Nghiên cứu ứng dụng tio2 xử lý độ màu và cod khó phân hủy sinh học trong nước rỉ rác bằng phương pháp xúc tác quang

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA **************** NGUYỄN ĐÌNH ĐỨC NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG TiO2 XỬ LÝ ĐỘ MÀU VÀ COD KHÓ PHÂN HỦY SINH HỌC TRONG NƯỚC RỈ RÁC BẰNG PHƯƠNG PHÁP XÚC TÁC QUANG Chuyên ngành: Công nghệ Môi trường LUẬN VĂN THẠC SỸ TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12-2008 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỊAN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN THẾ VINH Cán chấm nhận xét 1: Cán chấm nhận xét 2: Luận văn thạc sỹ bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SỸ, TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Ngày tháng năm ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc oOo -TP.HCM, ngày …… tháng …… năm 2008 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SỸ Họ tên học viên Ngày tháng năm sinh Chuyên ngành Khóa (năm trúng tuyển) : : : : NGUYỄN ĐÌNH ĐỨC 10/05/1981 Cơng nghệ Mơi trường 2006 Giới tính : Nam Nơi sinh : Thạch Hà, Hà Tĩnh TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu ứng dụng TiO2 xử lý độ màu COD khó phân hủy sinh học nước rỉ rác phương pháp xúc tác quang NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: Đánh giá khả xử lý độ màu COD khó phân hủy sinh học nước rỉ rác vật liệu xúc tác TiO2-SiO2 tỷ lệ 90/10 dạng bột dạng lớp phim mỏng điều kiện chiếu sáng ánh sáng UV-A điều kiện chiếu sáng ánh sáng mặt trời NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 15/01/2008 NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10/12/2008 HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN THẾ VINH Nội dung Đề cương Luận văn Hội đồng Chuyên ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MƠN QUẢN LÝ CHUN NGÀNH LỜI CẢM ƠN Sau thời gian cố gắng với tất nổ lực cuối luận văn tốt nghiệp em hoàn thành Em xin chân thành cảm ơn: # Tiến sỹ Nguyễn Thế Vinh –- Khoa Môi trường –- Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM, tận tình hướng dẫn giúp đỡ suốt trình làm đề tài # Các thầy giáo, Cô giáo, Cán khoa Môi Trường, Khoa Công nghệ Vật liệu, Trung tâm Phân tích polymer - Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM hỗ trợ tạo điều kiện thuận lợi việc thu thập tài liệu triển khai thí nghiệm # Các bạn học viên cao học, bạn sinh viên nhóm nghiêm cứu TiO2 Khoa Môi trường Khoa Vật liệu–- Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM giúp đỡ suốt trình thực đề tài # Cuối nhân hội để bày tỏ lòng biết ơn tới bố me, anh chị, toàn thể bạn bè động viên, an ủi nâng đỡ suốt trình thực đề tài Xin chân thành cảm ơn ! NGUYỄN ĐÌNH ĐỨC Mục lục MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG v DANH MỤC HÌNH vi CÁC VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN ix Chương 1: CHƯƠNG MỞ ĐẦU 1.1 SỰ CẦN THIẾT THỰC HIÊN NGHIÊN CỨU 1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 1.3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1.3.1 Đối tượng nghiên