Như chúng ta đã biết Việt Nam có diện tích trồng ngô rất lớn, theo số liệu thống kê sơ bộ của Tổng cục Thống kê năm 2007 thì nước ta có tổng diện tích trồng ngô là 1067,9 nghìn ha, với sản lượng 4107,5 nghìn tấn, tỷ lệ hạt/bắp đạt trung bình 75 – 80 , như vậy mỗi vụ thải ra khoảng 821,5 - 1026,9 nghìn tấn lõi ngô, lõi ngô nhiều không có chỗ đổ nên các chủ lò sấy chút ra ven đường, gây ô nhiễm môi trường. Một số nơi đã sử dụng lõi ngô để làm nguyên liệu trồng nấm, tuy nhiên với một lượng rất nhỏ. Một số nơi bà con nông dân đã lấy về làm củi đun, nhưng do một số nhược điểm như nhiệt lượng thấp, cồng kềnh (tốn nhiều diện tích để tích trữ), lửa nhanh tàn, nên chỉ được dùng rất ít, phần lớn vẫn thải bỏ ra môi trường.
Ngày nay, người ta đã phát hiện ra rất nhiều công dụng của lõi ngô: có thể được chế tạo làm thức ăn cho gia xúc, có thể lên men lõi ngô để thu được ancol etylic hoặc axit lactic, người ta còn phối trộn lõi ngô với bê tông để trở thành bê tông lõi ngô có đặc tính rất nhẹ. Đặc biệt, đã có nhiều công trình nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ lõi ngô. Lõi ngô cũng được ứng dụng hiệu quả trong việc chế tạo vật liệu hấp phụ trong xử lý môi trường với giá thành rẻ, quy trình chế tạo vật liệu đơn giản, không đưa thêm vào nước thải tác nhân độc hại nên việc nghiên cứu và đưa ra quy trình hoàn chỉnh nhằm tận dụng những nguồn nguyên liệu sẵn có ở Việt Nam trong việc xử lý môi trường là rất có ý nghĩa. Thành phần chủ yếu của lõi ngô là cellulose (khoảng 80%) và lignin (khoảng 18%), nên rất khó bị vi sinh vật phân hủy. Lõi ngô được nghiên cứu cho thấy có khả năng tách các kim loại nặng hòa tan trong nước nhờ vào cấu trúc nhiều lỗ xốp và thành phần gồm các polyme như xenluloza, hemixenluloza, pectin, lignin và protein. Các hợp chất polyphenol
Tre Kích thước nhỏ, 10-20 300 – 400 Gỗ Kích thước nhỏ, 50-150 100 – 300
27
như tanin, lignin trong gỗ được cho là thành phần hoạt động có thể hấp phụ các kim loại nặng. Than hoạt tính chế tạo từ lõi ngô có cấu trúc dạng sợi, hệ thống xốp bao gồm hệ mao quản lớn có kích thước 10 - 50µm và hệ mao quản nhỏ.
Có thể thấy lõi ngô rất thích hợp để làm vật liệu cacbon hóa, vừa tiết kiệm được chi phí đáng kể, đồng thời tận dụng được lượng lõi ngô thải ra góp phần giải quyết ô nhiễm môi trường.
1.4.4. Phân tích lựa ch n phương pháp ử lý ô nhiễm amoni
Hiện nay, phương pháp hấp phụ được sử dụng rộng rãi để xử lý nước ô nhiễm vì phương pháp này đơn giản dễ thực hiện, tiến hành được ở quy mô lớn và chi phí hợp lý. Phương pháp này cho phép xử lý nước ô nhiễm chứa một hoặc nhiều loại chất bẩn khác nhau, kể cả khi nồng độ trong nước rất thấp, trong khi đó dùng các phương pháp khác để xử lý không cho kết quả mong muốn hoặc cho hiệu suất rất thấp.
Như vậy, phương pháp hấp phụ còn có thể dùng để xử lý triệt để nước ô nhiễm mà cụ thể với đề tài tốt nghiệp chúng tôi đã chọn là “Xử lý amoni trong nước ngầm bằng than cacbon hóa” là rất phù hợp.
Bên cạnh đó, việc sử dụng than cacbon hóa sản xuất từ chất thải làm vật liệu xử lý môi trường nói chung và trong xử lý nước ô nhiễm nói riêng hiện nay đang là một hướng đi mới có tiềm năng ứng dụng trong thực tế. Chính vì những lý do đó tôi đã lựa chọn phương pháp hấp phụ sử dụng than cacbon hóa là phương pháp nghiên cứu chính trong đề tài này.
28
CHƢƠNG 2
ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Đối tƣợng nghiên cứu
- Sử dụng than cacbon hóa sản xuất từ lõi ngô làm vật liệu hấp phụ. - Hàm lượng amoni(NH4
+ trong nước ngầm
Tiến hành lấy mẫu nước ngầm ở một sốđiểm ở Hà Nội để xác định nồng độ amoni. Từ đó chọn ra mẫu thích hợp để áp dụng chạy thiết bị pilot. Các điểm lấy mẫu bao gồm:
+ Mẫu 1: Nhà ông Nguyễn Kỳ Lân – Tương Mai – Hoàng Mai – Hà Nội + Mẫu 2: Nhà bà Nguyễn Thị Thu – Hạ Đình – Thanh Xuân – Hà Nội + Mẫu 3: Nhà ông Nguyễn Văn Đoàn – Sơn Đồng – Hoài Đức – Hà Nội + Mẫu 4: Nhà ông Nguyễn Văn Vượng - Tiền Yên – Hoài Đức – Hà Nội + Mẫu 5: Nhà ông Nguyễn Đình Lâm – Yên Sở - Hoài Đức – Hà Nội + Mẫu 6: Nhà ông Đình Văn Hải – Tương Mai – Hoàng Mai – Hà Nội Kết quả đo các mẫu được thể hiện trong bảng dưới đây:
Bảng 2.1. Kết quả đo amoni một số mẫu nước ngầm tại Hà Nội
Mẫu Hàm lượng amoni NH4+( mg/l)
1 0,012 2 0,029 3 0,018 4 0,054 5 18,125 6 7,596
29
Hình 2.1. Mẫu đo amoni tại 1 số điểm ở Hà Nội (Mẫu số 5 trong hình đã được pha loãng 2 lần)
Theo tiêu chuẩn nước sinh hoạt QCVN 02:2009/BYT thì giới hạn cho phép của amoni (tính theo N) là 3mg/l. So sánh với kết quả trong bảng thì có hai mẫu 5 và mẫu 6 có nồng độ amoni vượt tiêu chuẩn. Ở đây em chọn lấy mẫu nước số 5 (Nhà ông Nguyễn Đình Lâm – Yên Sở - Hoài Đức – Hà Nội)để tiến hành thực nghiệm chạy thiết bị pilot.
2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu
2.2. . Phương pháp tổng quan tài liệu
Tìm kiếm, thu thập thông tin liên quan đến nội dung của đề tài thông qua sách vở,các báo cáo khoa học, các nghiên cứu, các phương tiện thông tin khác (internet, truyền hình, báo chí….. . Tìm hiểu các vấn đề:
- Hiện trạng ô nhiễm nước ngầm tại Việt Nam và tác hại của việc ô nhiễm amoni.
- Các phương pháp xử lý amoni trong nước đã được tiến hành ở Việt Nam. - Phương pháp cacbon hóa và các vấn đề liên quan.
30
2.2.2. Phương pháp thực nghiệm
Quá trình thực nghiệm được tiến hành bao gồm: sản xuất than cacbon hóa bằng lò nung yếm khí, nghiên cứu khả năng hấp phụ của than cacbon hóa sản xuất từ lõi ngô theo 2 quy mô: quy mô phòng thí nghiệm và quy mô pilot.
