Ảnh hưởng của nhiệt độ

Thực nghiệm xác định ảnh hưởng của nhiệt độ được thực hiện trong các điều kiện các thông số không thay đổi khi nhiệt độ thay đổi từ 270C - 600C ± 2:

+ pH = 5,5 - 6 + Tốc độ khuấy: 120 rpm

+ Hàm lượng chitosan là : 1 g/l + Nồng độ Cu2+ ban đầu là: 50 mg/l

Kết quả được trình bày ở Hình 3.7:

Hình 3.7. Đồ thị ảnh hưởng của nhiệt độ

Như ta đã biết quá trình hấp phụ là quá trình tỏa nhiệt do quá trình hấp phụ xảy ra kèm theo sự giảm năng lượng tự do, làm giảm entropi của hệ. Do vậy nhiệt độ càng tăng thì khả năng hấp phụ càng giảm. Nhìn trên Hình 3.7 ta thấy, khi ta tăng nhiệt độ từ 27 - 600C ±2 thì hiệu quả của quá trình xử lý giảm từ 78,7% xuống 64%, giảm tới 14,7%. Nhiệt độ tốt nhất để thực hiện quá trình hấp phụ là 270C (nhiệt độ phòng).

3.4. Kết qủa xác định lượng chitosan tối ưu khi xử lý nước có chứa nồng độ Cu2+ là 50mg/l

Như đã nói , trong nghiên cứu này ta chỉ xác định nồng độ chitosan khi xử lý nước thải có chứa nồng độ Cu2+ vào khoảng 50 mg/l. Thực nghiệm được tiến hành với các hàm lượng chitosan khác nhau, khi các thông số khác không thay đổi.

+ pH = 5,5 - 6 + Tốc độ khuấy: 120 rpm

+ Nhiệt độ : 270C ± 2 + Nồng độ Cu2+ ban dầu là: 50 mg/l

Kết quả được trình bày ở Hình 3.8:

Hình 3.8. Đồ thị xác định lượng chitosan tối ưu khi xử lý nước có chứa nồng độ Cu2+ là 50mg/l

Nhìn trên Hình 3.8 ta có thể thấy hiệu suất xử lý ngày càng tăng khi ta tăng hàm lượng chitosan. Ban đầu hiệu suất xử lý Cu2+ chỉ vào khoảng 18,7 % khi ta xử lý với nồng độ chất hấp phụ chitosan trong nước là 0,1 g/l, hiệu suất tăng nhanh khi ta tăng nồng độ chitosan lên, từ nồng độ 0,1 – 1,8 g/l hiệu suất tăng từ 18,7 % đến 94,7 % và đạt 96 % khi nồng độ chitosan là 2 g/l. Ta thấy hiệu suất khi xử lý nước với nồng độ chitosan là 1,8g/l và 2g/l là khác nhau không nhiều. Bởi khi đã đạt đến một hiệu suất xử lý nhất định khi mà nồng độ đồng còn lại là ít, thì khả năng hấp phụ thêm là rất ít vì lúc đó đã đạt được cân bằng giữa nồng độ chất hấp phụ và chất bị hấp phụ.

Nồng độ Cu2+ trong nước sau xử lý khi ta sử dụng một lượng chitosan là 2g/l đã đạt tiêu chuẩn nước loại B (theo TCVNB-5945-2005) tức là nồng độ ≤ 2 mg/l (2mg/l). Điều này chứng tỏ là khả năng xử lý khá hiệu quả của chitosan đối với Cu2+, mặc dù Cu2+ xử lý ở một nồng độ khá lớn. Tuy nhiên đây chỉ là nồng độ chitosan tối ưu khi xử lý Cu2+ ở nồng độ 50mg/l còn đối với nồng độ Cu2+ lớn hơn hoặc nhỏ hơn thì lượng chitosan tối ưu sẽ biến đổi. Ở cùng một nồng độ chitosan, ở

cùng một điều kiện, thì nồng độ chất bị hấp phụ càng lớn thì dung lượng (hay khả năng hấp phụ) của chitosan càng tăng. Tuy nhiên dung lượng hấp phụ cũng chỉ tăng đến một mức độ nào đấy (mức cực đại) rồi không tăng được nữa vì các tâm hấp phụ trên chất hấp phụ đã bị chiếm chỗ đến mức tối đa.

