Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu sử dụng vật liệu keo tụ sinh học chế tạo từ hạt muồng hoàng yến (Cassia fistula L.) để cải thiện chất lượng nước thải công nghiệp

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA MÔI TRƢỜNG & TNTN -oOo- LUẬN ÁN TIẾN SĨ Chuyên ngành: Môi trƣờng đất nƣớc Mã ngành: 62440303 ĐÀO MINH TRUNG NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG VẬT LIỆU KEO TỤ SINH HỌC CHẾ TẠO TỪ HẠT MUỒNG HOÀNG YẾN (CASSIA FISTULA L.) ĐỂ CẢI THIỆN CHẤT LƢỢNG NƢỚC THẢI CÔNG NGHIỆP Cần Thơ, Năm 2018 TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA MÔI TRƢỜNG VÀ TNTN -oOo- LUẬN ÁN TIẾN SĨ Chuyên ngành: Môi trƣờng đất nƣớc Mã ngành: 62440303 ĐÀO MINH TRUNG NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG VẬT LIỆU KEO TỤ SINH HỌC CHẾ TẠO TỪ HẠT MUỒNG HOÀNG YẾN (CASSIA FISTULA L.) ĐỂ CẢI THIỆN CHẤT LƢỢNG NƢỚC THẢI CÔNG NGHIỆP CÁN BỘ HƢỚNG DẪN PGs.Ts NGUYỄN VÕ CHÂU NGÂN PGs.Ts NGÔ KIM ĐỊNH Cần Thơ, Năm 2018 TÓM TẮT Nghiên cứu cải thiện chất lƣợng nƣớc thải dệt nhuộm nƣớc thải xi mạ dựa hai loại vật liệu keo tụ có nguồn gốc sinh học gồm Biogum (vật liệu ly trích từ thực vật) Biogum cải tiến (vật liệu kết hợp nano oxit sắt từ với Biogum) có khả thu hồi nam châm tái sử dụng Các thí nghiệm đƣợc tiến hành mơ hình Jartest mơ hình Pilot để khảo sát khả loại bỏ màu nƣớc thải dệt nhuộm loại bỏ ion kim loại nƣớc thải xi mạ, bố trí nghiệm thức với vật liệu keo tụ hóa học PAC làm đối chứng Kết nghiên cứu cho thấy hiệu suất loại màu COD nƣớc thải nhuộm vật liệu Biogum đạt đƣợc tƣơng ứng 91,20% 72,66% (RR); 82,30% 78,92% (NMDN) hiệu suất loại bỏ ion kim loại Ni2+, Cu2+, Zn2+ nƣớc thải giả định Biogum đạt đƣợc lần lƣợt 79,26%; 83,11%; 82,96%, nƣớc thải nhà máy xi mạ lần lƣợt 58,91%; 71,78%; 78,06% Mặc dù có hiệu loại bỏ màu kim loại nặng cao nhƣng Biogum khó thu hồi q trình hòa tan phân hủy, kết nghiên cứu cho thấy sau 15 ngày Biogum phân hủy khoảng 55,83% nƣớc, nghiên cứu cải tiến Biogum quan trọng cho việc tái sử dụng nguồn vật liệu sinh học Kết thí nghiệm với Biogum cải tiến cho thấy khả cải thiện chất lƣợng môi trƣờng nƣớc thải công nghiệp dệt nhuộm xi mạ Hiệu loại bỏ màu, COD tƣơng ứng lần lƣợt 99,97% 96% (RR); 99,03% 95,13% (NMDN); hiệu cải thiện kim loại nặng Ni2+, Cu2+, Zn2+ tƣơng ứng đạt đƣợc 92,93%; 97,17%; 94,97% (nƣớc giả định) 89,10%; 94,51%; 94,92% (NMXM) Tính khả thi tái sử dụng vật liệu Biogum cải tiến cho thấy qua kết sau: sau lần thu hồi hiệu suất loại màu đạt đƣợc 96,60% 93,27% (đối với mẫu nƣớc thải RR có độ màu 1052 Pt/Co); 96,73% 92,50% (đối với mẫu nƣớc thải NMDN có độ màu 1378 PtCo) Với nƣớc thải xi mạ hiệu cải thiện kim loại sau lần thu hồi đạt lần lƣợt 82,49% 76,37% (Ni2+); 81,72% 76,73% (Cu2+); 83,79% 76,69% (Zn2+) Khi so sánh với chất keo tụ hóa học PAC, với nƣớc thải dệt nhuộm giả định RR, vật liệu Biogum cải tiến cho hiệu suất loại màu tốt PAC Hiệu suất loại màu PAC, Biogum Biogum cải tiến tƣơng ứng 99,97% (RR); 91,20% (RR); 99,97% (RR); 94,10% (NMDN); 82,30% (NMDN); 99,03% (NMDN) cho thấy Biogum cải tiến đạt hiệu suất loại màu cao PAC Biogum Bên cạnh vận hành mơ hình Pilot, PAC, Biogum cải tiến cho kết cao Biogum, kết loại màu RR NMDN tƣơng ứng đạt đƣợc nhƣ sau: 94,64% 94,04% (Biogum cải tiến); 92,77% 93,83% i (Biogum); 94,90% 93,83% (PAC) Đối với nƣớc thải xi mạ Ni2+, Cu2+, Zn2+, kết nghiên cứu cho thấy Biogum cải tiến cho hiệu cao nhất, Biogum PAC cho hiệu cải thiện thấp hơn, tƣơng ứng Biogum cải tiến (92,93% Ni2+; 97,17% Cu2+; 94,97% Zn2+); Biogum (79,26% Ni2+; 83,11% Cu2+; 82,96% Zn2+) PAC (59,77% Ni2+; 68,93% Cu2+; 66,13% Zn2+) Khi khảo sát mơ hình Pilot cho kết tƣơng tự, Biogum cải tiến cho hiệu cải thiện tốt nhất, kết thu đƣợc tƣơng ứng với ion kim loại Ni2+, Cu2+ Zn2+ mẫu nƣớc thải giả định nhƣ sau: Biogum cải tiến (99,15% Ni2+; 91,88% Cu2+; 86,97% Zn2+), Biogum (98,88% Ni2+; 89,45% Cu2+; 86,37% Zn2+) Các kết nghiên cứu cho thấy vật liệu có nguồn gốc sinh học Biogum Biogum cải tiến có đặc tính cải thiện chất lƣợng nƣớc tƣơng tự nhƣ vật liệu hóa học PAC Bên cạnh Biogum có khả tự phân hủy sinh học khơng gây tồn dƣ hóa chất mơi trƣờng tự nhiên; Biogum cải tiến thu hồi tái sử dụng sử dụng cải thiện chất lƣợng nƣớc thải Kết nghiên cứu mở hƣớng tiếp cận sử dụng vật liệu có nguồn gốc sinh học để cải thiện chất lƣợng môi trƣờng nƣớc theo hƣớng thân thiện môi trƣờng phát triển bền vững tƣơng lai ii ABSTRACT Studies on improving the quality of textile and dyeing wastewater is based on two biocoagulants: Biogum (plant extract), and improved Biogum (GumPolysaccharide-Based nanocomposites) that can be recovered and reused The Jartest and Pilot experiments were examined to evaluate the ability to remove color in textile wastewater and heavy metals in dyeing wastewater, and PAC was used as a coagulant control The results showed that the removal of color and COD in Biogum was 91,20% and 72,66% respectively (RR); 82,30% and 78,92% respectively, and the removal of heavy metals of Ni2+, Cu2+, Zn2+ in Biogum was 79,26%; 83,11%; 82,96% (hypothetical wastewater treatment) and 58,91%; 71,78%; 78,06% in plating wastewater Although Biogum has a high efficiency to remove color and metals, it is difficult to recover due to the process of dissolution and decomposition The results showed about 55,83% of Biogum was decomposed in water after 15 days Therefore, studies on improving Biogum are very important in reusing this biological coagulant Research results showed that improved Biogum is also capable of improving the quality of industrial textile and dyeing wastewater The efficiency to remove color and COD is 99,97% and 96%, respectively (RR); 99,03% and 95,13% (NMDN); and the removal of heavy metals Ni2+, Cu2+, Zn2+ 92,93%; 97,17%; 94,97% (hypothetical wastewater treatment) and 89,10%; 94,51%; 94,92% (NMXM) The ability to reuse improved Biogum after the second and the third recovery to remove color achieves 96,60% and 93,27% (RR wastewater with 1052 Pt-Co color); 96,73% and 92,50% (NMDN wastewater with 1378 Pt-Co color) In dyeing wastewater, removing of heavy metals after the second and the third recovery achieves 82,49% and 76,37% (Ni2+); 81,72% and 76,73% (Cu2+); 83,79% and 76,69% (Zn2+) In hypothetical wastewater RR, improved Biogum coagulant showed a better improvement than the PAC coagulant The efficiency to remove color in improved