Nghiên cứu điều chế than tre ứng dụng xử lý một số kim loại nặng trong nước thải nhà máy mạ

Đại học quốc gia Hà Nội Trường đại học khoa học tự nhiên - Nguyễn Kim Hiển Nghiên cứu điều chế than tre ứng dụng xử lý số kim loại nặng nước thải nhà máy mạ LUẬN VĂN THACC̣ SĨKHOA HỌC Hà Nội - 2012 Đại học quốc gia Hà Nội Trường đại học khoa học tự nhiên - Nguyễn Kim Hiển Nghiên cứu điều chế than tre ứng dụng xử lý số kim loại nặng nước thải nhà máy mạ Chuyên nghành: Khoa học môi trường Mã số: LUÂṆ VĂN THACC̣ SĨKHOA HOCC̣ Người hướng dẫn khoa học PGS.TS Lê huy du Hà Nội - 2012 Mục lục Mở đầu Chương Tổng quan 1.1 Than hoạt tính cấu trúc tính chất 1.1.1 Giới thiệu chung 1.1.2 Tổng quan than tre 1.1.3 Điều chế than hoạt tính 1.1.4 Cấu trúc than hoạt tính 1.1.5 Những quy luật hấp phụ vật lý than hoạt tính 1.1.6 Động học hấp phụ 1.1.7 Sự hấp phụ dung dịch 1.2 Khái quát nước thải mạ 1.2.1 Công nghệ mạ 1.2.2 Thành phần tính chất nước thải mạ 1.2.2 ảnh hưởng nước thải mạ đến môi trường sức khoẻ người 1.2.3 Khái quát phương pháp xử lý nước thải mạ Chương Đối tượng phương pháp nghiên cứu 2.1 Đối tượng nghiên cứu 2.2 Phương pháp nghiên cứu 2.2.1 Phương pháp điều chế than hoạt tính từ tre 2.2.2 Phương pháp kế hoạch hố thực nghiệm 2.2.3 Phương pháp thống kê toán học 2.2.4 Phương pháp xác định tiêu, tính chất đặc trưng than hoạt tính 2.2.5 Phương pháp xác định khả hấp phụ số kim loại nước thải mạ than hoạt tính Chương Kết nghiên cứu 36 39 3.1 Điều chế than hoạt tính 3.1.1 Xác định hàm ẩm nguyên liệu 3.1.2 Q trình than hố 3.1.3 Nghiên cứu tối ưu số yếu tố hoạt hố q trình điều chế than hoạt tính từ tre 3.2 Đánh giá tính chất đặc trưng than hoạt tính điều chế 3.2.1 Tỷ trọng than họat tính 39 39 39 41 44 44 3.2.2 Diện tích bề mặt 3.2.3 Phân bố lỗ than họat tính 3.3 Xác định khả hấp phụ số kim loại nặng nước thải mạ(Cu, Ni, Zn) 3.3.1 Xây dựng đường chuẩn 3.3.2 Khảo sát ảnh hưởng môi trường pH đến khả hấp phụ than 3.3.3 Khảo sát ảnh hưởng thời gian phản ứng đến khả hấp phụ than 3.3.4 Tính tốn dung lượng hấp phụ cực đại 3.3.5 Khảo sát ảnh hưởng kích thước hạt đến khả hấp phụ than 45 47 49 49 50 54 56 59 3.3.6 Khảo sát khả hấp phụ than điều chế số kim loại nặng(Cu, Zn, Ni) nước thải mạ 66 Kết luận Tài liệu tham khảo Phụ lục Bảng 2.1 Bảng 3.1 Bảng 3.2 Bảng 3.3 Bảng 3.4 Bảng 3.5 Bảng 3.6 Bảng 3.7 Bảng 3.8 Bảng 3.9 Bảng 3.10 Bảng 3.11 Bảng 3.12 Bảng 3.13 Bảng 3.14 Bảng 3.15 Bảng 3.16 Bảng 3.17 Bảng 3.18 Hỡnh 1.1 Hỡnh 1.2 Hỡnh 1.3 Hỡnh 1.4 Hỡnh 1.5 Hỡnh 2.1 Hỡnh 2.1 Hỡnh 3.1 Hỡnh 3.2 Hỡnh 3.3 Hỡnh 3.4 Hỡnh 3.5 Hỡnh 3.6 Hỡnh 3.7 Hỡnh 3.8 Hỡnh 3.9 Hỡnh 3.10 Hỡnh 3.11 Hỡnh 3.12 Hỡnh 3.13 Hỡnh 3.14 Hỡnh 3.15 Hỡnh 3.16 Hỡnh 3.17 CHỮ VIẾT TẲT Chữ viết