(a) (b)

Hình 3.9. Mẫu nước chứa Cu2+ trước (a) và sau khi hấp phụ bằng chitosan (b)

(a) (b)

3.5. Đề xuất quy trình xử lý Cu2+ (50mg/l) bằng chitosan

Từ các kết quả nghiên cứu ở trên cho phép đề xuất quy trình xử lý nước có chứa nồng độ Cu2+ là 50 mg/l như sau:

Hình 3.11. Sơ đồ quy trình xử lý Cu2+ (50mg/l) bằng chitosan đề xuất

Rửa và tái sử dụng Loại đồng bằng chitosan

Lọc

Giải hấp phụ đồng khỏi chitosan

Nước đã loại đồng Chitosan hấp phụ đồng

Lọc

Thu hồi đồng

Thu chitosan Nước thải có đồng (50 mg/l) Các điều kiện tối ưu:

- pH: 5,5 - 6

- Tốc độ khuấy: 120 (rpm)

- Thời gian khuấy: 8 (h)

- Nhiệt độ: 27 (0C)

- Hàm lượngchitosan:2(g/l) - Kích thước chitosan: ≤120 (mesh)

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN

KẾT LUẬN

Từ các kết quả nghiên cứu thu được cho phép rút ra một số kết luận sau:

Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ của chitosan với Cu2+ theo đường đẳng nhiệt của Freundlich là: qe = 1,1797. Ce0,4305

Đã xác định được một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình như: nhiệt độ, pH, tốc độ khuấy, thời gian khuấy, nồng độ Cu2+ có trong nước.

+ Trong khoảng nhiệt độ khảo sát từ 27 - 600C ± 2 nhiệt độ càng tăng thì khả năng hấp phụ càng giảm, do vậy nhiệt độ tốt nhất cho quá trình là ở 270C ± 2.

+ Khoảng pH tối ưu cho xử lý 5-11, tốt nhất khi pH =5,5-6.

+ Tốc độ khuấy hầu như không ảnh hưởng lắm, hiệu suất xử lý chỉ tăng khoảng 5 % khi ta tăng vận tốc khuấy từ 100 rpm đến 300 rpm.

+ Thời gian để đạt cân bằng là khoảng 4-8h.

+ Kích thước chitosan càng nhỏ thì hiệu suất của quá trình xử lý sẽ tăng lên.

+ Trong khoảng nồng độ Cu2+ khảo sát thì nồng độ Cu2+ càng tăng thì khả năng hấp phụ càng tăng.

Khi xử lý Cu2+ có trong nước với nồng độ ban đầu 50 mg/l ở các điều kiện tối ưu (pH=5,5-6, tốc độ khuấy 120 rpm, thời gian khuấy trộn 8h, nhiệt độ 270C ± 2, kích thước chitosan ≤ 120 mesh) với hàm lượng chitosan là 2 g/l thì hiệu suất có thể đạt tới 96%.

Những kết quả thí nghiệm trên đã chứng tỏ khả năng hấp phụ Cu2+ của chitosan rất tốt. Điều này đã mở ra một triển vọng mới trong xử lý Cu2+ nói riêng cũng như xử lý kim loại nặng nói chung ở Việt Nam.

ĐỀ XUẤT Ý KIẾN

Mặc dù đã thu được những kết quả nhất định, nhưng do thời gian có hạn nên tôi có một số kiến nghị sau:

Các thí nghiệm chỉ mới được tiến hành khi trong nước chỉ chứa chủ yếu Cu2+. Do vậy, việc nghiên cứu này cần được tiếp tục để xác định được khả năng hấp phụ của chitosan đối với các ion kim loại khác, các ảnh hưởng khi có đồng thời nhiều kim loại nặng có trong nước...

Để khả năng ứng dụng của chitosan vào xử lý nước thải ở quy mô công nghiệp khả thi thì cần phải nghiên cứu khả năng giải hấp phụ của chitosan để giảm giá thành xử lý.

