Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ vỏ trấu bằng phương pháp oxi hóa và ứng dụng làm chất hấp phụ trong xử lí nước thải

Chuyên khảo phân tích Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ vỏ trấu bằng phương pháp oxi hóa và ứng dụng làm chất hấp phụ, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên

• Tác giả: Lưu Thị Ánh
• Người hướng dẫn: ThS. Phạm Thị Minh Thúy
• Trường học: Trường Đại Học Dân Lập Hải Phòng
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Môi Trường
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Tạo Than Hoạt Tính Từ Vỏ Trấu Bằng Phương Pháp Oxi Hóa Và Ứng Dụng Làm Chất Hấp Phụ Trong Xử Lý Nước Thải
• Loại tài liệu: Khóa Luận Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hải Phòng

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: Nước và sự ô nhiễm nguồn nước bởi các kim loại nặng
• 1.1. Vai trò của nước
• 1.2. Tình trạng ô nhiễm nước do kim loại nặng
• 1.3. Một số nguồn gây ô nhiễm kim loại nặng
• 1.4. Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp (QCVN 40:2011/BTNMT)
• 1.5. Ảnh hưởng của kim loại nặng đến môi trường và sức khỏe con người
• 1.6. Tác dụng sinh hóa của kim loại nặng đối với con người và môi trường
• 1.7. Ảnh hưởng của Sắt đến môi trường và con người
• 1.8. Một số phương pháp xử lí nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng
• 1.8.1. Phương pháp kết tủa
• 1.8.2. Phương pháp trao đổi ion
• 1.8.3. Phương pháp điện hóa
• 1.8.4. Phương pháp oxy hóa khử
• 1.8.5. Phương pháp sinh học
• 1.8.6. Phương pháp hấp phụ
• 1.8.6.1. Hấp phụ trong môi trường nước
• 1.8.6.2. Động học hấp phụ
• 1.9. Một số phương pháp định lượng kim loại
• 1.9.1. Phương pháp thể tích
• 1.9.2. Phương pháp trắc quang
• 1.9.2.1. Nguyên tắc chung
• 1.9.2.2. Các phương pháp phân tích định lượng bằng trắc quang
• 1.10. Giới thiệu về vật liệu hấp phụ
• 1.10.1. Một số hướng nghiên cứu sử dụng phụ phẩm nông nghiệp làm vật liệu hấp phụ
• 1.10.1.1. Vỏ đậu tương
• 1.10.1.2. Giới thiệu về vỏ trấu
• 1.10.1.3. Dụng cụ và hóa chất
• 1.10.1.4. Phương pháp xác định sắt
• 1.10.1.5. Trình tự phân tích
• 1.10.1.6. Xây dựng đường chuẩn của sắt
• 1.10.1.7. Chế tạo vật liệu hấp phụ từ vỏ trấu
• 1.10.1.8. Khảo sát khả năng hấp phụ của nguyên liệu và vật liệu hấp phụ
• 1.10.1.9. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của vật liệu hấp phụ
• 1.10.1.10. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ
• 1.10.1.11. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng vật liệu đến quá trình hấp phụ
• 1.10.1.12. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ của vật liệu
• 1.10.1.13. Sự phụ thuộc tải trọng vào nồng độ cân bằng
• 1.10.1.14. Khảo sát khả năng giải hấp và tái sinh của vật liệu hấp phụ
• 1.11. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 1.11.1. Khảo sát khả năng hấp phụ của nguyên liệu và vật liệu hấp phụ
• 1.11.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến quá trình hấp phụ Sắt
• 1.11.3. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của khối lượng vật liệu đến quá trình hấp phụ Sắt
• 1.11.4. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ Sắt
• 1.11.5. Khảo sát sự phụ thuộc tải trọng hấp phụ vào nồng độ cân bằng của Sắt
• 1.11.6. Kết quả khảo sát khả năng giải hấp, tái sinh vật liệu hấp phụ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Chế Tạo Than Hoạt Tính Từ Vỏ Trấu

Chế tạo than hoạt tính từ vỏ trấu đang trở thành một xu hướng quan trọng trong lĩnh vực xử lý nước thải. Vỏ trấu, một sản phẩm phụ từ nông nghiệp, không chỉ có giá trị dinh dưỡng mà còn có khả năng hấp phụ tốt. Việc chuyển đổi vỏ trấu thành than hoạt tính không chỉ giúp giảm thiểu chất thải mà còn tạo ra một vật liệu có giá trị trong xử lý ô nhiễm nước. Nghiên cứu này sẽ đi sâu vào quy trình chế tạo và ứng dụng của than hoạt tính từ vỏ trấu.

