6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
3.7. Khảo sát các điều kiện tối ưu khi keo tụ với dịch chiết hạt chùm ngây
3.7.1. Khảo sát độ cao cánh khuấy cách đáy của que khuấy trong mô hình Jartest
Kết quả xử lý keo tụ nước lũ (M0-430) cho 6 cốc có độ đục 430 FTU bằng dịch chiết chùm ngây tương ứng với các độ cao cánh khuấy khác nhau được thể hiện ở Hình 3.47. Độ cao cánh khuấy cách đáy của que khuấy là 2,5 cm và 8 cm cho hiệu quả keo tụ thấp. Điều này được giải thích bởi lực tác dụng lẫn nhau giữa các hạt mang điện tích đối dấu giữ vai trò chủ yếu trong keo tụ. Vì vậy nếu thay đổi độ cao cánh khuấy thì sẽ tạo nên những chuyển động khác nhau dẫn đến lực tương tác giữa các hạt mang điện tích đối dấu sẽ khác nhau, hiệu quả loại bỏ độ đục tối ưu khi độ
cao cánh khuấy cách đáy 6 cm. Quan sát đồ thị Hình 3.47, ta nhận thấy cốc chứa mẫu nước M0-430 được điều chỉnh que khuấy cách đáy 6 cm có độ đục thấp nhất. Hiệu quả keo tụ sau thời gian lắng 30 phút, 60 phút, 120 phút lần lượt là 99,3%; 99,5%; 99,6%. Như vậy ở độ cao này sự chuyển động của que khuấy đã làm tăng số lượng va chạm giữa các hạt mang điện tích trái dấu, giảm tính ổn định của hệ keo, tăng khả năng keo tụ.
Hình 3. 47. Sự thay đổi độ đục của mẫu theo các thời gian lắng với các chiều cao
cánh khuấy khác nhau
3.7.2. Khảo sát thể tích dịch chiết chùm ngây tối ưu để xử lý keo tụ tạo bông đối với nước lũ
3.7.2.1. Mẫu nước lũ (M0-430) có độ đục 430 FTU, pH=7,12
Những hạt rắn lơ lửng trong nước (keo sét, cát, bùn, sinh vật phù du, sản phẩm phân hủy các chất hữu cơ,…) mang điện tích âm. Dịch chiết chùm ngây có chứa cation protein. Vì vậy, mức giảm của thế zecta sẽ phụ thuộc vào thể tích dịch chiết chùm ngây cho vào. Khả năng dính kết tạo bông keo tốt nhất khi thế zecta bằng không [9]. Việc thay đổi thể tích dịch chiết chùm ngây đưa vào lần lượt 2,5; 4,0; 5,0; 6,0; 8,0 dẫn đến hiệu quả loại bỏ độ đục sau 2 giờ lắng có sự tăng lên đến 99,7% sau đó giảm xuống 99,4%. Ở các thời gian lắng khác nhau, hiệu quả loại bỏ độ đục cũng tuân theo quy luật như trên (Hình 3.48). Mẫu thêm 2,5 mL dịch chiết chùm ngây đạt hiệu quả loại bỏ độ đục là thấp nhất (96,4%; 97,2%; 97,5% tương ứng với các thời gian lắng: 30 phút, 60 phút, 120 phút). Điều đó chứng tỏ rằng, nước lũ có độ đục
cao, hệ keo bền nên lượng cation protein có trong 2,5 mL dịch chiết chùm ngây đưa vào không đủ để trung hòa điện tích với các hạt cặn mang điện đối dấu. Khi tăng thể tích dịch chiết chùm ngây đến 8,0 mL thì hiệu quả loại bỏ độ đục lại thấp hơn so với thể tích đưa vào là 5,0 mL. Như vậy, để keo tụ tạo bông đạt hiệu quả cao thì 5,0 mL dịch chiết chùm ngây cho 1000 mL nước lũ là thể tích tối ưu cần được chọn (đạt 99,4%; 99,6%; 99,7% sau 30, 60, 120 phút lắng). Mẫu đối chứng chỉ đạt 85% sau 30 phút lắng (Hình 3.49).
