu lượng L/phút a 80 Dung lượng Hiệu suất b 50 Dung lượng Hiệu suất 45 50 70 60 40 30 30 20 20 10 10 Dung lượng (mg/g) 40 50 35 50 30 40 25 20 30 15 20 10 10 0 50 100 250 Nồng độ (mg/m³) 500 Hiệu suất (%) 40 60 Hiệu suất (%) Dung lượng (mg/g) 70 60 0 1.5 2.5 Lưu lượng (L/phút) Hình Ảnh hưởng nồng độ đầu vào (a) lưu lượng đầu vào (b) đến hiệu suất dung lượng hấp phụ PS-200 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học - Vật liệu, - 2020 221 Hóa học Kỹ thuật môi trường KẾT LUẬN Nghiên cứu thử nghiệm khả hấp phụ vật liệu có nguồn gốc từ bùn nước cấp với thành phần khống chất kì vọng cho hiệu loại bỏ H2S cao Thật vậy, so sánh với than hoạt tính thương mại, vật liệu có nguồn gốc từ bùn nước cấp cho hiệu xử lý cao với thời gian bão hòa kéo dài Kết nghiên cứu rằng, bùn nước cấp biến tính nhiệt độ 200 oC cho hiệu xử lý tốt nhất, với dung lượng cực đại đạt theo mơ hình Langmuir 50,251 mg/g (R2 = 0,9166) Nồng độ lưu lượng xử lý ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu dung lượng hấp phụ H2S vật liệu PS200 Vì nghiên cứu sơ khởi nên kết dừng lại thử nghiệm ban đầu, tương lai cấu trúc vật liệu có nguồn gốc từ bùn nước cấp cần phân tích chi tiết Việc thử nghiệm với bùn từ nhiều nhà máy nước cấp khác hay việc biến tính bùn nhiều phương pháp khác ngồi biến tính nhiệt cần xem xét nghiên cứu để tiến gần với mục tiêu biến bùn thải thành sản phẩm có giá trị kinh tế Lời cảm ơn: Nghiên cứu tài trợ Trường Đại học Bách Khoa khuôn khổ đề tài mã số T-MTTN-2020-58 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Zhang, J and Z Tong, “Study on catalytic wet oxidation of H2S into sulfur on Fe/Cu catalyst” Journal of Natural Gas Chemistry, 2006 15(1): p 63-69 [2] Triết, L.M and N.N Thiệp, “Nghiên cứu đề xuất công nghệ xử lý, tận dụng bùn thải tách nước từ nhà máy cấp nước TP.HCM” Tạp chí mơi trường, 2013 57: p 57-61 [3] Phước, N.V., “Nghiên cứu phương án tái sử dụng bùn thải từ hệ thống xử lý nước, nước thải xỉ thải” Viện Môi trường Tài nguyên- Đại học quốc gia TP.Hồ Chí Minh [4] Rodríguez, N.H., et al., “Re-use of drinking water treatment plant (DWTP) sludge: characterization and technological behaviour of cement mortars with atomized sludge additions” Cement and Concrete Research, 2010 40(5): p 778-786 [5] Razali, M., Y Zhao, and M Bruen, “Effectiveness of a drinking-water treatment sludge in removing different phosphorus species from aqueous solution” Separation and Purification Technology, 2007 55(3): p 300-306 [6] Huy, N.N., et al., “A study of H2S treatment by using the denaturalised activated carbon adsorption method” Journal of Science and Technology, 2018(14): p 98-104 [7] Huy, N.N., et al., “Facile one-step synthesis of zinc oxide nanoparticles by ultrasonicassisted precipitation method and its application for H2S adsorption in air” Journal of Physics and Chemistry of Solids, 2019 132: p 99-103 [8] Pereira, I., et al., “Thermal and thermal-acid treated sewage sludge for the removal of dye reactive Red 120: Characteristics, kinetics, isotherms, thermodynamics and response surface methodology design” Journal of environmental chemical engineering, 2018 6(6): p 7233-7246 [9] Ortiz, F.G., P Aguilera, and P Ollero, “Biogas desulfurization by adsorption on thermally treated sewage-sludge” Separation and Purification Technology, 2014 123: p 200-213 222 L P T Hiền, …, N N Huy, “Nghiên cứu tận dụng bùn thải … vật liệu hấp phụ H2S.” Nghiên cứu khoa học công nghệ ABSTRACT UTILIZATION OF SLUDGE FROM WATER TREATMENT PLANT AS AN ADSORBENT FOR H2S REMOVAL Sludge from water treatment plant with metal components from flocculutants (as Al, Fe) has a potential to fabricate nanomaterials for environmental treatment This study evaluated the H2S adsorption capacity of materials from the sludge of water treatment plant in order to find a solution to the problem of sludge and find cheap and readily available adsorbents for gas treatment The morphological characteristics and mineral composition of sludge samples were determined by SEM and EDS spectroscopy analysis The effect of concentration and input H2S flow rate on the treatment efficiency was also assessed Results showed that the modified sludge was better than the raw one, which reached the best condition at 200 oC Langmuir model is more suitable to describe the adsorption process in this study with the coefficient R2 = 0.9166 and the calculated maximum adsorption capacity is 50.251 mg/g The material has a higher adsorption capacity of 44.79 mg/g when operating at low flow rate of L/min Keywords: Adsorption; Alum sludge; H2S; Air pollution control Nhận ngày 09 tháng năm 2020 Hoàn thiện ngày 11 tháng năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 24 tháng năm 2020 Địa chỉ: 1Khoa Môi trường Tài nguyên, Trường Đại học Bách Khoa Tp HCM; Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh; Trường Đại học Y – Dược Thái Nguyên *Email: nnhuy@hcmut.edu.vn Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học - Vật liệu, - 2020 223 ... …, N N Huy, ? ?Nghiên cứu tận dụng bùn thải … vật liệu hấp phụ H2S. ” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Nhìn chung, việc biến tính nhiệt cải thiện khả hấp phụ H2S bùn nước cấp tất mẫu bùn biến tính... ? ?Nghiên cứu đề xuất công nghệ xử lý, tận dụng bùn thải tách nước từ nhà máy cấp nước TP.HCM” Tạp chí môi trường, 2013 57: p 57-61 [3] Phước, N.V., ? ?Nghiên cứu phương án tái sử dụng bùn thải từ. .. hấp phụ H2S vật liệu PS200 Vì nghiên cứu sơ khởi nên kết dừng lại thử nghiệm ban đầu, tương lai cấu trúc vật liệu có nguồn gốc từ bùn nước cấp cần phân tích chi tiết Việc thử nghiệm với bùn từ