1.1. Vỏ Trấu Nguồn Nguyên Liệu Tiềm Năng

Vỏ trấu là một nguồn nguyên liệu phong phú và dễ kiếm. Chúng chứa nhiều hợp chất hữu cơ có khả năng chuyển hóa thành than hoạt tính. Việc sử dụng vỏ trấu không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

1.2. Tính Chất Của Than Hoạt Tính Từ Vỏ Trấu

Than hoạt tính từ vỏ trấu có nhiều tính chất nổi bật như diện tích bề mặt lớn và khả năng hấp phụ cao. Những tính chất này giúp nó trở thành một lựa chọn lý tưởng cho việc xử lý nước thải, đặc biệt là trong việc loại bỏ kim loại nặng.

II. Vấn Đề Ô Nhiễm Nước Thải Và Thách Thức Xử Lý

Ô nhiễm nước thải do kim loại nặng là một trong những vấn đề nghiêm trọng hiện nay. Các kim loại như chì, thủy ngân và cadmium có thể gây hại cho sức khỏe con người và môi trường. Việc xử lý nước thải chứa kim loại nặng đòi hỏi các phương pháp hiệu quả và bền vững. Sự phát triển của công nghiệp và đô thị hóa nhanh chóng đã làm gia tăng lượng nước thải, tạo ra áp lực lớn lên hệ thống xử lý hiện tại.

2.1. Nguồn Gốc Ô Nhiễm Kim Loại Nặng

Các nguồn ô nhiễm kim loại nặng chủ yếu đến từ hoạt động công nghiệp, nông nghiệp và sinh hoạt. Nước thải từ các nhà máy sản xuất, mạ điện và khai thác khoáng sản thường chứa hàm lượng kim loại nặng cao, vượt quá tiêu chuẩn cho phép.

2.2. Tác Động Của Ô Nhiễm Nước Đến Sức Khỏe

Ô nhiễm nước không chỉ ảnh hưởng đến môi trường mà còn gây ra nhiều vấn đề sức khỏe nghiêm trọng cho con người. Các kim loại nặng có thể tích tụ trong cơ thể, dẫn đến các bệnh lý nghiêm trọng như ung thư, bệnh thận và các rối loạn thần kinh.

III. Phương Pháp Oxy Hóa Trong Chế Tạo Than Hoạt Tính

Phương pháp oxy hóa là một trong những kỹ thuật chính để chế tạo than hoạt tính từ vỏ trấu. Quá trình này giúp tăng cường tính chất hấp phụ của than hoạt tính, làm cho nó trở thành một vật liệu hiệu quả trong xử lý nước thải. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc điều chỉnh các yếu tố như nhiệt độ và thời gian oxy hóa có thể cải thiện đáng kể hiệu suất hấp phụ.

3.1. Quy Trình Oxy Hóa Vỏ Trấu

Quy trình oxy hóa bao gồm các bước như chuẩn bị nguyên liệu, xử lý nhiệt và oxy hóa. Mỗi bước đều có ảnh hưởng lớn đến chất lượng của than hoạt tính cuối cùng.

3.2. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Hiệu Suất Oxy Hóa

Nhiệt độ, thời gian và nồng độ oxy là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình oxy hóa. Việc tối ưu hóa các yếu tố này sẽ giúp tạo ra than hoạt tính có hiệu suất hấp phụ cao nhất.

IV. Ứng Dụng Than Hoạt Tính Trong Xử Lý Nước Thải

Than hoạt tính từ vỏ trấu đã được chứng minh là một vật liệu hiệu quả trong việc xử lý nước thải. Nó có khả năng hấp phụ tốt các kim loại nặng và các hợp chất hữu cơ độc hại. Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng than hoạt tính từ vỏ trấu có thể giảm thiểu ô nhiễm nước một cách hiệu quả và tiết kiệm chi phí.

4.1. Hiệu Quả Xử Lý Nước Thải Bằng Than Hoạt Tính

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng than hoạt tính từ vỏ trấu có thể loại bỏ tới 90% các kim loại nặng trong nước thải. Điều này cho thấy tiềm năng lớn của vật liệu này trong xử lý ô nhiễm nước.

4.2. So Sánh Với Các Phương Pháp Khác

So với các phương pháp xử lý nước thải truyền thống, việc sử dụng than hoạt tính từ vỏ trấu không chỉ hiệu quả mà còn tiết kiệm chi phí và thân thiện với môi trường hơn.

V. Kết Luận Và Tương Lai Của Nghiên Cứu

Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ vỏ trấu bằng phương pháp oxy hóa đã mở ra nhiều cơ hội mới trong việc xử lý nước thải. Với những lợi ích về hiệu quả và chi phí, than hoạt tính từ vỏ trấu có thể trở thành một giải pháp bền vững cho vấn đề ô nhiễm nước. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ tiếp tục phát triển với nhiều ứng dụng mới trong lĩnh vực môi trường.

5.1. Triển Vọng Phát Triển Vật Liệu Hấp Phụ

Với sự phát triển của công nghệ, việc nghiên cứu và phát triển các vật liệu hấp phụ mới từ nguồn nguyên liệu tự nhiên như vỏ trấu sẽ tiếp tục được đẩy mạnh.

5.2. Hướng Nghiên Cứu Tương Lai

Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình chế tạo và mở rộng ứng dụng của than hoạt tính trong các lĩnh vực khác nhau như xử lý khí thải và hấp phụ các hợp chất hữu cơ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Nước và sự ô nhiễm nguồn nước bởi các kim loại nặng. Vai trò của nước Nước là tài sản chung của nhân loại, là nguồn gốc của sự sống, là môi trườngtrong đó diễn ra các quá trình sống. Nước đóng vai trò rất quan trọng trong việc đảm bảo cuộc sống của con người.

Nước là dung môi lý tưởng để hòa tan, phân bố các chấtvô cơ, hữu cơ, làm nguồn dinh dưỡng cho giới thủy sinh cũng như thực vật và độngvật trên cạn, cho giới sinh vật và cả con người. Nước giúp cho các tế bào sinh vật trao đổi chất dinh dưỡng, tham gia vào các quá trình phản ứng sinh hóa và cấu tạo tế bào mới. Có thể nói ở đâu có nước ở đó có sự sống. Trên trái đất, tổng trữ lượng nước khoảng 1.386 triệu km3 trong đó nước biển chiếm khoảng 97,3% còn lại là nước ngọt 2,7% (nhưng phần lớn ở dạng đóng băng 77,2%).

Do vậy, con người khai thác các nguồn nước như: nước ngầm, hồ đầm, sông suối để phục vụ cho các mục đích khác nhau như: giao thông vận tải, tưới tiêu cho nông nghiệp, làm thủy điện, cung cấp nước cho sinh hoạt, làm nguyên liệu và các tác nhân trao đổi nhiệt trong công nghiệp hoặc sử dụng làm các phương tiện giải trí… Hiện nay, với sự phát triển nhanh chóng của các ngành công nghiệp, nguồn nước ngày càng bị ô nhiễm bởi các loại chất thải khác nhau đe dọa môi trường và sức khỏe con người. Một trong các tác nhân gây ô nhiễm môi trường nước phải kể đến là các kim loại nặng. Tình trạng ô nhiễm nước do kim loại nặng Cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, nhu cầu cuộc sống của con người tăng cao về mọi mặt dẫn tới sản lượng kim loại do con người khai thác hàng năm tăng lên. Đây là nguyên nhân chính khiến nguồn nước bị ô nhiễm bởi các kim loại nặng.

Điển hình như: Cu2+, Fe3+, Pb2+, Ni2+, Hg2+, Cd2+, Mn2+ … Hiện nay ở Việt Nam, mặc dù các cấp, các ngành đã có nhiều cố gắng trong việc thực hiện chính sách và pháp luật về bảo vệ môi trường, nhưng tình trạng ô nhiễm nước vẫn là vấn đề đáng lo ngại. Ở các thành phố lớn, hàng trăm cơ sở sản xuất công nghiệp đang gây ô nhiễm môi trường nước do không có công trình Sinh viên: Lưu Thị Ánh - MT1801 2 Khóa luận tốt nghiệp và thiết bị xử lý. Theo đánh giá của một số các công trình nghiên cứu, hiện nay hầu hết các sông, hồ ở hai thành phố lớn là Hà Nội, Hồ Chí Minh và một số thành phố có các khu công nghiệp lớn như Bình Dương nồng độ kim loại nặng của các sông ở các khu vực này đều vượt quá tiêu chuẩn cho phép từ 3 đến 4 lần, có thể kể đến các sông ở Hà Nội như sông Tô Lịch, sông Nhuệ (nơi có nhiều nhà máy, khu công nghiệp), ở thành phố Hồ Chí Minh là sông Sài Gòn và kênh Nhiêu Lộc, kênh Sài Gòn. làm ảnh hưởng đến môi trường sống của các sinh vật thủy sinh và sức khỏe con người.

