Nghiên cứu xử lý Ni(II) trong nước bằng phụ phẩm nông nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - PHẠM LÊ NGUYÊN NGHIÊN CỨU XỬ LÝ Ni(II) TRONG NƯỚC BẰNG PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Hà Nội – Năm 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - PHẠM LÊ NGUYÊN NGHIÊN CỨU XỬ LÝ Ni(II) TRONG NƯỚC BẰNG PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS TRẦN LỆ MINH Hà Nội – Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn thực chƣơng trình đào tạo Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Các số liệu kết Luận văn trung thực chƣa đƣợc cơng bố Tơi hồn tồn chịu trách nhiệm nội dung Luận văn Hà Nội, ngày 15 tháng năm 2018 Ngƣời thực Luận văn Phạm Lê Nguyên i LỜI CẢM ƠN Lời xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Trần Lệ Minh – Viện Khoa học Công nghệ môi trƣờng – Trƣờng đại học Bách Khoa Hà Nội ngƣời tận tình hƣớng dẫn tơi nghiên cứu thực Luận văn này; Tôi xin cảm ơn thầy cô giáo Viện Khoa học Công nghệ môi trƣờng – Trƣờng đại học Bách Khoa Hà Nội giảng dạy, trang bị kiến thức để giúp thực Luận văn này; Qua đây, xin chân thành gửi lời cảm ơn tới Ban Lãnh đạo, đồng nghiệp Trung tâm kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lƣờng Chất lƣợng – Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lƣờng Chất lƣợng nhiệt tình giúp đỡ tạo điều kiện mặt trình thực nghiệm đề tài Luận văn; Xin cảm ơn gia đình, bạn bè, ngƣời thân chia sẻ, động viên suốt trình học tập nghiên cứu Trƣờng đại học Bách Khoa Hà Nội Hà Nội, ngày 15 tháng năm 2018 Ngƣời thực Luận văn Phạm Lê Nguyên ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC HÌNH vi DANH MỤC BẢNG vii MỞ ĐẦU .1 CHƢƠNG Ô NHIỄM NIKEN TRONG NƢỚC VÀ PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ KIM LOẠI BẰNG VẬT LIỆU SINH HỌC 1.1 Hiện trạng ô nhiễm niken nƣớc, ảnh hƣởng chúng đến ngƣời môi trƣờng 1.1.1 Nguồn gốc ô nhiễm Ni(II) nƣớc 1.1.2 Ảnh hƣởng ô nhiễm Ni(II) ngƣời môi trƣờng 1.2 Xử lý kim loại nặng nƣớc vật liệu sinh học .8 1.2.1 Cơ sở phƣơng pháp 1.2.2 Một số yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu suất xử lý theo mẻ gián đoạn 1.2.3 Một số phƣơng trình đẳng nhiệt mơ tả trình hấp phụ kim loại nặng nƣớc vật liệu sinh học 12 1.2.4 Một số phƣơng trình động học mơ tả trình hấp phụ 16 1.2.5 Một số chế trình xử lý kim loại nặng vật liệu sinh học .17 1.3 Tình hình nghiên cứu xử lý Ni(II) số kim loại nặng nƣớc phụ phẩm nông nghiệp .19 CHƢƠNG 22 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM 22 2.1 Vật liệu hấp phụ, hóa chất thiết bị thực nghiệm 22 2.1.1 Lựa chọn chế tạo vật liệu 22 iii 2.1.2 Hóa chất 23 2.1.3 Thiết bị, dụng cụ thực nghiệm 23 2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu quy trình thực nghiệm 24 2.2.1 Phƣơng pháp nghiên cứu 24 2.2.2 Quy trình thực nghiệm 24 2.2.3 Xác định ảnh hƣởng thời gian tiếp xúc đến hiệu suất xử lý Ni(II) 25 2.2.4 Xác định ảnh hƣởng pH tới hiệu suất xử lý Ni(II) 26 2.2.5 Khảo sát ảnh hƣởng tỷ lệ rắn - lỏng đến hiệu suất xử lý Ni(II) .26 2.2.6 Thăm dò khả giải hấp phụ, tái sử dụng vật liệu .27 2.2.7 Xử lý nƣớc thải .27 2.3 Phƣơng pháp đo phân tích .28 2.4 Xử lý thống kê biểu diễn kết thực nghiệm .29 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 30 3.1 Xác định đặc tính vật liệu 30 3.2 Ảnh hƣởng thời gian tiếp xúc tới hiệu suất xử lý Ni(II) 33 3.3 Ảnh hƣởng pH đến hiệu suất xử lý Ni(II) 35 3.4 Ảnh hƣởng tỷ lệ rắn – lỏng đến hiệu suất xử lý Ni(II) 37 3.5 Đẳng nhiệt hấp phụ 39 3.6 Thăm dò khả giải hấp phụ 42 3.7 Kết xử lý niken nƣớc thải 44 3.8 Động học trình hấp phụ Ni(II) dung dịch 44 KẾT LUẬN .47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 Phụ lục 1: Trích dẫn quy chuẩn kỹ thuật quốc gia nƣớc thải công nghiệp - QCVN 40:2011/BTNMT .53 Phụ lục 2: Một số số liệu thực nghiệm 54 Phụ lục 3: Một số đặc tính vật liệu .57 Phụ lục 4: Kết xác định diện tích bề mặt riêng vật liệu theo BET 60 Phụ lục 5: Một số hình ảnh thực nghiệm 68 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt/ ký hiệu Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt BTNMT Ministry of Natural Resources and Environment (MONRE) Bộ Tài nguyên Môi trƣờng FTIR Fourier Transform InfraRed Phổ hồng ngoại SEM Scanning Electronic Microscope Kính hiển vi điện tử quét H - Hiệu suất xử lý t - Thời gian tiếp xúc v DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Sơ đồ dây chuyền cơng nghệ mạ niken kèm dịng thải .5 Hình 1.2 Sơ đồ dây chuyền công nghệ mạ niken tự động Hình 2.1 Quy trình chế tạo vật liệu MBH CH .22 Hình 2.2 Sơ đồ quy trình thực nghiệm theo mẻ gián đoạn .25 Hình 3.1 Ảnh SEM MBH (a) trƣớc (b) sau xử lý Ni(II) với độ phóng đại 1000 lần .30 Hình 3.2 Ảnh SEM CH (a) trƣớc (b) sau xử lý Ni(II) với độ phóng đại 250 lần 31 Hình 3.3 Phổ hồng ngoại MBH; (a) trƣớc xử lý, (b) sau xử lý 32 Hình 3.4 Phổ hồng ngoại CH; (a) trƣớc xử lý, (b) sau xử lý .33 Hình 3.5 Ảnh hƣởng thời gian tiếp xúc đến hiệu suất xử lý Ni(II) 34 Hình 3.6 Ảnh hƣởng pH ban đầu đến hiệu suất xử lý Ni(II) 36 Hình 3.7 Ảnh hƣởng pH cân đến hiệu suất xử lý Ni(II) 37 Hình 3.8 Ảnh hƣởng tỷ lệ rắn – lỏng đến hiệu suất xử lý Ni(II) 38 Hình 3.9 Lƣợng Ni(II) hấp phụ tỷ lệ rắn - lỏng 39 Hình 3.10 Đẳng nhiệt hấp phụ cân hấp phụ 40 Hình 3.11 Đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir 40 Hình 3.12 Đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich 41 Hình 3.13 Khả giải hấp phụ Ni(II) tái sử dụng MBH 43 Hình 3.14 Khả giải hấp phụ Ni(II) tái sử dụng CH .43 Hình 3.15 Giả động học bậc hấp phụ Ni(II) 45 Hình 3.16 Giả động học bậc hấp phụ Ni(II) 45 vi DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Thành phần nƣớc thải số sở công nghiệp Bảng 1.2 Các dạng đƣờng đẳng nhiệt Langmuir .14 Bảng 1.3 Kết nghiên cứu xử lý Ni(II) vật liệu loại .21 Bảng Kết phân tích mẫu đối chứng .35 Bảng Hằng số đẳng nhiệt Langmuir Freundlich 41 Bảng 3 Khả hấp phụ Ni(II) MBH CH .42 Bảng 3.4 Kết xử lý Ni(II) nƣớc thải công ty TNHH Showa Việt Nam 44 Bảng 3.5 Hằng số giả động học bậc bậc Ni(II) 46 vii MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Phát triển cơng nghiệp nhiệm vụ hàng đầu để Việt Nam thực hiên mục tiêu cơng nghiệp hóa, đại hóa đất nƣớc Tuy nhiên, công nghiệp gây tác động mạnh đến mơi trƣờng, tài ngun, sức khỏe, an tồn trật tự xã hội Có thể nói, nhiễm mơi trƣờng đồng hành với phát triển dự án công nghiệp Trong hoạt động công nghiệp, nƣớc thải một thành phần phát thải có đặc trƣng khác tùy theo ngành nghề, dây chuyền công nghệ, nguyên liệu sản xuất Nƣớc thải số ngành nhƣ xi mạ, luyện kim, khai khống, hóa chất,… có đặc trƣng chứa kim loại nặng với nồng độ từ vài đến vài chục mg/L Nguồn nƣớc thải không đƣợc quản lý, xử lý nguồn mối đe dọa cho môi trƣờng, hệ sinh thái sức khỏe ngƣời “Kim loại nặng” theo định nghĩa phổ biến nguyên tố kim loại mà tỷ trọng lớn 5g/cm3 [3] (ví dụ nhƣ Cu, Fe, Mn, Pb, Ni…) Tính nguy hại kim loại nặng tồn lâu dài, không bị phân hủy sinh học tích tụ thể sống, chúng xâm nhập vào ngƣời sinh vật thông qua chuỗi thức ăn hệ sinh thái Niken nhóm 14 nguyên tố hóa học có độc tính cao ngƣời động vật Khi bị phơi nhiễm niken, ngƣời bị bệnh da tăng nguy mắc bệnh ung thƣ đƣờng hơ hấp Do đó, ngăn chặn việc thải bỏ kim loại nặng nói chung niken nói riêng vào mơi trƣờng cần thiết Đối với mơi trƣờng nƣớc, để loại bỏ niken nhóm phƣơng pháp hóa lý hóa học đƣợc biết đến nhƣ kết tủa hóa học, điện hóa, trao đổi ion, Mỗi phƣơng pháp có ƣu, nhƣợc điểm đƣợc áp dụng phù hợp trƣờng hợp định Tuy nhiên, phƣơng pháp thƣờng phải bổ sung hóa chất, tạo nhiều bùn thải, giá thành cao nên khơng kinh tế Do đó, việc nghiên cứu sử dụng vật liệu hấp phụ (VLHP) giá thành thấp đƣợc quan tâm, kết thu đƣợc đáng đƣợc khích lệ Một tính ƣu việt phƣơng pháp VLHP đƣợc chế tạo đơn giản, bên cạnh Phụ lục 2: Một số số liệu thực nghiệm Bảng PL 2.1: Ảnh hưởng th i gian ti p x c đ n hiệu suất xử lý Ni(II) MBH (pHbđ = 4,95; tỷ lệ R/L = g/L, tốc độ khuấy trộn 100 vòng/phút) STT KLVL (g) Thời gian (ph) pH cb Ni ban đầu (mg/L) Ni cb (mg/L) H% 10 0.3513 0.3515 0.3503 0.3511 0.3508 0.3523 0.3511 0.3514 0.3511 0.3520 10 20 30 50 60 70 90 120 180 4.51 4.52 4.56 4.64 4.59 4.45 4.44 4.58 4.51 4.48 52.9 52.9 52.9 52.9 52.9 52.9 52.9 52.9 52.9 52.9 24.7 19.5 16.3 14.8 13.0 12.9 12.9 12.8 12.9 12.9 53.4 63.0 69.2 72.0 75.4 75.6 75.6 75.8 75.6 75.6 Bảng PL 2.2: Ảnh hưởng th i gian ti p x c đ n hiệu suất xử lý Ni(II) CH (pHbđ = 4,95; tỷ lệ R/L = g/L, tốc độ khuấy trộn 100 vòng/phút) STT KLVL (g) Thời gian (ph) pH cb Ni ban đầu (mg/L) Ni cb (mg/L) H% 10 0.3512 0.3524 0.3508 0.3522 0.3497 0.3504 0.3504 0.3498 0.3523 0.3513 10 30 45 60 80 90 100 120 180 6.44 6.44 6.53 6.60 6.84 6.76 6.69 6.59 6.72 7.09 52.9 52.9 52.9 52.9 52.9 52.9 52.9 52.9 52.9 52.9 40.6 35.9 29.6 27.5 26.5 25.8 25.8 25.8 25.8 25.8 23.2 32.1 44.1 48.0 49.9 51.2 51.2 51.2 51.2 51.2 54 Bảng PL 2.3: Ảnh hưởng pH đ n hiệu suất xử lý Ni(II) MBH (Tỷ lệ R/L = g/L; tốc độ khuấy trộn 100 vòng/phút, t= 60 phút) STT KLVL (g) pH ban đầu pH cb Ni ban đầu (mg/L) Ni cb (mg/L) H% 10 0.3513 1.54 0.3534 0.3540 0.3502 0.3519 0.3493 0.3493 0.3541 0.3509 0.3533 2.58 3.08 3.72 4.40 4.98 5.59 6.08 6.73 7.51 1.89 2.83 3.66 4.39 4.56 4.64 4.67 4.73 4.74 4.82 52.9 52.9 52.9 52.9 52.9 52.9 52.9 52.9 52.9 52.9 52.1 36.1 22.2 16.2 14.4 13.1 12.9 12.9 12.9 12.9 1.47 31.7 58.0 69.4 72.8 75.2 75.6 75.6 75.6 75.6 Bảng PL 2.4: Ảnh hưởng pH đ n hiệu suất xử lý Ni(II) CH (Tỷ lệ R/L = g/L; tốc độ khuấy trộn 100 vòng/phút, t= 80 phút) STT KLVL (g) pH ban đầu pH cb Ni ban đầu (mg/L) Ni cb (mg/L) H% 0.3522 1.54 0.3504 0.3483 0.3506 0.3489 0.3490 0.3510 0.3530 0.3517 0.3514 2.58 3.08 3.72 4.40 4.98 5.59 6.08 6.73 7.51 2.03 3.31 5.62 6.58 6.68 6.76 6.81 6.82 6.90 6.94 52.9 52.9 52.9 52.9 52.9 52.9 52.9 52.9 52.9 52.9 52.2 41.6 35.2 30.7 27.9 25.8 25.8 25.6 25.6 25.6 1.28 21.4 33.4 41.9 47.2 51.2 51.3 51.6 51.6 51.6 10 55 Bảng PL 2.5: Ảnh hưởng tỷ lệ r n– lỏng đ n hiệu suất xử lý Ni(II) MBH (pHbđ = 5,0; tốc độ khuấy trộn 100 vòng/phút; t = 60 phút) STT Tỷ lệ R/L (g/L) KLVL (g/50mL) pH cân Ni ban đầu (mg/L) 0.62 1.63 2.55 5.03 7.09 10.25 13.08 17.71 22.13 0.0309 0.0814 0.1276 0.2514 0.3547 0.5126 0.6541 0.8855 1.1066 4.47 4.40 4.50 4.63 4.56 4.65 4.68 4.68 4.70 50.9 50.9 50.9 50.9 50.9 50.9 50.9 50.9 50.9 Ni cân (mg/L) 41.7 31.7 25.2 16.6 12.4 9.08 7.53 7.43 7.38 H% 18.0 37.8 50.5 67.4 75.7 82.2 85.2 85.4 85.5 Bảng PL 2.6: Ảnh hưởng tỷ lệ r n– lỏng đ n hiệu suất xử lý Ni(II) CH (pHbđ = 5,0; tốc độ khuấy trộn 100 vòng/phút; t = 80 phút) STT Tỷ lệ R/L (g/L) 0.65 1.57 2.57 5.09 7.04 10.44 13.33 18.04 21.93 KLVL (g/50ml) pH cb Ni ban đầu (mg/L) Ni cb (mg/L) H% 0.0325 0.0784 0.1285 0.2547 0.3522 0.5221 0.6663 0.9022 1.0964 6.03 6.53 6.74 6.91 6.90 6.90 6.91 6.89 6.91 50.9 50.9 50.9 50.9 50.9 50.9 50.9 50.9 50.9 47.5 42.6 37.7 29.5 24.8 17.0 13.7 13.7 13.7 6.5 16.2 25.8 42.0 51.3 66.6 73.1 73.1 73.1 56 Phụ lục 3: Một số đặc tính vật liệu Ảnh PL 3.1: Ảnh SEM vật liệu MBH - (a) trƣớc xử lý, (b) sau xử lý MBH MBH-Ni 57 PL 3.2: Ảnh SEM vật liệu CH - (a) trƣớc xử lý, (b) sau xử lý CH CH-Ni 58 59 Phụ lục 4: Kết xác định diện tích bề mặt riêng vật liệu theo BET PL 4.1: Kết xác định diện tích bề mặt riêng MBH 60 61 PL 4.2: Kết xác định diện tích bề mặt riêng CH 62 63 64 65 66 67 Phụ lục 5: Một số hình ảnh thực nghiệm Xác định ảnh hƣởng pH Xác định ảnh hƣởng tỷ lệ rắn – lỏng Chạy máy ICP-MS(model 7700, Agilent technology) phân tích nồng độ Ni 68 ... hấp phụ vật liệu hấp phụ 1.3 Tình hình nghiên cứu xử lý Ni(II) số kim loại nặng nƣớc phụ phẩm nông nghiệp Trong năm gần đây, xử lý kim loại vật liệu đƣợc chế tạo từ chất thải nông nghiệp phụ phẩm. .. Nam, nguồn phụ phẩm chất thải nông nghiệp dồi dào, thuận lợi cho việc nghiên cứu chế tạo VLHP giá thành thấp, thân thiện với môi trƣờng Đề tài ? ?Nghiên cứu xử lý Ni(II) nước phụ phẩm nông nghiệp? ??... dịch sau xử lý tƣơng ứng lại 0,00; 0,02; 0,04 0,18 ppm [28] Bảng 1.3 Kết nghiên cứu xử lý Ni(II) vật liệu loại STT Vật liệu chế tạo từ phụ phẩm nông nghiệp Kim loại đƣợc xử lý Khả hấp phụ tối