tắt ý nghĩa Cu Kim loại đồng Zn Kim loại kẽm Ni Kim loại niken amax Dung lượng hấp phụ cực đại KL Hằng số Langmuir BET Brunauer-Emmett-Teller Vtổng (cm3/g) Tổng thể tớch lỗ xốp than hoạt tớnh Vlớn (cm3/g) Tổng thể tớch cỏc mao quản lớn than hoạt tớnh Vtrung (cm3/g) Tổng thể tớch cỏc mao quản trung bỡnh than hoạt tớnh Vnhỏ (cm3/g) Tổng thể tớch cỏc mao quản nhỏ than hoạt tớnh SBET Diện tớch bề mặt riờng than hoạt tớnh tớnh theo BET P; Ps Áp suất áp suất bóo hũa chất bị hấp phụ 10 Mở đầu Ngày nay, vấn đề ô nhiễm mơi trường nói chung, nhiễm mơi trường nước nói riêng hậu kéo theo ngày xúc nhận nhiều quan tâm nhân loại Ơ nhiễm mơi trường nước ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sống phát triển bền vững quốc gia Trong đó, vấn đề bối nhiễm mơi trường nước vấn đề nhiễm kim loại nặng Các kim loại nặng xâm nhập vào mơi trường nước q trình rửa trơi, nước thải q trình sản xuất cơng nơng nghiệp Đặc biệt, nguồn nước thải ngành công nghiệp mạ thải môi trường lượng lớn kim loại nặng, không xử lý triệt để gây nhiễm mơi trường nghiêm trọng Có nhiều phương pháp khác để xử lý nước thải ngành cơng nghiệp mạ Trong phương pháp hấp phụ phương pháp có hiệu cao nghiên cứu để ứng dụng rộng rãi Than hoạt tính vật liệu hấp phụ sử dụng phổ biến nhiều ngành công nghiệp khác như: khai thác chế biến dầu mỏ, công nghiệp dệt, công nghiệp thực phẩm Ngày nay, việc ứng dụng than hoạt tính vào mục đích xử lý mơi trường ngày tăng Tre nguồn nguyên liệu rẻ dồi Việt Nam Việc khai thác tre để điều chế than vừa có chi phí sản xuất thấp vừa ảnh hưởng đến mơi trường Than tre có có khả hấp phụ tốt có diện tích bề mặt cao, phân bố lỗ trung lỗ lớn nhiều Như vậy, than tre hồn tồn ứng dụng lĩnh vực xử lý môi trường Tuy nhiên, nước ta nay, việc nghiên cứu điều chế than hoạt tính từ tre, ứng dụng xử lý kim loại nặng nước chưa quan tâm nhiều Chính luận văn đề cập đến việc “Nghiên cứu điều chế than tre ứng dụng xử lý số kim loại nặng nước thải mạ” Mục đích luận văn là: Nghiên cứu điều chế than hoạt tính từ tre Đánh giá tính chất đặc trưng than tre hoạt tính điều chế Nghiên cứu khả ứng dụng than tre hoạt tính việc xử lý số kim loại nặng có nước thải mạ 11 1h 6h 24h 36h Đối với Z 6.0000 5.0000 4.0000 3.0000 2.0000 1.0000 0.0000 0.0 6.0000 5.0000 4.0000 3.0000 2.0000 1.0000 0.0000 0.0 (c)Mẫu 24 (d)Mẫu 36 Hỡnh 3.16 Đồ thị dạng tuyến tính đẳng nhiệt mẫu than Zn Các thông số đặc trưng cho mẫu than với Zn theo phương trỡnh đẳng nhiệt Langmuir: Bảng 3.15 Các thông số đặc trưng cho mẫu than Zn theo phương trỡnh đẳng nhiệt Langmuir 77 Mẫu than 1h 6h 24h 36h 8.0000 6.0000 4.0000 2.0000 0.0000 0.0000 (c)Mẫu 24 Hỡnh 3.17 Đồ thị dạng tuyến tính đẳng nhiệt mẫu than