- 1 2Khoảng nhiệt
1.2.7. Giới thiệu một số nghiên cứu về chất hấp phụ phenol trong nước thả
thải
Than hoạt tính:
Là vật liệu hấp phụ phổ biến nhất từ trước đến nay, vật liệu này có ưu điểm là diện tích bề mặt tiếp xúc lớn, nhiều lỗ xốp có kích thước rất nhỏ, khả năng hấp phụ cao, độ tinh khiết cao, ít lẫn tạp chất, dễ sử dụng và không độc hại. Than hoạt tính được tạo thành từ quá trình đốt các nhiên liệu (như gỗ, vỏ dừa, xơ dừa) trong điều kiện thiếu khí ở nhiệt độ cao [18]. Trên thế giới có nhiều nghiên cứu nhằm sử dụng các phụ phẩm nông nghiệp để làm than hoạt tính như rơm, vỏ dừa, gáo dừa, mùn cưa, vỏ quả oliu, vỏ đậu phộng, vỏ trấu…
Trong công nghiệp, than hoạt tính được sử dụng để loại bỏ một số chất như Nitơ trong không khí, Hydro trong khí tổng hợp (syngas), các hợp chất Sox và Nox; thu hồi hơi dung môi; làm sạch nước bằng cách hấp thu phenol, hợp chất Halogen, thuốc bảo vệ thực vật, caprolactum và Clorin; tẩy màu trong sản xuất đường….[18]
Than hoạt tính có khả năng hấp phụ phenol, các dẫn xuất của phenol và một số kim loại nặng rất hiệu quả, đạt trên 90% (Ésposito và ctv, 2003); than hoạt tính dạng hạt hấp phụ phenol đạt 96% trong 3 giờ, nhiệt độ 30oC (Hawaiah Imam Maarof và ctv, 2004 ).
Than hoạt tính dạng hạt có khả năng hấp phụ nhờ cấu trúc rỗng, xốp với kích thước rất nhỏ, tuy nhiên đối với các chất ô nhiễm có kích thước phân tử lớn, khả năng và tốc độ hấp phụ của than hoạt tính đều giảm. Đối với than hoạt tính dạng bột, diện tích tiếp xúc được tăng lên đáng kể, có thể hấp phụ được cả các hợp chất có kích thước lớn nhưng khả năng giải hấp phụ để thu hồi sản phẩm là rất khó. [19]
Quá trình tạo than hoạt tính chủ yếu gồm 2 giai đoạn chính: than hóa và hoạt hóa. Cấu trúc rỗng xốp của vật liệu được tăng lên đáng kể bằng các
- 28 -
phương pháp vật lý và hóa học. Phương pháp lý học bao gồm oxi hóa và khí hóa than ở nhiệt độ cao (trên 800oC). Hoạt hóa bằng phương pháp hóa học được tiến hành bằng cách cho vật liệu tác dụng với một số hóa chất như HCl, H2SO4, MgCl2, NaOH, KOH, ZnCl2, NH4Cl, BaCl2, K2CO3, K2HPO4 và H3PO4. Các tác nhân này có tác dụng làm gia tăng số lượng vi lỗ trong vật liệu đồng thời làm giảm hàm lượng tro của vật liệu. Nhiệt độ của quá trình hoạt hóa bằng hóa chất thấp hơn so với phương pháp vật lý, nhưng phương pháp này cũng có thể gây ra ô nhiễm thứ cấp đối với môi trường do có sử dụng hóa chất trong quá trình phản ứng. Mặc dù phương pháp vật lý cho phép kiểm soát tốt sự tạo ra các vi lỗ nhưng phương pháp hóa học mới là phương pháp hoàn hảo giúp tạo ra được số lượng vi lỗ đáng kể trong than hoạt tính (Anirudhan và ctv, 2009).
Bentonit:
Để giải quyết vấn đề đó, người ta nghiên cứu sử dụng vật liệu bentonit, nó có diện tích bề mặt lớn tương đương với than hoạt tính dạng bột nhờ khả năng trương nở và phân lớp. Bằng cách kết hợp bentonit và cả chất hoạt động bề mặt mang điện tích dương (Cation surfactant), có tác dụng như một chất bông tụ, làm tăng khả năng hấp phụ của vật liệu. Quá trình hấp phụ - bông tụ này có khả năng loại bỏ được 90% phenol và các hợp chất của phenol, khả năng thu hồi bentonit đạt 100% (Yun-Hwei Shen, 2001).