2.2.2.1. Phương pháp sản xuất than cacbon hóa
Đây là phương pháp tiến hành thí nghiệm thực tế quá trình cacbon hóa lõi ngô. Qua đó tìm ra các thông số, các số liệu thực nghiệm như: thời gian, nhiệt độ, hiệu suất thu hồi sản phẩm, hiệu suất thu hồi cacbon hữu cơ tối ưu nhất cho than cacbon hóa có khả năng hấp phụ amoni.
Nguyên liệu sử dụng là lõi ngô thải từ hoạt động nông nghiệp. Khối lượng tiến hành mẫu từ 100 – 150g. Quá trình cacbon hoá được tiến hành trên thiết bị do Viện Công nghệ Môi trường thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam chế tạo.
Mô tả quá trình thí nghiệm: Lõi ngô được đem cân khối lượng, sau đó được đưa vào l nung kín bằng điện. Tiến hành quá trình cacbon hoá tại các nhiệt độ khác nhau theo giá trị nhiệt kế hiển thị, theo dõi quá trình cacbon hoá theo thời gian và các nhiệt độ khác nhau. Sau khi đủ thời gian cacbon hoá, tắt l để nguội rồi lấy sản phẩm ra đem cân lại. Trong quá trình cacbon hoá lò nung được đậy nắp kín, khí nóng sinh ra từ hơi nước và các chất dễ bay hơi trong vật liệu thoát ra theo đường ống dẫn khí, đi qua tháp hấp thụ bằng nước ra bên ngoài. Hệ thống lò nung là hoàn toàn kín nên oxi sẽ không tham gia vào quá trình đốt. Ngoài ra, trong một số trường hợp, để tạo môi trường trơ cho quá trình đốt, người ta có thể bơm khí N2 vào trong lò. Trong quá trình này, áp suất của l không được kiểm soát, áp suất hoạt động theo hoạt động tự nhiên của lò.
31
Hình 2.2. Lò nung
2.2.2.2. Phương pháp nghiên cứu khả năng hấp phụ của than cacbon hóa a. Quy mô phòng thí nghiệm a. Quy mô phòng thí nghiệm
Quá trình thực hiện trong phòng thí nghiệm sẽ được tiến hành trên hệ thống Jartest.
Mô tả thí nghiệm: Lấy các bình thủy tinh dung tích 1000ml, đổ vào mỗi bình 250ml dung dịch mẫu. Xác định nồng độ amoni ban đầu C0 có trong dung dịch bằng phương pháp phenat. Sau đó, cho vào mỗi bình lần lượt từ 0,1g – 0,5g than cacbon hóa đã được nghiền nhỏ. Đặt các cánh khuấy vào trong bình dung dịch, lưu ý đặt làm sao để khi khuấy các cánh khuấy không chạm vào thành bình và không đặt cánh khuấy quá sâu để tránh xảy ra sự cố làm hỏng hệ thống. Cài đặt thời gian và tốc độ khuấy thích hợp. Saukhi đã khuấy xong, tiến hành lọc bỏ bã rắn, xác định nồng độ amoni trong dung dịch sau hấp phụ C1 bằng phương pháp phenat.
32
Hình 2.3.Thiết b Jartest
Phương pháp phân tích amoni(NH4+
) trong phòng thí nghiệm
Amoni (NH4
+ được xác định bằng phương pháp phenat (Standard Methods 1995 , đo quang tại bước sóng 640nmbằng máy quang phổ UV – VIS
Hình 2.4. Máy quang phổ UV - Vis
Hóa chất
NH4Cl dùng để tạo mẫu nước nhân tạo Dung dịch phenol 11,1%
33 Natri nitroprosside 0,5%
Natri citrat, NaClO được dùng làm dung dịch oxy hóa theo tỷ lệ 4:1
Dụng cụ:
Thiết bị cất nước 2 lần Bình định mức 25ml Pipet : 1ml, 2ml
Cuvet, máy quang phổ Tiến hành phân tích
Bước 1: Lấy 1ml dung dịch mẫu cho vào bình định mức dung tích 25ml, thêm đồng thời lắc trộn cẩn thận với mẫu thuốc thử sau: 0,5ml dung dịch phenol, 0,5ml Natri Nitroproside và 1,25ml dung dịch oxy hóa.
Bước 2: Đậy kín bình bằng nút. Để cho màu phát triển ở nhiệt độ phòng(22- 270C) trong ánh sáng ít nhất 45 phút.
Bước 3: Đo màu ở bước sóng 640nm trên thiết bị máy quang phổ
Bước 4: Pha dung dịch mẫu trắng và ít nhất 2 dung dịch chuẩn từ dung dịch tiêu chuẩn sao cho nồng độ NH4
+
ở trong vùng nồng độ mẫu phân tích. Bước 5: Xử lý mẫu chuẩn tương tự mẫu phân tích.
Tính toán và kết quả
- Dựng 1 đường cong chuẩn quan hệ giữa mật độ quang đo được và các nồng độ NH4+ dung dịch chuẩn. Dùng đường chuẩn có thể tính được nồng độ của NH4
+
của mẫu cần xác định.
- Pha loãng mẫu bằng nước cất sao cho nồng độ mẫu nằm trong khoảng đường chuẩn nếu cần thiết.
Điều kiện của thí nghiệm:
- Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất xử lý amoni(chọn dải thời gian để làm thí nghiệm từ 10 phút đến 60 phút).
34
- Ảnh hưởng của khối lượng than cacbon đến hiệu suất xử lý amoni(chọn dải khối lượng để làm thí nghiệm từ 0,1g đến 0,6g).
- Ảnh hưởng của nồng độ đến dung lượng hấp phụ Kỹ thuật sử dụng:
- Thiết bị:
+ Bình thủy tinh 1000ml + Thiết bị Jar Test
+Cân phân tích + Giấy thử pH + Máy quang phổ - Vật liệu:
+ Than cacbon hóa sản xuất từ lõi ngô
b. Quy mô pilot (thiết b cột lọc b ng nhựa PVC)
35
Hình 2.6.Sơ đ thiết b xử lý amoni theo phương pháp hấp phụ sử dụng than cacbon hóa
Đây là hệ thống lọc ngược.Cho 0,5kg than cacbon hóa bằng lỗi ngô vào thiết bị thực nghiệm sau đó chạy hệ thống bằng nước máy sạch 1 ngày để rửa than. Tiếp đó tiến hành chạy máy với nước ngầm đã qua lọc cát và chạy trong 1 tuần với các mức lưu lượng khác nhau lần lượt là: 0.5l/h; 0.75l/h; 1ll/h; 1,5l/h(mỗi ngày đều kiểm tra lại lưu lượng trước khi lấy mẫu) Mỗi lưu lượng lấy mẫu ở đầu ra, vào lần lượt với các khoảng thời gian khác nhau trong ngày để khảo sát hiệu suất hấp phụ của than. Sau mỗi ngày tháo van xả đáy để xả cặn trong ngày tránh ảnh hưởng đến lưu lượng của nước. Mẫu lấy xong đem đi phân tích trong ph ng thí nghiệm theo phương pháp phenat để xác định hàm lượng amoni trong nước sau xử lý.
2.2. Phương pháp tính toán và ử lý số liệu
Phương pháp t nh toán
Cáchtính các giá tr Độ ẩm, độ tro, thành phần cháy, hiệu suất thu h i sản phẩm
Nước ngầm vào
36 - Xác đ nh độ ẩm
Trong đó: – độ ẩm (%).
– khối lượng chất rắn (g).
- khối lượng chất rắn sau khi sấy (g). - Xác đ nh độ tro
Trong đó: – Độ tro (%).
– Khối lượng xỉ tro sau khi đốt (g). – Khối lượng chất rắn (g).
- Xác đ nh thành phần cháy
- Xác đ nh hiệu suất thu h i sản phẩm
A
Trong đó:
A
- hiệu suất thu hồi sản phẩm (%).
- khối lượng sản phẩm thu hồi sau khi nung (g). - khối lượng mẫu trước khi nung (g).
Cách tính các giá tr : lượng amoni (NH4 + ) b hấp phụ, dung lượng hấp phụ, hiệu suất xử lý. - Xác đ nh lượng amoni(NH4+ ) b hấp phụ: M1= – Trong đó: M1: lượng amoni bị hấp phụ(g) V : thể tích dung dịch(l)
37 C0 : nồng độ dung dịch đầu vào(mg/l) C1 : nồng độ dung dịch đầu ra(mg/l) - Xác đ nh dung lượng hấp phụ:
–
Trong đó: M1: lượng amoni bị hấp phụ(mg) Mthan: khối lượng than(mg)
V : thể tích dung dịch(1)
C0 : nồng độ dung dịch đầu vào(mg/l) C1 : nồng độ dung dịch đầu ra(mg/l) - Hiệu suất xử lý: 0 1 0 (C C).100% C
Trong đó: : hiệu suất xử lý(%)
C0 : nồng độ dung dịch đầu vào(mg/l) C1 : nồng độ dung dịch đầu ra(mg/l)
- Phương pháp t nh tải trọng của vật liệu hấp phụ
Mô hình tính toán cho các phương pháp hấp phụ, trao đổi ion thường sử dụng Langmuair hoặc Frendlich.
Khi thiết lập phương trình đ ng nhiệt hấp phụ Langmuir, người ta xuất phát từ các giả thiết
+ Tiểu phân bị hấp phụ liên kết với bề mặt tại những trung tâm xác định + Mỗi trung tâm chỉ hấp phụ một tiểu phân.
+ Bề mặt chất hấp phụ là đồng nhất, nghĩa là năng lượng hấp phụ trên các trung tâm như nhau và không phụ thuộc vào sự có mặt của các tiểu phân hấp phụ trên các trung tâm bên cạnh.
38
(*) Trong đó :
q, qmax : dung lượng hấp phụ trung bình và dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g)
b: hằng số Langmuir.
Ccb: nồng độ chất bị hấp phụ khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/l)
Khi nồng độ chất bị hấp phụ nằm giữa hai giới hạn b.Ccb<<1 và b.Ccb>>1 thì đường đ ng nhiệt biểu diễn là một đường cong. Để xác định các hằng số trong phương trình đ ng nhiệt Langmuir, đưa phương trình (* về dạng đường th ng:
Xây dựng đồ thị sự phụ thuộc của vào Ccb sẽ xác định được các hằng số b, qmax trong phương trình. Trong đó: a = tan=
, qmax =
Phương pháp xử lý số liệu
- Phân tích, tổng hợp, xử lý số liệu…xác định được hiệu suất thu hồi sản phẩm, dung lượng hấp phụ của than cacbon hóa từ lõi ngô.
- Lập biểu đồ biểu diễn sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ như: thời gian lưu nhiệt khác nhau, nhiệt độ khác nhau đến hiệu suất thu hồi sản phẩm; thời gian hấp phụ, nồng độ, khối lượng than đến hiệu suất xử lý amoni.
39
CHƢƠNG 3
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Kết quả quá trình sản xuất than cacbon hóa từ lõi ngô
3. . . Độ ẩm của lõi ngô
Lõi ngô được cân xác định khối lượng rồi đánh số cho vào l nung để sấy. Tiến hành sấy ở nhiệt độ 100oC và giữ ổn định nhiệt độ này trong các thời gian khác nhau từ 10-40 phút, sau đó lấy lõi ngô ra cân xác định khối lượng để xác định độ ẩm trong lõi ngô.
Bảng 3.1. T lệ bay hơi nước khi sấy lõi ngô
STT Thời gian sấy (phút) Số mẫu (mỗi mẫu 1 lõi ngô) Khối lượng trước khi sấy (g)