Cu Các thông số đặc trưng cho mẫu than với Ni theo phương trỡnh đẳng nhiệt Langmuir: Bảng 3.16 Các thông số đặc trưng cho mẫu than Ni theo phương trỡnh đẳng nhiệt Langmuir 78 Mẫu than 1h 6h 24h 36h Nhận xột: Diện tích bề mặt ngồi than siêu mịn tăng lên kích thước hạt than nhỏ nên hấp phụ dung dịch than siêu mịn tăng lên dung lượng hấp phụ Điều thể thông số đặc trưng theo phương trỡnh Langmuir dung lượng hấp phụ cực đại số Langmuir tăng kích thước hạt than giảm Như kết luận kích thước hạt than giảm thỡ làm tăng khả hấp phụ dung dịch than dung dịch kim loại nghiên cứu 3.3.6 Khảo sát khả hấp phụ than điều chế số kim loại nặng(Cu, Zn, Ni) nước thải mạ Nước thải mạ lấy xưởng mạ nhà máy Z117 thuộc cục cơng nghiệp quốc phịng, địa Đơng Anh - Hà Nội Qua phân tích cho thấy, nước thải chứa chủ yếu Cr, Ni, Cu, Zn, Fe Hiện nhà máy có hệ thống xử lý nước thải, nước thải trình mạ crom thu gom để xử lý riêng Do đó, luận án chúng tơi tiến hành phân tích kim loại Cu, Zn, Ni Nước thải mạ sau lấy tiến hành xử lý phân tích máy quang phổ hấp phụ nguyên tử AA-6610F sử dụng đường chuẩn dựng để 79 xác định nồng độ kim loại nghiên cứu có mẫu nước, thu kết sau: Bảng 3.17: Nồng độ kim loại nghiên cứu nước thải mạ nhà máy Z117 trước qua cột hấp phụ Để khảo sát khả xử lý kim loại nghiên cứu nước thải mạ ta tiến hành sau: cân xác 20g than hoạt tính nghiền nhỏ sau cho vào buret 25ml để chế tạo cột hấp phụ Sau cho 500ml dung dịch nước thải mạ qua cột hấp phụ với tốc độ 5ml/phút Dung dịch sau chảy qua cột đem phân tích máy quang phổ hấp phụ nguyên tử, tiến hành thí nghiệm lặp lại lần cột khác nhau, thu kết sau: Bảng 3.18: Nồng độ kim loại nghiên cứu nước thải mạ nhà máy Z121 sau qua cột hấp phụ Lần Kim N loại độ Cu Zn Ni Nhận xét: Các kết thu cho th nhiều thoả mãn QCVN 24/2009 BTNMT Như hiệu sử dụng than để xử lý kim loại Cu, Zn, Ni nước thải mạ tốt, hiệu 80 suất xử lý cao Kết thu cho thấy than điều chế ứng dụng thực tế để xử lý số kim loại nặng nước thải mạ 81 Kết luận Đã điều chế than hoạt tính từ nguyên liệu tre Đã áp dụng phương pháp kế hoạch hoá thực nghiệm để nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố nhiệt độ, thời gian hoạt hoá, tốc độ nước đến chất lượng than hoạt tính Đã đưa biểu thức tốn học mơ tả thực chất vai trị yếu tố cơng nghệ nói q trình điều chế than Đã khảo sát thông số nguyên liệu như: hàm ẩm, độ tro, độ thiêu kết vv Kết cho thấy tre nguyên liệu tốt, phù hợp để sản xuất than hoạt tính Đã điều chế than hoạt tính từ nguyên liệu tre Đã đo đạc, xác định chất lượng than hoạt tính điều chế được, kết đánh giá cho thấy than có diện tích bề mặt riêng lớn, có khả hấp phụ cao, tích lỗ xốp nhiều đáp ứng yêu cầu làm vật liệu