cứu luận văn 1.3.2 Phạm vi nghiên cứu 1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.4.1 Phương pháp hồi cứu 1.4.2 Các phương pháp thí nghiệm phân tích 1.4.3 Phương pháp nghiên cứu mơ hình 1.4.4 Phương pháp thống kê xử lý số liệu: 1.5 TÍNH MỚI, Ý NGHĨA KHOA HỌC THỰC TIỄN CỦA NGHIÊN CỨU 1.5.1 Tính thiết thực đề tài 1.5.2 Ý nghĩa khoa học đề tài 1.5.3 Tính thực tiễn đề tài Chương 2: TỔNG QUAN 2.1 TỔNG QUAN VỀ CHẤT THẢI RẮN 2.1.1 Khái niệm chất thải rắn 2.1.2 Nguồn gốc tạo thành chất thải rắn đô thị 2.1.3 Thành phần tính chất chất thải rắn 2.1.4 Hiện trạng thu gom, vận chuyển chất thải rắn TP HCM 2.2 TỔNG QUAN VỀ NƯỚC RỈ RÁC & CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ 2.2.1 Thành phần tính chất nước rỉ rác 2.2.2 Các yếu tố ảnh hưỡng đến thành phần, tính chất nước rỉ rác 12 2.2.3 Một số phương pháp xử lý nước rỉ rác 12 2.2.3.1 Tách khí 12 2.2.3.2 Tuyển 13 2.2.3.3 Điều hòa trung hòa 13 2.2.3.4 Lắng 13 2.2.3.5 Lọc 13 2.2.3.6 Keo tụ, tạo kết tủa 13 2.2.3.7 Oxy hóa 14 i Mục lục 2.2.3.8 Thẩm thấu ngược [34],[35],[36] 14 2.2.3.9 Hấp phụ [5],[26], [35], [36] 15 2.2.3.10 Trao đổi ion [5],[35],[36] 15 2.2.3.11 Phương pháp xử lý sinh học kị khí [5],[24],[35],[36] 15 2.2.3.12 Phương pháp sinh học hiếu khí [5],[24],[35],[36] 16 2.2.3.13 Q trình thiếu khí (Anoxic) 17 2.3 TỔNG QUAN VỀ XÚC TÁC QUANG TiO2 17 2.3.1 Giới thiệu số tính chất TiO2 17 2.3.2 Cơ sở lý thuyết trình quang xúc tác TiO2 23 2.3.2.1 Giới thiệu gốc tự Hydroxyl •OH 23 2.3.2.2 Nguyên lý trình quang xúc tác TiO2 25 2.3.2.3 Động học trình quang xúc tác TiO2 28 2.3.2.4 Các đặc tính ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác vật liệu TiO2 31 2.3.3 Các phương pháp điều chế vật liệu TiO2 34 2.3.3.1 Phương pháp sol-gel 34 2.3.3.2 Các phương pháp khác 39 2.3.4 Một số nghiên cứu ứng dụng vật liệu xúc tác quang TiO2 lĩnh vực môi trường 40 2.3.4.1 Ứng dụng xử lý nước 41 2.3.4.2 Sản xuất sơn, gạch men, kính chống đọng sương 42 2.3.4.3 Sản phẩm diệt khuẩn khử trùng, chống rêu mốc 42 2.3.4.4 Khử mùi, làm khơng khí 42 2.3.4.5 Ứng dụng lĩnh vực y khoa 43 2.3.4.6 Sản xuất nguồn lượng H2 43 Chương 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 44 3.1 Điều chế hợp chất TiO2/SiO2 phương pháp Sol-gel 44 3.1.1 Hóa chất thí nghiệm 44 3.1.2 Dụng cụ thí nghệm 44 3.1.3 Quy trình thí nghiệm 46 3.2 Phủ lớp phim mỏng chứa thành phần TiO2 lên hạt kính thủy tinh 48 3.2.1 Hoá chất vật liệu 48 3.2.2 Dụng cụ thí nghiệm 48 3.2.3 Quy trình thí nghiệm 49 3.3 Xác định hiệu xử lý độ màu COD nước rỉ rác cũ vật liệu TiO2/SiO2 dạng bột 50 3.3.1 Thí nghiệm điều kiện sử dụng nguồn sáng UV-A 50 3.3.1.1 Hoá chất thí nghiệm 50 3.3.1.2 Mơ hình dụng cụ thí nghiệm 51 ii Mục lục 3.3.1.3 Quy trình thí nghiệm thu mẫu phân tích 52 3.3.2 Thí nghiệm điều kiện sử dụng nguồn ánh sáng mặt trời tự nhiên 54 3.3.2.1 Hố chất thí nghiệm 54 3.3.2.2 Mơ hình dụng cụ thí nghiệm 54 3.3.2.3 Quy trình thí nghiệm thu mẫu phân tích 55 3.4 Xác định hiệu xử lý độ màu COD nước rỉ rác cũ vật liêu TiO2/SiO2 phủ hạt kính thủy tinh 56 3.4.1 Thí nghiệm điều kiện sử dụng nguồn ánh UV-A 56 3.4.1.1 Hố chất thí nghiệm 56 3.4.1.2 Mơ hình dụng cụ thí nghiệm 57 3.4.1.3 Quy trình thí nghiệm lấy mẫu phân tích 57 3.4.2 Thí nghiệm điều kiện sử dụng nguồn ánh mặt trời tự nhiên 59 3.4.2.1 Hố chất thí nghiệm 59 3.4.2.2 Mơ hình dụng cụ thí nghiệm 59 3.4.2.3 Quy trình thí nghiệm lấy mẫu phân tích 60 3.5 Các phương pháp phân tích 61 3.5.1 Các phương pháp phân tích đặc tính cấu trúc vật liệu TiO2/SiO2 61 3.5.1.1 Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng SBET 61 3.5.1.2 Phương pháp xác định pha cấu trúc tinh thể (X-XRD) 63 3.5.1.3 Phương pháp xác định phổ phản xạ khuyếch tán UV-vis DRS 65 3.5.1.4 Phương pháp xác định đặc điểm bề mặt vật liệu SEM 66 3.5.2 Phương pháp phân tích độ màu 66 3.5.2.1 Quy trình phân tích 66 3.5.2.2 Phương pháp tính độ màu 67 3.5.3 Phương pháp phân tích COD 67 3.5.3.1 Quy trình phân tích 67 3.5.3.2 Phương pháp tính nồng độ COD 67 Chương 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 69 4.1 Đặc tính cấu trúc vật liệu xúc tác TiO2/SiO2 69 4.1.1 Đặc tính biến đổi diện tích bề mặt riêng SBET 69 4.1.2 Đặc tính biến đổi độ tinh thể hóa 70 4.1.3 Đặc tính thay đổi kích thước hạt 71 4.1.4 Đặc tính phổ hấp thu ánh sáng UV-vis lượng vùng cấm Eg 72 4.2 Đánh giá hiệu xúc tác quang vật liệu xúc tác 73 4.2.1 Ảnh hưởng nồng độ chất xúc tác đến hoạt tính xúc tác quang vật liệu 73 4.2.2 Đánh giá đặc điểm lớp phủ TiO2/SiO2 hạt thuỷ tinh 75 4.2.2.1 Khảo sát khối lượng lớp vật liệu xúc tác phủ hạt thuỷ tinh 75 iii Mục lục 4.2.2.2 Hình ảnh bề dày lớp vật liệu xúc tác phủ hạt thuỷ tinh76 4.2.2.3 Khảo sát độ bền lớp vật liệu TiO2/SiO2 phủ hạt thuỷ tinh 77 4.2.3 Thí nghiệm khảo sát khả hấp phụ lên bề mặt chất xúc tác 78 4.2.4 Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng tia UV-A ánh sáng mặt trời tự nhiên đến hiệu xử lý độ màu COD 80 4.2.5 Xử lý độ màu COD nước rỉ rác cũ chất xúc tác quang TiO2/SiO2 81 4.2.4.4 Thí nghiệm xử lý với vật liệu xúc tác dạng bột 81 4.2.4.5 Thí nghiệm xử lý với vật liệu xúc tác dạng màng mỏng phủ lên hạt thủy tinh 92 Chương 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 102 5.1 Kết luận 102 5.2 Kiến nghị 102 TÀI LIỆU THAM KHẢO 104 PHỤ LỤC PL1 PHỤ LỤC PL4 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG PL6 iv Danh mục bảng biểu DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Khối lượng CTRSH TP.HCM giai đoạn 2005-2013 Bảng 2.2 Thành phần CTR bãi rác Gò Cát [14] Bảng 2.3 Thành phần, tính chất nước rác BCL Gị Cát [14] Bảng 2.4 Tính chất nước rỉ rác Bãi chơn lấp Gị Cát theo mùa [32] 10 Bảng 2.5 Thành phần tính chất nước rỉ rác Gò Cát - TP.HCM [32] 11 Bảng 2.6 Kết nghiên cứu Chian DeWalle sử dụng RO xử lý nước rỉ rác 14 Bảng 2.7 Một số kết nghiên cứu xử lý nước rỉ rác phương pháp sinh học kị khí [38] 16 Bảng 2.8 Cơ chế q trình xúc tác quang hóa TiO2 [44] 18 Bảng 2.9 Một số tính chất vật lý TiO2 dạng Anatase Rutile [12] 22 Bảng 2.10 Thế oxy hoá số chất oxy hoá [46],[47],[48] 23 Bảng 2.11.Hằng số tốc độ phản ứng •OH O3 số hợp chất hữu môi trường nước [49] 24 Bảng 4.1 SBET mẫu vật liệu TiO2/SiO2 thay đổi hàm lượng SiO2 69 Bảng 4.2 Kích thước hạt vật liệu TiO2/ SiO2 71 Bảng 4.3 Năng lượng vùng cấm mẫu vật liệu TiO2/SiO2 72 Bảng 4.4 Xác định khối lượng vật liệu xúc tác phủ hạt thuỷ tinh 76 Bảng 4.5 Khối lượng vật liệu xúc tác hạt thuỷ tinh bị thất sau lần thí nghiệm 78 v Danh mục hình DANH MỤC HÌNH Hình 2.1 Q trình phân hủy sinh học bãi chơn lấp Hình 2.2 Cơ chế hoạt động chất xúc tác quang chất diệp lục 17 Hình 2.3 Động học bước chế xúc tác quang hóa [44] 20 Hình 2.4 Cấu trúc tinh thể pha Rutile [58] 20 Hình 2.5 Cấu trúc tinh thể pha Anatase [58] 21 Hình 2.6 Cấu trúc tinh thể pha Brookite 21 Hình 2.7 Cơ chế trình xúc tác quang vật liệu bán dẫn [44] Hình 2.8 Giản đồ lượng orbitan liên kết TiO2 anatas Hinh 2.9 Cấu trúc TiO2 dạng rutile anatase 32 Hinh 2.11 Hiện tượng lấn chiếm Ostwald 37 Hình 2.10 Sự phụ thuộc độ hoà tan vào độ cong Hinh 2.12 Sự hoà tan – ngưng tụ cổ tiếp xúc Hình 2.13 Các ứng dụng TiO2 lĩnh vực môi trường 40 Hình 2.14 Khả chống đọng sương kính phủ lớp phim TiO2 42 Hình 3.1.Mơ hình hệ thống thí nghiệm điều chế vật liệu TiO2/SiO2 phương pháp sol-gel Hình 3.2 Quy trình thí nghiệm điều chế bột TiO2/SiO2 Hình 3.3 Biểu đồ phân bố kích thước hạt dung dịch sau trình thuỷ phân nhiệt Hình 3.4 Quy trình phủ TiO2/SiO2 lên hạt thuỷ tinh phương pháp nhúng 49 Hình 3.5 Sản phẩm hạt thủy tinh trước sau phủ TiO2/SiO2 50 Hình 3.6 Sơ đồ mơ hình thí nghiệm xử lý độ màu COD vật liệu TiO2/SiO2 điều kiện sử dụng nguồn sáng UV-A Hình 3.7 Phổ ánh sáng đèn UV-A (www.philips.com) 52 Hình 3.8 Phổ ánh sáng ánh sáng mặt trời tự nhiên [27] 54 vi Phụ lục PHỤ LỤC TIÊU CHUẨN VIỆT NAM TCVN 5945:2005 Nước thải công nghiệp – Tiêu chuẩn thải (Industrial waste water – Discharge standards) TCVN 5945:2005 thay cho TCVN 5945:1995, TCVN 6980:2001, TCVN 6981:2001, TCVN 6982:2001, TCVN 6983:2001, TCVN 6984:2001, TCVN 6985:2001, TCVN 6986:2001, TCVN 6987:2001 Phạm vi áp dụng 1.1 Tiêu chuẩn qui định giá trị giới hạn thông số nồng độ chất ô nhiễm tromg nước thải sở sản xuất, chế biến, kinh doanh dịch vụ… (Gọi chung “nước thải công nghiệp”) 1.2 Tiêu chuẩn dùng để kiểm soát chất lượng nước thải công nghiệp khai thải vào thủy vực có mục đích sử dụng nước cho sinh hoạt, thủy vực có mục đích sử dụng nước với u cầu chất lượng nước thấp hơn, vào nơi tiếp nhận nước thải khác Giá trị giới hạn 2.1 Giá trị giới hạn thông số nồng độ chất ô nhiễm nước thải công nghiệp đổ vào vực nước không vượt giá trị tương ứng qui định bảng 2.2 Nước thải cơng nghiệp có giá trị thơng số nồng độ chất ô nhiễm nhỏ giá trị qui định cột A đổ vào vực nước thường dùng làm nguồn nước cho mục đích sinh hoạt 2.3 Nước thải cơng nghiệp có giá trị thơng số nồng độ chất ô nhiễm lớn giá trị qui định cột A nhỏ giá trị qui định cột B đổ vào vực nước nhận thải khác trừ thủy vực qui định cột A 2.4 Nước thải cơng nghiệp có giá trị thông số nồng độ chất ô nhiễm lớn giá trị quy định cột B không vượt giá trị qui định cột C phép thải vào nơi qui định (như hồ chứa nước thải xây riêng, cống