Nghiên cứu tổng hợp biochar ứng dụng làm chất hấp thụ trong xử lý nước thải

BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG Tên đề tài: Nghiên cứu tổng hợp biochar ứng dụng làm chất hấp phụ xử lý nước thải Mã số đề tài: 184.HH02 Chủ nhiệm đề tài: TS Võ Thành Công Đơn vị thực hiện: Trường Đại học Công nghiệp Tp.HCM LỜI CÁM ƠN Lời đầu tiên, xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Cơng Nghiệp TP Hồ Chí Minh, phịng Nghiên Cứu Khoa Học Hợp Tác Quốc Tế, nơi hổ trợ kinh phí tạo điều kiện thuận lợi thời gian để chúng tơi hồn thành tốt nghiên cứu thực đề tài Tiếp theo, chúng tơi xin cảm ơn Khoa Cơng nghệ Hóa học, nơi tạo điều kiện phịng thí nghiệm nghiên cứu để thực thành công đề tài Sau xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến quý thầy cô đồng nghiệp, người công với tơi suốt thời gian để hồn thành tốt đề tài thực Xin chân thành cảm ơn! PHẦN I THƠNG TIN CHUNG I Thơng tin tổng qt: 1.1 Tên đề tài: Nghiên cứu tổng hợp biochar ứng dụng làm chất hấp phụ xử lý nước thải 1.2 Mã số: 184.HH02 1.3 Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực đề tài TT Họ tên (học hàm, học vị) Đơn vị công tác Vai trò thực đề tài Hướng dẫn, giám sát quy trình tổng hợp sản phẩm Khoa Cơng nghệ Hóa TS Võ Thành Công học, Đại học Công nghiệp Tp.HCM biochar Tổng hợp số liệu, viết báo khoa học, viết chuyên đề thí nghiệm Hướng dẫn sinh viên trực Khoa Cơng nghệ Hóa ThS Lê Trọng Thành học, Đại học Công nghiệp Tp.HCM tiếp tổng hợp biochar, khảo sát thơng số đến q trình tổng hợp Hướng dẫn sinh viên trực Khoa Cơng nghệ Hóa ThS Phạm Thành Tâm học, Đại học Công nghiệp Tp.HCM tiếp nghiên cứu ứng dụng biochar xử lý nước thải dệt nhuộm Khoa Cơng nghệ Hóa TS Đỗ Quý Diễm học, Đại học Công tổng hợp liệu nghiệp Tp.HCM 1.4 Đơn vị chủ trì: Trường Đại học Công nghiệp Tp.HCM 1.5 Thời gian thực hiện: 1.5.1 Theo hợp đồng: từ 22/1/2018 đến 22/1/2019 1.5.2 Gia hạn (nếu có): đến 22/6/2020 1.5.3 Thực thực tế: từ tháng 22/1/2018 đến 22/5/2020 1.6 Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có): (Về mục tiêu, nội dung, phương pháp, kết nghiên cứu tổ chức thực hiện; Nguyên nhân; Ý kiến Cơ quan quản lý) 1.7 Tổng kinh phí phê duyệt đề tài: 52.500.000 đồng Bằng chữ: năm mươi hai triệu năm trăm nghìn đồng chẳn II Kết nghiên cứu Đặt vấn đề Xã hội phát triển, hoạt động người mở rộng nhiều lĩnh vực Nông Nghiệp, Chăn Nuôi, Công Nghiệp [1, 2]… Bên cạnh sản sinh nhiều chất thải độc hại khó phân hủy khó loại bỏ đặc biệt kim loại nặng, chất hữu làm ô nhiễm môi trường đất, môi trường nước, mơi trường khí Đặc biệt, Vietnam nơi mà sản xuất nông nghiệp -chăn nuôi truyền thống với số lượng lớn đất đai sử dụng , nguồn phế phẩm với số lượng lớn phát sinh từ nguồn, Phế thải trồng trọt: với gia tăng sản lượng lúa gạo đẩy mạnh trồng trọt, việc quản lý sản phẩm phụ lúa trở thành vấn đề mở hội Trong hệ thống trồng lúa truyền thống, rơm rạ thường chuyển dời khỏi cánh đồng thu hoạch lúa người dân thường đem nhà đánh đống để đun nấu làm thức ăn cho gia súc, thời gian gần lượng phế thải lớn, người dân không sử dụng hết nên rơm rạ đốt đồng ruộng Việc đốt rơm rạ đồng thực nhiều nước ngày trở nên chấp nhận nguy môi trường sức khỏe Theo đánh giá số cơng trình nghiên cứu, trung bình hàng năm châu Á tổng cộng có 730 Tg (1 teragram = 1012 gram) lượng sinh khối xử lý cách đốt ngồi trời (open field burning), có 250 Tg có nguồn gốc từ nơng nghiệp Việc đốt trời phế thải từ trồng hoạt động theo truyền thống người nhằm chuẩn bị đất trồng cho vụ mùa sau, loại trừ đầu mẩu dư thừa, cỏ dại giải phóng chất dinh dưỡng cho chu kỳ trồng trọt sau Việc đốt rơm rạ trời thực tiễn phổ biến nơi có thời gian ngắn để chuẩn bị đất trồng cho vụ mùa sau [3-5] Tại thời điểm thu hoạch, hàm lượng ẩm rơm rạ thường cao tới 60%, nhiên điều kiện thời tiết khơ hanh rơm rạ trở nên khô nhanh đạt đến trạng thái độ ẩm cân vào khoảng 10-12% Rơm rạ, có hàm lượng tro cao (trên 22%) lượng protein thấp, thành phần hydrate cacbon rơm rạ gồm lienoxenluloza (37,4%), hemicellulose (bán xenluloza - 44,9%), linhin (4,9%) hàm lượng tro silica (silic dioxyt) cao (9-14%), điều gây cản trở việc sử dụng loại phế thải cách kinh tế thành phần Lienoxenluloza rơm rạ khó hủy mặt sinh học, vậy, để xử lý địi hỏi phải có bước tiền xử lý Có thể tiến hành tiền xử lý rơm rạ phương pháp học xay, nghiền để làm giảm kích thước, xử lý nhiệt hóa chất sử dụng axit hay bazơ thường cải thiện khả phân hủy Việc đốt trời q trình đốt khơng kiểm sốt, dioxit cacbon (CO2), sản phẩm chủ yếu trình đốt giải phóng vào khí với cacbon monoxide (CO), khí methane (CH4), oxit nitơ (NOx) lượng tương đối nhỏ dioxit sulphur (SO2) Tại châu Á dựa cơng trình nghiên cứu cho thấy, hàng năm nguồn phát xạ đốt sinh khối trời ước tính đạt 0,37 Tg SO2, 2,8 Tg NOx, 1100 Tg CO2, 67 Tg CO 3,1 Tg methane (CH4) Riêng lượng phát xạ từ việc đốt phế thải trống theo ước tính đạt: 0,10 Tg SO2, 0,96 Tg NOx, 379 Tg CO2, 23 Tg CO 0,68 Tg CH4 [1, 6, 7] Phế thải chăn nuôi: nước ta có nhiều lị giết mổ động vật để cung cấp nguyên liệu cho công ty, nhà máy chế biến thức ăn, cung cấp thực phẩm cho người Tuy nhiên, trình chế biến thức ăn có nguồn gốc từ động vật người ta thường lấy phần da, thịt, phận bên động vật Phần xương động vật bị thải bỏ tận dụng xương để chế biến thức ăn người ta dùng để lấy phần tủy xương (nấu xương để lấy tủy) Quá trình thường có nhà máy chế biến nước tương, tiệm nấu phở… Mặc dù tận thu chất dùng để chế biến thức ăn, xương động vật nguồn thải, cần phải xử lý Xuất phát từ trạng chất thải ngành chăn nuôi ưu điểm than sinh học, việc “than sinh học hóa” chất thải chăn ni hứa hẹn hướng giải vấn đề ô nhiễm khu vực chăn thả đồng thời tạo nguồn phân bón, thay phần phân hóa học đóng vai trị “chất cải tạo đất” Các nhà khoa học trường Đại học Khoa học Tự nhiên nghiên cứu đề tài tập trung chủ yếu vào việc sản xuất biochar từ chất thải chăn ni tìm hiểu ảnh hưởng yếu tố nhiệt độ, thời gian lưu trình nhiệt phân chậm đến tính chất biochar Hai nhiệt độ thí nghiệm 450 oC 550 oC mốc thời gian lưu giờ, giờ, giờ, giờ, Sản phẩm thu với hiệu suất 47 – 37%, hàm lượng bon 54 – 62% có xu hướng giảm tăng nhiệt độ thời gian nhiệt phân Các mẫu biochar có tính kiềm, pH dao động 8,45 – 8,82 [8, 9] Than sinh học (biochar): hiểu than sinh học sản phẩm tạo qua trình nhiệt phân vật liệu hữu môi trường yếm khí, có khả tồn bền vững mơi trường đất làm tăng lượng cacbon lưu giữ đất, giảm cacbon thải vào khí quyển, có khả tích cực đến sản xuất đất Theo tổ chức IBI (International Biochar Initiative) than sinh học chất rắn thu từ q trình cacbon hóa sinh khối Trong trình nhiệt phân, nhiệt độ thấp xenlulozo hemi-xenlulozo bị dạng chất hữu bay dẫn tới suy giảm khối lượng Chất khoáng khung cacbon vần giữ hình dạng cấu trúc vật liệu ban đầu Cấu trúc phân tử than có trạng thái xốp có diện tích bề mặt lớn, lỗ rỗng đường kính nhỏ (50 nm) hình thành q tình nhiệt phân tạo nên hệ thống mao quản hệ thống lỗ rỗng than góp phần quan trọng cho thơng khí, hoạt động vùng rễ cấu trúc đất Chính bổ sung than vào đất làm thay dổi tính chất vật lý tự nhiên đất, làm tăng tổng diện tích bề mặt riêng, cải thiện cấu trúc thống khí đất (Kolb, 2007) [10-12] Theo Dubinin Zaveria, than sinh học vi lỗ xốp tạo mức đốt cháy (burn-off) nhỏ 50% than sinh học lỗ micro mức đốt cháy lớn 75%, mức độ cháy khoảng 50-75% sản phẩm có hỗn hợp cấu trúc lỗ xốp chứa tất cacr loại lỗ Than sinh học có bề mặt riêng phát triển thường đặc trưng cấu trúc nhiều đường mao dẫn phân tán, tạo nên từ lỗ với kích thước hình dạng khác Khó đưa thơng tin hình dạng xác lỗ xốp, phương pháp xác định than thường có dạng nano dẫn mở hai đầu có đầu kín, thơng thường có dạng rãnh, dạng chữ V nhiều dạng khác Đặc biệt, nhóm cacbon – oxy bề mặt than sinh học nhóm quan trọng ảnh hưởng đến đặc trưng bề mặt tính ưa nước, độ phân cực, tính acid đặc điểm hóa lý, khả xúc tác, độ dẫn điện khả phản ứng định Ví dụ, oxy có tác dụng quan trọng đến khả hấp phụ nước khí có cực khác, ảnh hưởng đến hấp phụ chất điện phân, lên than sử dụng làm chất lọc cao su nhựa, lên độ nhớt graphit lên tính chất thành phần phản ứng hạt nhân Theo Kipling, nguyên tử oxy hydro thành phần cần thiết than hoạt tính với đặc điểm hấp phụ tốt, bề mặt vật liệu nghiên cứu bề mặt hydrocacbon biến đổi số tính chất nguyên tử oxy Than sinh học có nhiều xu hướng mở rộng lớp oxy hấp thụ hóa học nhiều phản ứng chúng xảy xu hướng này, ví dụ, than sinh học phân hủy khí oxy hóa ozone oxit nito Chúng phân hủy dụng dịch muối bạc halogen sắt (III) clorua, KMnO4, amonipersunfat, acid nitric[13, 14] Ngoài ra, dạng khác than sinh học từ nguồn phế thải chăn nuôi gọi than xương (bonechar), than đốt từ xương động vật, có dạng hạt, màu đen Than xương có thành phần carbonate - hyđroxylapatite, công thức tổng quát [Cax.(PO4)y.(CO3)z.OH] Do đặc điểm cấu tạo than xương nhiều tâm hấp phụ nên có khả hấp phụ trao đổi ion tốt, đặc biệt hấp phụ kim loại nặng, ion có độc tính cao[15-17] Tình hình sản xuất than sinh học: giới có nhiều nghiên cứu than sinh học Nhật Bản, than sinh học cấy thêm vi sinh vật để xử lý chất thải nhà vệ sinh, bảo vệ môi trường, trường Đại học Politecnica de Madrid (Tây Ban Nha) nghiên cứu chế tạo than sinh học từ bùn thải ứng dụng cải tạo tính chất đất… Ở Việt Nam, bước đầu nghiên cứu ứng dụng than sinh học số địa phương như: Viện môi trường Nông nghiệp (Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam) sản xuất thành công than sinh học từ rơm, rạ; Mai Thị Lan Anh (Đại học Khoa học Thái Nguyên) sáng chế than sinh học từ rơm rạ dùng làm phân bón; Viện Thổ nhưỡng Nơng hóa sử dụng than sinh học từ trấu làm giá thể, đất nhân tạo phân bón hữu vi sinh [18-21] Tuy nhiên, hầu hết tình sản xuất ứng dụng sản phẩm than sinh học Việt Nam xuất phát từ nguồn phế phẩm Nông nghiệp Hiện tại, chưa tìm thất nguồn than xương (bone char) sản xuất ứng dụng thực tế việt nam Vì vậy, đề tài nghiên cứu này, tập trung vào sản xuất ứng dụng than sinh học cụ thể than xương (bonechar) từ nguồn phế phẩm chăn nuôi từ nguồn phế thải xương bị Q trình hấp phụ: bề mặt chất rắn có khuynh hướng hấp dẫn cấu tử pha khí pha lỏng bao quanh Các cấu tử thường bị giữ thành lớp hay nhiều lớp bề mặt chất rắn Trong đa số trường hợp, chất hấp phụ (chất rắn,) phải liên kết thuận nghịch với cấu tử bị hấp phụ để tái sử dụng chất hấp phụ Như trình hấp phụ trình hút chọn lọc cấu tử pha khí hay pha lỏng bề mặt chất rắn Quá trình hấp phụ thực cách cho tiếp xúc hai pha khơng hịa tan pha rắn gọi chất hấp phụ (adsorbent) với pha khí pha lỏng gọi chất bị hấp phụ (adsorbate) Chất bị hấp phụ từ pha lỏng (hoặc khí) đến pha rắn nồng độ dung chất phân bố hai pha đạt cân Về nguyên tắc, kỹ thuật sử dụng để thực q trình tiếp xúc hai pha khơng hịa tan thực cho q trình hấp phụ Một trình lỏng – rắn khác q trình trao đổi ion, q trình trao đổi thuận nghịch chất rắn định dung dịch điện giải Quá trình liên hệ đến chất hóa học tương tác ion với chất rắn khếch tán ion pha rắn Đây tượng phức tạp hấp phụ kỹ thuật chung kết nhận tương tự Trong trình hấp phụ, tùy theo chất liên kết chất hấp phụ chất bị hấp phụ, người ta phân biệt hai loại hấp phụ như: hấp phụ vật lý hấp phụ hóa học [15, 22-24] Hiện có nhiều nghiên cứu phương pháp xử lý nước thải như: xử lý phương pháp hóa học, phương pháp vật lý, phương pháp điện hóa, phương pháp dùng màng trao đổi ion… Nhiều nghiên cứu thành công ứng dụng thực tế Tuy nhiên việc tìm kiếm giải pháp hữu hiệu việc xử lý môi trường vấn đề ln ln cần thiết Hơn ngồi việc xử lý nước thải gây ô nhiễm môi trường, trình xử lý có kèm theo việc thu hồi chất độc hại nước thải, đặc biệt chất phóng xạ, kim loại nặng, ion độc hại Arsen Đề tài nghiên cứu công nghệ sản xuất than xương khả ứng dụng làm chất hấp phụ để hấp phụ ion độc hại nước giải pháp kỹ thuật nhằm đáp ứng yêu cầu việc xử lý nước thải, góp phần bảo vệ mơi trường Từ nghiên cứu cho thấy phát triển hướng nghiên cứu thu hồi ứng dụng phế phụ phẩm nông nghiệp, chăn nuôi lớn cần thiết Vì vấn đề đề tài này, trước tiên tổng hợp biochar từ nguồn phế phẩm chăn nuôi, gọi than xương (bonechar) mức độ quy mơ phịng thí nghiệm, đồng thời ứng dụng sản phẩm bonechar làm chất hấp phụ việc xử lý nước thải sinh hoạt, nước thải chứa kim loại nặng, nước thải chứa màu nhà máy sản xuất quy mô công nghiệp Mục tiêu  Mục tiêu tổng quát: tổng hợp biochar quy mô phịng thí nghiệm từ nguồn phế thải chăn ni, ứng dụng sản phẩm biochar tổng hợp để làm chất hấp phụ xử lý nước thải, xử lý màu công nghiệp  Mục tiêu cụ thể: nghiên cứu tổng hợp biochar từ nguồn phế thải chăn ni từ xương bị Khảo sát tính chất bề mặt bonechar bề mặt riêng, thành phần, cấu trúc Triển khai nghiên cứu ứng dụng sản phẩm biochar việc xử lý nước thải mang màu, xử lý nước nhiểm phèn Phương pháp nghiên cứu TT Phương pháp thực Các nội dung, công việc chủ yếu cần thực (Kèm theo phương tiện, công cụ) Khảo sát nguồn nguyên liệu phế phẩm Đánh giá thành phần, số lượng, vị trí phế phẩm Tổng hợp biochar từ nguồn phế phẩm thành sản phẩm biochar quy mơ phịng thí nghiệm Thực quy trình tổng hợp để thu sản phẩm biochar Nghiên cứu thông số kỹ thuật - Nghiên cứu tổng hợp thực nghiệm thiết bị hệ thống thiết bị cách phịng thí nghiệm; khảo sát quy trình nung như: - Kiểm tra tiêu độ bền thiết bị, an toàn + Nhiệt độ thiết bị - Kiểm tra nhiễm khí đốt + Thời gian + Điều kiện nung + Tỉ lệ thu hồi Kiểm tra đánh giá chất lượng sản phẩm Giấy chứng nhận đạt tiêu độ tiêu chuẩn than biochar Ứng dụng sản phẩm biochar để hấp phụ Hình ảnh, bảng biểu kết nghiên cứu hấp phụ - Màu dệt nhuộm - Kim loại nặng nước Viết báo khoa học giảng thực hành Dựa kết nghiên cứu thực Phân tích Arsen mẫu Arsen sau nghiên cứu trình hấp phụ than xương, mang sang trung tâm phân tích để kiểm nghiệm nồng độ, kết cho qua bảng phân tích Chuẩn bị mẫu than xương chế tạo theo quy trình đề xuất đây: nung mơi trường khử nhiệt độ 650oC 120 phút Mẫu than thu đem đập, nghiền sàng để than có kích thước trung bình 1mm Loại than dùng cho nghiên cứu Mẫu nước thải chứa Arsen với nồng độ xác định Tiến hành pha mẫu từ hàm lượng dung dịch chuẩn Arsen có hàm lượng 1000 ppm, với dung dịch mẫu chuẩn ban đầu đảm bảo mẫu có ion dạng AsO43Mẫu Arsen sử dụng nghiên cứu có nồng độ: 10ppm; 5ppm; 2,5ppm; 1ppm; 0,5ppm Nồng độ chọn nồng độ thường có nước thải thực tế Chúng tơi ký hiệu mẫu tương ứng với nồng độ nêu sau: mẫu nước Arsen: Arsen10; Arsen5; Arsen2,5; Arsen1; Arsen0,5 9.1 Kết nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng nồng độ đến trình hấp phụ Mẫu nước thải chứa Arsen lấy mẫu riêng biệt chứa nồng độ ban đầu 10ppm; 5ppm; 2,5ppm; 1ppm; 0,5ppm, thể tích mẫu 30ml Tiến hành cho vào mẫu 1g than xương đặt vào máy lắc với tốc độ quay động 250 vòng/ phút, thời gian 60 phút Sau thời gian 60 phút, tiến hành lọc mẫu để tách dung dịch xử lý than Các mẫu sau lọc phân tích lại để xác định nồng độ Arsen Từ chúng tơi xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ trình hấp phụ Arsen chất hấp phụ than xương Kết nghiên cứu đường đẳng nhiệt hấp phụ trình bày qua bảng 12 Bảng 12 Ảnh hưởng nồng độ Arsen lên chất hấp phụ than xương Nồng Thể tích Khối Thời gian Tốc độ lắc Nồng độ mẩu lượng lắc Arsen (ml) than (g) (phút) mẫu (vòng/phút) Arsen sau hấp hấp phụ (ppm) 10 độ Mức độ c* (ppm) 30 60 250 47 1,08 phụ Arsen q*(mg/g) 0,268 30 60 250 0,88 0,124 2,5 30 60 250 0,73 0,053 30 60 250 0,004 0,030 0,5 30 60 250 0,002 0,015 Nhận xét: Các kết từ bảng 12 cho thấy nồng độ Arsen giảm nhanh thời gian tương đối ngắn nồng độ khác 9.2 Khảo sát thay đổi nồng độ hấp phụ Arsen theo thời gian Mẫu nước thải chứa arsen lấy mẫu riêng biệt chứa nồng độ ban đầu 10ppm; 5ppm; 2,5ppm; 1ppm; 0,5ppm, thể tích mẫu 300ml Tiến hành cho vào mẫu 5g than xương (kích thước hạt trung bình 1mm) đặt vào máy lắc với tốc độ 250 vòng/ phút, thời gian lắc mẫu từ 10; 30; 60; 90; 120; 150; 180 phút Tại thời điểm, lấy 20ml mẫu hấp phụ, tiến hành lọc để tách dung dịch xử lý than Mang mẫu sau lọc thời điểm để phân tích nồng độ Từ xây dựng đường biến đổi nồng độ chất bị hấp phụ theo thời gian Kết đo nồng độ arsen sau hấp phụ trình bày qua bảng 13 Bảng 13 Sự thay đổi nồng độ Arsen bị hấp phụ theo thời gian tiếp xúc pha Thời Thể Khối Tốc độ Nồng độ gian lắc tích lượng máy lắc dịch mẫu sau hấp mẫu mẫu than (g) (vòng/phút) phụ (ppm) (phút) (ml) 30 20 60 20 90 180 dung As1 As5 250 0,067 1,258 250 0,066 0,670 20 250 0,064 0,490 20 250 0,064 0,302 9.3 Thảo luận ảnh hưởng nhiệt độ nung đến khả hấp phụ than xương xử lý màu Qua khảo sát khả hấp phụ mẫu BB600 – 60, BB650 - 60, BB700 – 60, BB750 – 60 với thuốc tím KMnO4 xanh metylen cho thấy: nhiệt độ nung xương khác thử với loại thuốc thử khác nhau, mức độ hấp phụ 48 thay đổi khác theo nồng độ thuốc thử Khả hấp phụ tốt mẫu BB650 – 60, ứng với nhiệt độ nung 6500C Ở nhiệt độ 7000C khả hấp phụ lên thuốc thử bị giảm rõ rệt Điều giải thích sau, Mức độ hấp phụ(mg/gthan) ẢNH HƯỞNG NHIỆT ĐỘ ĐẾN KHẢ NĂNG HẤP PHỤ LÊN XANH METYLEN 14 12 10 600 650 700 750 800 Nhiệt độ nung 0C Hình 14 Ảnh hưởng nhiệt độ nung xương đến khả hấp phụ Kết phân tích nhiểu xạ tia X cho thấy: ­ Ở khoãng nhiệt độ 400 – 6000C khả hấp phụ nhiệt độ xảy q trình nước, cịn trình decacbonat dehyrat diễn chưa kết thúc ­ Ở nhiệt độ 6500C trình nước tinh thể, nước cấu trúc, decacbonat xong ­ Ở khoãng nhiệt độ 700 – 8000C khả hấp phụ nhiệt độ carbonate - hyđroxylapatite bắt đầu phá cấu trúc lớp chuyển dần sang cấu trúc dạng CaO 9.4 Thảo luận ảnh hưởng thời gian nung đến khả hấp phụ than xương xử lý màu Khảo sát khả hấp phụ mẫu BB650-30, BB650 -60, BB650- 90, BB650-120, BB650 -150, BB650- 180, BB650 – 210 với KMnO4 xanh metylen cho thấy: thời gian nung khác nhiệt độ loại thuốc thử khác nhau, mức độ hấp phụ thay đổi khác theo nồng độ thuốc thử, khả hấp phụ tốt mẫu BB650 – 120, ứng với thời gian nung 120 phút Ở thời gian nung 150 phút, khả hấp phụ lên thuốc thử bị giảm rõ rệt 49 Điều giải thích sau, ẢNH HƯỞNG THỜI GIAN NUNG ĐẾN KHẢ NĂNG HẤP PHỤ THAN XƯƠNG 50 Mức độ hấp phụ (mg/gthan) 45 40 35 30 KMnO4 25 Metylen xanh 20 15 10 0 50 100 150 200 250 Thời gian (phút) Hình 15 Ảnh hưởng thời gian nung xương đến khả hấp phụ thuốc thử KMnO4 xanh metylen Kết phân tích nhiểu xạ tia X cho thấy:  Ở khoãng thời gian từ 30 – 100 phút khả hấp phụ thời gian này, trình nung xảy q trình nước, cịn q trình decacbonat dehyrat chưa đủ thời gian, diễn chưa kết thúc  Ở thời gian 120 phút, trình nước tinh thể, nước cấu trúc, decacbonat xong  Ở khoãng thời gian từ 120 - 210 phút khả hấp phụ giảm dần thời gian này, carbonate - hyđroxylapatite bắt đầu phá cấu trúc tinh thể, chuyển dần sang cấu trúc dạng CaO Nhận xét kết quả: Qua kết nghiên cứu sản xuất than xương, ta thấy than xương có cấu trúc lỗ xốp dị thường Kết phân tích XRD ta khẳng định thành phần than xương chứa chủ yếu Canxi Photphat dạng Carbonate -Hydroxiy Apatid, Flo Apatid Carbon Ngoài than xương chứa lượng nhỏ kim loại như: 50 Ti, Fe, Cd Kết đo bề mặt riêng mẫu sản phẩm than xương theo phương pháp BET cho thấy tổng diện tích bề mặt riêng than xương tương đối thấp (khoảng 107.855 m2/g), nhiên khả hấp phụ than xương tốt (thử hoạt tính hấp phụ màu với KMnO4 metylen xanh) Điều chứng tỏ dùng than xương vừa chế tạo điều kiện nung thích hợp để làm chất hấp phụ Arsen, Chì nước thải cho nghiên cứu tiếp Kết nghiên cứu khả hấp phụ than xương dung dịch KMnO4 Metylen xanh cho thấy khả làm màu dung dịch than xương tốt Điều cho thấy kim loại nặng, than xương ứng dụng làm chất hấp phụ ion MnO4-, chất màu hữu Vì triển vọng khả ứng dụng than xương thực tế, đặc biệt dùng để xử lý môi trường lớn Việc dùng than xương thay than hoạt tính hấp phụ nhựa trao đổi ion để xử lý nước thải có sở qua kết nung xương để thu than xương cho thấy: hiệu suất chế tạo than xương từ xương bò cao (80 – 90%), mức độ tiêu thụ than xương công nghệ xử lý nước thải thấp Điều cho thấy than xương có hiệu kinh tế dùng để xử lý nước thải Hơn phương pháp sản xuất than xương đơn giản, nguồn nguyên liệu sẵn có (xương phế thải, cần xử lý) 9.5 Thảo luận ảnh hưởng nồng độ đến trình hấp phụ arsen Từ kết nghiên cứu thực nghiệm, đường đẳng nhiệt hấp phụ xây dựng trình bày biểu đồ hình 16 51 ĐƯỜNG ĐẲNG NHIỆT HẤP PHỤ ASEN q*(mgAsen/gThan) 0.31 0.26 0.21 0.16 0.11 0.06 0.01 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 c*(ppm) Hình 16 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Arsen Trong vùng nồng độ – 10ppm arsen cho thấy đường đẳng nhiệt hấp phụ thay đổi phức tạp (dạng S) Chứng tỏ hệ xảy hấp phụ nhiều lớp, đồng thời có khả xảy q trình hấp phụ tỉnh điện, khả hấp phụ gần khơng tuyến tính với nồng độ dung dịch Vì arsen, việc tính tốn cần phải dựa vào đường đẳng nhiệt hấp phụ thực nghiệm Phương trình quan hệ cân nồng độ cấu tử chuyển dung dịch pha rắn mô tả theo phương trình BET có dạng: * C c q  (1 - c* )(1 - c*  C.c* ) Trong đó: - C: số hấp phụ - q*: nồng độ Arsen, Chì cân dung dịch, mgAs/g than - c*: nồng độ Arsen, Chì cân pha lỏng, ppm 52 Thay giá trị q* theo c*, dạng phương trình BET Arsen có dạng hình 17 ĐỒ THỊ XÁC ĐỊNH HẰNG SỐ HẤP PHỤ THEO PHƯƠNG PHÁP BET q*(mgAsen/gThan) 0.39 0.34 0.29 0.24 0.19 0.14 0.09 0.04 -0.01 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 c*(ppm) Hình 17 Đồ thị xác định số phương trình BET Arsen Đồ thị (q* - c*) hình 17 đường cong có dạng đường đẳng nhiệt hấp phụ BET Hằng số C ứng với phương trình BET xác định từ đồ thị hình 17 với giá trị C (Arsen) = 0,0017 9.6 Thảo luận nghiên cứu thay đổi nồng độ hấp phụ theo thời gian Từ kết nghiên cứu thực nghiệm, xây dựng đường cong biểu diễn hấp phụ than xương theo thời gian dung dịch arsen, dạng đường cong trình bày biểu đồ hình 18 53 KHẢO SÁT SỰ HẤP PHỤ CỦA THAN XƯƠNG THEO T H Ờ I G I A N Đ Ố I V Ớ I D U N G D Ị C H A SE N Nồng độ Asen (ppm) Asen Asen 0 50 100 150 200 Thời gian (phút) Hình 18 Ảnh hưởng hấp phụ than xương theo thời gian lên dung dịch Arsen Nhìn từ biểu đồ biểu diễn thay đổi nồng độ hấp phụ Arsen theo thời gian chất hấp phụ than xương cho thấy: đồ thị hấp phụ arsen, khoảng thời gian từ 10 – 120 phút đầu, nồng độ arsen giảm nhanh, chứng tỏ gian đoạn arsen bị than xương hấp phụ mạnh Trong khoảng thời gian từ 120 phút trở lên, nồng độ arsen bị hấp phụ có giảm giảm không đáng kể, chứng tỏ xảy trình cân hấp phụ arsen than xương Có thể giải thích vấn đề sau: - Do thời gian đầu tiếp xúc với dung dịch arsen Các oxyt rắn có tâm oxyt chưa bảo hịa nên hấp phụ tăng cao Q trình hấp phụ tăng theo thời gian đến thởi điểm đó, ta kéo dài thời gian hấp phụ, khả hấp phụ than xương không tăng đáng kể, lúc tâm oxyt bão hòa, cân bằng, than xương tái tạo lại cấu trúc lớp than xương gần hoàn chỉnh 54 - Điểm cân hấp phụ arsen than xương thời gian 90 phút ứng với mức độ hấp phụ cao khoảng 0,18 mg Arsen /gThan Nhận xét kết quả: Trên sở nghiên cứu thực nghiệm khảo sát trình hấp phụ than xương arsen, nhận thấy khả ứng dụng than xương làm chất hấp phụ tương đối lớn bởi: Kết khảo sát khả hấp phụ nồng độ nước thải chứa As trình hấp phụ xử lý đạt nồng độ cho phép, nồng độ mẫu xử lý giảm thể tích nước thải chứa chất hấp phụ xử lý thời gian Đồng thời vào khả hấp phụ, vào tỉ lệ hấp phụ ta nhận thấy với thể tích nước thải xử lý phối trộn với lượng than định ta xử lý nồng độ nước thải đạt mức cho phép Điều khẳng định ứng dụng than xương làm chất hấp phụ đạt hiệu cao 9.7 Thảo luận nghiên cứu thay đổi nồng độ hấp phụ kim loại nước phèn Tiến hành thí nghiệm sử dụng chất hấp phụ than xương diều kiện thích hợp Cho than xương hấp phụ mẫu dung dịch nước phèn nhận Tỉnh Kiên giang, trình thí nghiệm mẫu nước phèn Kết số liệu thu sau q trình thí nghiệm trình bày qua bảng 14 Bảng 14 kết xử lý nước phèn mẫu than xương điều kiện thích hợp STT Các Nồng độ tiêu mẫu trước lọc (mg/l) Độ pH 2.500 - Nồng độ mẫu sau lọc (mg/l) Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu 6.2 6,5 6,25 6,8 5.200 Fe3+ 4.000 3.5 3.3 3.2 3.7 3.8 3.1 Al3+ 1.300 1.1 1.2 1.2 1.1 1.0 Pb2+ 50 0.02 0.03 0.01 0.04 0.02 0.02 55 III KẾT LUẬN Từ nghiên cứu thực hiện, rút kết luận sau: Trên sở xương động vật chất thải trình chế biến thực phẩm, chúng tơi xác định chế độ cơng nghệ thích hợp để sản xuất than xương Để than xương có độ bền học cao, có khả hấp phụ, than cần nung môi trường khử nhiệt độ 650oC thời gian 120 phút Sau nung, than cần nghiền tới kích thước khỗng 1mm kích thước để sử dụng Than xương chế tạo theo phương pháp có độ bền học cao, có bề mặt riêng khoảng 100m2/g, có khả làm màu xanh Metylen thuốc tím tương đối tốt Điều tạo khả ứng dụng lớn than xương lĩnh vực hấp phụ Chúng xác định đường đẳng nhiệt hấp phụ than xương trình hấp phụ ion AsO43- từ dung dịch nước thơng số phương trình BET tương ứng với ion Các phương trình sở để tính tốn q trình thiết bị hấp phụ công nghệ xử lý nước thải, nước cấp, có chứa ion nói Q trình hấp phụ ion AsO43- than xương xảy tương đối nhanh với dung lượng hấp phụ lớn, khoảng 0,5 mgChì/gThan 0,18 mgArsen/gThan Kết mở triển vọng để ứng dụng than xương việc xử lý nước nước thải có chứa arsen Q trình hấp phụ ion kim loại nặng chứa nước phèn đạt kết tốt Nồng độ ion kim loại nước phèn giảm mạnh đạt tiêu chuẩn cho nguồn nước tưới tiêu sau trình hấp phụ than xương Điều cho thấy ứng dụng than xương làm chất hấp phụ xử lý phèn triển khai công nghiệp xử lý nước Việt Nam Do khả hấp phụ lớn than xương, nghiên cứu tiếp tục cần thực theo hướng thực nghiệm ion kim loại khác, đặc biệt ion kim loại nặng, nghiên cứu trình hấp phụ đồng thời nhiều cấu tử thử nghiệm trình hấp phụ cột, trình rửa giải tái sử dụng than xương Khi có điều kiện, chế q trình hấp phụ cấu tử nặng than xương cần phải thực mặt lý thuyết để khẳng định khả ứng dụng than xương lĩnh vực hoá học, vật liệu, môi trường 56 PHẦN III PHỤ LỤC ĐÍNH KÈM (tất văn có sẵn, chủ nhiệm cần photo đính kèm sau nội dung trên, sử dụng lý hợp đồng với phịng kế tốn Khi lý, báo cáo in thành 03 cuốn, đó, 01 đóng bìa mạ vàng, 02 đóng bìa cứng thường) Hợp đồng thực đề tài nghiên cứu khoa học Thuyết minh đề tài phê duyệt Quyết định nghiệm thu Hồ sơ nghiệm thu (biên họp, phiếu đánh giá, bảng tổng hợp điểm, giải trình, phiếu phản biện) Sản phẩm nghiên cứu (bài báo, vẽ, mơ hình .) 57 Tài liệu tham khảo [1] B.C.T Nguyễn Minh Quang, Hồng Dương Tùng, Báo cáo mơi trường Quốc Gia 2014 môi trường Nông thôn, Bộ Tài Nguyên Và Môi Trường, (2014) [2] V.X.H.v.N.P.N Bùi Thị Nga, Thực Trạng Và Giải Pháp Quản Lý Chất Thải Rắn Nguy Hại Trong Canh Tác Lúa Trên Địa Bàn Tỉnh Hậu Giang, Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ, 29 (2013) 83-88 [3] L.N.D Đặng Ngọc Chánh, Ngô Khần, Lê Việt Anh, Nguyễn Trần Bảo Thanh, Đánh Giá Tác Động Của Ô Nhiễm Môi Trường Tại Các Cơ Sở Sản Xuất Sản Phẩm Thủ Công Mỹ Nghệ Từ Dừa Đến Sức Khoẻ Người Dân Tại Huyện Châu Thành, Tỉnh Bến Tre, Khoa Sức Khỏe Môi Trường, Viện Vệ Sinh Y Tế Công Cộng TP.HCM [4] B.H Hiền, Phân Loại Phế Phụ Phẩm Được Sử Dụng Để Làm Phân Bón Hữu Cơ, Tổng biên tập Tạp chí Nơng nghiệp PTNT [5] P.K.a.R.D.P Shrikant B Katole, Environmental pollutants and livestock health: a review, Environmental pollutants and livestock health: a review, (2013) 1-13 [6] U.B Douglas Cuthbertson, Cedric Briens, Franco Berruti, Biochar from residual biomass as a concrete filler for improved thermal and acoustic properties, Biomass and Bioenergy, (2019) 77–83 [7] T.T Tú, ĐẶC ĐIỂM HÓA LÝ CỦA THAN SINH HỌC ĐIỀU CHẾ TỪ VỎ TRẤU, Tạp chí Khoa học – Đại học Huế, (2016) Tr 233-247 [8] A.B Yasmin Khan Kiran, CUI Xiao-qiang, FENG Ying, PAN Feng-shan, TANG Lin, YANG Xiao-e, Cow manure and cow manure-derived biochar application as a soil amendment for reducing cadmium availability and accumulation by Brassica chinensis L in acidic red soil, Journal of Integrative Agriculture, 16 ( 2017) 725–734 [9] R.M M Ait Taleb, N Saffaj, A Mouna, M.L Taha, A Benlhachemi, B Bakiz, M Ezahri, S Villain, Animal Bone Meal as new recyclable and ecological catalyst for the oximes Synthesis in solvent-Free Conditions, J Mater Environ Sci., (2016) 4580-4588 [10] T.T Tú, Đặc Điểm Hóa Lý Của Than Sinh Học Điều Chế Từ Vỏ Trấu, Tạp chí Khoa học – Đại học Huế, Tập 120 (2016) Tr 233-247 [11] K.-H.K Jechan Lee, Eilhann E Kwon, Biochar as a Catalyst, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 77 (2017) 70–79 [12] A.A.a.C.J Easton, Biocatalysis for the application of CO2 as a chemical feedstock, Beilstein J Org Chem., 11 (2015) 2370–2387 58 [13] K.W.a.A.F.L James A Bennett, Catalytic applications of waste derived materials, J Mater Chem A, (2016) 3617–3637 [14] M.P.-G Jorge Bedia, Almudena Gómez-Avilés, Juan J Rodriguez and, C Belver, A Review on the Synthesis and Characterization of Biomass-Derived Carbons for Adsorption of Emerging Contaminants from Water, Jounal of Carbon Research 4(2018) 63 [15] M.R Abbas Rezaee, Ghader Ghanizadeh, Afshin Nili-Ahmadabadi, Adsorption of Escherichia coli Using Bone Char, J Appl Sci Environ Manage, 15 (2011) 57-62 [16] Z.K Agnieszka Sobczak, Zbigniew Wzorek, Preparation of hydroxyapatite from animal bones, Acta of Bioengineering and Biomechanics, 11 (2009) [17] A.C.C.a.I.B.D Yusufu M I, Production and characterization of activated carbon from selected local raw materials, African Journal of Pure and Applied Chemistry, (2012) pp 123-131 [18] N.Đ Nghĩa, Vai Trò Của Than Sinh Học (Biochar) Sản Xuất Và Ứng Dụng Hiệu Quả Than Sinh Học, Trung tâm Thông tin Khoa học Công nghệ TP HCM, (2014) [19] V.T.K.O Leê Phú Tuấn, Nguyễn Thị Thu Phương, Nghiên cứu quản lý phụ phẩm nông nghiệp phụ phẩm hữu sử dụng chế phẩm vi sinh xã Phú Thuận-Phổ n-Thái Ngun, Tạp Chí KHoa Học Và Cơng Nghệ Lâm Nghiệp, (2016) [20] N.T.C Vũ Duy Hoàng, Nguyễn Văn Biên, Nhữ Thị Hồng Linh, Ảnh Hưởng Của Biochar Và Phân Bón Lá Đến Sinh Trưởng Và Năng Suất Cà Chua Trồng Trên Đất Cát, Tạp chí Khoa học Phát triển, 11 (2013) 603-613 [21] N.N Nurshuhada Amira Yusoff, Hajar Alias, Mazura Jusoh, Chemically Treated Chicken Bone Waste as an Efficient Adsorbent for Removal of Acetaminophen, Chemical Engineering Transactions, 56 (2017) [22] S.I Ikuo Abe, Toshimitsu Tokimoto, Naohito Kawasaki, Takeo Nakamura, and Seiki Tanada, Adsorption of fluoride ions onto carbonaceous materials, Journal of Colloid and Interface Science, 275 (2004) 35-39 [23] M.B Sana Ghrab, Stéphanie D Lambert, Copper Adsorption from Wasterwater Using Bone Charcoal, Advances in Materials Physics and Chemistry, (2017) 139-147 [24] Nahum A Medellin-Castillo, Roberto Leyva-Ramos, Raul Ocampo-Perez, Ramon F Garcia de la Cruz, Antonio Aragon-Pin, Jose M Martinez-Rosales, Rosa M GuerreroCoronado, a.L Fuentes-Rubio, Adsorption of Fluoride from Water Solution on Bone Char, Ind Eng Chem Res., 46 (2007) 9205-9212 59 [25] N.L Xiaohua Wang, Yunguo Liu, Luhua Jiang, Guangming Zeng, Xiaofei Tan, Shaobo Liu, Zhihong Yin, Sirong Tian, and Jiang Li, Adsorption Removal of 17-Estradiol fromWater by Rice Straw-Derived Biochar with Special Attention to Pyrolysis Temperature and Background Chemistry, Int J Environ Res Public Health, 14 (2017) 1213 [26] Abbas Rezaee, Hossin-Ali Rangkooy, Ali Khavanin, Ahmad Jonidi-Jafari, R.D Cheshma, Soltani, a.A Nili-Ahmadabadi, Adsorption Properties and Breakthrough Model of Formaldehyde on Bone Char, International Journal of Environmental Science and Development, (2011) [27] G.G.G Asgari, Adsorption kinetics and isotherm of methylene blue and its removal from aqueous solution using bone charcoal, Reac Kinet Mech Cat, 102 (2011) 127–142 [28] K.P Mohsen Morshedizad, Wantana Klysubun, and Peter Leinweber, Bone char effects on soil: sequential fractionations and XANES spectroscopy, Soil, (2018) 23-35 [29] A.Y.a.A.A.A.-B Sangodoyin, Adsorption potentials of modified and unmodified bone and horn char in diminution of microbial mass of polluted water, European International Journal of Science and Technology, (2014) [30] A.S.O D O Omole, An evaluation of slaughterhouse wastes in south-west Nigeria, American Journal of Environmental Protection, (2013) 85-89 [31] T.M.L Dieu T M Tran, Viet T Nguyen, Composition and Generation Rate of Household Solid Waste: Reuse and Recycling Ability, International Journal of Environmental Protection, (2014) 73-81 [32] S.A.B Edwin Ambani Ameso, Charles Owuor Olungah and Tobias Haller, Ethnography of the slaughterhouse: A case of Nanyuki slaughterhouse in Laikipia County, Rift Valley, Kenya, Ameso et al Pastoralism: Research, Policy and Practice 7(2017) 32 [33] Use bone char and biochar recycling phosphorus into agricultural systemes Thesis, (2018) [34] I.H Susan S.A Alkurdi, Jochen Bundschuha, Raed A Al-Juboori,, D.M Meththika Vithanage, Biochar versus bone char for a sustainable inorganic arsenic mitigation in water: What needs to be done in future research?, Environment International, 127 (2019) 52–69 [35] R.A.A.-J Susan S.A Alkurdi, Jochen Bundschuha, Ihsan Hamawand, Bone char as a green sorbent for removing health threatening fluoride from drinking water, Environment International, 127 (2019) 704–719 60 [36] S.C W Tala, S Thiansem, M Rayanakorn, Development of low-cost passive sampler from cow bone char for sampling of volatile organic compounds, Int J Environ Sci Technol., 13 (2016) 1685–1696 [37] T.T.T.H Bùi Huy Tùng, Nguyễn Việt Hùng, Đánh giá nguy sức khỏe ăn uống nước giếng khoan nhiễm asen HÀ Nam, Tạp chí Y học dự phòng, (2013) [38] L.Q.T Trần Thị Thanh Hương, Cơ chế gây độc Arsen khả giải độc Arsen vi sinh vật, Hội thảo Môi trường Phát triển bền vững, Vườn Quốc Gia Côn Đảo, (2010) [39] N.D Tuệ, Asen môi trường giải pháp kiểm sốt, Tạp chí KH-CN Nghệ An, (2017) [40] V.-N.M.D.M project, MEKONG DELTA WATER RESOURCES ASSESSMENT STUDIES, (January 2011) [41] L.P.T Trần Văn Hùng, Trần Văn Dũng Ngơ Ngọc Hưng, HÌNH THÁI VÀ TÍNH CHẤT LÝ, HĨA HỌC ĐẤT PHÈN VÙNG ĐỒNG THÁP MƯỜI, Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ, Số chuyên đề: Mơi trường Biến đổi khí hậu (2017) 1-10 [42] L.A Tuan, AN OVERVIEW OF THE DRINKING WATER SUPPLY SITUATION IN THE MEKONG RIVER DELTA, VIETNAM, College of Technology, CanTho University, Vietnam [43] J.B Al Dufour, Robert Bos and Victor Gannon, Animal Waste, Water Quality and Human Health, Published by IWA Publishing, London, UK., (2012) [44] X.Z Yali Liu, Jianli Li, Dan Ma, Runping Han, Characterization of bio-char from pyrolysis of wheat straw and its evaluation on methylene blue adsorption, Desalination and Water Treatment, 46 (2012) 115–123 [45] A.A.A Abubakar Mohammed, Manase Auta and Mohammed Jibril, A Comparative Analysis and Characterization of Animal Bones as Adsorbent Advances in Applied Science Research, (2012) 3089-3096 61 ... sản phẩm biochar tổng hợp để làm chất hấp phụ xử lý nước thải, xử lý màu công nghiệp  Mục tiêu cụ thể: nghiên cứu tổng hợp biochar từ nguồn phế thải chăn nuôi từ xương bị Khảo sát tính chất bề... pháp hấp phụ ứng dụng nhiều xử lý làm nước thải, đặc biệt nước thải thị, ngồi cịn dùng để làm khí, xử dụng làm phương tiện để tách chất từ hỗn hợp lỏng Có nhiều ứng dụng cho trình hấp phụ, nhiên... thích hợp tương thích với nghiên cứu trước [9, 44, 45] Điều chứng tỏ phương pháp tổng hợp hợp lý thành công để tiếp tục nghiên cứu ứng dụng than xương làm chất hập phụ cho nghiên cứu Nghiên cứu