Hi vọng trong tương lai em có thể tiếp tục thực hiện đề tài này để có thể đưa phương pháp này ứng dụng trong thực tế nhằm góp phần vào việc xử lý nước thải chứa kim loại nặng ở Việt Nam một cách hiệu quả hơn.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT

1. Lê Huy Bá (2008), Độc học môi trường cơ bản, NXB Đại học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh.

2. Nguyễn Cảnh (1993), Quy hoạch thực nghiệm, Trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh, tr. 10-15.

3. Lê Vă Cát (2002), Hấp phụ và trao đổi ion trong kĩ thuật xử lý nước và nước thải, NXB thống kê, Hà Nội.

4. Đặng Kim Chi (2005), Hóa học môi trường, NXB Khoa học và Kỹ thuật.

5. Đặng Thị Thu Hương (2009), Bài giảng thiết kế và phân tích thí nghiệm, Trường Đại học Nha Trang.

6. Phan Hiếu Hiền (2001), Phương pháp bố trí thí nghiệm và xử lý số liệu, NXB Nông Nghiệp, tr. 22-24.

7. Doãn Văn Kiệt (2005), Một số nguyên tố vi lượng thường gặp trong nước và ảnh hưởng của chúng, NXB Nông Nghiệp.

8. Trần Văn Nhân, Ngô Thị Nga (1999), Công nghệ xử lý nước thải, NXB Khoa học và Kỹ thuật.

9. Trịnh Thị Thanh (2003), Độc học, Môi trường và Sức khỏe con người, NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội.

10. Nguyễn Thu Thủy (2008), Nghiên cứu, thăm dò khả năng sử dụng chất hấp phụ sinh học có nguồn gốc từ chất thải thủy sản (chitosan) để xử lý kim loại nặng (Cr6+), Luận văn Tốt nghiệp Thạc Sĩ, Đại học Bách khoa Hà Nội.

11. Trang Sĩ Trung, Trần Thị Luyến, Nguyễn Anh Tuấn, Nguyễn Thị Hằng Phương (2010), Chitin – Chitosan từ phế liệu thủy sản và ứng dụng, Nhà Xuất Bản Nông Nghiệp, tr. 12-14, 22-23, 71-74, 93.

12. Nguyễn Hoàng Vân (2010), Nghiên cứu tối ưu hóa công đoạn khử khoáng và khử protein của phế liệu tôm thẻ chân trắng sau khi ép trong quy trình sản xuất chitin-chitosan, Đồ án Tốt nghiệp Đại học, Trường Đại học Nha Trang.

13. Đoàn Thị Thái Uyên (2006), Độc học môi trường, Đại học Bách Khoa Hà Nội.

TÀI LIỆU TIẾNG ANH

14. Ajit P. Annachhatre, Naing Naing Win, Suwalee Chandrkrachang (1996),

Adsorption of copper on chitosan, 2nd Asia Pacific Chitin Symposium, Bangkok, Nov, 1996, PP 169-173.

15. Aslak Einbu (2007), Characterisation of chitin and a study of its acid-catalysed hydrolysis, Norwegian University of Science and Technology.

16. Alexandre Tadeu Paulino, Lisdia Brizola Santos, Jorge Nozaki (2007), Removal of Pb2+, Cu2+, and Fe3+ from battery manufacture wastewater by chitosan produced from silkworm chrysalides as a low-cost adsorbent, Universidade Estadual de Maringá, Pós-Graduacão em Quismica, Av. Colombo, 5790 CEP Maringá, PR, Brazil.

17. John R. Deans and Brian G. Dixon (1992), Uptake of Pb2+ and Cu2+ by Novel Biopolymers, Water Resource, Vol. 26, No. 4, PP 469-472.

18. Muzzarelli, R. A. A., and Tubertini, O (1969), Chitin and chitosan as chromatographic supports anh adsorbents for collection of metal ions from organic and aqueous solutions anh sea water, Talanca, 16, 1571-1577.

19. Robert W. Coughlin, Michael R. Deshaies, and Eeward M. Davis (1990), Chitosan in Crab Shell Wastes Purifies Wastewater, Environmnetal Progess, Vol. 9, No. 1, PP 35-39.

20. S. Howarth and J. B. Sprague (1978), Copper Lethality tirainbow Trout in waters of various Hardness anh pH, Water Research, Vol. 12, pp 455-462.

21. Shimizu, K. Kono, I. S. Kim, and T. Takagishi (1995), Effects of Added Metal Ions on the Interaction os Chitin and Partially Deacetylated Chitin with an Azo Dye Carrying Hydroxyl Groups, Journal of Applied Polymer Science, Vol. 55, PP 255- 261.