Hình 3.48. Sự thay đổi độ đục của mẫu sau các thời gian lắng với các thể tích dịch
chiết chùm ngây ứng khảo sát của mẫu M0-430
Hình 3.49. Hình ảnh thí nghiệm đối với mẫu nước lũ có độ đục 430 FTU sau 30 phút lắng với các thể tích dịch chiết nghiên cứu
3.7.2.2. Mẫu nước lũ (M0-253) có độ đục 253 FTU, pH=7,02
Kết quả khảo sát thể tích dịch chiết chùm ngây tối ưu được tiến hành với mẫu nước lũ M0-253 bằng các thể tích dịch chiết chùm ngây 2,5; 4,0; 5,0; 6,0; 8,0 mL được trình bày chi tiết trong Hình 3.50. Quan sát Hình 3.50 ta thấy khả năng loại bỏ độ đục của mẫu M0-253 khi dùng 5 mL dịch chiết chùm ngây làm chất keo tụ cho hiệu quả cao nhất.
Như vậy, thể tích dịch chiết chùm ngây tối ưu để gây keo tụ tạo bông 1000 mL nước lũ có độ đục cao (430 FTU) và độ đục trung bình (253 FTU) là 5,0 mL (đạt hiệu suất 99,7%; 99,23% sau 2 giờ lắng). Thời gian cần để các hạt keo có lực hút van der Waals thắng lực đẩy tĩnh điện, các hạt keo xích lại gần nhau, kết dính với nhau tạo thành bông keo tụ và sa lắng là 2 giờ (Hình 3.50). Nếu dùng 2,5 mL dịch chiết chùm ngây hoặc ít hơn để keo tụ 1000 mL nước lũ có độ đục từ 253 FTU đến 430 FTU thì nồng độ cation protein trong dịch chiết chùm ngây được bổ sung vào chưa đủ để trung hòa điện tích các hạt keo. Khi tăng thể tích dịch chiết chùm ngây đến 8,0 mL thì hiệu quả loại bỏ độ đục lại giảm. Do xảy ra hiện tượng tái phân tán của hệ keo trong nước, thúc đẩy quá trình tích điện trở lại đối với các hạt keo, làm thay đổi thế điện động zecta và hiệu quả quá trình keo tụ giảm xuống [159].
Hình 3.50. Độ đục của các mẫu sau các thời gian lắng với các thể tích dịch chiết
3.7.3. Khảo sát tốc độ khuấy
3.7.3.1. Khảo sát tốc độ khuấy nhanh duy trì trong thời gian 3 phút đầu
Hình 3. 51. Độ đục các mẫu sau các thời gian lắng với các tốc độ khuấy nhanh duy
trì trong 3 phút đầu khác nhau
Quá trình tạo bông keo xảy ra nhờ khuấy trộn và hình thành việc kết hợp các hạt bông keo nhỏ, kết quả thu được thể hiện trên Hình 3.51. Khuấy nhanh trong thời gian đầu là giai đoạn pha trộn chất keo tụ trong nước để phá hủy trạng thái ổn định của hệ keo. Hình 3.49 cho thấy hiệu quả loại bỏ độ đục sau 120 phút lắng thấp nhất là 98,71% tương ứng với tốc độ khuấy 80 vòng/phút và cao nhất là 99,63% ứng với tốc độ 150 vòng/phút duy trì trong 3 phút đầu. Như vậy tốc độ khuấy 150 vòng/phút trong 3 phút đã tạo chuyển động tốt nhất để phá hủy hệ keo và làm tăng số lượng va chạm của các cation protein với các chất lơ lửng.
3.7.3.2. Khảo sát tốc độ khuấy chậm duy trì trong thời gian sau 3 phút đầu
Hiệu quả keo tụ còn phụ thuộc vào sự tiếp xúc giữa các hạt keo nhỏ với nhau để hình thành bông keo có kích thước lớn. Duy trì tốc độ khuấy chậm để làm tăng số lượng va chạm. Tốc độ khuấy chậm 15 vòng/phút là tốc độ cần duy trì sau khi khuấy nhanh. Sau thời gian khuấy nhanh 3 phút đầu, tốc độ khuấy chậm 15
vòng/phút được duy trì trong các khoảng thời gian 10, 15, 20, 30 phút đạt được hiệu quả loại bỏ độ đục lần lượt: 98,61%; 99,09%; 99,60%; 98,90% sau thời gian lắng 120 phút. Kết quả thể hiện trên Hình 3.52.
