Khảo sát thực nghiệm và mô phỏng quá trình hấp phụ dạng cột đối với ion cadmium (II) bằng vỏ sò huyết

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NHAN CẨM HUY KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM VÀ MƠ PHỎNG Q TRÌNH HẤP PHỤ DẠNG CỘT ĐỐI VỚI ION CADMIUM(II) BẰNG VỎ SÒ HUYẾT Chuyên ngành: KỸ THUẬT HÓA HỌC Mã số: 60520301 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 08 năm 2018 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Tuấn Anh (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 1: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 2: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 17 tháng 08 năm 2018 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) PGS TS Ngô Mạnh Thắng PGS TS Huỳnh Kỳ Phương Hạ PGS TS Lê Minh Viễn TS Lý Cẩm Hùng TS Đoàn Văn Thuần Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA………… i ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Nhan Cẩm Huy MSHV: 1670667 Ngày, tháng, năm sinh: 18-12-1990 Nơi sinh: TP.HCM Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học Mã số : 60520301 I TÊN ĐỀ TÀI: Khảo sát thực nghiệm mơ q trình hấp phụ dạng cột ion Cadmium(II) vỏ sò huyết II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nhiệm vụ: Xây dựng mơ hình tốn học mơ tả q trình hấp phụ dạng cột hệ ion Cadmium(II) - bột vỏ sị, đánh giá tính tương thích mơ hình cách so sánh kết tính tốn với số liệu thực nghiệm Nội dung:  Thí nghiệm hấp phụ dạng tĩnh (dạng bể);  Thí nghiệm hấp phụ dạng động (dạng cột);  Xây dựng giải mô hình tốn, đánh giá tính tương thích mơ hình III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : (Ghi theo QĐ giao đề tài) IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: (Ghi theo QĐ giao đề tài) V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): TS Nguyễn Tuấn Anh Tp HCM, ngày tháng năm 20 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA….……… (Họ tên chữ ký) ii LỜI CÁM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn đến Ban giám hiệu Nhà trường Ban Chủ nhiệm Khoa Kỹ thuật Hóa học Trường Đại học Bách Khoa tạo điều kiện đề em thực luận Đặc biệt Thầy/Cơ mơn Kỹ thuật Hóa vơ Thầy/Cơ Phịng thí nghiệm chun ngành Vô giúp đỡ em thời gian làm việc Em xin gửi đến Thầy Nguyễn Tuấn Anh lời cám ơn sâu sắc chân thành, nhận hướng dẫn nhiệt tình, bảo quý giá Thầy để em hoàn thành luận văn Mặt khác, em xin cảm ơn bạn học viên cao học em sinh viên làm việc Phịng thí nghiệm chun ngành Vơ tận tình giúp đỡ thời gian em thực luận văn iii TÓM TẮT LUẬN VAN Luận văn khảo sát trình hấp phụ ion Cd2+ mơi trường nước lên bột vỏ sị huyết thực nghiệm mơ Mơ hình hấp phụ chọn để khảo sát luận văn mơ hình dạng cột; phương trình tốn học mơ tả q trình giải phần mềm Comsol Multiphysics Phần thực nghiệm bao gồm thí nghiệm dạng tĩnh (dạng bể) thí nghiệm dạng động (dạng cột) Mục tiêu thí nghiệm dạng tĩnh xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ, từ tính thông số đặc trưng vật liệu hấp phụ để đưa vào phương trình tốn học Ở thí nghiệm dạng động, số liệu thu đường cong biểu diễn nồng độ ion Cd2+ đầu cột theo thời gian Bộ số liệu dùng để so sánh với số liệu thu giải phương trình tốn học, từ đánh giá tương thích mơ hình đưa so với thực nghiệm iv ABSTRACT This thesis studies about adsorption capability of Cadmium(II) in water onto cockle shell (Anadara Granosa) powder, by experiment and mathematical model Adsorption process was conducted in a fixed bed column, and mathematical model solved with Comsol Multiphysics The experiment consists of batch adsorption and fixed bed adsorption The objective of batch adsorption is the isotherm curve of cockle shell – Cadmium(II); from the isotherm curve, maximum adsorption capacity ( 𝑞𝑚𝑎𝑥 ) and Langmuir coefficient constant (𝑏𝐿 ) was calculated for mathematical model’s parameters The results of fixed bed experiment were compared with mathematical model solutions, to give an evaluation about the applicability of the model built v LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân Các kết nghiên cứu kết luận luận án trung thực, không chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu (nếu có) thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giả luận văn Chữ ký vi MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN Tình hình ô nhiễm kim loại nặng .1 Mục tiêu − Đối tượng − Phạm vi nghiên cứu đề tài 1.2.1 Mục tiêu đề tài 1.2.2 Đối tượng nghiên cứu 1.2.3 Phạm vi nghiên cứu .3 Ý nghĩa thực tiễn đề tài .3 Bố cục đề tài Tổng quan nguyên tố Cadimi Các phương pháp xử lý nước thải bị nhiễm Cadimi Sò huyết 10 Tình hình nghiên cứu .12 Hấp phụ 13 Một số mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt 15 1.10.1 Mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt đơn cấu tử 15 1.10.1.1 Phương trình Langmuir .16 1.10.1.2 Phương trình Freundlich 18 1.10.1.3 Phương trình Toth .18 1.10.1.4 Phương trình Sips 18 1.10.1.5 Phương trình BET (Braunauer-Emmet-Teller) 18 1.10.2 Mơ hình hấp phụ đa cấu tử 19 1.10.3 Mơ hình hấp phụ cột 20 1.10.3.1 Mơ hình vận tốc tổng 20 1.10.3.2 Mơ hình động lực tuyến tính 22 1.10.3.3 Mô hình Thomas .23 1.10.3.4 Mơ hình Bohart – Adams 23 Thiết bị hấp phụ công nghiệp 24 Quy hoạch thực nghiệm 26 1.12.1 Quy hoạch cấu trúc tâm hỗn hợp 27 1.12.2 Quy hoạch Box – Behnken 27 vii 1.12.3 Bảng quy hoạch thực nghiệm 28 Mơ hình tốn học 30 1.13.1 Thiết lập mơ hình 30 1.13.2 Giải mơ hình 33 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 37 Chuẩn bị nguyên liệu .37 Thí nghiệm hấp phụ dạng tĩnh 39 Thí nghiệm hấp phụ dạng động .40 2.3.1 CHƯƠNG Thiết bị 43 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 45 Kết thí nghiệm hấp phụ tĩnh 45 Kết thí nghiệm hấp phụ dạng động 47 3.2.1 Kết quy hoạch thực nghiệm 47 3.2.2 Giá trị thơng số đầu vào mơ hình 51 3.2.3 Sự ảnh hưởng thơng số cột đến mơ hình tốn xây dựng .52 3.2.4 Khớp số liệu thực nghiệm – tính tốn .52 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 59 Kết luận 59 4.1.1 Phần thực nghiệm 59 4.1.2 Phần mô 59 Kiến nghị 59 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ .60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 PHỤ LỤC 64 viii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Hình dạng tinh thể CaCO3 thương mại CaCO3 vỏ sị huyết 11 Hình 1.2 Cấu trúc lớp tủa (Cd,Ca)CO3 tạo thành 12 Hình 1.3 Các loại đường đẳng nhiệt hấp phụ 16 Hình 1.4 Thiết bị hấp phụ dạng tháp .25 Hình 1.5 Thiết bị hấp phụ dạng nằm ngang 25 Hình 1.6 Thiết bị hấp phụ dạng tháp mâm 26 Hình 2.1 Vỏ sị huyết trước giã .38 Hình 2.2 Bột vỏ sị sau giã 38 Hình 2.3 Muối Cadmium Sulfate Octahydrate 38 Hình 2.4 Rây dùng phịng thí nghiệm 39 Hình 2.5 Sơ đồ mơ hình hệ thống sử dụng thí nghiệm hấp phụ động 43 Hình 2.6 Máy bơm SciLog UltraTec .44 Hình 2.7 Mơ hình cột hấp phụ dùng thí nghiệm 44 ix Số liệu cột #05 Thực nghiệm Mô 𝒕, phút 𝑪 𝑪𝟎 40 123 210 323 428 528 608 647 0,02 0,05 0,01 0,13 0,32 0,72 0,86 0,94 68 𝒕, phút 𝑪 𝑪𝟎 0,00 67,29 134,57 201,86 269,14 336,43 403,71 471,00 538,29 605,57 672,86 740,14 807,43 874,71 942,00 1009,29 1076,57 1143,86 1211,14 1278,43 1345,71 0,00 0,00 0,02 0,08 0,19 0,33 0,46 0,60 0,71 0,80 0,87 0,92 0,95 0,97 0,98 0,98 0,99 0,99 0,99 0,99 1,00 Số liệu cột 06 Thực nghiệm Mô 𝒕, phút 𝑪 𝑪𝟎 40 123 210 323 428 528 608 647 0,02 0,04 0,01 0,14 0,36 0,75 0,86 0,93 69 𝒕, phút 𝑪 𝑪𝟎 0,00 67,29 134,57 201,86 269,14 336,43 403,71 471,00 538,29 605,57 672,86 740,14 807,43 874,71 942,00 1009,29 1076,57 1143,86 1211,14 1278,43 1345,71 0,00 0,00 0,02 0,09 0,21 0,36 0,51 0,65 0,77 0,85 0,91 0,95 0,97 0,98 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 Số liệu cột #07 Thực nghiệm Mô 𝒕, phút 𝑪 𝑪𝟎 11 52 133 210 300 393 475 629 694 747 0,01 0,02 0,04 0,17 0,33 0,41 0,81 0,86 0,90 0,93 70 𝒕, phút 𝑪 𝑪𝟎 0,00 52,33 104,67 157,00 209,33 261,67 314,00 366,33 418,67 471,00 523,33 575,67 628,00 680,33 732,67 785,00 837,33 889,67 942,00 994,33 1046,67 0,00 0,00 0,01 0,03 0,09 0,18 0,28 0,39 0,50 0,60 0,69 0,77 0,83 0,88 0,91 0,93 0,95 0,97 0,98 0,99 0,99 Số liệu cột #08 Thực nghiệm Mô 𝒕, phút 𝑪 𝑪𝟎 11 52 133 210 300 393 475 629 694 747 0,01 0,02 0,04 0,23 0,42 0,53 0,84 0,90 0,90 0,92 71 𝒕, phút 𝑪 𝑪𝟎 0,00 52,33 104,67 157,00 209,33 261,67 314,00 366,33 418,67 471,00 523,33 575,67 628,00 680,33 732,67 785,00 837,33 889,67 942,00 994,33 1046,67 0,00 0,00 0,01 0,04 0,10 0,20 0,31 0,43 0,55 0,65 0,74 0,82 0,88 0,92 0,95 0,97 0,98 0,99 0,99 0,99 1,00 Số liệu cột #09 Thực nghiệm Mô 𝒕, phút 𝑪 𝑪𝟎 12 107 195 285 402 510 615 670 0,02 0,03 0,15 0,44 0,73 0,84 0,90 0,91 72 𝒕, phút 𝑪 𝑪𝟎 0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00 300,00 350,00 400,00 450,00 500,00 550,00 600,00 650,00 700,00 750,00 800,00 850,00 900,00 950,00 1000,00 0,00 0,00 0,03 0,12 0,27 0,43 0,58 0,72 0,82 0,89 0,94 0,97 0,99 0,99 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 Số liệu cột #10 Thực nghiệm Mô 𝒕, phút 𝑪 𝑪𝟎 12 107 195 285 402 510 615 670 0,02 0,03 0,05 0,16 0,65 0,85 0,93 0,96 73 𝒕, phút 𝑪 𝑪𝟎 0,00 74,29 148,59 222,88 297,18 371,47 445,77 520,06 594,36 668,65 742,95 817,24 891,54 965,83 1040,12 1114,42 1188,71 1263,01 1337,30 1411,60 1485,89 0,00 0,00 0,01 0,06 0,16 0,28 0,41 0,54 0,65 0,75 0,83 0,89 0,92 0,95 0,97 0,98 0,99 0,99 1,00 1,00 1,00 Số liệu cột #11 Thực nghiệm Mô 𝒕, phút 𝑪 𝑪𝟎 16 92 202 301 389 470 545 635 690 0,01 0,05 0,27 0,57 0,64 0,79 0,92 0,92 1,00 74 𝒕, phút 𝑪 𝑪𝟎 0,00 46,88 93,76 140,65 187,53 234,41 281,29 328,17 375,06 421,94 468,82 515,70 562,58 609,47 656,35 703,23 750,11 796,99 843,88 890,76 937,64 0,00 0,00 0,01 0,05 0,14 0,25 0,37 0,50 0,62 0,72 0,81 0,87 0,92 0,95 0,97 0,98 0,99 1,00 1,00 1,00 1,00 Số liệu cột #12 Thực nghiệm Mô 𝒕, phút 𝑪 𝑪𝟎 16 92 202 301 389 470 545 635 690 0,01 0,01 0,06 0,32 0,79 0,80 0,89 0,94 0,97 75 𝒕, phút 𝑪 𝑪𝟎 0,00 46,88 93,76 140,65 187,53 234,41 281,29 328,17 375,06 421,94 468,82 515,70 562,58 609,47 656,35 703,23 750,11 796,99 843,88 890,76 937,64 0,00 0,00 0,00 0,02 0,07 0,14 0,23 0,33 0,43 0,53 0,63 0,72 0,79 0,85 0,89 0,91 0,93 0,95 0,97 0,99 0,99 Số liệu cột #13 Thực nghiệm Mô 𝒕, phút 𝑪 𝑪𝟎 60 154 205 272 362 429 509 607 640 0,10 0,03 0,02 0,05 0,06 0,39 0,62 0,79 0,91 0,92 76 𝒕, phút 𝑪 𝑪𝟎 0,00 67,29 134,57 201,86 269,14 336,43 403,71 471,00 538,29 605,57 672,86 740,14 807,43 874,71 942,00 1009,29 1076,57 1143,86 1211,14 1278,43 1345,71 0,00 0,00 0,02 0,09 0,20 0,34 0,48 0,63 0,74 0,83 0,89 0,94 0,97 0,98 0,99 0,99 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 Số liệu cột #14 Thực nghiệm Mô 𝒕, phút 𝑪 𝑪𝟎 60 154 205 272 362 429 509 607 640 0,06 0,03 0,02 0,03 0,09 0,33 0,64 0,82 0,96 1,00 77 𝒕, phút 𝑪 𝑪𝟎 0,00 67,29 134,57 201,86 269,14 336,43 403,71 471,00 538,29 605,57 672,86 740,14 807,43 874,71 942,00 1009,29 1076,57 1143,86 1211,14 1278,43 1345,71 0,00 0,00 0,02 0,09 0,20 0,34 0,48 0,63 0,74 0,83 0,89 0,94 0,97 0,98 0,99 0,99 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 Số liệu cột #15 Thực nghiệm Mô 𝒕, phút 𝑪 𝑪𝟎 25 100 165 268 348 442 525 618 676 718 0,01 0,01 0,01 0,07 0,27 0,54 0,71 0,87 0,92 0,97 78 𝒕, phút 𝑪 𝑪𝟎 0,00 67,29 134,57 201,86 269,14 336,43 403,71 471,00 538,29 605,57 672,86 740,14 807,43 874,71 942,00 1009,29 1076,57 1143,86 1211,14 1278,43 1345,71 0,00 0,00 0,02 0,09 0,20 0,34 0,48 0,63 0,74 0,83 0,89 0,94 0,97 0,98 0,99 0,99 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 Kết đo BET bột vỏ sỏ 79 80 81 PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: Nhan Cẩm Huy Ngày, tháng, năm sinh: 18/12/1990 Nơi sinh: TP.HCM Địa liên lạc: C6-28, Đường D8, Khu dân cư Cát Tường Phú Sinh, Xã Đức Lập Hạ, Huyện Đức Hòa, Tỉnh Long An QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO (Bắt đầu từ Đại học đến nay) 09/2008 – 04/2014: Sinh viên đại học, Khoa Công nghệ Vật liệu, Đại học Bách Khoa – ĐHQG TPHCM; 10/2016 – 04/2018: Học viên cao học, Khoa Kỹ thuật Hóa học, Đại học Bách Khoa – ĐHQG TPHCM Q TRÌNH CƠNG TÁC (Bắt đầu từ làm đến nay) 02/2014 – 07/2014: Nhân viên kỹ thuật, Công ty TNHH MTV VLXD Hoa Sen; 12/2014 – 07/2016: Kỹ sư Chất lượng, Công ty cở phần China Steel Sumikin Vietnam 82 ... TÀI: Khảo sát thực nghiệm mô trình hấp phụ dạng cột ion Cadmium( II) vỏ sò huyết II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nhiệm vụ: Xây dựng mơ hình tốn học mơ tả trình hấp phụ dạng cột hệ ion Cadmium( II) - bột vỏ. .. liệu hấp phụ: bột vỏ sò huyết;  Chất bị hấp phụ: ion Cd2+ môi trường nước 1.2.3 Phạm vi nghiên cứu  Khảo sát khả hấp phụ bột vỏ sò huyết ion Cd2+ môi trường nước mơ hình hấp phụ dạng bể với. .. tiêu đề tài  Khảo sát khả hấp phụ ion Cd2+ bột vỏ sị huyết mơ hình hấp phụ dạng cột;  Xây dựng mơ hình tốn học mơ tả trình hấp phụ ion Cd2+ bột vỏ sị mơ hình hấp phụ dạng cột 1.2.2 Đối tượng nghiên