2.2.1. Thu thập và tổng quan, phân tích tài liƯu
Thu thập tài liệu về hiện trạng tận dụng chất thải trên thế giới và Việt Nam, về các vật liệu thải tận dụng,... Các tài liệu này là cơ sở để lựa chọn và xây dựng các nghiên cứu thực nghiệm đ-ợc tiến hành trong luận văn. Đây cũng là một nguồn để so sánh, đối chiếu và giải thích các số liệu và kết quả thu đ-ợc trong quá trình thực nghiƯm.
2.2.2. Ph-¬ng pháp khảo sát thực địa
Nghiên cứu khảo sát thực địa đ-ợc tiến hành để tìm hiểu về ngn th¶i vËt liƯu tËn dụng (vỏ ngao và bụi bông) và lấy mẫu n-ớc thải thực tế để khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu thải đà hoạt hóa.
2.2.3. Ph-ơng pháp nghiên cứu thực nghiệm
Các nghiên cứu thực nghiệm đ-ợc tiến hành tại phßng thÝ nghiƯm Khoa Môi tr-ờng, Tr-ờng Đại học Khoa học Tự nhiên và Phịng Phân tích chất l-ợng
(1) ChÕ t¹o vËt liƯu hÊp phơ
Ho¹t hãa vỏ ngao: Vỏ ngao đ-ợc làm sạch, phơi khô, nghiền, sàng phân loại thành 3 mức hạt kích th-ớc < 0,25; 0,25 - <1 và 1-2mm. Sau đó, đ-ợc sấy ë 900C trong 1 giê råi nung ë nhiƯt ®é 7500C trong 1 giê.
Quy trình chế tạo cacbon hoạt hố từ bơi bông: Bi bông thu gom từ cơ sở ( x-ng dệt nhuộm Tín Thành- D-ơng Nội- Hà Đơng- Hà Tây) đ-ợc loại bỏ hết các tạp chất, phơi khô tự nhiên (d-ới nắng mặt trời), sau đó lại đ-ợc sÊy ë 600C trong 24h. Bụi bông sạch, đà sấy khô đem đốt b»ng axit H2SO498% víi tØ lƯ 1:1 (về khối l-ợng), ở nhiệt độ phòng (25-300C) và để qua đêm.
Sản phẩm sau khi đốt đ-ợc rửa với n-ớc cất hai lần để loại bỏ bít axit d-, råi ng©m trong dd NaHCO32% qua đêm để trung hồ hồn tồn axit cịn lại. Tiếp theo, vật liệu lại đ-ợc rửa với n-ớc cất hai lần cho đến pH =7. Tiến hành sấy khơ vËt liƯu ë 1200C trong 6 giê rồi nghiền nhỏ, rây đến các kích th-ớc hạt d = 0,25 ; 1,0 vµ 2mm.
(2) Nghiên cứu khả năng hấp thu kim loại nặng của vỏ ngao hoạt hãa
a) HƯ hÊp phơ tĩnh (thí nghiệm mẻ có lắc)
Khảo sát khả năng hấp phụ
Cho vào các bình tam giác vËt liƯu hấp ph và dung dịch Cu2+ 10 vµ 20mg/l víi tû lƯ: 1; 2; 4 vµ 7g vËt liệu/150mL dung dịch. Thực hiện q trình
hÊp phơ ë nhiệt độ phịng có khuấy (tốc độ 200 vòng/phút). Sau các khoảng thêi gian t-¬ng øng 10, 20, 30, 45, 60 phót tiÕn hành lọc tách vật liệu hấp phụ và xác định hàm l-ợng Cu2+ trong dung dịch để đánh giá hiệu suất hấp phô theo thêi gian.
Kh¶o sát ảnh h-ởng của pH
Xem xÐt ¶nh h-ëng cđa pH đến hiệu suất tách Cu2+: pH cđa dung dÞch đ-ợc điều chỉnh bằng NaOH vµ HNO3 2M đến các giá trị pH = 2, 4, 6, vµ 8.
Cho vµo bình tam giác 150mL dung dịch Cu2+20mg/l và 2g vËt liƯu hÊp phơ, lắc (200vòng/phút). Sau các khoảng thêi gian 10, 20 ,30, 45, 60 phót lÊy mẫu, lọc và phân tích hàm l-ợng Cu2+.
TiÕn hµnh các thí nghiệm t-ơng tự víi dung dÞch chøa As3+ nång ®é 10mg/l.
b) HƯ hÊp ®éng (trong cét hÊp phụ)
Cột hấp phụ đ-ợc sử dụng là cột thuỷ tinh có đ-ờng kính 1,5cm, chiều cao 60cm, đ-ợc nhồi 30g vËt liƯu, kÝch th-íc h¹t d = 0,25mm. ThÝ nghiệm đ-ợc tiến hành với dung dÞch Cu2+10mg/l vµ As3+10mg/l. Nghiên cứu ảnh h-ởng của tốc độ dịng đến hiệu st hÊp phơ Cu2+ vµ As3+ thay đổi trong khoảng 0,2; 0,4; 0,6; 0,8;
1,0 vµ 1,2l/h tiến hành ở môi tr-êng trung tÝnh (pH=7). Dung l-ỵng hÊp phơ tèi đa Cu2+ và As3+ trong ®iỊu kiƯn hÊp phơ tÜnh và động (tốc độ dòng 0,6l/h)
cũng đ-ợc khảo sát.
(3) Nghiên cứu khả năng hấp phụ màu của cacbon hoạt hóa từ bụi bơng
Khảo sát khả năng hấp phơ mµu
Nghiên cứu khả năng hấp phụ màu và chất hữu cơ trong n-ớc thải nhuộm của cacbon hoạt hoá đ-ợc chế tạo từ bụi bơng cũng trên hai hệ thí nghiệm: theo mẻ (có lắc) và hệ liên tục (hấp phụ động trên cột).
a) Hệ hấp phụ tĩnh (thí nghiệm mẻ có lắc)
Khảo sát ảnh h-ởng pH
Cho 50mL dung dịch xanh metylen có các nồng độ t-ơng ứng 50; 100 và 150mg/l vào các bình nón 100mL, điều chỉnh pH dung dịch đến các giá trị 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8 vµ 9. Thêm vào mỗi bình 1g vật liệu hấp phụ, d=0,25mm, l¾c trong 15 phót với tốc độ 200vịng/phút.
Khảo sát ảnh h-ởng nhiệt độ
Cho 50mL dung dÞch xanh metylen 100mg/l vào các bình nón 100mL, ®iỊu chØnh pH = 8. Thay đổi nhiệt độ của các dung dịch 25, 35, 500C. Thªm 1g vËt liệu d = 0,25mm vào các dung dịch, lắc. Quan sát sự thay đổi màu của các dung dịch và sau các khoảng thời gian 5; 15; 30; 45; 60 phót tiÕn hµnh lọc lấy dung dịch đem đo mËt ®é quang và thơng s COD đ đánh giá mức độ x lý mµu cđa vật liệu.
Khảo sát ảnh h-ëng cđa l-ỵng chÊt hÊp phơ
Cân lần l-ỵt 0,1; 0,5; 1,0; 1,5; vµ 2g chÊt hÊp phơ d=0,25mm cho vµo 5 bình nón có chứa 50mL dung dịch xanh metylen 100mg/l, điều chỉnh pH=8, lắc với tốc độ 200vòng/phút. Sau 15 phút lọc lấy mẫu dung dịch để đo mật độ quang và thông số COD.
b) HƯ thÝ nghiƯm liªn tơc (hấp phụ động trên cột)
Cét hÊp phô (d=1,5cm, cao 60cm) đ-ợc sử dụng để nghiên cứu khả năng hÊp phơ ®éng cđa cacbon hoạt hóa từ bụi bơng. Nhồi 15g vật liệu có d =0,25mm cho dung dÞch màu (xanh metylen 100mg/l) qua cột với tốc độ dịng thay ®ỉi 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0 vµ 1,2l/h. Lấy mẫu đầu ra theo thêi gian t-¬ng øng víi mỗi
tèc ®é dịng, đo mật độ quang ở b-ớc sóng λ = 597,6nm và phân tích COD để
đánh giá hiệu quả của q trình hấp phụ.
(4) Sư dơng cacbon hoạt hoá để xử lý màu của n-ớc thải nhuộm thùc tÕ
N-íc th¶i nhm th-êng chøa chđ yÕu là các chất hữu cơ khã ph©n hđy và có màu sẫm, mùi khó chịu, thơng số COD cao. Thử nghiệm khả năng xử lý màu (COD) của n-ớc thải nhuộm nhằm đánh giá hiệu quả và khả năng sử dụng cacbon hoạt hố trong xử lý làm sạch mơi tr-ờng.
LÊy 100mL n-íc thải nhuộm vào các bình nón 150mL, thêm vào mỗi b×nh 2g vËt liƯu hÊp phơ cã d=0,25 ; 1,0 ; 2,0mm. Lắc trong 15 phút, lọc và đem phân tích thơng số COD tr-ớc và sau khi hấp phụ để đánh giá hiệu qu¶ xư lý.