xử lý nước môi Đã khảo sát xác định quy luật ảnh hưởng số yếu tố trường lên khả hấp phụ than hoạt tính điều chế kim loại Cu, Ni, Zn dung dịch nước thải mạ: pH môi trường, thời gian phản ứng Kết cho thấy: khả hấp phụ than kim loại Cu, Ni, Zn dung dịch tốt pH môi trường từ 4,5 đến 5,5 Thời gian đạt trạng thái cân tốt cho kim loại 180 phút Đã thiết lập phương trình đẳng nhiệt hấp phụ theo lý thuyết Langmuir trình hấp phụ kim loại Cu, Zn, Ni nước than hoạt tính Trên sở tính tham số đặc trưng số Langmuir hay dung lượng hấp phụ cực đại than kim loại nghiên cứu Kết cho thấy phương trình đẳng nhiệt Langmuir phù hợp để xử lý số liệu thực nghiệm tính tốn thông số công nghệ xử lý kim loại Cu, Zn, Ni nước phương pháp hấp phụ 82 Đã khảo sát ảnh hưởng kích thước hạt đến khả hấp phụ dung dịch than kim loại nghiên cứu Kết cho thấy q trình nghiền than tạo kích thước khơng phá vỡ cấu trúc mao quản than, đồng thời kích thước hạt than nhỏ hấp phụ dung dịch than kim loại nghiên cứu tăng lên dung lượng hấp phụ Đã khảo sát khả dùng than hoạt tính điều chế để xử lý kim loại Cu,Zn,Ni nước thải xưởng mạ nhà máy Z117 thuộc cục cơng nghiệp quốc phịng (Đơng Anh - Hà Nội) Kết cho thấy than có khả xử lý tốt chất lượng nước sau xử lý thoả mãn QCVN 24/2009 BTNMT Với kết nghiên cứu thu được, hi vọng than hoạt tính điều chế từ tre tiếp tục nghiên cứu toàn diện để ứng dụng thực tế xử lý kim loại nặng nước thải nói chung 83 Tài liệu tham khảo Tài Liệu Tiếng Việt Lê Văn Cát (2002), Hấp phụ trao đổi ion kỹ thuật xử lý nước nước thải, Nhà xuất Thống kê, Hà Nội Lê Huy Du (1982), “Nghiên cứu cấu trúc xốp than hoạt tính ép viên hoạt hóa nước” Tạp chí hóa học Hà Nội Lê Huy Du, Lâm Vĩnh ánh, Đỗ Đăng Hải (2002), Nghiên cứu hấp phụ dioxin nước than hoạt tính oxy hố ứng dụng cống lọc vùng Z2 Đề tài cấp BQP Hà Nội Lê Huy Du (1984), Nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố hoạt hố q trình điều chế than hoạt tính ép viên dùng mặt nạ phịng độc Luận án phó tiến sĩ, Hà nội Lê Huy Du (1985), Nghiên cứu chế thử than hoạt tính xúc tác dùng mặt nạ phòng độc Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước 66A-02-02 Hà nội Bùi Đăng Hòa, Lê Huy Du (2008), Nghiên cứu xây dựng quy trình sản xuất than hoạt tính từ tre luồng Thanh Hóa Báo cáo tổng kết đề tài, Viện lượng ngun tử Việt Nam Nguyễn Đình Hồ (1997), Điều chế than hoạt tính từ gáo dừa để hấp phụ hợp chất phênol nước Luận văn Thạc sỹ Hà Nội 1997 Lê Đức Ngọc (2001), Giáo trình xử lý số liệu kế hoạch hóa thực nghiệm Nhà xuất Đại học quốc gia Hà Nội Hồng Hữu Như (1972), Phương pháp tốn học xử lý kết thực nghiệm NXB ĐH&THCN Hà nội 10 vô Nguyễn Hữu Phú (1998), Hấp phụ xúc tác bề mặt vật liệu Nhà