Đồ Án HCMUTE: Biến Tính Nhựa Thải Polystyrene Để Xử Lý Kim Loại Nặng Trong Nước Thải

Đồ án nghiên cứu hcmute biến tính nhựa thải polystyrene để xử lý znii cdii và cuii trong nước thải, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn, đánh giá tính khả thi dự

• Tác giả: Bùi Duy Tân
• Người hướng dẫn: TS. Trần Thị Kim Anh
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. HCM
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Môi Trường
• Đề tài: Biến Tính Nhựa Thải Polystyrene Để Xử Lý Zn(II), Cd(II) Và Cu(II) Trong Nước Thải
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Đề tài 'Biến Tính Nhựa Thải Polystyrene Để Xử Lý Kim Loại Nặng Trong Nước Thải' tập trung vào việc nghiên cứu và phát triển phương pháp xử lý nước thải chứa kim loại nặng như Zn(II), Cd(II) và Cu(II) bằng cách sử dụng nhựa thải Polystyrene. Biến tính nhựa thải không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra một giải pháp hiệu quả cho việc xử lý nước thải công nghiệp. Việc sử dụng nhựa thải Polystyrene trong xử lý nước thải là một bước tiến quan trọng trong việc phát triển công nghệ xanh và bền vững.

1.1. Tính cấp thiết của đề tài

Ô nhiễm môi trường do kim loại nặng là một vấn đề nghiêm trọng hiện nay. Các kim loại nặng như Zn, Cd và Cu có thể gây ra nhiều tác động tiêu cực đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Việc xử lý nước thải chứa các kim loại này là rất cần thiết. Công nghệ xử lý hiện tại thường gặp nhiều khó khăn và chi phí cao. Do đó, nghiên cứu biến tính nhựa thải Polystyrene để xử lý kim loại nặng là một giải pháp khả thi và tiết kiệm. Đề tài này không chỉ góp phần bảo vệ môi trường mà còn tạo ra giá trị kinh tế từ việc tái chế nhựa thải.

II. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp sulfonat hóa để biến tính nhựa Polystyrene thải. Quá trình này giúp tạo ra nhựa trao đổi ion có khả năng hấp phụ các ion kim loại nặng. Các phương pháp phân tích như FTIR, SEM/EDX, XRD và TGA được sử dụng để khảo sát các đặc trưng của vật liệu đã chế tạo. Việc xây dựng đường chuẩn cho các ion kim loại nặng là một bước quan trọng trong việc đánh giá hiệu quả xử lý. Phương pháp xử lý này không chỉ đơn giản mà còn hiệu quả trong việc loại bỏ kim loại nặng khỏi nước thải công nghiệp.

2.1. Quy trình sulfonat hóa

Quy trình sulfonat hóa nhựa Polystyrene thải được thực hiện bằng cách sử dụng axit sulfuric. Quá trình này tạo ra các nhóm sulfonate trên bề mặt nhựa, giúp tăng cường khả năng trao đổi ion. Các thông số như thời gian phản ứng, nhiệt độ và nồng độ axit được tối ưu hóa để đạt được hiệu quả cao nhất. Kết quả cho thấy rằng nhựa sau khi sulfonat hóa có khả năng hấp phụ tốt hơn đối với các ion kim loại nặng. Điều này chứng tỏ rằng biến tính vật liệu là một phương pháp hiệu quả trong việc xử lý ô nhiễm kim loại nặng.

III. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy nhựa Polystyrene sau khi biến tính có khả năng hấp phụ cao đối với các ion Zn(II), Cd(II) và Cu(II). Hiệu suất xử lý được khảo sát trong các điều kiện khác nhau, bao gồm khối lượng nhựa, nồng độ ion đầu vào và lưu lượng nước thải. Các kết quả cho thấy rằng việc tăng khối lượng nhựa sẽ làm tăng hiệu quả xử lý. Ngoài ra, việc khảo sát ảnh hưởng của nước thải thực tế đến hiệu suất xử lý cũng cho thấy rằng nhựa biến tính vẫn duy trì khả năng hấp phụ tốt trong điều kiện thực tế.

3.1. Hiệu suất xử lý

Hiệu suất xử lý của nhựa biến tính được đánh giá qua các thí nghiệm thực tế. Kết quả cho thấy rằng nhựa có thể loại bỏ đến 90% các ion kim loại nặng trong nước thải. Điều này chứng tỏ rằng công nghệ xử lý này không chỉ hiệu quả mà còn có thể áp dụng rộng rãi trong thực tiễn. Việc sử dụng nhựa thải Polystyrene không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra một nguồn tài nguyên quý giá cho việc xử lý nước thải. Điều này mở ra hướng đi mới cho việc tái chế và xử lý ô nhiễm môi trường.

IV. Kết luận

Nghiên cứu 'Biến Tính Nhựa Thải Polystyrene Để Xử Lý Kim Loại Nặng Trong Nước Thải' đã chứng minh tính khả thi của việc sử dụng nhựa thải trong xử lý ô nhiễm kim loại nặng. Kết quả cho thấy rằng nhựa Polystyrene sau khi biến tính có khả năng hấp phụ cao đối với các ion kim loại nặng. Phương pháp này không chỉ hiệu quả mà còn góp phần bảo vệ môi trường và phát triển công nghệ xanh. Việc áp dụng công nghệ này trong thực tiễn sẽ giúp giảm thiểu ô nhiễm và tạo ra một môi trường sống tốt hơn cho cộng đồng.

4.1. Đề xuất

Đề tài khuyến khích việc nghiên cứu sâu hơn về các loại nhựa thải khác và khả năng xử lý của chúng đối với các loại ô nhiễm khác nhau. Việc phát triển các phương pháp xử lý mới từ nhựa thải sẽ mở ra nhiều cơ hội cho việc bảo vệ môi trường. Ngoài ra, cần có các chính sách hỗ trợ cho việc tái chế và xử lý nhựa thải nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự gia tăng nhanh chóng của các sản phẩm nhựa dùng một lần như hộp xốp, ly, chén và dĩa nhựa đã tạo ra áp lực lớn đối với hệ thống quản lý chất thải rắn đô thị. Thành phần chính của các sản phẩm này là Polystyrene (PS) – một loại polymer nhiệt dẻo có độ bền cơ học cao, khó phân hủy sinh học trong điều kiện tự nhiên. Khi bị thải bỏ không đúng cách hoặc tái sử dụng ở nhiệt độ cao, Polystyrene có thể giải phóng monomer styrene gây độc cho hệ thần kinh và làm tổn thương cấu trúc tế bào. Đồng thời, ô nhiễm kim loại nặng như Kẽm (Zn²⁺), Cadmium (Cd²⁺) và Đồng (Cu²⁺) từ các hoạt động công nghiệp (đặc biệt là ngành xi mạ) đặt ra thách thức lớn đối với nguồn nước mặt và chuỗi thức ăn sinh thái do tính chất tích lũy sinh học và khó phân hủy.

Từ thực trạng trên, đề tài "Biến tính nhựa thải Polystyrene để xử lý Zn(II), Cd(II) và Cu(II) trong nước thải" được thực hiện nhằm chuyển hóa rác thải nhựa Polystyrene thành vật liệu trao đổi ion có giá trị xử lý môi trường.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu được xác định cụ thể như sau:

1. Nghiên cứu điều chế nhựa trao đổi ion từ nhựa Polystyrene thải (PSW) bằng phương pháp Sulfonat hóa.
2. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ các ion kim loại nặng Zn²⁺, Cd²⁺, Cu²⁺.
3. Khảo sát các đặc trưng cấu trúc, hình thái và nhiệt học của vật liệu điều chế bằng các phương pháp FTIR, SEM/EDX, XRD và TGA.
4. Xác định các tính chất vật lý và hóa học của nhựa trao đổi ion (PSW-S) như khối lượng riêng, độ ẩm, độ trương nở và đương lượng trao đổi.
5. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng nhựa đến hiệu quả xử lý kim loại nặng trong điều kiện vận hành gián đoạn (hấp phụ tĩnh).
6. Khảo sát hiệu suất xử lý kim loại nặng trong điều kiện vận hành liên tục (hấp phụ động qua cột lọc).
7. Khảo sát quá trình hoàn nguyên vật liệu bằng dung dịch NaCl.
8. Khảo sát ảnh hưởng của nền nước thải xi mạ thực tế đến hiệu suất xử lý kim loại nặng.
9. Tính toán các tham số nhiệt động học (mô hình đẳng nhiệt Langmuir, Freundlich) và động học hấp phụ dòng liên tục (mô hình Thomas, Yoon-Nelson).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng: Nhựa Polystyrene thải thu gom từ chén dĩa nhựa sử dụng một lần; dung dịch chứa các ion kim loại Zn²⁺, Cd²⁺, Cu²⁺ và nước thải thực tế từ cơ sở xi mạ kẽm.
• Phạm vi: Thực nghiệm tại phòng thí nghiệm Bộ môn Công nghệ Môi trường, Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh trong thời gian từ tháng 09/2019 đến tháng 12/2019.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình toán học

Đề tài dựa trên nguyên lý phản ứng trao đổi ion giữa pha rắn và pha lỏng thông qua nhóm chức acid mạnh sulfonic ($-SO_3H$) gắn trên khung mạch polymer Polystyrene. Cơ chế hấp phụ và trao đổi cation được đánh giá qua các mô hình lý thuyết:

• Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir: Mô tả quá trình hấp phụ đơn lớp trên bề mặt đồng nhất với các vị trí liên kết tương đương: $$\frac{C_e}{q_e} = \frac{1}{q_{max} K_L} + \frac{C_e}{q_{max}}$$
• Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich: Mô tả quá trình hấp phụ đa tầng trên bề mặt dị thể: $$\lg q_e = \lg K_F + \frac{1}{n} \lg C_e$$
• Mô hình động học Thomas cho hệ cột liên tục: Dựa trên động học bậc hai và cân bằng Langmuir, bỏ qua khuếch tán ngoài và trong hạt: $$\ln\left(\frac{C_0}{C_t} - 1\right) = \frac{K_T q_0 m}{Q} - K_T C_0 t$$
• Mô hình Yoon-Nelson: Xác định thời gian đạt 50% điểm đột phá của cột: $$\ln\left(\frac{C_t}{C_0 - C_t}\right) = K_{YN} t - \tau K_{YN}$$
• Nguyên lý phân tích cực phổ: Xác định nồng độ vi lượng kim loại nặng dựa trên phương trình Ilkovic: $$I = 0{,}627 \cdot n \cdot F \cdot D^{1/2} \cdot m^{2/3} \cdot t^{1/6} \cdot C$$

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

• Phương pháp tổng hợp: Phản ứng Sulfonat hóa trực tiếp nhựa PSW bằng acid $H_2SO_4$ đậm đặc 98% (khảo sát có/không sử dụng xúc tác $Ag_2SO_4$). Tối ưu hóa 3 yếu tố: thể tích acid (5–20 ml), thời gian phản ứng (30–120 phút), và nhiệt độ phản ứng.
• Phương pháp phân tích đặc trưng vật liệu:
  • Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR): Nhận diện các nhóm chức hóa học trước và sau biến tính, sau khi hấp phụ và sau hoàn nguyên.
  • Kính hiển vi điện tử quét kết hợp tán xạ năng lượng tia X (SEM/EDX): Quan sát hình thái bề mặt và định lượng thành phần nguyên tố (C, O, S).
  • Nhiễu xạ tia X (XRD): Đánh giá cấu trúc tinh thể/vô định hình của vật liệu.
  • Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA): Xác định độ bền nhiệt và các giai đoạn phân hủy khối lượng của hạt nhựa.
• Phương pháp phân tích định lượng: Đo nồng độ ion kim loại bằng thiết bị cực phổ Metrohm 797 VA Computrace; chuẩn độ xác định độ cứng ($Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$) bằng EDTA với chỉ thị Murexide.
• Phương pháp vận hành cột: Khảo sát các biến số lưu lượng dòng ($Q = 0{,}5 - 1{,}5\text{ L/h}$), nồng độ ban đầu ($C_0 = 10 - 40\text{ ppm}$), khối lượng hạt nhựa ($m = 10 - 30\text{ g}$).

Nguồn hóa chất và thiết bị

Hóa chất sử dụng gồm: $H_2SO_4$ 98%, $NaCl$, $HCl$, $KCl$, $NaOH$, $CaCl_2$ (Đức Việt, Hải Âu - Trung Quốc), EDTA (Tuấn Phát - Nhật), Murexide (LabChem - Mỹ). Hệ thống thiết bị chính gồm: máy đo kim loại nặng Metrohm 797 VA Computrace, máy đo pH Mettler Toledo S220-K, máy lắc SK-0330, tủ sấy Memmert UN55, bể điều nhiệt Memmert WB 10.

Phương pháp biến tính	Ưu điểm	Nhược điểm
Sulfonat hóa PSW với xúc tác $Ag_2SO_4$ (Andrea E., 2003)	Quy trình đơn giản, dung lượng trao đổi cao, giữ nguyên dạng hạt	Nhựa không tan hoàn toàn trong pha phản ứng
Sulfonat hóa PSW trong $CH_3Cl$ với xúc tác Acetyl sulfate (J. Chem. Soc, 2003)	Mức độ sulfonat hóa cao (> 97%)	Vận hành phức tạp, máy móc tinh vi
Sulfonat hóa PSW với Silica (Yen Wei, 1996)	Dung lượng trao đổi biến thiên rộng (0,27 meq/g)	Phụ thuộc quá trình tạo vật liệu lai Sol-Gel
Sulfonat hóa PSW trong dung môi Chloroform (S. Mulijani, 2014)	Dễ định hình dạng hạt nhựa theo yêu cầu	Dung môi hữu cơ độc hại, tác động môi trường

Nội dung chính theo từng chương

Mở đầu

Trình bày tính cấp thiết của việc tái chế chất thải rắn Polystyrene đô thị kết hợp với giải pháp xử lý nước thải công nghiệp chứa kim loại nặng. Xác định mục tiêu chế tạo vật liệu cationit acid mạnh mang nhóm chức $-SO_3H$, nêu rõ 9 nội dung nhiệm vụ nghiên cứu, phương pháp tiếp cận và ý nghĩa khoa học - thực tiễn của đề tài trong việc bảo vệ môi trường nước và tái tạo tài nguyên.

Chương 1. Tổng quan tài liệu về nhựa trao đổi ion và phương pháp xử lý kim loại nặng

Hệ thống hóa lý thuyết về vật liệu polymer trao đổi ion:

• Phân loại chất trao đổi ion (Cationit acid mạnh/yếu, Anionit bazơ mạnh/yếu, Anionit lưỡng tính) và các đặc tính cơ lý (kích thước hạt 0,04–1 mm, độ ẩm, độ trương nở, độ bền nhiệt đến 150°C, tính chịu oxy hóa và mài mòn).
• Cơ chế tổng hợp nhựa Polystyrene-DVB thông qua trùng hợp huyền phù và gắn nhóm hoạt tính bằng phản ứng Sulfonat hóa hoặc Chloromethyl hóa/Amin hóa.
• So sánh các công nghệ xử lý kim loại nặng hiện hành: kết tủa hóa học (hiệu suất ~90% nhưng phát sinh bùn thải nguy hại), điện hóa (hiệu suất 99% nhưng tiêu tốn năng lượng), hấp phụ than hoạt tính (hiệu suất 99%), lọc màng nano (hiệu suất 95%), xử lý sinh học bằng thực vật và trao đổi ion (không phát sinh bùn thứ cấp, cho phép thu hồi kim loại).
• Cơ sở lý thuyết về hoàn nguyên nhựa trao đổi ion (phương pháp đồng dòng và ngược dòng), các mô hình hấp phụ tĩnh (Langmuir, Freundlich) và động học dòng chảy qua cột (Thomas, Yoon-Nelson, Ilkovic).

Chương 2. Nguyên vật liệu và phương pháp biến tính nhựa Polystyrene thải thành hạt trao đổi ion

Mô tả chi tiết quy trình thực nghiệm:

• Quy trình thu gom, rửa sạch, xay nhỏ và rây phân loại kích thước hạt nhựa PSW từ dĩa nhựa thải.
• Quy trình phản ứng Sulfonat hóa hạt PSW bằng $H_2SO_4$ 98% ở các điều kiện nhiệt độ, thời gian và tỷ lệ thể tích khác nhau; quy trình rửa sản phẩm bằng nước cất đến pH trung tính.
• Các quy trình chuẩn hóa: xác định khối lượng riêng bằng bình đo tỷ trọng, đo độ ẩm sấy khô ở 105°C, xác định độ trương nở thể tích trong nước, đo đương lượng trao đổi cation tổng bằng phương pháp chuẩn độ thể tích với ion $Ca^{2+}$.
• Bố trí thí nghiệm hấp phụ tĩnh dạng mẻ (khảo sát khối lượng nhựa từ 0,1 đến 1,0 g với 50 ml dung dịch kim loại) và thí nghiệm cột liên tục (đường kính cột xác định, thay đổi lưu lượng 0,5–1,5 L/h, nồng độ vào 10–40 ppm, khối lượng nhựa 10–30 g).
• Thí nghiệm hoàn nguyên nhựa đã bão hòa bằng dung dịch $NaCl$ ở các nồng độ, thể tích và thời gian tiếp xúc khác nhau.

Chương 3. Kết quả và thảo luận

Tập trung phân tích các dữ liệu thực nghiệm thu được:

• Điều kiện tối ưu hóa phản ứng Sulfonat hóa: Xác định thể tích acid $H_2SO_4$ 98%, thời gian phản ứng và nhiệt độ thích hợp để tạo ra sản phẩm nhựa PSW-S có dung lượng trao đổi cao nhất mà không bị cháy giòn hay phá hủy khung polymer.
• Đặc trưng hóa lý của hạt PSW-S:
  • Cảm quan: Hạt có màu xám đen, độ cháy vừa đủ, không giòn, độ dẻo tương đối, độ bền mài mòn cao và không bị trương nở trong nước.
  • Phổ FTIR: Xuất hiện các vân hấp thụ đặc trưng của nhóm sulfonic $-SO_3H$ tại vùng số sóng liên kết $S=O$ và $S-O$, đồng thời có sự dịch chuyển tín hiệu sau khi hấp phụ $Zn^{2+}$, $Cd^{2+}$, $Cu^{2+}$ và phục hồi sau khi hoàn nguyên bằng $NaCl$.
  • Phổ SEM/EDX: Bề mặt nhựa sau biến tính có độ nhám và lỗ xốp tăng lên rõ rệt; phổ EDX ghi nhận sự xuất hiện của nguyên tố Lưu huỳnh (S) và Oxy (O) phân bố đồng đều trên nền Carbon (C).
  • Phân tích XRD và TGA: Khẳng định tính vô định hình có trật tự cục bộ và độ bền nhiệt ổn định của nhựa biến tính.
• Hiệu quả xử lý trong điều kiện tĩnh: Dung lượng hấp phụ cực đại ($q_{max}$) và các hệ số tương quan của mô hình Langmuir, Freundlich đối với 3 ion kim loại.
• Hiệu quả xử lý trong điều kiện cột liên tục: Sự phụ thuộc của đường cong xuyên phá (breakthrough curve) vào lưu lượng, nồng độ đầu vào và chiều cao lớp đệm nhựa. Hằng số tốc độ $K_T$, $K_{YN}$ và dung lượng hấp phụ động $q_0$, thời gian $\tau$ từ mô hình Thomas và Yoon-Nelson.
• Hiệu quả hoàn nguyên và xử lý nước thải thực tế: Tối ưu hóa nồng độ dung dịch muối $NaCl$, thể tích và thời gian ngâm nhựa; kết quả vận hành xử lý mẫu nước thải xi mạ kẽm thực tế (nồng độ kẽm ban đầu ~70 ppm với 30 g nhựa).

Kết luận và Kiến nghị

Tổng kết toàn bộ các thông số kỹ thuật chế tạo, các giá trị dung lượng trao đổi đạt được và hiệu suất xử lý kim loại nặng; đưa ra các kiến nghị khoa học về việc bổ sung quy trình kiểm tra độ sulfonat hóa bằng dung môi toluene, áp dụng mô hình BDST (Bohart-Adams) và tối ưu hóa phi tuyến tính bằng công cụ Solver (MSE) cho các nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp học thuật

Kết quả định lượng chính

• Tính chất vật liệu: Nhựa Polystyrene thải sau biến tính (PSW-S) hình thành nhóm chức acid mạnh $HSO_3^-$, hạt có màu xám đen, không giòn, độ mài mòn cao và không bị trương nở thể tích.
• Dung lượng trao đổi cation: Đạt giá trị thực nghiệm là $0{,}763\text{ eq/L}$.
• Hiệu suất xử lý kim loại: Trong điều kiện vận hành liên tục qua cột lọc, hiệu suất loại bỏ các ion kim loại nặng ($Zn^{2+}$, $Cd^{2+}$, $Cu^{2+}$) và ion gây độ cứng ($Ca^{2+}$) đều đạt mức $> 90%$.
• Khả năng xử lý nước thải thực tế: Cột hấp phụ chứa 30 g nhựa PSW-S xử lý hiệu quả nước thải xi mạ kẽm có nồng độ ban đầu 70 ppm.
• Khả năng tái sinh: Nhựa sau khi bão hòa kim loại nặng được hoàn nguyên bằng dung dịch $NaCl$, phổ FTIR sau hoàn nguyên chứng minh sự tái tạo của các nhóm hoạt tính trao đổi.

Chỉ tiêu khảo sát	Nhựa thương mại Indion 220 Na	Nhựa biến tính từ phế thải PSW-S
Nhóm chức hoạt động	$-SO_3H$ (Acid mạnh)	$-SO_3H$ (Acid mạnh)
Cảm quan	Hạt hình cầu, màu vàng nâu	Hạt mảnh, màu xám đen
Hiện tượng trương nở	Có trương nở trong nước	Không trương nở
Dung lượng trao đổi cation	~ 1,8 – 2,0 eq/L	0,763 eq/L
Hiệu suất khử $Zn^{2+}, Cd^{2+}, Cu^{2+}, Ca^{2+}$	> 95%	> 90%
Tác nhân tái sinh	Dung dịch NaCl / HCl	Dung dịch NaCl

Giải pháp và quy trình đề xuất

• Đề xuất quy trình biến tính nhựa phế thải Polystyrene bằng phản ứng Sulfonat hóa trực tiếp với $H_2SO_4$ 98%, kiểm soát các thông số nhiệt độ, thời gian và lượng acid để thu được vật liệu không tan, bền cơ học.
• Xác lập điều kiện vận hành cột trao đổi ion động (lưu lượng 0,5 L/h, nồng độ kim loại thích hợp) và quy trình hoàn nguyên vật liệu theo mẻ/liên tục bằng dung dịch muối ăn ($NaCl$).

Đóng góp học thuật

• Chứng minh tính khả thi của việc chuyển hóa rác thải nhựa Polystyrene dùng một lần thành vật liệu trao đổi ion cationit acid mạnh có hoạt tính cao.
• Cung cấp tập dữ liệu thực nghiệm về các hằng số nhiệt động học (Langmuir, Freundlich) và động học dòng chảy liên tục (Thomas, Yoon-Nelson) cho hệ trao đổi ion đa kim loại ($Zn^{2+}$, $Cd^{2+}$, $Cu^{2+}$) trên nền chất mang polymer tái chế.

Hạn chế và hướng phát triển đề tài

Hạn chế được ghi nhận

• Chưa thực hiện được quy trình kiểm tra độ Sulfonat hóa của nhựa bằng dung môi toluene do hạn chế về hóa chất tại thời điểm nghiên cứu.
• Các thông số mô hình động học chủ yếu được xử lý qua phương pháp hồi quy tuyến tính hóa, chưa áp dụng thuật toán tối ưu hóa phi tuyến Solver (Excel) dựa trên sai số toàn phương trung bình (MSE).
• Chưa khảo sát chi tiết mô hình BDST (Bohart-Adams) để dự đoán thời gian đột phá ($t_b$) theo sự biến thiên đồng thời của chiều cao lớp nhựa và lưu lượng cột.
• Chưa xây dựng đầy đủ đồ thị biểu diễn biến thiên của hệ số phân bố ($K_d$) theo nồng độ cân bằng ($C_e$).

Hướng phát triển tiếp theo

• Hoàn thiện quy trình phân tích độ Sulfonat hóa chuẩn sử dụng dung môi chuyên dụng.
• Nghiên cứu mở rộng mô hình tính toán động học cột hấp phụ bằng các mô hình BDST, Clark, Wolborska kết hợp công cụ tối ưu hóa phi tuyến.
• Đánh giá độ bền làm việc của vật liệu qua nhiều chu kỳ hấp phụ - hoàn nguyên liên tục trên nhiều nguồn nước thải công nghiệp phức tạp khác nhau.

Giá trị tham khảo và ứng dụng thực tiễn

Khóa luận có giá trị tham khảo chuyên môn cho sinh viên, học viên cao học và cán bộ nghiên cứu thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Môi trường, Công nghệ Hóa học, Kỹ thuật Vật liệu và Quản lý Tài nguyên:

• Tài liệu thực nghiệm về quy trình tổng hợp và biến tính polymer phế thải thành vật liệu xử lý nước.
• Dữ liệu tham khảo phương pháp phân tích đặc trưng vật liệu bề mặt thông qua các công cụ FTIR, SEM/EDX, XRD, TGA và phương pháp cực phổ xác định kim loại nặng.
• Cơ sở tính toán thiết kế cột trao đổi ion liên tục dựa trên các mô hình động học Thomas và Yoon-Nelson phục vụ xử lý nước thải xi mạ và làm mềm nước cứng.

Câu hỏi thường gặp

1. Nhóm chức trao đổi ion được gắn lên khung nhựa Polystyrene thải là nhóm gì?

Theo kết quả phân tích phổ FTIR và TGA trong đề tài, nhóm chức được gắn lên khung polymer sau phản ứng Sulfonat hóa bằng $H_2SO_4$ đậm đặc là nhóm sulfonic acid ($-SO_3H$ hay $HSO_3^-$), biến vật liệu thành nhựa trao đổi cation acid mạnh.

2. Dung lượng trao đổi ion và hiệu suất xử lý kim loại của nhựa PSW-S đạt bao nhiêu?

Dung lượng trao đổi của nhựa PSW-S điều chế được là $0{,}763\text{ eq/L}$. Hiệu suất xử lý các ion kim loại nặng ($Zn^{2+}$, $Cd^{2+}$, $Cu^{2+}$) và ion độ cứng ($Ca^{2+}$) đạt trên 90% trong điều kiện vận hành liên tục qua cột lọc.

3. Tác nhân nào được sử dụng để hoàn nguyên nhựa sau khi bão hòa kim loại?

Quá trình hoàn nguyên và tái sinh các tâm trao đổi của nhựa PSW-S được thực hiện bằng dung dịch muối ăn ($NaCl$), được kiểm chứng qua các thí nghiệm ngâm mẻ và rửa cột liên tục, đồng thời được xác nhận bằng phổ FTIR sau hoàn nguyên.

4. Đề tài sử dụng các mô hình toán học nào để xử lý số liệu hấp phụ tĩnh và hấp phụ động?

Đối với quá trình hấp phụ tĩnh (vận hành gián đoạn), đề tài áp dụng mô hình đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich. Đối với quá trình hấp phụ động trên cột liên tục, đề tài áp dụng mô hình động học Thomas và mô hình Yoon-Nelson.

5. Nguồn nước thải thực tế được nhóm nghiên cứu thử nghiệm xử lý là loại nước thải nào?

Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm xử lý trên mẫu nước thải thực tế từ cơ sở xi mạ kẽm có nồng độ $Zn^{2+}$ ban đầu khoảng 70 ppm với cột đệm chứa 30 g nhựa biến tính PSW-S.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Bùi Duy Tân và Nguyễn Minh Tí đã nghiên cứu chuyển hóa thành công rác thải nhựa Polystyrene dùng một lần thành hạt nhựa trao đổi cation acid mạnh (PSW-S) mang nhóm chức $-SO_3H$ bằng phương pháp Sulfonat hóa. Sản phẩm chế tạo đạt dung lượng trao đổi $0{,}763\text{ eq/L}$, cấu trúc bền nhiệt, không trương nở và đạt hiệu suất xử lý trên 90% đối với các ion kim loại $Zn^{2+}$, $Cd^{2+}$, $Cu^{2+}$ và $Ca^{2+}$. Các dữ liệu động học cột lọc và kết quả thử nghiệm trên nước thải xi mạ thực tế đã khẳng định tính khả thi của quy trình tái chế rác thải polymer phục vụ kiểm soát ô nhiễm môi trường nước.

Trích đoạn nội dung tài liệu

đặt vấn đề (Làm rõ tính cấp thiết của đề tài; Mục tiêu, nội dung nghiên cứu phù hợp) Nhận xét: -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- do an -------------------------------------------------------------------------------------------------------- Đề nghị chỉnh sửa: -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 3) Tổng quan (Tổng quan đầy đủ các vấn đề liên quan trực tiếp đến đề tài (chú ý tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nước); Trình bày trích dẫn và liệt kê tài liệu tham khảo đúng quy định) Nhận xét: -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- Đề nghị chỉnh sửa: - Cách sắp xếp tài liệu tham khảo không hợp lý, ví dụ phần biến tính nhựa thải, theo quy trình của tác giả nào? Công thức không đánh số thứ tự, nguồn trích dẫn? - Phần tổng quan viết cẩu thả, không rỏ ràng. Ví dụ: nhựa trao đổi ion chứ không phải là “nhựa ion” hoặc “nhựa” trang 4. -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 4) Phương pháp nghiên cứu (Phương pháp nghiên cứu phù hợp với mục tiêu, nội dung của đề tài, Viết rõ ràng, dễ hiểu) Nhận xét: -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- do an -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- Đề nghị chỉnh sửa: - Xem lại quy trình xác định độ sunfonate nhựa thải. - Sử dụng phần mềm Solver (trong Excel) để xác định các tham số của các model dựa và tham số MSE để đánh giá sự phù hợp của mô hình đối với các thí nghiệm.

- Cần phải bổ sung các tham số a, b trong mô hình BDST (xuất sứ từ mô hình Bohart-Adam để dự doán tb (thời gian tại điểm breakthrough) khi thay đổi chiều cao của lớp chất hấp phụ và lưu lượng qua cột. - Bổ sung thêm phổ FTIR của nhựa trao đổi ion sau khi trao đổi với Cu (II), Cd (II và Zn (II) - Bổ sung thêm các đồ thị biểu diễn hằng số phân bố Kd theo Ce - Cần có số liệu đầy đủ về nước thải xi mạ -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 5) Kết quả thảo luận (Kết quả thu được đáp ứng mục tiêu, nội dung của đề tài, Xử lý số liệu và thảo luận, đánh giá số liệu, có nhận xét đối chiếu các nghiên cứu liên quan) Nhận xét: -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- do an Đề nghị chỉnh sửa: -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 6) Kết luận – Kiến nghị và Tính khả thi của đề tài (Kết luận ngắn gọn, súc tích, đáp ứng được mục tiêu, nội dung đề ra, phù hợp với kết quả thu được) Nhận xét: -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- do an Đề nghị chỉnh sửa: -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- Tp. HCM, ngày 24 tháng 12 năm 2019 NGƯỜI NHẬN XÉT (Ký và ghi rõ họ tên) do an TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc BỘ MÔN CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG PHIẾU NHẬN XÉT KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP (Mẫu dùng cho cán bộ phản biện khóa luận thuộc lĩnh vực nghiên cứu/ quản lý) Người nhận xét (học hàm, học vị, họ tên):.

Họ và tên sinh viên: Bùi Duy Tân MSSV: 15150129 Nguyễn Minh Tí MSSV: 15150139 Tên đề tài: BIẾN TÍNH NHỰA THẢI POLYSTYRENE ĐỂ XỬ LÝ ZN(II), CD(II) VÀ CU(II) TRONG NƯỚC THẢI Thang Điểm STT Nội dung (lưu ý thang điểm nhỏ nhất là 0.25 điểm) điểm số Hình thức Max 2 Trình bày thuyết minh không theo format chuẩn, không thống nhất giữa 0. Trình bày thuyết minh theo format chuẩn, nhưng còn nhiều lỗi: đề mục 1 không rõ ràng, bảng biểu, hình vẽ không được đánh số, nhiều lỗi chính tả, 1 đánh máy. Trình bày thuyết minh theo format chuẩn nhưng còn một vài lỗi nhỏ.