Vì vậy, việc xử lý nước thải ngay tại các nhà máy, các khu công nghiệp là vô cùng cần thiết và đòi hỏi sự giám sát chặt chẽ, thường xuyên của các cơ quan chức năng. Một số nguồn gây ô nhiễm kim loại nặng 1. Hoạt động khai thác mỏ Khoa học càng phát triển, nhu cầu của con người và xã hội ngày càng cao dẫn tới sản lượng kim loại do con người khai thác hàng năm càng tăng hay lượng kim loạinặng trong nước thải càng lớn, nảy sinh yêu cầu về xử lý nước thải có chứa kim loạinặng đó.Việc khai thác và tuyển dụng quặng vàng phải dùng đến thuốc tuyển có chứa Hg, CN-…Ngoài ra, các nguyên tố kim loại nặng như As, Pb… có thể hòa tan vào nước. Vì vậy, ô nhiễm hóa học do khai thác và tuyển quặng vàng là nguy cơ đáng lo ngại đối với nguồn nước sinh hoạt và nước công nghiệp.

Nước ở các mỏ than thường có hàm lượng cao các ion kim loại nặng, á kim … cao hơn TCVN từ 1 đến 3 lần. Các kết quả nghiên cứu của Viện Y học lao động và vệ sinh môi trường năm 2010 cho thấy môi trường các khu vực khai thác, chế biến kim loại màu ở phía Bắc nước ta như mỏ chì-kẽm Lang Hích, mỏ chì-kẽm Bản Thi, mỏ mangan Cao Bằng, mỏ thiếc Sơn Dương. thường có hàm lượng kim loại nặng vượt giới hạn cho phép từ 2-10 lần về chì; 1,5- 5 lần về Asen; 2-15 lần về kẽm. Tại mỏ than lộ thiên Khánh Hòa nồng độ bụi than và bụi đá trong môi trường có lúc lên tới 42mg/m3.

Hậu quả là có tới 8- 10% công nhân trong khu vực này bị nhiễm độc chì, Asen hoặc bị bệnh bụi phổi hàng năm phải đi điều trị. Do đó, việc xử lý nước thải từ hoạt động khai thác mỏ là vô cùng cần thiết. Sinh viên: Lưu Thị Ánh - MT1801 3 Khóa luận tốt nghiệp 1. Công nghiệp mạ Nước thải của quá trình mạ điện có chứa hàm lượng kim loại khá cao.

Theo kết quả khảo sát nước thải phân xưởng mạ điện tại một số nhà máy như sau: Bảng 1. Kết quả khảo sát nước thải phân xưởng mạ điện tại một số nhà máy Lượng nước Hàm Lượng Hàm lượng Ni2+ Địa điểm pH thải (m3/ngày) Cr6+(mg/l) ( mg/ngày) Nhà máy cơ khí 10 2,9 ÷ 12 0,21 ÷ 14,8 0,5 ÷ 20,1 chính xác Nhà máy khóa 70 6,3 ÷ 7,5 5 ÷ 20 0,1 ÷ 48 Minh Khai Công ty cơ điện 20 5,8 3 ÷ 10 0,2 ÷ 6,05 Thống Nhất QCVN 5,5 ÷ 9 0,1 0,5 40:2011/BTNMT (B) Kết quả cho thấy hàm lượng ion kim loại nặng Cr 6+, Ni2+ đều cao hơn nhiều lần so với tiêu chuẩn cho phép. Mặt khác, do pH thường dao động trong khoảng rộng nên ảnh hưởng đến khả năng hòa tan kim loại. Vì vậy, nồng độ kim loại nặng luôn có sự biến động dẫn đến những khó khăn cho quá trình xử lý.

Đây là nguyên nhân gây ô nhiễm các nguồn tiếp cận: nước mặt, nước ngầm, hệ thống xử lý nước thải gây tích tụ sinh học ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng. Công nghiệp sản xuất các hợp chất vô cơ Các kim loại nặng được thải ra ở hầu hết các quá trình sản xuất các hợp chất vô cơ như quá trình sản xuất xút - Clo, HF, NiSO4, CuSO4. Trước đây, thủy ngân được thải ra với lượng lớn trong quá trình sản xuất xút - clo vì công nghệ sản xuất xút - clo sử dụng điện cực thủy ngân. Dòng nước thải từ bể điện phân có thể có nồng độ thủy ngân lên tới 35mg/l.