xuất KHKT Hà Nội 84 11 Hoàng Hữu Như (1972), Phương pháp toán học xử lý kết thực nghiệm NXB ĐH&THCN Hà nội 12 Trần Quang Sáng (2002), Nghiên cứu than hoạt tính từ tre dùng xử lý amoni nước Luận văn thạc sỹ 13 Nguyễn Văn Sơn (2006), Nghiên cứu than hoạt tính từ tre dùng để hấp phụ dung môi hữu Luận văn thạc sỹ 14 Phạm Ngọc Thanh (1987), Nghiên cứu sản xuất than hoạt tính từ phế liệu thực vật Báo cáo đề tài cấp bộ, Trường đại học Bách khoa Hà Nội 15 Phạm Ngọc Thanh (1986), Nghiên cứu sản xuất than hoạt tính từ nguyên liệu nước Luận án phó tiến sỹ Hà Nội 16 Trịnh Thị Thanh, Trần Yêm, Đồng Kim Loan (1998) Công nghệ môi trường Nhà xuất Bản Đại học Quốc gia Hà nội Tài Liệu Tiếng Anh 17 Abdo M.S (1997), “Removal of phenol from aqueous solutions by mixed adsorbents: Maghara coal and activated carbon”, J Environ Sci heath 18 Fewu, RL Tseng (1999), “Preparation of activeted carbon from bamboo and there adsorprion abilities for dyes and phenol”, one of environmental science and health part 19 Gregg S.J; Sing K.F (1967) Adsortion surface area and porosity London-NewYork Acad Pr 20 Hassler J.W.(1963), “Activated carbon”, Chem Publ comp inc NewYork,pp 34-36 21 Kenji Hosokawa, Takahisa Minamide (1991), “The production of active carbon from baboo and its application for keeping food fresh” Proceesings 4th International bamboo workshop, pp 104-105 85 22 Ken S.T, lan John, Bauford and Gordon Mckay Preparation of hight surface are activated carbon from chemical activated with bamboo Contruction waste and photphoric axit Department of Chemical Enginier Hong Kong - China 23 Tessmer C.,Vidic R (1997) Impact of oxygen containing suface functional groups on activated carbon adsorption of phenol" Environ Sci Technol., Vol31, No.7 24 Taopksi, Asada, Ohkubo, Kuniaki, Kawata and Kikuo Oikawa Amoni adsorption and bamboo charcoal with axit treatment Fakuty of applied science - University famaly Japan 25 Yu-jen Lin, Jiunn-Cheng Lin, Gwo-Shyong Hwang, Ming-Tsung Wei Establishing bamboo charcoal quality evaluation indicator in taiwan Taiwan J For Sci, 2005 86 ... điều chế than hoạt tính từ tre, ứng dụng xử lý kim loại nặng nước chưa quan tâm nhiều Chính luận văn đề cập đến việc ? ?Nghiên cứu điều chế than tre ứng dụng xử lý số kim loại nặng nước thải mạ? ??... là: Nghiên cứu điều chế than hoạt tính từ tre Đánh giá tính chất đặc trưng than tre hoạt tính điều chế Nghiên cứu khả ứng dụng than tre hoạt tính việc xử lý số kim loại nặng có nước thải mạ 11... nghiên cứu than tre hoạt tính cịn chưa cho thấy hết khả ứng dụng than hoạt tính từ tre Do đó, luận văn tơi xin trình bày việc nghiên cứu điều chế than tre ứng dụng than tre điều chế để xử lý số kim