(5) Các ph-ơng pháp phân tích
Phân tích hàm l-ợng Cu2+
Hàm l-ợng ion Cu2+ đ-ợc xác định bằng ph-ơng pháp trắc quang với thuốc thử dietyldithiocacbamat (DDC). Lấy 1mL mẫu định mức bằng n-ớc cất hai lần đến 50mL (pha lo·ng nÕu cần), cho vào phiu chiết dung tÝch 100mL. Thªm 8 giät H2SO4 lo·ng ®Ĩ ®iỊu chØnh pH dung dịch đến khoảng 1- 2, thêm vào 5mL Pb-DDC trong toluene. Đậy nút phiễu chiết lắc trong 2 phút. Tách phần t-ớng hữu cơ chứa Cu-DDC màu vàng và đo mật độ quang tại b-ớc sãng 430nm (m¸y JASCO V-530 UV/Vis).
Lập đ-ờng chuẩn:
Tiến hành t-ng tự nh- trên với các dung dịch chuẩn chøa 0,00; 0,25, 0,5; 1,0; 2,0; 3,0mL dung dÞch Cu2+1mg/l để xây dựng đ-ờng chuẩn D=f(C).
Phân tích hàm l-ợng As3+
As3+ trong dung dịch đ-ợc phân tích bằng hai ph-ơng pháp: Ph-ơng pháp sư dơng bé thư nhanh (HACH-USA) và ph-ơng pháp hấp thụ nguyên tử (máy AAS-6800 -Shimadzu, NhËt).
Nguyên lý của ph-ơng pháp thư nhanh asen: Trong m«i tr-êng axÝt asen trong dung dịch đ-ợc khử thành asin khi có mặt kẽm. Khí asin tạo thành đ-ợc phản ứng với HgBr2 (tẩm trên giấy thử) tạo thành hợp chất có màu. Vì l-ợng kẽm và HgBr2 đ-ợc tính d- so với phản ứng nên c-ờng độ mầu chỉ phụ thuộc vào nồng độ asen cã trong dung dÞch. So sánh màu giấy thử víi thang mµu chn sÏ biÕt ®-ỵc nång ®é asen.
Nguyên lý ph-ơng pháp hấp thụ nguyên tử (AAS): As tồn tại ở các dạng hợp chất khác nhau trong n-ớc đ-ợc chuyển thành dạng nguyên tử tự do ở trạng thái hơi. ë trạng thái này nguyên tử asen sẽ hấp thụ bøc x¹ ë b-íc sãng 193nm t¹o ra phỉ hÊp thơ. C-ờng độ vạch phổ hấp thơ phơ thc vµo nång độ của nguyên tố trong đám hơi theo định luật Bugơ-Lambe-Bia. Xác định nång ®é As3+ theo ph-¬ng pháp đ-ờng chuẩn, D=f(C).
Ph-ơng pháp xác định COD
Xác định thông số COD theo ph-ơng pháp kali bicromat (sử dụng bộ nung COD reactor - HACH, Mü) theo TCVN sè 6491:1999 (xem phÇn phơ lục). Ph-ơng pháp này có thể đạt đ-ợc sai số ở mức độ 6-10 mg/l, ng-ìng giíi h¹n tèi thiểu là 20mg/l. Ngồi thơng số COD, các mẫu n-ớc nghiên cứu đ-ợc đo mật độ quang để gián tiếp đánh giá mức độ giảm màu/chất hữu cơ có trong mẫu.
C¸c thí nghiệm đ-ợc lặp lại 2 lần và lấy giá trị trung bình, kết quả đ-ợc chØ ra ë ch-¬ng 3.
2.2.4. Ph-ơng pháp phân tích chi phí -hiệu quả
Các phân tích chi phí - hiệu quả dựa trên kết quả thực nghiƯm trong phßng thÝ nghiƯm, các kết quả khảo sát với mẫu n-ớc thải thực tế. Các cơng trình nghiên cứu đà tiến hành tr-ớc đây với một số chất hấp phụ khác cũng đ-ợc tham khảo, so sánh trong q trình phân tích, đánh giá chi phí - hiệu quả.