22. San Hein, Chuen How Ng,Willem F. Stevens, Kean Wang (2007), Selection of a practical assay for the determination of the entire range of acetyl content in chitin and chitosan: UV Spectrophotometry with phosphoric acid as solvent, Journal of Biomedical materials mesearch mart B: Applied Biomaterials, pp. 560.

23. Tao Wu, Svetlana Zivanovic (2007), Determination of the degree of acetylation (DA) of chitin and chitosan by an improved first derivative UV method,

Carbohydrate Polymers 73 (2008), pp. 248-253. Một số trang WEB 1. www.kilobooks.com 2. www.tailieu.vn 3. www.thuvienluanvan.com 4. www.moitruongxanh.info – www.kynguyenxanh.com 5. www.yeumoitruong.com

PHỤ LỤC

Phụ lục 1: Các phương pháp phân tích kiểm nghiệm hóa học

Phương pháp xác định hàm lượng ẩm (phương pháp sấy khô) a. Nguyên lý:

Dùng sức nóng làm bay hết hơi nước trong mẫu. Cân trọng lượng mẫu trước và sau khi sấy khô, từ đó tính ra phần trăm nước có trong mẫu.

b. Dụng cụ, hóa chất:

- Tủ sấy điều chỉnh được nhiệt độ (100–105oC).

- Cân phân tích chính xác 0,0001g.

- Bình hút ẩm.

- Cốc sấy.

- Kẹp, khay inox.

c. Tiến hành:

- Sấy cốc sấy ban đầu ở 1000C-1050C trong 3 h.

- Cân lại cốc sau khi sấy đến trọng lượng không đổi (m0).

- Cân 1 lượng mẫu khoảng 2 – 5g vào trong cốc (m).

- Đem cốc đi sấy trong tủ sấy, sấy ở 1000C-1050C đến khối lượng không đổi (16 – 18h). Lấy cốc ra và chuyển vào bình hút ẩm để 30 phút và tiến hành cân (m2). Tiếp tục sấy trong 1h và cân lại nếu giữa hai lần cân liên tiếp khối lượng lệch nhau không quá 0,001g thì dừng lại.

d. Tính toán kết quả:

Hàm lượng ẩm tính theo công thức:

Hàm lượng ẩm (%) = ((m1 – m2) * 100)/m

Trong đó: m1: Khối lượng mẫu và cốc trước khi sấy (m1= m0 + m) (g).

m2: Khối lượng mẫu và cốc sau khi sấy (g).

m: Khối lượng mẫu cân (g).

Phương pháp xác định hàm lượng tro (khoáng) a. Nguyên lý:

Dùng sức nóng (550 ÷ 600°C) nung cháy hoàn toàn các chất hữu cơ của mẫu. Phần còn lại đem cân và tính ra phần trăm tro có trong mẫu.

b. Dụng cụ, hóa chất: - Tủ nung. - Cân phân tích chính xác 0,0001g. - Bình hút ẩm. - Cốc sấy. - Kẹp, khay inox. c. Tiến hành:

- Sấy cốc ban đầu đến trọng lượng không đổi ở 1050C trong 3 - 5 h.

- Cân lại cốc sấy sau khi sấy đến trọng lượng không đổi (m0).

- Đem đi nung ở nhiệt độ khoảng 5500C trong lò nung 6000C đến khi mẫu có màu trắng (16h). Lấy cốc ra và chuyển vào bình hút ẩm để 30 phút và tiến hành cân (m2). Tiếp tục nung trong 1h và cân lại nếu giữa hai lần cân liên tiếp khối lượng lệch nhau không quá 0,001g thì dừng lại.

d. Tính toán kết quả:

Hàm lượng tro tính theo công thức:

Hàm lượng tro (%) = ((m1 – m2) * 100)/m

Trong đó: m1: Khối lượng mẫu và cốc trước khi nung (m1= m0 + m) (g).

m2: Khối lượng mẫu và cốc sau khi nung (g).

m: Khối lượng mẫu cân (g).

Xác định độ DD của mẫu chitosan bằng phương pháp UV [11],[22], [23] a. Xây dựng đường chuẩn N-acetyl glucosamine cho phương pháp xác định độ deacetyl của chitosan:

- Hòa tan 0,1105g N-acetyl glucosamine trong 10ml H3PO4 85% ta được dung dịch có nồng độ 0,05M.

- Lấy 2ml dung dịch trên định mức đến 100ml bằng nước cất ta được dung dịch có nồng độ 0,001M tương đương 1mM.

- Từ dung dịch trên ta pha thành các dung dịch có nồng độ tương ứng là: 0,1; 0,2; 0,4; 0,5; 0,8; 1mM.

- Sau khi đã có dãy nồng độ như trên, tiến hành đo OD ở bước sóng 210nm để xây dựng đường chuẩn N-acetyl glucosamine.

- Sau khi lập được đường chuẩn như trên, ta tính hàm lượng N-acetyl glucosamine trong mẫu rồi từ đó tính ra độ deacetyl của mẫu.

Kết quả xây dựng đường chuẩn cho phương pháp xác định độ deacetyl của chitosan:

Bảng 1: Kết quả đo OD210nm

Ống nghiệm 1 2 3 4 5 6

Hàm lượng N-Acetyl Glucosamin 1 0,8 0,5 0,4 0,2 0,1

OD210nm 1,077 0,864 0,550 0,451 0,234 0,123

Phương trình đường chuẩn đường chuẩn N-acetyl glucosamine:

Hình 1: Đồ thị biểu diễn phương trình đường chuẩn của phương pháp xác định độ deacetyl

b. Chuẩn bị mẫu chitosan:

- Hòa tan 100mg chitosan trong 20ml H3PO4 85%, khuấy đều trên máy khuấy từ ở 600C trong vòng 40 phút.

- Lấy 10ml dung dịch trên định mức đến 100ml bằng nước cất, sau đó ủ dung dịch trên trong 2h ở 600C.

- Sau khi ủ, tiến hành đo OD ở bước sóng 210nm.

- Từ kết quả đo được, thay vào đường chuẩn N-acetyl glucosamine để tính ra lượng N-acetyl glucosamine.

c. Tính toán kết quả:

Độ deacetyl (DD) của chitosan được tính bằng công thức sau:

Trong đó:

- DD: độ deacetyl, (%).

- w: khối lượng mẫu khô tuyệt đối, (g).

- mM Glc NAC: hàm lượng N-acetyl glucosamine xác định theo đường chuẩn.

- mM Glc: hàm lượng glucosamine.

- 0,20321: phân tử lượng của Acetyl-Glucosamine đã loại nước.

- 0,16117: phân tử lượng của glucosamine đã loại nước.

Xác định hàm lượng protein theo phương pháp Microbiuret a. Dụng cụ, thiết bị:

- Dụng cụ thủy tinh (ống nghiệm, cốc thủy tinh, ống đong, bình định mức, bình tam giác, pipet), vật liệu thông thường của phòng thí nghiệm.

- Bếp điện.

- Thiết bị đo UV-Vis mini 1240.

b. Hóa chất: - Thuốc thử Microbiuret - NaOH 3% - Na2CO3 (Sodium Cabonate) - CuSO4.5H2O - Na3C6H5O7.2H2O (Sodium citrate) c. Tiến hành:

Pha dung dịch thuốc thử Microbiuret:

- Dung dịch 1: Lấy 197,1395g Sodium citrate và 100g Sodium carbonate, đem hòa tan trong 500ml nước cất nóng nhưng không sôi.

- Dung dịch 2: Lấy 27,0314g CuSO4 hòa tan trong 100ml nước cất - Trộn dung dịch 1 và dung dịch 2 sau đó định mức lên 1000ml bằng nước cất. Dung dịch thuốc thử được giữ trong chai màu.

Xây dựng đường chuẩn cho phương pháp Microbiuret:

- Hòa tan 0,1 gam huyết thanh bò (BSA) trong NaOH 3% tạo thành các nồng độ khác nhau sao cho nồng độ protein trong dịch thuộc khoảng từ 0,05-0,5g/l.

- Chuẩn bị 7 ống nghiệm sạch, đánh số thứ tự từ 1 đến 7, sau đó cho các dung dịch hóa chất vào các ống nghiệm với thể tích và thứ tự như sau: