Sử dụng chất thải từ quá trình chế biến cà phê để xử lý Pb(II) trong nước

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SỸ Sử dụng chất thải từ trình chế biến cà phê để xử lý Pb(II) nước HOÀNG ANH hoanganhinest@gmail.com Ngành Kỹ thuật môi trường Chuyên ngành Kỹ thuật môi trường Giảng viên hướng dẫn: Bộ môn: Viện: TS Trần Lệ Minh Công nghệ môi trường Khoa học Công nghệ môi trường HÀ NỘI, 11/2019 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SỸ Sử dụng chất thải từ trình chế biến cà phê để xử lý Pb(II) nước HOÀNG ANH hoanganhinest@gmail.com Ngành Kỹ thuật môi trường Chuyên ngành Kỹ thuật môi trường Giảng viên hướng dẫn: Bộ môn: Viện: TS Trần Lệ Minh Công nghệ môi trường Khoa học Công nghệ môi trường HÀ NỘI, 11/2019 LỜI CÁM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc TS Trần Lệ Minh tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, góp ý cho tơi q trình nghiên cứu hồn thành luận văn thạc sĩ Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể thầy, cô giáo, cán Viện Khoa học Công nghệ Môi trường - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội truyền đạt cho kiến thức quý báu suốt thời gian học tập Trường làm nghiên cứu phịng thí nghiệm Cuối xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp quan tâm, giúp đỡ tơi q trình học tập, nghiên cứu hoàn thành Luận văn Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng Tác giả Hồng Anh i năm 2019 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan luận văn thực chương trình đào tạo Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Các số liệu kết luận văn trung thực chưa công bố Tơi hồn tồn chịu trách nhiệm nội dung Luận văn Tác giả Hoàng Anh ii MỤC LỤC LỜI CÁM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC BẢNG vi DANH MỤC HÌNH vi MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục đích, mục tiêu nghiên cứu Đối tượng, phương pháp phạm vi nghiên cứu Những đóng góp luận văn Ý nghĩa khoa học thực tiễn Bố cục luận văn CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Ô nhiễm chì, ảnh hưởng chúng đến người môi trường 1.1.1 Một số đặc tính chì 1.1.2 Nguồn gây ô nhiễm chì nước 1.1.3 Tác động chì nước thải đến người môi trường 1.2 Một số phương pháp xử lý Pb(II) nước 1.2.1 Phương pháp kết tủa hóa học 1.2.2 Phương pháp trao đổi ion 10 1.2.3 Phương pháp hấp phụ 10 1.2.4 Phương pháp sinh học 11 1.3 Xử lý kim loại nước vật liệu sinh học 12 1.3.1 Cơ sở phương pháp 12 1.3.2 Một số yếu tố ảnh hưởng đến trình hấp phụ kim loại nặng dung dịch vật liệu sinh học 14 1.3.3 Một số phương trình đẳng nhiệt mơ tả q trình hấp phụ kim loại nước vật liệu sinh học 17 1.3.4 Một số phương trình động học mơ tả phản ứng hấp phụ 21 1.4 Tình hình nghiên cứu sử dụng chất thải nông nghiệp để xử lý Pb(II) nước 22 iii CHƯƠNG 2.PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM 25 2.1 Hóa chất, thiết bị vật liệu hấp phụ 25 2.1.1 Hóa chất thiết bị 25 2.1.2 Vật liệu hấp phụ 25 2.2 Phương pháp nghiên cứu 28 2.3 Quy trình thực nghiệm 30 2.3.1 Xác định ảnh hưởng thời gian tiếp xúc đến hiệu suất xử lý 30 2.3.2 Xác định ảnh hưởng pH đến hiệu suất xử lý 30 2.3.3 Xác định hưởng tỷ lệ rắn – lỏng đến hiệu suất xử lý 30 2.3.4 Xác định hưởng ion Zn(II) đến hiệu suất xử lý 31 2.4 Phương pháp đo phân tích 31 2.5 Xử lý thống kê biểu diễn số liệu thực nghiệm 32 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 33 3.1 Xác định đặc tính vật liệu 33 3.2 Ảnh hưởng thời gian tiếp xúc đến hiệu suất xử lý 36 3.3 Ảnh hưởng pH đến hiệu suất xử lý 38 3.4 Ảnh hưởng tỉ lệ rắn – lỏng đến hiệu suất xử lý 40 3.5 Xác định hưởng ion Zn(II) đến hiệu suất xử lý 42 3.6 Đẳng nhiệt hấp phụ đến hiệu suất xử lý Pb(II) nước 43 3.7 Động học trình hấp phụ Pb(II) nước 46 KẾT LUẬN 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 PHỤ LỤC 51 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt/ ký hiệu AAS Tên tiếng Anh Atomic Absorption Tên tiếng Việt Quang phổ hấp thụ nguyên tử Spectrometric BTNMT Bộ Tài nguyên Môi trường Ministry of Natural Resources and Environment (MONRE) Co Nồng độ ion kim loại ban đầu - dung dịch, mg/L HUST Hanoi University of Science Trường Đại học Bách Khoa and Technology Hà Nội H INEST - Hiệu suất xử lý School of Environmental Viện Khoa học Công nghệ Science and Technology Môi trường KLN - Kim loại nặng NXB - Nhà xuất FTIR Fourier Transform InfraRed Phổ hồng ngoại SEM Scanning Electronic Kính hiển vi điện tử quét Microscope R/L - Tỉ lệ rắn – lỏng t - Thời gian tiếp xúc T - Độ truyền quang v DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Nồng độ kim loại nặng dòng thải số nhà máy [4,16,17] Bảng 1.2 Nồng độ kim loại nặng nước sông Kim Ngưu – Tô Lịch [4] Bảng 1.3 Kết dùng tảo xử lý kim loại nước [14] 12 Bảng 1.4 Các dạng đường thẳng Langmuir 18 Bảng 3.1 Hằng số đẳng nhiệt Langmuir xử lý Pb(II) 43 Bảng 3.2 Hằng số đẳng nhiệt Freundlich xử lý Pb(II) 43 Bảng 3.3 Khả hấp phụ Pb(II) CFH, BCFH, BCFH-NaOH so với số vật liệu khác 46 Bảng 3.4 Hằng số tốc độ hấp phụ bậc Pb(II) 47 Bảng 3.5 Hằng số tốc độ hấp phụ bậc Pb(II) 47 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Cơ chế sử dụng vật liệu sinh học để xử lý kim loại [30] 13 Hình 2.1 Sơ đồ quy trình chế tạo vật liệu CFH 27 Hình 2.2 Sơ đồ quy trình chế tạo vật liệu BCFH BCFH-NaOH 28 Hình 2.3 Sơ đồ thực theo mẻ gián đoạn 29 Hình Hình Hình Hình 3.1 Ảnh SEM vật liệu (a) CFH, (b) BCFH (c) BCFH-NaOH 34 3.2 Phổ hồng ngoại vật liệu (a) CFH, (b) BCFH (c) BCFH-NaOH 35 3.3 Ảnh hưởng thời gian tiếp xúc đến hiệu suất xử lý Pb(II) CFH 36 3.4 Ảnh hưởng thời gian tiếp xúc đến hiệu suất xử lý Pb(II) BCFH 37 Hình 3.5 Ảnh hưởng thời gian tiếp xúc đến hiệu suất xử lý Pb(II) BCFH-NaOH 37 Hình 3.6 Ảnh hưởng pH ban đầu đến hiệu suất xử lý Pb(II) 39 Hình 3.7 Ảnh hưởng pH cân đến hiệu suất xử lý Pb(II) 39 Hình 3.8 Ảnh hưởng tỉ lệ rắn – lỏng đến hiệu suất xử lý Pb(II) (a) CFH, (b) BCFH (c) BCFH-NaOH 41 Hình 3.9 Ảnh hưởng Zn(II) đến hiệu suất xử lý Pb(II) CFH 42 Hình 3.10 Đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir sử dụng (a) CFH, (b) BCFH (c) BCFHNaOH 44 Hình 3.11 Đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich sử dụng CFH, BCFH, BCFH-NaOH 45 Hình 3.12 Giả động học bậc hấp phụ Pb(II) 46 Hình 3.13 Giả động học bậc hấp phụ Pb(II) 47 vi MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Trong năm gần đây, phát triển kinh tế gia tăng dân số nên môi trường nước ngày bị ô nhiễm kim loại nặng mà nguồn gốc chủ yếu từ công nghiệp Các hoạt động người làm tăng hàm lượng SO2, NO2 khí quyển, tạo mưa axit, làm tăng độ axit đất làm tăng khả hòa tan kim loại nặng nước, gây nhiễm thêm nguồn nước Chính vậy, việc áp dụng phương pháp xử lý nhằm giảm thiểu loại bỏ kim loại nặng khỏi môi trường cần thiết ngày quan tâm để bảo vệ môi trường sống sức khỏe cộng đồng Các phương pháp để xử lý kim loại nặng nước biết đến phương pháp kết tủa hóa học, điện hóa, trao đổi ion, hấp thụ sinh học, hấp phụ cộng kết hóa học [2] Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm định phạm vi ứng dụng khác Các công nghệ cần bổ sung hóa chất vào dịng thải gây ô nhiễm thứ cấp giá thành vật liệu cao, khơng kinh tế nên việc ứng dụng cịn số hạn chế Trong năm gần đây, nghiên cứu xử lý kim loại nước vật liệu sinh học hướng nghiên cứu mới, thân thiện với mơi trường phải bổ sung hố chất vào dịng thải nên khơng gây ảnh hưởng thứ cấp tới mơi trường mà cịn thu hồi kim loại Các kết nghiên cứu chứng minh số chất thải nông nghiệp địa phương sử dụng để thay vật liệu hấp phụ đắt tiền Do đó, nghiên cứu tìm tịi lĩnh vực ln quan tâm mang lại lợi ích mơi trường lợi ích kinh tế Việt Nam nước có tỷ trọng ngành nông nghiệp chiếm phần lớn cấu kinh tế, ngành chế biến xuất cà phê ngành phát triển nước ta Năm 2018, xuất cà phê nước ta đạt 1,882 triệu tấn, trị giá 3,544 tỷ USD, tăng 20,1% lượng tăng 1,2% trị giá so với năm 2017 Tuy nhiên, trình sản xuất cà phê gây tác động đến môi trường thải bỏ lượng lớn chất thải Chất thải rắn thải ước tính 400 kg/tấn sản phẩm thơ từ trình tách hạt theo phương pháp truyền thống chế biến khô Nhu cầu xử lý chất thải rắn từ trình sản xuất cà phê lớn Với mong muốn tận dụng nguồn chất thải từ trình sản xuất cà phê, đề tài “Sử dụng chất thải từ trình chế biến cà phê để xử lý Pb(II) nước” thực nhằm nghiên cứu khả xử lý Pb(II) ba loại vật liệu chế tạo hai loại than từ vỏ cà phê vỏ cà phê biến tính từ trình tách hạt cà phê phương pháp chế biến khơ Mục đích, mục tiêu nghiên cứu - Chế tạo vật liệu từ chất thải trình tách hạt cà phê theo phương pháp truyền thống: i/ sinh khối khô, ii/ than sinh học (biochar) iii/ than sinh học biến tính với tác nhân NaOH - Nghiên cứu số yếu tố ảnh hưởng đến khả xử lý Pb(II) nước ba vật liệu chế tạo Đối tượng, phương pháp phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: - Vật liệu: sinh khối khơ hoạt hóa than sinh học chế tạo điều kiện yếm khí từ chất thải trình tách hạt cà phê - Ion kim loại nặng: dung dịch Pb(II) có nồng độ khoảng 50 mg/L, kim loại nặng thường có mặt nước thải từ trình sản xuất ắc quy, tái chế ắc quy, Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp thu thập tài liệu, nghiên cứu thực nghiệm, phương pháp phân tích, phương pháp thống kê, xử lý số liệu phương pháp đồ họa sử dụng Phạm vi nghiên cứu: thực phịng thí nghiệm Trung tâm Nghiên cứu phát triển công nghệ quản lý mơi trường – INEST/HUST Những đóng góp luận văn - Xây dựng quy trình chế tạo vật liệu từ chất thải trình tách hạt cà phê tạo sản phẩm sinh khối khô (CFH), than sinh học (BCFH) than sinh học biến tính với tác nhân NaOH (BCFH-NaOH) - Khảo sát ảnh hưởng yếu tố môi trường gồm pH dung dịch, thời gian tiếp xúc, tỉ lệ rắn – lỏng đến hiệu xử lý Pb(II) nước vật liệu chế tạo - Các số liệu thực nghiệm biểu diễn theo mô hình đẳng nhiệt Langmuir Freundlich Xác định dung lượng tối đa vật liệu 89 90 91 92 93 94 95 Phụ lục Kết đo diện tích bề mặt BCFH - NaOH 96 97 98 99 100 101 102 Phụ lục Một số hình ảnh thực nghiệm Đo pH mẫu phân tích Đặt mẫu vào lắc ổn nhiệt Jeio Tech BS-31 Chuẩn bị dung dịch để xác định ảnh hưởng pH Phân tích Pb hệ thống AAS 800 Perkin Elmer 103 ... Nhu cầu xử lý chất thải rắn từ trình sản xuất cà phê lớn Với mong muốn tận dụng nguồn chất thải từ trình sản xuất cà phê, đề tài ? ?Sử dụng chất thải từ trình chế biến cà phê để xử lý Pb(II) nước? ??... khí hậu độ màu mỡ đất đai Chất thải từ trình sản xuất cà phê thường xử lý cách chế biến phân hữu thải bỏ Chất thải sử dụng trình thực nghiệm vỏ từ trình tách hạt cà phê Arabica theo phương pháp... khả xử lý Pb(II) ba loại vật liệu chế tạo hai loại than từ vỏ cà phê vỏ cà phê biến tính từ trình tách hạt cà phê phương pháp chế biến khơ Mục đích, mục tiêu nghiên cứu - Chế tạo vật liệu từ chất