Dương Thị Ngọc Lan (2011) thử nghiệm hấp phụ phenol với bentonit biến tính bằng dimetyl dioctadecyl amoni clorua, qua đó đã xác định được điều kiện tối ưu cho quá trình hấp phụ của vật liệu ở pH 9, nhiệt độ 55oC và thời gian phản ứng là 4 giờ. Dung lượng hấp phụ cực đại đối với phenol là 49,75 mg/g ( 0,53 mmol/g), đối với phenylsunfophtalein (phenol đỏ ) là 85,47 mg/g (0,24mmol/g) và đối với phẩm xanh trực tiếp (DB 53) là 333,33 mg/g (0,35mmol/g) sét hữu cơ. Tiến hành xử lý mẫu nước thải của một cơ sở dệt nhuộm thuộc xã Dương Nội, Hà Đông. Kết quả xử lý cho thấy, vật liệu sét hữu cơ và sét hữu cơ chống Al có khả năng xử lý khá tốt loại nước thải dệt nhuộm (hiệu suất xử lý đạt 84%).
Hiện nay các nghiên cứu về vật liệu hấp phụ có xu hướng tìm ra những loại chất mới có nguồn gốc từ tự nhiên, đặc biệt là phụ phẩm nông nghiệp nhằm hạ giá thành sản phẩm mà vẫn đảm bảo được khả năng hấp phụ của vật liệu.
H. A. Omar (2012) nghiên cứu khả năng hấp phụ phenol của Chitin. Kết quả: dung lượng hấp phụ cực đại của Chitin biopolymer và Chitin cố định bởi dithizone đạt lần lượt là 51,28 (mg/g) và 88,49 (mg/g) ở nhiệt độ 45oC ±1, pH 2. Động học hấp phụ tuân theo phương trình bậc 1 (pseudo-first-order).
S. Mohamad Zaki và N. Mohd Ridzuan (2011) nghiên cứu vật liệu hấp phụ là bã rắn sau khi ép để lấy dầu cọ. Phần bã được xử lý ở nhiệt độ 800oC, thời gian tiếp xúc với nước thải trong 10 phút có thể hấp phụ 99% phenol, dung lượng cực đại đạt 4,99 mg/g.
Al-Sultani Kadhim F. và Al-Seroury F.A (2012) nghiên cứu mô hình hấp phụ cột bằng vật liệu vỏ trấu (RH – Rice Husk) và vỏ trấu biến tính (ARH – Activated Rice Husk) bằng dung dịch NaOH 0,5 M và H2SO4 13M ở 175 – 180oC. Kết quả ARH có khả năng hấp phụ cao hơn so với RH, dung lượng hấp phụ phenol cực đại tương ứng đạt 14,25 (mg/g) so với 6,75 (mg/g) ở nồng độ phenol ban đầu 75 mg/L.
Nestor Tancredi (2004) nghiên cứu hấp phụ phenol bằng mùn cưa từ gỗ bạch đàn. Mùn cưa được nung ở nhiệt độ 773K kết hợp khí hóa từng phần để thu được vật liệu ở dạng bột (PAC – Powder Activated Carbon). Vật liệu này được trộn với hỗn hợp kaoline và carboxymethyl cellulose với tỉ lệ khối lượng 70:30 và 80:20 (GAC 70 và GAC 80). Kết quả cho thấy vật liệu hấp phụ dạng bột có khả năng hấp phụ cao nhất, các thông số đều phù hợp với phương trình Langmuir hơn so với phương trình Freundlich.
M. Djebbar và cộng sự (2011) nghiên cứu khả năng hấp phụ phenol của đất sét. Thí nghiệm tiến hành đối với đất sét tự nhiên và đất sét đã được hoạt hóa. Kết quả cho thấy đất sét hoạt tính có khả năng hấp phụ cao hơn đất sét tự nhiên, hiệu suất và dung lượng hấp phụ của đất sét hoạt tính đạt 78% và 18,86 (mg/g); đối với đất sét tự nhiên đạt (65%) và 11,01 (mg/g) ở pH 5 và nhiệt độ
- 30 -
23oC.
Aimin Li và cộng sự (2001) nghiên cứu vật liệu polymer có cấu trúc liên kết chéo (water-compatible hypercrosslinked polymeric - NJ-8) để hấp phụ phenol, p-phenol, p-cresol, p-chlorophenol, và p-nitrophenol. Kết quả, với lưu lượng dòng vào là 6 BV/h ở nhiệt độ 283–323 K, dung lượng hấp phụ NJ-8 đạt 1.37 mmol/ml.
Thí nghiệm của Prateek Khare (2011) thử nghiệm vật liệu vỏ của hạt Kha tử (Terminalia Chebula). Đây là một loại quả có hình trứng thuôn dài, thuộc họ Bàng, hạt quả hình thoi hẹp, dài khoảng 1cm, đường kính 0,2 – 0,4 cm [39]. Lớp vỏ hạt màu nâu, cứng, là phế phẩm của quá trình chế biến để lấy thịt quả và hạt. Vỏ hạt được rửa sạch, hoạt hóa bằng axit HCl 2M, phơi nắng và đốt đến nhiệt độ 600oC. Vật liệu thu được dùng làm chất hấp phụ phenol (TCAC -
Terminalia Chebula activated carbon). Kết quả thu được: điều kiện tối ưu để hấp phụ phenol là t=24 h, pH=5.5, Co=150 mg/l, T=30oC và liều lượng chất hấp phụ = 3 g/l. Quá trình này cũng phù hợp với mô hình Freundlich và mô hình đẳng nhiệt Redlich và Peterson.
G. Vázquez (2009) nghiên cứu hấp phụ Cd2+ và phenol bằng vỏ hạt dẻ
(Chestnut). Vỏ hạt có kích thước từ 0,1 – 2mm được hoạt hóa bởi formaldehyde trong môi trường axit và được nung nóng đến 50oC. Kết quả thí nghiệm cho thấy điều kiện tối ưu để hấp phụ phenol là pH 5.5, nhiệt độ 60oC, dung lượng hấp phụ cực đại 21,87 mg/g, đẳng nhiệt hấp phụ phù hợp với mô hình Langmuir.
Mambo Moyo và cộng sự (2012) thử nghiệm hấp phụ phenol bằng nấm men Saccharomyces cerevisiae. Nấm men thu được từ phế phẩm của các quá trình sản xuất thực phẩm và dược phẩm, tiền xử lý với dung dịch HCl 0,1 N, rửa bằng nước cất sau đó sấy khô bằng không khí, sàng chọn những vật liệu có kích thước khoảng 150 µm. Kết quả khảo sát dung lượng hấp phụ cực đại đạt 27 mg/g, phù hợp với mô hình Langmuir hấp phụ đơn lớp.
Mohammed Tamez Uddin và cộng sự (2008) nghiên cứu vật liệu hấp phụ phenol bằng tro lục bình (Burned Water Hyacinth). Rễ lục bình được rửa thật
sạch, loại bỏ hẳn đất cát và tạp chất bám trên rễ, đem làm khô ở nhiệt độ 105oC trong 16 giờ. Sau đó đem đốt ở nhiệt độ 300oC trong điều kiện thiếu khí, than thu được đem sàng để lấy hạt có kích thước 180 – 300 μm (dùng rây có kích thước lỗ 1mm và sàng có kích thước lỗ sàng 150 μm) và giữ trong bình có hút ẩm để sử dụng làm chất hấp phụ. Kết quả, dung lượng hấp phụ đạt cực đại 30,49 mg/g, cân bằng hấp phụ phù hợp với mô hình Langmuir, động học hấp phụ tuân theo phương trình bậc 2 (pseudo-second-order).
Nguyễn Văn Thanh (2012) nghiên cứu biến tính xơ dừa làm vật liệu hấp phụ chất hữu cơ trong nước như dung dịch xanh Methylene, Metyl da cam và Phenol. Sợi xơ dừa được tước từ quả dừa ta, phơi khô và xử lý bằng dung dịch NaOH 1N có mặt 5% H2O2 trong 16 giờ, sau đó lọc hút và rửa bằng dung dịch HCl 0.02% và nước cất đến pH trung tính, sấy khô ở nhiệt độ 60oC đến khối lượng không đổi. Khả năng hấp phụ dung dịch phenol với tỉ lệ rắn/lỏng = 1/100 (g/ml) trong thời gian 120 phút, pH=6, tải trọng hấp phụ đạt cực đại 10,87 (mg/g), cân bằng hấp phụ phù hợp với mô hình Langmuir.
Ngoài ra, tại Việt Nam cũng đã có nhiều công trình nghiên cứu về vật liệu hấp phụ sử dụng các phụ phẩm, phế phẩm của nông nghiệp để hấp phụ một số kim loại nặng và màu như vật liệu vỏ lạc (Nguyễn Thùy Dương, 2008 và Vũ Quang Tùng, 2009); bã cà phê (Nguyễn Trung Dũng, Nguyễn Công Hào, 2009); xơ dừa và vỏ trấu biến tính bằng axit xitric (Lê Thanh Hưng và ctv, 2009); bùn đỏhoạt hóa (PGS.TS Bùi Trung, ThS. Nguyễn Ngọc Tuyền, 2008).
Hiện nay, Trung tâm nghiên cứu và phát triển Chế biến dầu khí – Viện dầu khí Việt Nam cũng đang tiến hành nghiên cứu Biến tính tro bay thải từ các nhà máy nhiệt điện thành vật liệu hấp phụ, ứng dụng xử lý phenol trong nước thải.