Nghiên cứu quá trình xử lý ô nhiễm sắt phục vụ nước cấp vùng nông thôn thành phố đà nẵng bằng vật liệu hấp phụ laterite (đá ong)

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA HÓA - - NGUYỄN LÊ THẢO NGUYÊN NGHIÊN CỨU Q TRÌNH XỬ LÝ Ơ NHIỄM SẮT TRONG NƯỚC CẤP SINH HOẠT VÙNG NÔNG THÔN ĐÀ NẴNG BẰNG VẬT LIỆU HẤP PHỤ LATERITE (ĐÁ ONG) KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN KHOA HỌC Đà Nẵng – 2013 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA HÓA -*** - CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc -*** - NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Lê Thảo Nguyên Lớp : 09CQM Tên đề tài : Nghiên Cứu Q Trình Xử Lý Ơ Nhiễm Sắt Phục Vụ Nước Cấp Vùng Nông Thôn Thành Phố Đà Nẵng vật liệu hấp phụ Laterite (đá ong) Thiết bị, dụng cụ hóa chất 2.1 Thiết bị Máy đo UV -VIS, máy đo pH, cân phân tích Precisa XT 220- A, máy khuấy từ dụng cụ thủy tinh khác(cốc 250ml, bình định mức, ống nghiệm, pipet…) 2.2 Dụng cụ Buret 25 ml ,bình định mức, bình tam giác, cốc thủy tinh, pipet, bóp cao su, ống nhỏ giọt, ống đong, ống nghiệm, giấy lọc, bếp điện, ống sinh hàn hồi lưu,bình cầu cổ 250ml, phễu thủy tinh, giá đỡ, chai thủy tinh đựng hóa chất số dụng cụ khác 2.3 Hóa chất Laterite đá ong huyện Hòa Vang Nước ngầm khu vực Hòa Phong HC1 đậm đặc (d - 1,25), dd NaOH, nước cất Dung dịch CH3COONH4 40% chuẩn bị sau:  CH3COONH4: 40g  CH3COOH: 50g  Nước cất : 100ml Dung dịch axit sunfosalixilic100 g/1 Dung dịch chuẩngốc Fe³+1g/l ; chuẩn làm việc 0,1 mg/ml : pha loãng chuẩn 100 lần Nội dung nghiên cứu Trong khuôn khổ luận văn nghiên cứu số nội dung sau: Chuẩn bị vật liệu hấp phụ (Laterit đá ong) Xác định thành phần, cấu trúc Laterit đá ong huyện Hòa Vang, Thành phố Đà Nẵng Nghiên cứu trình hấp phụ Fe³+ vật liệu hấp phụ Laterit đá ong tinh chế Xây dựng mô hình cột lọc thí nghiệm:  Mẫu nước đối chứng: nước giếng thô, không xử lý  Mẫu nước thí nghiệm: nước giếng thơ xử lý cột lọc qua vật liệu hấp phụ Laterit đá ong  So sánh đánh giá hiệu xử lý Đề xuất phương án khử sắt cho nhu cầu sử dụng nước hộ gia đình, cụm dân cư Giáo viên hướng dẫn : PGS.TS Lê Tự Hải Ngày giao đề tài : ngày 21/8/2013 Ngày hoàn thành : ngày 15/5/2013 Chủ nhiệm khoa Giáo viên hướng dẫn (ký ghi rõ họ tên) (ký ghi rõ họ tên) Sinh viên hoàn thành nộp báo cáo cho khoa ngày 25 tháng 05 năm 2013 Kết điểm đánh giá:…………… Ngày… tháng… Năm 2013 CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG (Ký ghi rõ họ tên) DANH MỤC BẢNG HÌNH Bảng