biogum is higher than PAC and Biogum (99,97% (RR); 91,20% (RR); 99,97% (RR); And 94,10% (NMDN); 82,30% (NMDN); 93,03% (NMDN) In Pilot experiments, PAC and improved Biogum also showed a better color removal than Biogum (94,64% and 94,04% (improved Biogum); 92,77% and 93,83% (Biogum); 94,90% and 93,83% (PAC) In dyeing wastewater, improved Biogum showed better efficiency to remove heavy metals Ni2+, Cu2+, Zn2+ than Biogum and PAC (improved Biogum (92,93% Ni2+; 97,17% Cu2+; 94,97% Zn2+); Biogum (79,26% Ni2+, 83,11% Cu2+, 82,96% Zn2+) and PAC (50,95% Ni2+, 67,73% Cu2+, 60,13% Zn2+) The results iii are similar in Pilot experiments in which improved Biogum showed a better heavy metal removal in Ni2+, Cu2+ and Zn2+ than Biogum (Improved biogum (99,15% Ni2+; 91,88% Cu2+; 86,97% Zn2+), Biogum (98,88% Ni2+, 89,45% Cu2+, 86,37% Zn2+) Results from this study indicate that materials containing Biogum and improved Biogum materials have the same water quality improvement properties as chemical PACs In addition, Biogum is also capable of biodegradation without causing chemical residues in the natural environment; while improved Biogum can be used, recovered, and reused in improving wastewater quality The results may open new approaches in using bio-based materials to improve water quality in an eco-friendly and sustainable manner in the future iv MỤC LỤC TÓM TẮT i ABSTRACT iii MỤC LỤC v LỜI CẢM ƠN viii LỜI CAM ĐOAN ix DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT x DANH MỤC BẢNG xi DANH MỤC HÌNH xiii CHƢƠNG GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1.2.1 Mục tiêu tổng quát 1.2.2 Mục tiêu cụ thể 1.3 Nội dung nghiên cứu 1.4 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 1.4.1 Đối tượng nghiên cứu 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 1.5 Ý nghĩa khoa học thực tiễn 1.5.1 Ý nghĩa khoa học 1.5.2 Ý nghĩa thực tiễn CHƢƠNG TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 Tổng quan keo tụ 2.1.1 Bản chất hạt keo nước 2.1.2 Cơ chế trình keo tụ 2.1.3 Các phương pháp keo tụ 2.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình keo tụ tạo bơng cặn 2.2 Vật liệu PAC cải thiện chất lƣợng nƣớc thải công nghiệp 10 2.2.1 Đặc điểm 10 2.2.2 Một số kết nghiên cứu 10 2.3 Tổng quan vật liệu keo tụ có nguồn gốc từ sinh học 11 2.3.1 Phương pháp chế tạo vật liệu sinh học Biogum 12 v 2.3.2 Phương pháp chế tạo vật liệu nguồn gốc sinh học (Biogum cải tiến) 12 2.4 Tổng quan nƣớc thải dệt nhuộm phƣơng pháp xử lý 13 2.4.1 Thành phần ô nhiễm 14 2.4.2 Một số phương pháp xử lý nước thải dệt nhuộm 15 2.4.3 Một số nghiên cứu xử lý nước thải dệt nhuộm 18 2.5 Tổng quan nƣớc thải xi mạ phƣơng pháp xử lý 19 2.5.1 Thành phần ô nhiễm nước thải xi mạ 19 2.5.2 Các phương pháp xử lý nước thải xi mạ 20 2.5.3 Một số nghiên cứu xử lý nước thải xi mạ 23 CHƢƠNG VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 25 3.1 Đối tƣợng nghiên cứu hóa chất keo tụ 25 3.1.1 Đối tượng nghiên cứu 25 3.1.2 Vật liệu nghiên cứu 25 3.2 Thiết bị nghiên cứu 27 3.2.1 Thiết bị Jartest 27 3.2.2 Thiết bị Pilot 28 3.3 Phƣơng pháp phân tích 29 3.4 Nội dung phƣơng pháp nghiên cứu 30 3.4.1 Phương pháp chung 30 3.4.2 Các thí nghiệm nghiên cứu 30 3.5 Phƣơng pháp xử lý số liệu 43 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 44 4.1 Xác định hiệu suất loại bỏ màu vật liệu nƣớc thải dệt nhuộm 44 4.1.1 Xác định pH tối ưu vật liệu 44 4.1.2 Kết xác định lượng tối ưu PAC 50 4.1.3 Kết xác định lượng tối ưu Biogum 51 4.1.4 Kết xác định lượng Biogum cải tiến tối ưu 53 4.1.5 Xác định hiệu xử lý Biogum cải tiến lần thu hồi 57 4.1.6 Xác định hiệu suất cải thiện chất lượng nước thải dệt nhuộm vận hành thiết bị Pilot sử dụng vật liệu keo tụ 58 4.2 Xác định hiệu xử lý vật liệu nƣớc thải xi mạ 69 4.2.1 Xác định pH tối ưu 69 4.2.2 Kết xác định lượng PAC tối ưu 72 vi 4.2.3 Kết xác định lượng Biogum tối ưu 74 4.2.4 Kết xác định lượng Biogum cải tiến tối ưu 75 4.2.5 Xác định hiệu xử lý Biogum cải tiến thu hồi 78 4.2.6 Xác định hiệu cải thiện chất lượng nước xi mạ ứng dụng vật liệu nghiên cứu vận hành thiết bị Pilot 79 4.3 Kết nghiên cứu vật liệu 93 4.3.1 Thành phần cấu trúc vật liệu Biogum 93 4.3.2 Đánh giá khả phân hủy Biogum 95 4.3.3 Xác định dư lượng nhơm (Al3+) cịn lại nước thải dệt nhuộm xi mạ sử dụng vật liệu keo tụ hóa học PAC 96 4.3.4 Thành phần cấu trúc vật liệu Biogum cải tiến 97 4.4 Thảo luận chung 101 4.5 Đề xuất quy trình cải thiện độ màu nƣớc thải dệt nhuộm kim loại nặng nƣớc thải xi mạ ứng dụng vật liệu Biogum cải tiến 103 4.5.1 Quy trình cải thiện độ màu nước thải dệt nhuộm ứng dụng vật liệu Biogum cải tiến 103 4.5.2 Quy trình cải thiện độ màu nước thải xi mạ ứng dụng Biogum cải tiến 105 CHƢƠNG KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 108 5.1 Kết luận 108 5.2 Đề xuất 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO 111 PHỤ LỤC 122 vii LỜI CẢM ƠN Trƣớc hết tác giả xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGs Ts Nguyễn Võ Châu Ngân PGs Ts Ngơ Kim Định, ngƣời thầy tận tình hỗ trợ, hƣớng dẫn, bảo cho học nghiên cứu nhƣ tạo điều kiện tốt để hồn thành luận án Tơi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến Ban Giám hiệu trƣờng Đại học Cần Thơ, Ban Chủ nhiệm Khoa Môi trƣờng Tài nguyên Thiên nhiên, Ban Giám hiệu trƣờng Đại học Thủ Dầu Một, Ban Chủ nhiệm Khoa Tài nguyên Môi trƣờng tạo điều kiện thuận lợi để hồn thành chƣơng trình học luận án Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đặc biệt đến hỗ trợ từ gia đình, bạn bè từ trƣờng đại học giúp đỡ thực thí nghiệm luận án Và qua đây, tơi xin khắc ghi đóng góp, động viên gia đình, ngƣời thân bạn bè giúp tơi vƣợt qua khó khăn tinh thần nhƣ vật chất để hồn thành luận án ngày hơm Một lần xin chân thành cảm ơn Tác giả luận án Đào Minh Trung viii ... tƣởng luận án ? ?Nghiên cứu sử dụng vật liệu keo tụ sinh học chế tạo từ hạt muồng hoàng yến (Cassia fistula L.) để cải thiện chất lƣợng nƣớc thải công nghiệp? ?? đƣợc thực nƣớc thải ngành công nghiệp. .. nƣớc thải xi mạ) khỏi nƣớc thải 1.3 Nội dung nghiên cứu - Chế tạo vật liệu keo tụ sinh học từ hạt MHY từ phát triển vật liệu keo tụ sinh học kết hợp với nano từ tính + Trích ly vật liệu keo tụ sinh. .. tụ sinh học từ hạt MHY + Nghiên cứu cấu trúc vật liệu + Chế tạo vật liệu nano từ tính kết hợp với chất keo tụ sinh học MHY + Nghiên cứu cấu trúc vật liệu - Nghiên cứu loại bỏ màu nƣớc thải dệt