dẫn đến nhà máy xử lý nước thải tập trung…) 2.5 Thành phần nước thải có tính đặc thù theo lĩnh vực/ngành công nghiệp số hoạt động sản xuất, kinh doanh dịch vụ cụ thể qui định tiêu chuẩn riêng 2.6 Phương pháp lấy mẫu, phân tích, tính tốn, xác định thơng số nồng độ cụ thể chất ô nhiễm qui định TCVN hành quan có thẩm quyền quy định Giá trị giới hạn thông số nồng độ chất ô nhiễm nước thải công nghiệp PL-4 Phụ lục TT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 Thông số Đơn vị o Nhiệt độ C pH Mùi Mầu sắc, Co-Pt pH=7 BOD5 (20oC) mg/l COD mg/l Chất rắn lơ lửng mg/l Asen mg/l Thủy ngân mg/l Chì mg/l Cadimi mg/l Crom (IV) mg/l Crom (III) mg/l Đồng mg/l Kẽm mg/l Niken mg/l Mangan mg/l Sắt mg/l Thiếc mg/l Xianua mg/l Phenol mg/l Dầu mở khoáng mg/l Dầu động thực vật mg/l Clo dư mg/l PCBs mg/l mg/l Hóa chất bảo vệ thực vật: Lân hữu mg/l Hóa chất bảo vệ thực vật: Clo hữu Sunfua mg/l Florua mg/l Clorua mg/l Amoni (tính theo Nitơ) mg/l Tổng nitơ mg/l Tổng phôtpho mg/l Coliform MPN/100ml Xét nghiệm sinh học (Bioassay) Tổng hoạt độ phóng xạ α Bq/l Tổng hoạt độ phóng xạ β Bq/l A Giá trị giới hạn B 40 đến Khơng khó chịu 20 30 50 50 0,05 0,005 0,1 0,005 0,05 0,2 0,2 0,5 0,2 0,07 0,1 10 0,003 0,3 40 5,5 đến Khơng khó chịu 50 50 80 100 0,1 0,01 0,5 0,01 0,1 0,5 0,1 0,5 20 0,01 0,1 0,1 0,2 0,5 10 500 600 10 15 30 3000 5000 90% cá sống sót sau 96 100% nước thải 0,1 0,1 1,0 1,0 PL-5 C 45 đến 100 400 200 0,5 0,01 0,5 0,5 5 10 0,2 10 30 0,05 15 1000 15 60 - CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc -o0o - LÝ LỊCH TRÍCH NGANG I GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ BẢN THÂN Họ tên học viên : NGUYỄN ĐÌNH ĐỨC Ngày sinh : 10/05/1981 Nơi sinh : Thạch Hà, Hà Tĩnh Địa liên lạc : Xóm Ba Giang, Xã Phù Việt, Huyện Thạch Hà, Tỉnh Hà Tĩnh II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO Năm 2000-2005: Học Đại học Khoa Môi trường – Trường Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh Chuyên ngành: Công nghệ Môi trường Năm 2006-2008: Học Cao học Khoa Môi trường – Trường Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh Chun ngành: Cơng nghệ Mơi trường III Q TRÌNH CƠNG TÁC Năm 2005-2006: Phịng Kiểm sốt Ơ nhiễm đất Chất thải rắn – Viện Kỹ thuật Nhiệt Đới Bảo vệ Môi trường Năm 2006-2008: Trung tâm Tư vấn Thiết kế Cấp thoát nước – Công ty Đầu tư & Xây dựng Cấp thoát nước Tp.HCM, ngày 01 tháng 12 năm 2008 NGUYỄN ĐÌNH ĐỨC ... cứu ứng dụng TiO2 xử lý độ màu COD khó phân hủy sinh học nước rỉ rác phương pháp xúc tác quang NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: Đánh giá khả xử lý độ màu COD khó phân hủy sinh học nước rỉ rác vật liệu xúc tác. .. số nghiên cứu sử dụng hợp chất xúc tác quang TiO2 lĩnh vực xử lý nước thải có kết tốt, việc ứng dụng thực tế chất xúc tác quang TiO2 xử lý môi trường (xừ lý nước thải, xử lý khí thải, xử lý mùi…)... ủng hộ Việc nghiên cứu chế tạo ứng dụng hoạt tính xúc tác quang vật liệu xúc tác quang dựa TiO2 với điều kiện nước ta mở hướng nghiên cứu chất xúc tác quang lĩnh vực xử lý nước, xử lý khí, cơng