Tên bảng Bảng 1.1: Phân tích phương pháp xử lý dạng sắt khác dựa vào dấu hiệu nguồn nước 10 Bảng 1.2: Đánh giá ưu - nhược điểm phương pháp xử lý nguồn nước cấp có hàm lượng Fe cao khả áp dụng phương pháp 12 Bảng 2.1 Kết tồng hợp chất lượng nước Đà Nẵng 27 Bảng 4.1: Thành phần hóa học Laterite tinh chế 38 Bảng 4.2: Ảnh hưởng thời gian đến hiệu suất hấp phụ Fe3+ 38 Bảng 4.3: Ảnh hưởng pH đến hiệu suất hấp phụ Fe3+ 39 Bảng 4.4: Ảnh hưởng tỷ lệ khối lượng Laterite tỷ suất hấp phụ 41 Bảng 4.5: Ảnh hưởng nồng độ Fe3+ đến hiệu suất hấp phụ 42 Bảng 4.6: Kết hàm lượng pH đầu vào 43 Bảng 4.7: Xác định khả xử lý sắt nước ngầm đá Laterite 44 Hình Tên hình Hình 1.1: Hấp phụ đẳng nhiệt T1 T2 (T2 > T1) 16 Hình 1.2: Xác định hệ số phương trình Frendlich 17 Hình 1.3 : Sơ đồ khối tổng quát thiết bị đo quang 21 Hình 1.4 : Sơ đồ nguyên tắc hệ thống máy UV-VIS hai chùm tia 21 Hình 1.5 : Phụ thuộc mật độ quang vào nồng độ 22 Hình 3.1: Hình ảnh Laterit đá ong rửa 31 Hình 3.2: Sơ đồ cấu tạo cột lọc thí nghiệm 34 Hình 3.3: Hình ảnh mơ hình thực nghiệm 34 Hình 3.4: Hình ảnh cột lọc thứ 35 Hình 3.5: Hình ảnh cột lọc thứ hai 35 Hình 4.1: Đồ thị ảnh hưởng thời gian đến hiệu suất hấp phụ Fe3+ 39 Hình 4.2: Đồ thị ảnh hưởng pH đến hiệu suất hấp phụ Fe3+ 40 Hình 4.3: Đồ thị ảnh hưởng tỉ lệ rắn lỏng đến hiệu suất hấp phụ Fe3+ 41 Hình 4.4: Đồ thị ảnh hưởng nồng độ Fe3+ đến hiệu suất hấp phụ Fe3+42 Hình 4.5: Ảnh hưởng nồng độ Fe3+ đến tải trọng hấp phụ 42 Hình 4.6: Dạng tuyến tính phương trình Langmuir ion Fe3+ 43 Hình 4.7: Biểu đồ thể pH trước sau xử lý 43 Hình 4.8: Biểu đồ thể hàm lượng sắt trước sau xử lý 44 Hình 4.9: Đề xuất mơ hình nước cấp cho khu vực xã Hịa Phong 45 LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành gởi lời cảm ơn đến thầy PGS.TS Lê Tự Hải tận tình hướng dẫn, bảo động viên em suốt thời gian học tập nghiên cứu hồn thành khóa luận Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo giảng dạy – cơng tác Khoa Hóa trường Đại Học Sư Phạm, Đại Học Đà Nẵng dạy dỗ, tạo điều kiện để em hoàn thành tốt nhiệm vụ Qua đây, em xin gởi lời cảm ơn đến thầy phụ trách phịng thí nghiệm tạo điều kiện thuận lợi để em hồn thành tốt luận văn Đà Nẵng, ngày 20 tháng năm 2013 Sinh viên Nguyễn Lê Thảo Nguyên MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1 Tổng quan vật liệu hấp phụ Laterite đá ong 1.1.1 Giới thiệu Laterite đá ong 1.1.2 Laterite đá ong 1.2 Giới thiệu chung sắt(Fe) 1.3 Các phương pháp xử lý sắt nguồn nước cấp 1.3.1 Khử