Nồng độ Niken cao tới 390mg/l được phát hiện trong nước từ một nhà máy sản xuất NiSO4. Khi hàm lượng kim loại nặng thải ra cao như vậy, nếu không có biện pháp xử lý thích hợp, triệt để thì ô nhiễm nguồn Sinh viên: Lưu Thị Ánh - MT1801 4 Khóa luận tốt nghiệp nước là hậu quả tất yếu. Quá trình sản xuất sơn, mực và thuốc nhuộm Công nghiệp sản xuất sơn mực và thuốc nhuộm sử dụng nhiều hoá chất có chứa kim loại nặng như: cadimium là kim loại có nhiều trong tự nhiên thường được sử dụng trong các pigment để in vật liệu dệt, đặc biệt là các pigment màu đỏ, màu vàng, màu cam, xanh lá cây và được sử dụng là tác nhân nhuộm màu cho vật liệu dệt, da và sản phẩm plastic. Các kim loại nặng gồm antimoan, asen, bari và seleni, các kim loại này được cho là gây ra các ảnh hưởng tiêu cực lên sức khỏe con người.

Các kim loại này gắn liền với tơ tổng hợp (có thể tìm thấy trong phụ liệu trang trí quần áo và vật liệu phụ trợ), các hợp chất hữu cơ như là các nhóm butyl và phenyl kết hợp với thiếc (có thể tìm thấy trong các chất kháng khuẩn, plastic, mực in, sơn và vật liệu chuyển nhiệt). Crom là kim loại có trong tự nhiên. Trong vật liệu dệt và quần áo, người ta có thể tìm thấy crom trong plastic, da thuộc và các pigment. Hiện nay, một số cơ sở sản xuất đang thải trực tiếp nước thải ra môi trường làm ô nhiễm sông ngòi, chết các sinh vật thuỷ sinh, ảnh hưởng đến kinh tế và sức khoẻ của người dân quanh khu vực phát thải.

Vì vậy, việc xử lý nước thải sơn, mực, thuốc nhuộm là vô cùng cấp thiết. Công nghiệp luyện kim Một lượng lớn hóa chất độc hại như: CN - , NH4 +, S2O32- và đặc biệt là các xưởng lò cao, lò khử trực tiếp được thải ra môi trường đã làm ô nhiễm nặng cho nguồn nước. Trong những năm gần đây, có thể thấy tình trạng ô nhiễm môi trường nước ở Việt Nam đang là vấn đề cần giải quyết cấp bách trong quá trình phát triển kinh tế - xã hội. Việc kiểm soát, bảo vệ các nguồn nước cũng như hệ sinh thái là việc làm có ýnghĩa chiến lược quốc gia.

Vì vậy, bên cạnh các biện pháp kiểm soát ô nhiễm với những chính sách bảo vệ môi trường của Nhà nước, nghiên cứu các phương pháp xử lý ô nhiễm nước hiệu quả, kinh tế là một việc làm thiết thực và có ý nghĩa. Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp (QCVN 40:2011/BTNMT)[9] Sinh viên: Lưu Thị Ánh - MT1801 5 Khóa luận tốt nghiệp 1. Phạm vi điều chỉnh Quy chuẩn này quy định giá trị tối đa cho phép của các thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp khi xả ra nguồn tiếp nhận nước thải 1. Đối tượng áp dụng - Quy chuẩn này áp dụng đối với tổ chức, cá nhân liên quan đến hoạt động xả nước thải công nghiệp ra nguồn tiếp nhận nước thải.

- Nước thải của một số ngành đặc thù được áp dụng theo quy chuẩn kỹ thuật quốc gia riêng. - Nước thải công nghiệp xả vào hệ thống thu gom của nhà máy xử lý nước thải tập trung tuân thủ theo quy định của đơn vị quản lý và vận hành nhà máy xử lý nước thải tập trung. Giải thích thuật ngữ Nước thải công nghiệp: là nước thải phát sinh từ quá trình công nghệ của cơ sở sản xuất, dịch vụ công nghiệp, từ nhà máy xử lí nước thải tập trung có đầu nối nước thải của cơ sở công nghiệp. Nguồn tiếp nhận nước thải: là hệ thống thoát nước đô thị, khu dân cư, sông, suối, khe, rạch, kênh, mương, hồ, ao, đầm, vùng nước biển ven bờ có mục đích sử dụng xác định.

Quy định kỹ thuật Giá trị tối đa cho phép của các thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp khi xả vào nguồn tiếp nhận nước thải được tính toán như sau: Cmax = C.