ch-ơng 3
Kết quả và thảo luận
3.1. Kết quả xử lý, hoạt hố vỏ ngao và bụi bơng
3.1.1. Kết quả hoạt hoá vỏ ngao
Vỏ ngao đ-ợc (thu gom từ các nhà hàng, khách sạn) đ-ợc rửa sạch, phơi khô, nghiền và rây thành 3 kÝch th-íc h¹t < 0,25; 0,25 - <1 vµ 1-2mm. SÊy ë 900C trong 1 giê råi nung ë 7500C trong 1 giờ. Vật liệu sau khi xử lý và hoạt hoá đ-ợc chỉ ra ở h×nh 6.
a) Ngao tr-íc xư lý b) Vỏ ngao đà hoạt hố
Hình 6. Vỏ ngao tr-ớc và sau hoạt hố
Vật liệu có 3 cỡ hạt: < 0,25; 0,25 - <1 và 1-2mm có diện tích bề mặt t-ơng øng 24,5; 17,6 vµ 14,2 cm2/g đ-ợc xác định theo ph-ơng pháp BET (Brunauer - Emmett - Teller).
3.1.2. KÕt quả hoạt hố bụi bơng
Quy tr×nh chÕ tạo cacbon hoạt hố từ bụi bơng: Bụi bông thu gom từ cơ së (x-ëng dƯt nhm Tín Thành- D-ơng Nội- Hà Đông- Hà Tây) đ-ợc loại bá hÕt c¸c tạp chất, phơi khơ tự nhiên (d-ới nắng mặt trời), sau đó lại đ-ợc sấy ë 600C trong 24h. Bụi bông sạch, đà sấy khơ đem đốt bằng axit H2SO498% víi tØ lƯ 1:1 (về khối l-ợng), ở nhiệt độ phòng (25-300C) và để qua đêm.
Sản phẩm sau khi đốt đ-ợc rửa với n-ớc cất hai lần để loại bỏ bớt axit d-, rồi ngâm trong dung dịch NaHCO32%, qua đêm để trung hồ hồn tồn axit
cịn lại. TiÕp theo, rưa vËt liƯu víi n-íc cÊt hai lÇn cho ®Õn pH =7. TiÕn hµnh sÊy kh« vËt liƯu ë 1200C trong 6 giờ rồi nghiền nhỏ, rây đến các kích th-ớc hạt d
= 0,25; 1,0 và 2,0mm (xem hình 7).
a) Bơi b«ng sau khi xư lý b»ng axit b) Cacbon hoạt hố từ bụi bơng
Hình7. Bụi bơng sau khi xử lý bằng axit chuyển thành cacbon hoạt hố
DiƯn tÝch bỊ mỈt cđa cacbon hoạt hóa từ bụi bơng t-ơng ứng đối với kÝch th-íc hạt 0,25 và 1,0mm là 562 vµ 380m2/g (ph©n tÝch theo ph-ơng pháp
b«ng cã diƯn tÝch bề mặt riêng khá cao, ví dụ cacbon hoạt hố tõ th©n cä cã diƯn tích bề mặt là 188m2/g, cây đậu phộng là 208m2/g, cây sắn là 207m2/g.
3.2. Kết quả nghiên cứu khả năng hấp phụ KLN trong n-íc cđa vá ngao hoạt hoá
3.2.1. Trong hƯ mỴ (hÊp phơ tÜnh) a- Khảo sát khả năng hấp phụ Cu2+ a- Khảo sát khả năng hấp phụ Cu2+
(1) Khảo sát hiệu suất xử lý Cu2+ theo thêi gian
Khảo sát khả năng hÊp thu Cu2+ của vỏ ngao hoạt hố với dung dÞch Cu2+ 20mg/L. TØ lƯ vật liệu hấp phụ trên dung dịch thay đổi trong khoảng 1-7g/150ml. Các kết quả đ-ợc chỉ ra ở bảng 1 và hình 8.
Từ các bảng và hình cho thấy hiệu quả hấp thu tách Cu2+ trong dung dịch tăng đáng kể khi tăng thời gian tiếp xúc, quá trình đạt cân bằng chØ sau 30 phót, (hiƯu quả xử lý đạt mức ổn định không đổi). Khả năng hấp thu của vỏ ngao hoạt hóa có cỡ hạt nhỏ là tốt hơn. Cỡ hạt < 0,25mm đạt hiệu quả cao nhÊt, -íc tÝnh cao h¬n tõ 30-60% so víi kÝch th-íc 1-2mm.
Dung l-ỵng hÊp phơ Cu2+ tèi ®a víi nồng độ dung dịch ban đầu 20mg/L đạt 17,5mg/g. So s¸nh víi c¸c vËt liƯu hấp phụ đà đ-ợc nghiên cøu thÊy r»ng dung l-ỵng hÊp phơ Cu2+ cđa vá ngao lµ khá cao, ví dụ của bùn đỏ + CaSO4 (8% khối l-ợng) đạt 19,72mg/g [E. Lãpez, B. Soto, M. Arias, A. Nónez, D. Rubinos và T. Barral, 1998]. Dung l-ợng hấp phụ Cu(II) của vỏ đậu đ-ợc xử lý với NaOH vµ axit citric lµ 154,9mg/g [Tonni Agustiono Kurniawan, Gibert Y.S. Chan, Wai- hung Lo vµ Sandhya Babel, 2006].
Tû lƯ vËt liƯu hÊp phơ trên dung dịch tăng thì hiệu suất xử lý cũng tăng. Sau 30 phót hÊp phơ víi kÝch th-íc hạt 0,25mm, hiệu suất hấp phụ tăng từ ~63
(2) Khảo sát ảnh h-ởng của pH
Khảo sát ảnh h-ởng của pH dung dịch đến khả năng hấp thu Cu2+ cđa vá ngao ho¹t hoá (với dung dịch Cu2+ 20mg/L) đ-ợc thực hiện với giá trị pH trong khoảng 2-8. Tỉ lệ vật liệu hấp phụ trên dung dịch là 2g/150ml. Các kết quả đ-ợc chỉ ra ở bảng 2 và hình 9. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 45 60 thoi gian hi e u s ua t x u ly % Hat < 0,25 Hat 0,25-1 Hat 1- 2 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 45 60 thoi gian hi e u s ua t x u ly % hat <0,25 hat 0,25 - 1 hat 1- 2 1g/150mL 2g/150mL 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 45 60 thoi gian ji e u s ua t x u ly % hat <0,25 hat 0,25 - 1 hat 1-2 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 45 60 thoi gian hi e u s ua t x u ly % hat < 0,25 hat 0,25 - 1 hat 1 -2 4g/150mL 7g/150mL
H×nh 8. KÕt quả khảo sát khả năng hấp thu Cu2+ theo thêi gian (CCu2+ đầu vào =20mg/L)
Bảng 1. Kết quả khảo sát khả năng hấp thu Cu2+ theo thêi gian (CCu2+ đầu vào =20mg/L)
KÝch th-íc h¹t (mm)
Khả năng hÊp thu
<0,25 0,25 - <1 1 - 2 Thời gian (phút) [Cu2+] còn lại (mg/L) HiƯu st xư lý (%) [Cu2+] cịn lại (mg/L) HiƯu st xư lý (%) [Cu2+] cịn lại (mg/L) HiƯu st xư lý (%)
TØ lƯ vËt liƯu hÊp phơ 1g/150mL
10 15,5 22,5 17,5 12,5 18,196 9,02
20 9,8 51 14,1 29,5 16,36 18,2
30 9,12 57,4 12,54 37,3 14,26 28,7
45 7,54 62,3 11,76 41,2 14,22 28,9
60 7,34 63,3 11,7 41,5 14,21 28,95
TØ lÖ vËt liƯu hÊp phơ 2g/150mL
10 6,44 67,8 14,96 25,2 16,76 16,2
20 4,88 75,6 10,78 46,1 14,36 28,2
30 3,9 80,5 9,54 52,3 13,7 31,5
45 3,23 83,85 9,15 54,25 13,26 33,7
60 3,22 83,9 9,13 54,35 12,9 35,5
TØ lƯ vËt liƯu hÊp phơ 4g/150mL
10 5,18 74,1 10,44 47,8 13,28 33,6
20 1,796 91,02 7,49 62,55 10,36 48,2
30 0,54 97,3 4,63 76,85 8,37 58,15
45 0,44 97,8 4,45 77,75 8,30 58,5
60 0,41 97,95 4,43 77,85 8,29 58,55
TØ lƯ vËt liƯu hÊp phơ 7g/150mL
10 4,00 80,0 6,68 66,6 12,18 39,1
20 1,16 94,2 3,75 81,25 8,72 56,4
30 0,51 97,45 2,12 89,4 7,33 63,35
Bảng 2- Khảo sát ảnh h-ởng của pH đến khả năng hấp phụ Cu2+ cña vỏ ngao hoạt hóa (Cu2+u vào =20mg/L; tỉ l vật liƯu 2g/150ml)
KÝch th-íc h¹t (mm) Khả năng hấp thu <0,25 0,25 - <1 1 - 2 pH [Cu2+] cịn lại (mg/L) HiƯu st xư lý (%) [Cu2+] cịn lại (mg/L) HiƯu st xư lý (%) [Cu2+] cịn lại (mg/L) HiƯu st xư lý