sắt phương pháp lọc kết hợp làm thoáng5 1.3.2 Khử sắt phương pháp dùng hóa chất 1.3.3 Quá trình lọc học với vật liệu hấp phụ tự nhiên 1.3.4 Các phương pháp khử sắt khác 1.4 Giới thiệu phương pháp hấp phụ 13 1.4.1 Một số khái niệm 13 1.4.2 Phân loại trình hấp phụ 14 1.4.2.1 Dựa vào chất lực hấp phụ 14 1.4.2.2 Dựa vào chuyển động tương đối phân tử chất lỏng so với phân tử chất hấp phụ 14 1.4.4 Phương trình mơ tả trình hấp phụ 15 1.4.4.1 Phương trình hấp phụ Frendlich 15 1.4.4.2 Phương trình hấp phụ Langmuir 17 1.4.4.3 Thuyết hấp phụ đa phân tử BET 1.4.5.2 Ảnh hưởng tính tương đồng19 1.4.5.3 Ảnh hưởng pH 19 18 1.4.5.4 Ảnh hưởng diện tích bề mặt chất rắn 20 1.5 Giới thiệu phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV – VIS 20 1.6 Thực trạng chất lượng nguồn nước cấp vùng nông thôn Đà Nẵng 22 1.6.1 Sơ lược điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội 22 1.6.2 Nguồn nước sử dụng cho mục đích cấp nước vùng nơng thơn thành phố Đà Nẵng 25 1.6.2.1 Nước mưa 25 1.6.2.2 Nước ngầm mạch nông 26 1.6.2.3 Nước mặt 26 1.6.4 Đánh giá nguyên nhân gây ô nhiễm nguồn nước làm sở để xuất giải pháp xử lý 27 1.6.4.1 Nguyên nhân gây ô nhiễm nguồn nước 27 1.6.4.2 Một số nhận xét làm sở đề xuất giải pháp xử lý 28 CHƯƠNG 2: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 29 2.1 Nguyên liệu, hóa chất, dụng cụ 29 2.1.1 Nguyên liệu, hóa chất29 2.1.2 Dụng cụ thiết bị 29 2.2 Nội dung nghiên cứu 29 2.3 Phương pháp nghiên cứu 30 2.3.1 Nguyên tắc khử sắt 30 2.3.3 Phương pháp hóa lý nghiên cứu thành phần cấu trúc Laterit đá ong 2.3.3.1 Phân tích thành phần hóa học 31 2.3.3.2 Phương pháp nghiên cứu hấp phụ tách ion kim loại nặng nước 2.3.3.3 Thời gian khuấy 31 2.3.3.4 pH dung dịch 32 2.3.3.5 Tỷ lệ khối lượng Laterit dung dịch 32 2.3.3.6 Nồng độ cation kim loại nặng 2.4 Mơ hình thí nghiệm cột lọc 32 31 32 31 2.4.1 Cấu tạo mơ hình cột lọc thực nghiệm 33 2.4.2 Chuẩn bị vật liệu 35 2.4.3 Nội dung thí nghiệm 35 2.4.4 Tiến hành thí nghiệm 35 2.4.5 Xác định tốc độ lọc 36 2.4.6 Lựa chọn chiều dày lớp vật liệu 36 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 37 3.1 Thành phần, cấu trúc Laterite đá ong 37 3.2 Ảnh hưởng yếu tố đến trình tách ion Fe3+ 37 3.2.1 Ảnh hưởng thời gian khuấy 3.2.2 Ảnh hưởng pH 37 38 3.2.3 Ảnh hưởng tỷ lệ khối lượng Laterite dung dịch 3.2.4 Ảnh hưởng nồng độ Fe3+ 40 3.3 Kết mơ hình thực nghiệm 42 3.3.1 Khảo sát hàm lượng pH nước 42 3.3.2 Khảo sát hàm lượng sắt nước 43 39 3.4 Đề xuất phương án khử sắt cho nhu cầu sử dụng nước hộ dân cư vùng nông thôn 44 3.5 Đề xuất phương án khử sắt cho nhu cầu sử dụng nước cụm dân cư tập trung vùng nông thôn 45 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận 48 Kiến nghị 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 48 -1- MỞ ĐẦU Nước vệ sinh môi trường nhu cầu đời sống hàng ngày người trở thành vấn đề việc bảo vệ sức khoẻ cải thiện điều kiện sinh hoạt cho nhân dân, đặc biệt vùng nông thôn ngập lụt Các xã Hoà Châu, Hoà Phong, huyện Hoà Vang 40% hộ dùng nước giếng Điều ảnh hưởng lớn đến đời sống người dân Trong nước ngầm sắt thường tồn dạng ion, sắt có hố trị (Fe 2+) thành phần muối hoà tan như: Fe(HCO3)2; FeSO4 dễ dàng bị oxi hóa lên Fe3+ hàm lượng sắt có nguồn nước ngầm thường cao phân bố khơng đồng lớp trầm tích đất sâu Nước có hàm lượng sắt cao, làm cho nước có mùi có màu vàng, gây ảnh hưởng không tốt đến chất lượng nước sinh hoạt sản xuất, Fe gây ảnh hưởng đáng kể đến việc cấp nước sinh hoạt Nước chứa hàm lượng Fe cao không ảnh hưởng nhiều đến sức khỏe người sử dụng nguồn nước tiếp xúc với oxy khơng khí trở nên đục gây cảm quan khơng tốt oxy hóa Fe (II) thành Fe (III) tồn dạng kết tủa keo Thêm vào sắt tạo thành phức bền với hợp chất humic nước, sắt có nước làm ố vàng quần áo, ảnh hưởng đến hộ thống cấp nước phát triển vi khuẩn oxy hóa sắt Do đó, tiêu chuẩn nước cấp Fe< 0.3 mg/l Cụ thể: Từ nhu cầu thực tế, để đảm bảo cung cấp nguồn nước an toàn phục vụ cho cộng đồng dân cư thời điểm khó khăn, đặc biệt mùa mưa lũ, việc tìm kiếm mơ hình cấp nước với cơng nghệ đơn giản mà hiệu quả, dễ quản lý sử dụng với chi phí chấp nhận phù hợp với điều kiện nông thôn việc làm cần thiết Trên sở đó, tơi tiến hành chọn đề tài: “NGHIÊN CỨU Q TRÌNH XỬ LÝ Ơ NHIỄM SẮT TRONG NƯỚC CẤP SINH HOẠT VÙNG NÔNG THÔN ĐÀ NẴNG BẰNG VẬT LIỆU HẤP PHỤ ĐÁ LATERITE ĐÁ ONG” -362.4.5 Xác định tốc độ lọc Tốc độ lọc tính m/h, xác định theo công thức sau : V = Q/F (1.9) Trong : Q : Lưu lượng dịng chảy vào (m3 /h) F : Diện tích cột lọc (m2) 2.4.6 Lựa chọn chiều dày lớp vật liệu Tùy thuộc vào đường kính hạt vật liệu lọc mà lựa chọn chiều dày lớp vật liệu tương ứng Luận văn lựa chọn chiều dày lớp vật liệu theo tài liệu tham khảo -37- CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Thành phần, cấu trúc Laterite đá ong Laterite tinh chế thu sau xử lý đem phân tích thành phần hóa học Kết thu trình bảy bảng 3.1 Bảng 3.1: Thành phần hóa học Laterite tinh chế SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO MnO K2 O 40,69 14,83 32,14 0,14 0,18 1,94 0,33 Từ bảng 3.1 cho thấy có mặt hầu hết nguyên tố cấu thành nên Laterite đá ong Thành phần hóa học Laterite có hàm lượng SiO2, Al2O3, Fe2O3 tương đối lớn, đặc điểm bật Laterite đá ong 3.2 Ảnh hưởng yếu tố đến trình tách ion Fe3+ Quá trình hấp phụ nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố thời gian khuấy, pH, nồng độ Laterit, nồng độ Fe3+, nhiệt độ 3.2.1 Ảnh hưởng thời gian khuấy Ảnh hưởng thời gian khuấy đến hiệu suất hấp phụ Fe3+ Laterite đá ong nghiên cứu điều kiện: Lấy 100ml dd Fe3+ nồng độ 20mg/l Cho vào cốc 1,0g Laterite đá ong, pH= 6, khuấy nhiệt độ phòng(nhiệt độ 300C) khoảng thời gian thay đổi từ 10-100 phút Kết ảnh hưởng thời gian khuấy đến trình hấp phụ ion Fe3+ Bảng 3.2: Ảnh hưởng thời gian đến hiệu suất hấp phụ Fe3+ Thời gian(phút) 10 20 40 60 80 100 Co (mg/l) 20 20 20 20 20 20 Ce (mg/l) 4,44 2,33 2,00 1,24 0,54 0,54 q(mg/g) 1,56 1,77 1,80 1,88 1,95 1,95 A% 77,82 88,35 90,0 93,81 97,3 97,3 -38- Hình 3.1: Đồ thị ảnh hưởng thời gian đến hiệu suất hấp phụ Fe3+ Khi thời gian khuấy tăng hiệu suất hấp phụ tăng từ 10 – 100 phút tải trọng hấp phụ hiệu suất hấp phụ tăng theo Từ thời gian 80 phút tải trọng hấp phụ hiệu suất đạt cân Do thời gian khuấy 80 phút chọn làm thời gian tối ưu cho thí nghiệm 3.2.2 Ảnh hưởng pH pH dung dịch có ảnh hưởng quan trọng đến q trình hấp phụ ion kim loại ranh giới pha khoáng sét - nước Ảnh hưởng pH đến trình hấp phụ nghiên cứu điều kiện: Lấy vào cốc 100mg/l dung dịch Fe3+; điều chỉnh pH từ đến 8(sử dụng dung dịch HCl NaOH để điều chỉnh pH) Cho vào cốc 1,0 gam Laterite đá ong, khuấy nhiệt độ 300C khoảng thời gian khuấy 80 phút Kết thu 3.3 Bảng 3.3: Ảnh hưởng pH đến hiệu suất hấp phụ Fe3+ pH Co (mg/l) 20 20 20 20 20 20 20 Ce (mg/l) 9,96 9,24 7,17 2,82 1,41 1,42 1,416 q(mg/g) 1,00 1,07 1,28 1,72 1,859 1,858 1,858 A% 50,2 53,8 64,15 85,9 90,7 92,9 92,85 -39- Hình 3.2: Đồ thị ảnh hưởng pH đến hiệu suất hấp phụ Fe3+ Trong vùng pH = ÷ hiệu suất q trình hấp phụ tăng pH tăng, sau pH tiếp tục tăng hiệu suất giảm Điều được giải thích pH thấp, nồng độ ion H+ lớn nên có hấp phụ cạnh tranh ion H+ bề mặt vật liệu hấp phụ, làm giảm hiệu suất trình hấp phụ O M OH - M O- OH - OH M H+ OH + M H+ - OH n+ M + OH OH H+ OH H O Vì vậy, pH thấp bề mặt Laterite tích điện dương nên không thuận lợi cho hấp phụ ion Fe3+ lên bề mặt Nhưng pH tăng lên ≥ hiệu suất hấp phụ giảm xuống Nguyên nhân xuất kết tủa Fe(OH)3 không bị hấp phụ dung dịch khử hấp phụ phần ion kim loại từ bề mặt Laterite Từ kết đó, giá trị pH = chọn làm giá trị tối ưu cho thí nghiệm 3.2.3 Ảnh hưởng tỷ lệ khối lượng Laterite dung dịch Sự ảnh hưởng tỷ lệ khối lượng Laterite/thể tích dung dịch khảo sát điều kiện: nồng độ Fe3+ 20 mg/l; pH = 7; thời gian 80 phút; nhiệt độ 300C Tỷ lệ khối lượng Laterite thay đổi từ 0,4 ÷ 3,0 g/100ml Kết phụ thuộc hiệu suất hấp phụ Fe3+ vào tỷ lệ khối lượng Laterite/thể tích trình bày -40Bảng 3.4: Ảnh hưởng tỷ lệ khối lượng Laterite/thể tích đến hiệu suất hấp phụ mLaterite (g/100ml) 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,5 Co (mg/l) 20 20 20 20 20 20 20 Ce (mg/l) 2,82 1,34 0,7 0,24 0,14 0,28 0,26 q (mg/g) 4,29 2,33 1,61 1,24 0,99 0,79 0,66 %A 85,9 93,3 96,5 98,8 99,3 98,6 98,7 Hình 3.3: Đồ thị ảnh hưởng tỉ lệ rắn lỏng đến hiệu suất hấp phụ Fe3+ Kết cho thấy, tăng khối lượng Laterite đá ong từ 0,4 đến 3g/100ml hiệu suất tăng theo tải lượng hấp phụ giảm xuống Và từ khối lượng trở hiệu suất hấp phụ thay đổi không đáng kể nên chọn tei lệ rắn lỏng 1,6 gam Laterite đá ong /100 ml dung dịch cho nồng độ Fe3+ 20mg/ml 3.2.4 Ảnh hưởng nồng độ Fe3+ Khảo sát trình điều kiện: thời gian 80 phút; Laterite đá ong 1,6 g/100ml cho hấp phụ Fe3+ 20mg/ml, nhiệt độ 300C Nồng độ Fe3+ thay đổi từ ÷ 30 mg/ml -41Bảng 3.5: Ảnh hưởng nồng độ Fe3+ đến hiệu suất hấp phụ Fe3+ Nồng độ Fe3+ (mg/ml) 10 15 20 25 30 Ce (mg/l) 0,15 0,34 0,66 1,39 1,89 2,85 q (mg/g) 0,31 0,6 0,89 1,16 1,44 1,70 Ce /q (g/l) 0,48 0,57 0,74 1,19 1,31 1,68 %A 97,05 96,01 95,57 93,03 92,41 90,49 Hình 3.4: Đồ thị ảnh hưởng nồng độ Fe3+ đến hiệu suất hấp phụ Fe3+ Hình 3.5: Ảnh hưởng nồng độ Fe3+đến tải trọng hấp phụ Kết cho thấy, tăng nồng độ Fe3+ lên tải trọng tăng lên cách gần tuyến tính hiệu suất hấp phụ giảm nhẹ Từ kết trên, xác định tải trọng hấp phụ cực đại -42- Hình 3.6: Dạng tuyến tính phương trình Langmuir ion Fe3+ Nhận xét: Từ bảng 3.5 hình 3.6 cho thấy đại lượng hấp phụ Ce /q Fe3+ lên Laterite đá ong tăng dần theo nồng độ ban đầu ion kim loại Dựa vào phương trình đẳng nhiệt y = 0,4516x + 0,4486 ta tính tải trọng hấp phụ cực đại ion Fe3+ hấp phụ qmax = 2,214 (mg/g) lực hấp phụ b = 1,007 3.3 Kết mơ hình thực nghiệm 3.3.1 Khảo sát hàm lượng pH nước Bảng 3.6: Kết hàm lượng pH đầu vào đầu Thời gian(ngày) pH đầu vào 4.78 4.92 4.86 4.09 4.5 pH đầu 5.01 5.69 6.93 6.93 6.58 6.85 6.89 6.54 6.65 4.64 4.52 4.45 4.28 Hình 3.7: Biểu đồ thể pH nguồn nước trước sau xử lý -43Nhận xét: pH nước thấp (pH