Hình 3. 52. Sự thay đổi độ đục sau các thời gian lắng với thời gian duy trì tốc độ
khuấy chậm khác nhau
Tốc độ khuấy chậm 15 vòng/phút được duy trì trong 10 phút cho hiệu quả keo tụ thấp nhất (98,61%) và hiệu quả loại bỏ độ đục cao nhất khi tốc độ trên được duy trì trong 20 phút (99,60%).
Kết luận: nồng độ dịch chiết là 5 mL trên 1000 mL nước đục, tốc độ khuấy
nhanh 150 vòng/phút trong 3 phút đầu và duy trì 20 phút ở tốc độ 15 vòng/phút.
3.8. Kết quả xử lý các chất ô nhiễm, vi khuẩn có trong nước lũ bằng quá trình kết hợp giữa tiền xử lý bằng dịch chiết hạt chùm ngây với màng lọc CA/PDA- kết hợp giữa tiền xử lý bằng dịch chiết hạt chùm ngây với màng lọc CA/PDA- Ag/MnO2
Các mẫu nước được kí hiệu như sau: M0 là mẫu nước lũ chưa xử lý, M1 là mẫu nước M0 sau xử lý bằng dịch chiết hạt chùm ngây và M2 là mẫu nước M1 sau khi lọc qua màng lọc. Các mẫu nước M1 được cho vào hệ lọc vuông góc, tốc độ lọc là 0,53 mL/ph tương ứng với áp suất vận hành là 3,5 bar.
Kết quả phân tích tại Viện Sốt rét - Ký sinh trùng - Côn trùng Quy Nhơn, gửi mẫu ngày 14/01/2019, thu được kết quả thể hiện ở Bảng 3.23.
Bảng 3.23. Kết quả phân tích tại Viện Sốt rét-Ký sinh trùng-Côn trùng Quy Nhơn
TT Chỉ tiêu kiểm nghiệm Thiết bị đo/Phương pháp kiểm nghiệm Đơn vị Kết quả M0-14.1 M1-14.1 M2-14.1 1 pH Máy đo HI 2211 pH/ ORP Meter 7,05 7,05 6,80 2 Độ đục Máy đo độ đục Orbeco- Hellige 975MP FTU 326,00 9,70 0,00 3 Coliform TCVN6187- 2:2009 MPN/100 mL 4,6.103 9,3.103 KPH 4 E. Coli 4,6.103 3,6.102 KPH 5 Cr(VI) UV-Vis mg/L 0,004 KPH KPH 6 Pb(II) SMEWW 3500:2005 0,008 KPH (LOD=0,0 01) KPH (LOD=0,0 01) 7 COD SMEWW 5220.C:2012 50 35 KPH 8 BOD5 (20 oC) SMEWW 5210D:2012 64 26 KPH
Nhận xét: Xử lý nước lũ có độ đục 326 FTU với các điều kiện tối ưu của keo
lần lượt 97,02%; 92,17%. Còn Coliform có sự tăng lên. Đây là một kết quả không mong muốn trong xử lý nước, vì độ đục cần phải được loại bỏ tốt hơn và không có sự tăng lên của vi khuẩn. Mẫu tiếp tục xử lý với màng lọc thì Coliform và E. coli
không còn phát hiện ở mẫu M2. Điều đó cho thấy khả năng giữ lại vi khuẩn của màng là rất tốt.
Kết quả phân tích tại Trung tâm Kiểm soát bệnh tật tỉnh Bình Định, gửi mẫu ngày 20/01/2019 được thể hiện ở Bảng 3.24. Nước lũ M0-20.1 có độ đục 223 FTU được xử lý với dịch chiết hạt chùm ngây thu được mẫu M1-20.1. Nước M1-20.1 (độ đục 6,3 FTU) được lọc qua màng CA/PDA-Ag/MnO2-2, điều chỉnh áp suất 3,5 bar có tốc độ chảy 55,824 (L/m2.h).
Bảng 3.24. Kết quả phân tích tại Trung tâm kiểm soát bệnh tật Bình Định
TT Chỉ tiêu kiểm nghiệm Thiết bị đo/Phương pháp kiểm nghiệm Đơn vị Kết quả M0-20.1 M1-20.1 M2-20.1 1 pH Máy đo HI 2211 pH/ ORP Meter 6,5 6,5 6,5 2 Độ đục Máy đo độ đục Orbeco- Hellige 975MP FTU 223 6,3 0,6 3 E. Coli TCVN6187 -2:2009 CFU/ 250 mL 7 4 0 4 Coliform 43 36 0 5 Pb(II) SMEWW 3500:2005 mg/ L 0,003 KPH KPH 6 Ni(II) mg/ L 0,009 KPH KPH
Nhận xét:
Hiệu quả loại bỏ độ đục, E. Coli, Coliform của mẫu nước M0 ở giai đoạn keo tụ tạo bông lần lượt là 97,17%; 42,86% và 16,28%; và cuối quy trình bởi màng lọc lần lượt là 99,73%; 100% và 100%. Kim loại Pb(II) và Ni(II) sau quá trình xử lý đều dưới ngưỡng phát hiện.
Kết quả phân tích tại Trung tâm Quan trắc môi trường - Sở Tài nguyên và Môi trường Bình Định, ngày gửi mẫu 04/03/2019 xử lý với màng CA/PDA- Ag/MnO2-2 được trình bày ở Bảng 3.25. Tiền xử lý mẫu nước M0 có độ đục 253 FTU với các điều kiện keo tụ tối ưu bằng dịch chiết hạt chùm ngây trên thiết bị khuấy Jartest thu được kết quả ở Hình 3.53.
Bảng 3.25. Kết quả phân tích tại Trung tâm Quan trắc môi trường - Sở Tài nguyên
và Môi trường Bình Định TT Chỉ tiêu kiểm nghiệm Phương pháp kiểm nghiệm/Thiết bị đo Đơn vị Kết quả M0- 04.3 M1- 04.3 M2- 04.3 1 pH Máy đo HI 2211 pH/ ORP Meter 6,8 6,8 6,8 2 Độ đục Máy đo độ đục Orbeco-Hellige 975MP FTU 253 1,94 0,00 3 BOD5 (20 oC) SMEWW 5210D:2012 mg/L 27 12 KPH 4 COD SMEWW 5220.C:2012 mg/L 40 20 KPH 5 Coliform TCVN 6187- 2: 1996 MPN/100 mL 21.102 900 KPH 6 E. Coli 43 23 KPH
Nhận xét: Giai đoạn 1: Tiền xử lý keo tụ bằng dịch chiết hạt chùm ngây có hiệu suất
đạt được là: độ đục (99,23%), BOD5 (55,56%), COD (50%), E.coli (46,51%),
Coliform (57,14%). Như vậy ở giai đoạn 1 chỉ có chỉ tiêu độ đục đạt được ngưỡng cho phép của tiêu chuẩn về chất lượng nước uống, Coliform đạt ngưỡng cho phép của tiêu chuẩn về chất lượng nước mặt còn các chỉ tiêu khác như BOD5, COD, E.coli đều chưa đạt được ngưỡng cho phép của tiêu chuẩn về chất lượng nước uống.
Giai đoạn 2: Nước M1 được lọc qua màng CA/PDA-Ag/MnO2-2 thu được mẫu nước M2 có các chỉ số đạt 100%.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN
1. Đã chiết tách cellulose từ bã mía với độ tinh khiết cao (83-89%). Từ cellulose bã mía, đã tổng hợp vật liệu cellulose acetate (CA) với độ thay thế nhóm chức DS = 2,62÷2,81, khối lượng phân tử trung bình theo độ nhớt trên 43000 amu.
2. Đã điều chế được vật liệu nano 2 chiều MnO2 có cấu trúc lớp bằng phương pháp nung pha rắn ở nhiệt độ 550 ℃ trong 3 giờ từ tiền chất KMnO4 và (NH4)C2O4
(tỉ lệ mol 1:1,2) và đã đưa được nano Ag dạng kim loại lên vật liệu MnO2 không làm thay đổi cấu trúc lớp.
3. Các vật liệu màng siêu lọc CAD, CADA, CAB và màng pha trộn CA/MnO2, đã được chế tạo thành công bằng phương pháp đảo pha sử dụng dung môi DMSO thân thiện với môi trường có cấu trúc màng bất đối xứng với tính ưa nước cao, thông lượng dòng thấm cao và kháng tắc nghẽn tốt (FRR > 80%) và khối lượng ngắt phân tử MWCO từ 76 đến 300 kDa. Các màng biến tính bề mặt CA/PDA và CA/PDA- Ag/MnO2 được điều chế thành công theo phương pháp lắng đọng và đồng lắng đọng dopamine sử dụng chất kích hoạt CuSO4/H2O2. Màng thu được có bề mặt đồng đều, ưa nước hơn, thông lượng dòng cao (tương ứng 74,14 và 90,87 (L.m-2.h-1.bar-1)), kháng tắc nghẽn tốt hơn (FRR > 94%), khối lượng ngắt phân tử 1363 và 1632 Da tương ứng với các màng lọc nano áp suất thấp (loose nanofiltration membrane) cũng như cải thiện khả năng xử lý vi khuẩn và kim loại nặng hiệu quả hơn.
4. Đẳng nhiệt và động học quá trình hấp phụ kim loại Pb(II) và Cr(VI) trên vật liệu màng chế tạo đã được nghiên cứu. Màng CA/PDA-Ag/MnO2 có dung lượng hấp phụ cực đại với Cr(VI) cao nhất, qmax = 61,12 mg/g, tiếp đến là màng CA/MnO2
(qmax = 52,52 mg/g và màng CA/PDA (qmax =36,24 mg/g). Màng CA/MnO2 có dung lượng hấp phụ cực đại với Pb(II) cao nhất, qmax = 103,41 mg/g, tiếp đến là màng CA/PDA-Ag/MnO2 (qmax = 83,47 mg/g) và màng CA/PDA (qmax = 82,44 mg/g). Động học hấp phụ phù hợp với mô hình động học bậc 2.
chùm ngây với các mẫu nước lũ: nồng độ dịch chiết là 5 mL trên 1000 mL nước đục (< 450 FTU), tốc độ khuấy nhanh 150 vòng/phút trong 3 phút đầu và duy trì 20 phút ở tốc độ 15 vòng/phút, thời gian lắng 120 phút.
6. Đã kết hợp tiền xử lý bằng dịch chiết chùm ngây và màng lọc nano áp suất thấp để xử lý nước lũ thành nước phục vụ sinh hoạt, đảm bảo các chỉ tiêu theo tiêu chuẩn nước sinh hoạt.
KIẾN NGHỊ
Trên cơ sở các kết quả thu được, một số nội dung cần nghiên cứu trong tương lai như sau:
- Cần nghiên cứu sâu hơn về sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình hấp phụ của màng lọc.
- Tiếp tục nghiên cứu khả năng phân tách của các màng với các thuốc nhuộm và kháng sinh trong nước thải công nghiệp và y tế.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của các anion trong dung dịch nước đến quá trình xử lý ion kim loại nặng.
- Vật liệu nano xốp (MOF, zeolit, graphene…) với nhiều nhóm chức và kích thước lỗ có thể điều khiển được phù hợp để tạo ra màng rây phân tử lý tưởng cho các đặc tính phân tách. Do đó, các vật liệu hai chiều siêu mỏng có kích thước lỗ nano sẽ là một loại vật liệu đầy hứa hẹn để chế tạo màng NF có tính thẩm thấu cao.
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ
Tạp chí trong nước
1. Đặng Thị Tố Nữ, Cao Văn Hoàng, Phan Vũ Thuyền, Nguyễn Thị Hiền, Nguyễn
Phi Hùng. Tổng hợp và đặc trưng cellulose acetate từ bã mía, Tạp chí Xúc tác và Hấp phụ Việt Nam, Tập 6, số 4, 50-55, (2017) (ISSN 0866-7411).
2. Đặng Thị Tố Nữ, Nguyễn Thị Mỹ Duyên, Cao Văn Hoàng, Nguyễn Thị Liễu, Nguyễn Phi Hùng, Tổng hợp, đặc trưng và khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu