Nghiên cứu một số nguyên liệu tự nhiên dùng để xử lý nước và nước thải

Đ Ạ I H Ọ C Q U Ố C G IA H À N Ộ I TRƯ Ờ NG Đ Ạ I HỌC K H O A HỌC T ự N H IÊN Đ ề tài: NGHIÊN CỨU MỘT s ố NGUYÊN LIỆU T ự NHIÊN DÙNG ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC VÀ NƯỚC THẢI M ã số : QT - 99 - 08 Chủ đê tài : TS - Nguyễn Hoàng Các cộng tác viên: PGS - TS - Nguyễn Xuân Trung CN - Lê Thị Phong t'.Vv ' triỉh ::: âv I •• • ■ ■ ■ '■ ■ ’li'.i Ị Ị o p r / Ì Ã : HÀ NỘI - 2002 : ■::.1' _ BÁO CÁO TÓM TẮT ĐỂ TÀI NGHIÊN cứu KHOA HỌC MÃ SỐ: QT 99 - 08 a Tên đề tài : Nghiên cứu số nguyên liệu tự nhiên dùng để xử lí nước nước thải b Chủ trì đề t i : TS Nguyễn Hồng c Các cán tham gia: PGS - TS - Nguyễn Xuân Trung KS - Lê Thị Phong d Mục tiêu nội dung nghiên cứu đề t i : • Mục tiêu :do nước nước thải chứa nhiều nguyên tố có hại, nên có nhiều tác giả nghiên cứu nhiều chất xử lí khác Tuy nhiên, đế tìm chất xử lí nước thích hợp ngun liệu tự nhiên sẵn có, khơng gây hại cho nước cần nghiên cứu cụ thể • Nội dung : - Thăm dị khả xử lí số nguyên liệu sẵn có than, pyroluzit, Mn0 hoạt hoá - Khảo sát yếu tố ảnh hưởng tới khả hấp thụ vật phẩm ion nghiên cứu F e 2+,F e3+, M n 2+, từ tìm điều kiện thích hợp cho q trình xử lí - Điều chế Mn0 hoạt hố, tạo hạt thích hợp - Thử xử lí Fe, Mn số giếng khoan số hộ gia đình Hà Nội e Các kết đạt : • • • • Đã chế tạo chất xử lí nước dạng hạt để xử lí nước sinh hoạt cho hộ gia đình, quan xí nghiệp Đó lịyhan hoạt tính từ ngun liệu chứa xenlulơ, chất hoạt hố chứa MnÕ2 Tiến hành nghiên cứu phương pháp phân tích Fe, Mn nhanh xác để đánh giá chất lượng nước trước sau xử lí Tách loại Fe, Mn có hiệu số giếng khoan Hà Nội với qui mổ gia đình Đã chế tạo thiết bị đơn giản để xử lí Fe, Mn dùng gia đình f Tinh hình kinh phí đề tài: Tổng kinh phí cấp : 8.000.000 đ Đã chi theo nội dung hợp đồng : 8.000.000 đ XÁC NHẬN CỦA KHOA CHỦ TRÌ ĐỂ TÀI PGS TS Nguyễn Xuân Trung Cơ QUAN CHỦ TRÌ ĐỀ TÀI S um m ary a- T itle i llic project: Investigation of using several natural m aterials for Wilier and waslewjilcr liealmenl h- Director ol’ llie project: Dr Nguyen Hoang c- Research L o -o rilin alo is: Prof Dr Nguyen X u an Trung BSc Lc T ill Phong d- O bjectives and Contents * Objcclivc: 111 order to remove the harmful elements presented in water and w aslcw alcr, llic scientists have been developed various materials for Wilier Ireatmenl process Tills study is f o cu s ed on the us e o f natural adsorbent m aterials which arc available and harmless * Conlenls: - '[Vsling (lie potential lor water treatment ol several available materials such as: activated carbon, p y io lu /il and activated M n O , - Investigating llic Íactors lliat influence adsorption behaviors of llicsc m akTÌals, - Producing m anular activated M ii O t - Testing the removal oi Fc and M il clcm cnls by these m aterials ill f il le d wells of some households ill Hanoi c- R e s u l t s ol llic p r o j e c t : - Produced granular activated MnO-, lor water and waste waster li ealincnl - Investigated t h e r a p i d a n d a c c u r a c y a n a l y t i c a l m e t h o d s lo r F e a n d M il ik ie rm iiK ilio n ol m ilicalcd and treated water - The I1CW m aterials arc used c lT ic ic n llv to remove l c and M il in water from drilled w ells of Hanoi with household scale - Produced s o n i c sim ple Wilier I r e a U n e n d e v i c e s to r e m o v e Ml) (lull a p p l i e d to Wilier p u r i f i c a t i o n ill h o u s e h o l d s Fe and I GIỚI THIỆU Hiện nay, khoa học kĩ thuật ngày phát triển, khu công nghiệp mọc lên nhiều nên lượng chất thải ngày tăng Nước thải ngành công nghiệp làm cho nước bị o nhiễm nặng, có hại cho sức khoẻ người Vì nước cần xử lí để làm giảm đến mức thấp chất độc hại trước đem dùng thải mơi trường Vì , việc nghiên cứu , tìm nguyên liệu tự nhiên , sấn có để xử lí nước cần thiết Ưu điểm chất giá thành rẻ , có nhiều tự nhiên , khơng gây độc hại cho nước sau xử l í Trong cơng trình , chúng tơi nghiên cứu thăm dị khả sử dụng nguyên liệu để tạo chất có khả xử lí hai ion kim loại phổ biến sinh hoạt Fe Mn Đặc biệt M n2+ khó xử lí phương pháp thông thường nhà máy nước dùng Muốn , tiến hành khảo sát hàm lượng hai nguyên tố nayftrong nước phép phân tích đơn giản , nhanh xác , đồng thời điều chế chất xử l í , đặc biệt ỵ Mn0 hoạt hố để xử lí Mn2+ , Fe2+, Fe3+có nước , nước sinh h o t, để đem lại nguồn nước sinh hoạt cho người dùng a Muc tiêu để tài : Nghiên cứu khả hấp thụ hạt Mn0 hoạt hoá đến ion kim loại F e2+ ,Fe 3+, Mn 2+, từ thăm dị khả ứng dụng chúng việc xử lí nước sinh hoạt nước thải b Nổi dung thưc hiên : Tra cứu tài liệu nước việc chế tạo chất xử lí nước , đặc biệt xử Fe , Mn Nghiên cứu khả hấp thụ trao đổi vật liệu với ion F e 2+ , Fe u đặc biệt M n 2+ dung dịch Xây dựng trình phân tích xác định Fe , Mn nước Điều chế chất xử lí nước ,như ỵ - Mn0 hoạt hoá , tạo hạt phù hợp cho việc xử lí Tiến hành xử lí mẫu nước chứa Fe , Mn chất ứng dụng lắp đặt thiết bị xử lí cho số hộ gia đình I I PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN c ứ u n Phương pháp nghiên cứu Trước tiến hành xử lí mẫu nước thực t ế , tiến hành nghiên cứu mẫu nước nhân tạo có chứa ion tương tự mẫu thực - Tiến hành xử lí theo phương pháp tĩnh : ngâm lượng xác định chất xử lí vào thể tích xác định dung dịch có nồng độ xác thời gian khác Sau đem xác định lại nồng độ lại ion dung dịch Từ xác định khả hấp thụ vật liệu - Hàm lượng kim loại xác định xác phương pháp cụ thể F e 2+ : + hàm lượng lớn xác định phương pháp chuẩn độ oxi hoá - khử + hàm lượng nhỏ , xác định phương pháp trắc quang với thuốc thử o - phenantiolin F e 1+ : + xác định phương pháp trắc quang với thuốc thử thiioxxyanat M n 2+: + hàm lượng lớn , ổxi hố lên M n SịCV , sau định lượng M n trắc quang + hàm lượng nhỏ , trắc quang với thuốc thử foocmanoxim I I Điều chế chất xử lí - y_ Mn02 hoạt hoá Từ quặng pyroluzit chuyển thành M n 2+ theo phản ứng : MnOn + H2c 20 4+ 2H+ = M n2+ + 2CO, +H20 Chuyển M n2+ thành muối cacbonat : Mn 2++ C O ; = MnCO, ị Nung MnCƠỊ nhiệt độ 300 - 400° hoá, hiệu suất 60% c khoáng thu M n hoạt III KẾT QUẢ NGHIÊN cứu m Nghiên cứu khả hấp thụ M nơ với M n2+ , dung dịch m Khảo sát hấp thụ M n pH = Để xem khả hấp thụ M n pH = , tiến hành thí nghiệm với mẫu sau : Mẫu : lg MnOz + 14m lM n2+ ,3 (T M Mẫu ; lg M n + m lM n z+ ,3 ‘ M Mẫu : lg MnO, + m lM n 2+ 8,3.10 M Đưa thể tích 20ml dung dịch , tạo mồi trường pH = Lấc 30 p h ú t, lọc Phân tích nước sau xử l í , kết trình bày bảng Bàng ] - Khả hấp thụ M n pH = Mẫu V MN2+( m l ) 14 ml, 8.10 M 20 ml, 8.10 M 34 ml, 8.10 "3 M Lượng M n2+ ban đầu ( m g ) 6,5 9,2 14,7 Lượng Mn sau xử lí ( mg ) 14,6 16,2 22 Như , pH = , hàm lượng M n 2+ sau xử lí lớn hàm lượng ban đầu M n bị tan phần a x it Do khơng thể tiến hành xử lí M n 2+ nước môi trường pH = Cần tăng pH lên m Khảo sát hấp phụ M n pH = Tiến hành tương tự , pH = trình bày bảng Bảng - Sự hấp thụ MnOz pH = Mẫu V Mn2+ 6,5 9,2 ,0 18,4 23 27,6 Lượng M n 2+ sau xử lí ( mg ) 0,15 1,56 3,80 9,60 14,2 17,7 Lượng hấp phụ (mg/g ) 6,3 7,64 ,2 8,80 8,80 8,90 Như , pH = , khả hấp thụ M n thể M n không bị tan I I I 1.3 Khảo sát hấp thụ MnOz mơi trường trung tính , pH = Tiến hành tưong tự với mẫu có hàm lượng M n2+ ban đầu khác Kết trình bày bảng Bảng - Sự hấp thụ M n pH = Mẫu Lượng M n2+ ban đầu ( mg ) 6,5 9,2 ,0 18,4 23,0 27,6 Lượng M n 2+ sau xử lí ( mg ) 0,75 1,52 2,70 7,40 Lượng hấp thụ ( rng ) 5,7 7,68 9,3 1 ,2 1 ,8 16,6 1 ,1 1 ,0 Như , khả hấp thụ M n pH = t ố t , khoảng 11 mg/g M n02 I I I ứng dụng qui trình phân tích xác định Mn nước I I I Tóm tắt điểu kiện xác định Mn 2.1.1.Xác định M n2+ phương pháp trắc quang với thuốc thử formaldoxim: Formaldoxim có cơng thức cấu tạo CH = N-OH sản phẩm ngưng tụ hiđrôxylaminva formaldehit H-CHO + H2N OH > CH = N-OH + H20 Formaldoxim tạo phức không màu với M n2+ chuyển nhanh thành màu nâu đỏ oxi hố oxi khơng k h í, phức tạo thành có cơng thức: [Mn(CH 2NO)6] 2' Phức bền vòng 16 Cực đai hấp thụ Ã max=455nm Hệ số tắt phân tử £ = ỉ 12001/mol.cm Điều kiện tối uru để xác định M n2+ phương pháp trắc quang với formaldoxim: - pH= 12 điều chỉnh lượng NaOH - Lượng thuốc thử formaldoxim 3ml 4%/25ml III.2.1.2 Xây dựng đường chuẩn xác định M n2+ thay đổi bảng 4.Tiến hành đo mật độ quang mẫu điều kiện chọn Bảng Mật độ quang D phụ thuộc nồng độ M n2+ VMn’+ ,2.10 0,25 0,50 ,0 1,50 ,0 2,50 5,00 7,50 ,0 12,5 14,0 M M n2+ ,2 2,4.10 4,8.10 7,2.10 9,6.10 ,2 2,4.10 3,6.10 4,8.10 6 ,8 m Mn2+ ( mg ) 1,7 3,4 ,8 ,1 13,5 16,9 33,8 50,7 67,6 84,6 94 Khoảng tuyến tính phép đo : ,7 - 50,7 mg/ m l III.2.1.3 Khảo sát ion ánh hướng đến việc xác định M n:+ D 0,013 0,027 0,052 0,075 0,109 0,144 0,276 0,401 0,530 0,662 0,736 Trong nước , ion F e3+ ảnh hưởng đến việc xác định M n2+ phép đo quang với thuốc thử formandexim Do thường che F e3+ ion xyanua có mặt muối ta tra t m Điều chế M nơ hoạt hoá IU.3.1 Điều chế M n từ thuốc tím : Dựa phản ứng : 4K M nơ + 12H ,0 -> 4M n(OH ) + 4KOH + 2H20 + , t Mn(OH)4 Mnb2 + 2H20 Bột MnO, thu , rửa , nung lò đến 500° c thu hạt hình cầu có kích thước nhỏ « 50 nm 111.3.2 Nhiệt phân M nC Phân huỷ M nC nhiệt độ 280 - 400 c lò nung : MnCO, + - — MnOo + c o , 111.3.3 Tạo hạt M n dùng để xử lí nước : Vật liệu lọc phù hợp cho việc xử lí Mn Fe , Fe nước hỗn hợp có chứa 20 - 80% MnO., , 15 - 80% chất kết dính Lấy phần khối lượng M n bột trộn với 10 phần chất kết dính , thêm vào lượng nước vừa đủ thành hỗn hợp ẩm , tạo hạt trộn máy tạo hạt thu hạt có kích thước ý muốn Sau , rửa , làm khơ , đóng gói Hạt tạo phải đạt u cầu : khơng tính hoạt hố M n , có độ xốp t ố t , không bị biến dạng , không bị tan q trình xử lí nước m Xử lí M n2+ sơ nguồn nước Hà Nội hạt M n hoạt hoá III.4.1 Lấy mẫu nước xử lí mẫu : số vùng Hà Nội : Cầu Giấy, B ởi, Thanh Xuân hàm lượng M n2+ nước giếng khoan hộ gia đình lớn Do việc xử lí M n 2* cần thiết Việc lấy mẫu nước tiến hành sau : Lấy mầu vào bình polietylen , oxit hố lít HNO đặc để tránh tượng hấp phụ ion lên thành bình , đồng thời hoà tan dạng keo kết tủa Mangan in.4.2 Xác định M n2+ trước sau xử lí mẫu : Dùng phương pháp phân tích nêu mục III.2 để xác định hàm lượng M n 2+ trước sau xử lí nước hạt Mn02 III.4.3 Lắp đặt hệ thống xử lí M n 2+ với qui mơ hộ gia đình : Qua thí nghệm tính tốn , lắp đặt hệ thống xử lí Mn nước sinh hoạt ( nước giếng khoan , nước máy ) gia đình theo mơ hình sau : Nước Nước chưa xử lí từ giếng khoan lên bể chứa ( ) , có dung tích từ 1- m xi măng ( thép khơng g ỉ ), có chứa cát , nước phun mưa để oxi hoá F e2+ thành Fe3+, kèm theo bể (1) bơm điều hồ nhỏ (1 ’) chứa chất oxi hố ( javen H 20 ) với mục đích giúp thêm q trình oxi hố Fe2+ , M n2+ Nước bể (1) qua cát thành nước giữ lại Fe3+ ( Fe(OH ) ị ) cặn bẩn qua cột xử lí (2) nhựa (thép khơng rỉ ) có đường kính 200-300 mm , chiều cao 1200 -1400 mm chứa khoảng 30 - 50 kg hạt M n hoạt hoá Tại , Mn2+ bị giữ lại Sau nước qua cột (3) để lọc đưa sử dụng Thiết bị lọc M n2+ sử dụng số hộ gia đình dùng nước giếng khoan Hà Nội cho kết t ố t , Mn2+ lại nước nhỏ lượng cho phép (< , mg /1 ) Việc tái tạo hạt M n đơn giản , thời gian sử dụng lâu , khoảng sau năm xử lí lại hạt M n c ộ t III.5 Kết phân tích mẫu nước III.5.1 Kết phân tích nước chưa xử lí Đã tiến hành lấy mẫu nước nhiều điểm thành phố để phân tích hàm lượng Mn2+ có nguồn nước Kết phân tích trình bày bảng Bảng - Hàm lượng Mn mẫu thực tế Mẫu Hàm lươn.2 Mangan C.10 M mg /1 ,0 Hạ đình ( giếng khoan ) 3,80 Khương Trung ( giếng 4,5 2,5 khoan ) Nhân Chính ( giếng 3,4 ,2 khoan) Hoàng Hoa Thám ( 3,0 ,6 giếng khoan ) Thái Hà ( giếng khoan ) ,2 4,0 ,8 Sông Kim Ngưu 1,4 Vết Hồ Ba Mẫu Vết Lượng M n2+ mức cho phép hầu hết giếng khoan thành phố Các sông hồ Mn bề m ặ t, M ir+ tiếp xúc tác nhân oxi hoá biến thành M n(OH ) kết lắng Do , việc xử lí Mn2+ nước giếng khoan cần thiết III.5.2 Xử lí Mn2+ số nước giếng khoan Đã tiến hành lắp đặt thiết bị đơn giản mô tả mục III.4.3 số gia đình sử dụng nước giếng khoan Hà Nội cho kết tốt từ đến hai nãm Hàm lượng M n2+ sau xử lí cịn thấp ( < 0,1 m g/1) Cụ thể ghi bảng Bảng Giếng khoan Hà Nội Ngoe Hà Ở Thái Hà 3.Ở Cầu Giấy - Kết xử lí M n2+ nước giếng khoan Hà Nội Lượng M n nạp cột 50 kg 50 kg 50kg Hàm lượng Mn2+ nước chưa xử lí 1,5 mg/1 4,0 mg/1 , mg /1 Hàm lượng Mn2+ sau xử lí 0,06 mg /1 0,08 mg /1 0,06 nng/1 Từ kết cho thấy : - Có thể xử lí tốt Mn2+ nước hạt MnO, hoạt hoá - Giá thành thiết bị xử l í , hạt M n rẻ phù hợp hộ gia đình bình thường - Bản thân hạt M n khơng có độc tính , khơng làm hại nguồn nước , lại dễ tái sinh qua sử dụng thời gian tương đối lâu ( từ hai đến ba năm tuỳ lượng Mn2+ nước) - Hạt M n dễ điều c h ế , bảo quản lâu d i - Có thể xử lí nước qui mơ lớn gia đình , điều phụ thuộc vào dung tích nước tiêu thụ IV KẾT LUẬN Đã nghiên cứu khả hấp phụ hạt MnOj tự điều chế mơi trường nước có pH khác Nhận thấy , mơi trường trung tính , khả hấp phụ hạt M n tốt ( 11 mg Mn2+/ lg hạt M n 2 Đã chọn phương pháp xác định hàm lượng nhỏ Mn2+ nước phương pháp trắc quang với thuốc thử forrmandioxim có độ nhậy tương đối cao , phân tích nhanh đáp ứng cho nhu cầu phân tích hàng loạt mẫu Đã điều chế M n hoạt hố tìm chất kết dính phù hợp , khơng ảnh hưởng đến khả hấp phụ M n tạo hạt nhiệt độ thường , tốn Đã triển khai dạng sản xuất nhỏ dạng vài tạ hạt M n dùng cho qui mơ xử lí nước gia đình Thử đưa hạt M n hoạt hoá vào cột xử lí nước hộ gia đình dùng nước giếng khoan Hà N ộ i, cho kết khả quan , Hàm lượng Mn2+ sau qua cột xử l í , cịn lại từ 0,06 - 0,08 mg/1 , giới hạn cho phép Thấy , cải tiến chất lượng hạt tốt , ví dụ phối trộn thêm số chất hấp phụ tự nhiên khác chitin , chitồsan , than hoạt tính , vật liệu chất xenlulơzơ khả xử lí M rr+ , Fe3+ số ion kim loại nặng Ni2+, Cu2+, Pb2+, Cr3 tốt TÁI LIỆU THAM KHẢO Trần Tứ Hiếu , Từ Vọng N g h i, Huỳnh Văn Trung : Phân tích nước Nhà xuất khoa học kĩ thuật Hà Nội - 1986 Tiẽu chuẩn môi trường Việt Nam TCVN 5944 - 1995 Tanabe , isao , yshiyama Japan Manganese dioxide - Chemical apstracts - Vol 84 - 1976 - 47140V Nicholso , Keith , eley , Mark Geochemistry of manganese oxxides ; metal adsorption in fresh water and marine evironments - Chemical Abstracts - Vol -1 1997 -1 Id Gaodeng Xuexiao , Huaxue Xuebao Synthesis of nanocrystalline Y -M n by hydrothermal method and characterzation - Chemical Abstracts - Vo] 127-1997 Removal of ion and manganese from well water - Chemical Abstracts - Vol - 1976 Filter materials for removing iron and manganese from waters - Chemical Abstracts - Vol 84 -1976 DẠI IIỌC Q U Ố C ( ;iA HẢ NỘI T U Ư Ờ m ; DẠI IIỌC K ll O A HỌ C T ự NHJftN KII()A:H()Á 1IỌC S i n l i v i ê n : L é T i ll ỈMiong N íilIIỆ N c ứ u K IIẢ NẢNtỉ x IiÝ SẮ T (II) H