MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Cùng với sự đổi mới cơ chế quản lý của Nhà nƣớc và quản lý trong sản xuất kinh doanh, công nghiệp đã thực sự trở thành động lực thúc đẩy nền kinh tế phát triển, đặc biệt là nhóm ngành công nghiệp mũi nhọn nhƣ luyện kim, cơ khí, điện tử. Tuy nhiên, bên cạnh những lợi ích về kinh tế, quá trình phát triển công nghiệp đã làm cho môi trƣờng bị ô nhiễm nghiêm trọng, đặc biệt sự hiện diện của kim loại nặng nhƣ Cu, Cd, Zn, Pb, As,. trong môi trƣờng đất, nƣớc đã và đang là vấn đề môi trƣờng đƣợc cộng đồng quan tâm.
Sự tích tụ kim loại nặng ảnh hƣởng tiêu cực đến đời sống của các sinh vật thủy sinh, gây ảnh hƣởng đến sức khỏe của con ngƣời thông qua chuỗi thức ăn. Vì vậy, việc áp dụng các phƣơng pháp xử lý nhằm giảm thiểu hoặc loại bỏ chúng ra khỏi môi trƣờng là rất cần thiết và ngày càng đƣợc quan tâm nhằm bảo vệ môi trƣờng sinh thái và sức khỏe cộng đồng. Hiện nay, nhiều phƣơng pháp khác nhau đƣợc sử dụng để loại bỏ kim loại nặng ra khỏi môi trƣờng nƣớc nhƣ phƣơng pháp hóa học, sinh học, trao đổi ion, thẩm thẩu ngƣợc, lọc nano, kết tủa hoặc hấp phụ. Trong đó, hấp phụ là một trong những phƣơng pháp có nhiều ƣu việt so với các phƣơng pháp khác là có thể tách loại đƣợc đồng thời nhiều kim loại trong dung dịch, có khả năng tái sử dụng vật liệu hấp phụ (VLHP) và thu hồi kim loại.
Mặt khác, phƣơng pháp này có thể sử dụng nguyên liệu rẻ tiền, dễ kiếm. Một số vật liệu giá thành thấp đã đƣợc tiến hành nghiên cứu ở nhiều quốc gia nhằm xử lý kim loại nặng trong nƣớc. Các kết quả nghiên cứu gần đây đã chứng minh rằng nhiều vật liệu tự nhiên có sẵn ở địa phƣơng có thể sử dụng để thay thế vật liệu hấp phụ đắt tiền. Việt Nam là một nƣớc nông nghiệp có nguồn chất thải nông nghiệp dồi dào rất thuận lợi việc phát triển VLHP giá thành thấp.
Việt Nam là nƣớc đứng thứ 4 thế giới về sản lƣợng khai thác mủ cao su với diện tích trồng cao su gần 850 ngàn ha (năm 2014). Hàng năm, trong khoảng cuối tháng 12 đến tháng 3, các cánh rừng cao su đồng loạt thay lá. Vì vậy, lƣợng lá khô rụng thải ra môi trƣờng rất lớn. Công nhân thƣờng dùng máy thổi để thổi những lớp lá dày sát gốc cây ra những khoảng trống an toàn để đốt lấy tro bón đất.
Đề tài “Nghiên cứu khả năng 1 sử dụng lá cao su làm vật liệu xử lý Cu(II) trong nước” đƣợc thực hiện với mong muốn tận dụng nguồn chất thải là lá cây cao su mùa lá rụng để chế tạo vật liệu hấp phụ xử lý đồng và kim loại nặng trong nƣớc và nƣớc thải. Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu chế tạo vật liệu từ lá cây cao su với 3 tác nhân là nƣớc, NaOH và H2SO4; - Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hƣởng đến khả năng xử lý Cu(II) của 3 vật liệu đã chế tạo. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tƣợng nghiên cứu: Vật liệu: lá cây cao su khô đƣợc thu gom vào mùa lá rụng tại tỉnh Đăk Lăk. Kim loại: dung dịch Cu(II) có nồng độ khoảng 20 mg/L, đây là loại kim loại có tính độc cao và thƣờng có mặt trong nƣớc thải của một số ngành công nghiệp.
- Phạm vi nghiên cứu: thực hiện trong phòng thí nghiệm. - Địa điểm thực hiện: i/ Phòng thí nghiệm R&D công nghệ môi trƣờng – Viện Khoa học và Công nghệ môi trƣờng, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội (INEST-HUST); ii/ Phòng Công nghệ & vật liệu môi trƣờng – Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (IMS - VAST). - Thời gian thực hiện: từ tháng 10/2016 - 03/2017. Đóng góp của Luận văn - Xây dựng quy trình chế tạo VLHP từ lá cây cao su với 3 tác nhân khác nhau; - Đã khảo sát ảnh hƣởng của các yếu tố: thời gian tiếp xúc, pH, tỷ lệ rắn-lỏng đến hiệu suất xử lý Cu(II) trong nƣớc bởi 3 vật liệu đã chế tạo; - Các số liệu thực nghiệm đƣợc biểu diễn theo mô hình đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich; - Thăm dò khả năng giải hấp phụ Cu(II) và khả năng tái sử dụng vật liệu.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Tiếp cận hƣớng nghiên cứu mới, sử dụng vật liệu tự nhiên giá thành thấp, thân thiện với môi trƣờng để xử lý kim loại. - Tận dụng nguồn chất thải nông nghiệp để chế tạo vật liệu sinh học có khả nặng loại bỏ Cu(II) trong nƣớc. - Góp phần nâng cao hiểu biết về vấn đề loại bỏ kim loại nặng bằng vật liệu sinh học, đặc biệt là sinh khối khô của thực vật bản địa. - Các kết quả nghiên cứu bƣớc đầu về khả năng loại bỏ Cu(II) bởi loại vật liệu đã chế tạo góp phần ứng dụng trong xử lý nƣớc và nƣớc thải.
Bố cục Luận văn Luận văn gồm 03 chƣơng: Chƣơng 1: Ô nhiễm đồng trong nƣớc và các phƣơng pháp xử lý; Chƣơng 2: Phƣơng pháp nghiên cứu và quy trình thực nghiệm; Chƣơng 3: Kết quả và thảo luận. 3 CHƢƠNG 1 Ô NHIỄM ĐỒNG TRONG NƢỚC VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ 1. Hiện trạng ô nhiễm đồng trong nƣớc, ảnh hƣởng của chúng đến con ngƣời và môi trƣờng 1. Đặc tính của đồng Đồng là kim loại mầu vàng ánh đỏ, có kí hiệu hóa học là Cu và khối lƣợng nguyên tử là 63,546 đvc.
Cấu hình electron của Cu là [Ar]3d104s1. Bán kính nguyên tử là 1,28 A0, thế điện cực +0,337 (V). Năng lƣợng ion hóa của đồng là I1= 7,7 eV; I2= 20,29 eV; I3= 36,9 eV [11]. Đồng là kim loại vƣợt xa các kim loại khác về tính dẻo dai: dễ dát mỏng và dễ kéo sợi.
Mặc dù có độ cứng không cao (3,0) nhƣng đồng lại có khả năng chống mài mòn tốt. Đồng kết tinh ở dạng tinh thể lập phƣơng tâm diện. Trong thiên nhiên có 2 đồng vị bền là 63Cu ( 70,13%) và 65Cu (29,87%).1: Các tính chất vật lý của đồng [11] Tính chất vật lý Giá trị Nhiệt độ nóng chảy (0C) 1083 Nhiệt độ sôi (0C) 2543 Nhiệt thăng hoa (kJ/mol) 339,6 Tỷ khối 8,94 Độ cứng (thang đo Moxo) 3,0 Độ dẫn điện (Hg=1) 57 Độ dẫn nhiệt (Hg=1) 36 Trong vỏ trái đất, đồng chủ yếu ở dạng hợp chất sunfua lẫn với các kim loại khác. Quan trọng là quặng cancopirit CuFeS, cancozin Cu2S , quặng cuprit Cu2O, malachit Cu2(OH)2CO3, tenorit cao.
Đồng có mặt trong vỏ trái đất với nồng độ 50 ppm. Trong nƣớc của đại dƣơng (tính trong một lít nƣớc biển) có 3.10-3 mg đồng ở dạng Cu(II). Trong động vật và thực vật (tính theo phần % khối lƣợng) có 2. Đồng là một trong những nguyên tố rất đặc biệt về mặt sinh vật học.
Nhiều loại cây nếu đƣợc bón thêm một lƣợng thích nghi các hợp chất của đồng thì năng 4 suất thu hoạch thƣờng tăng lên; trong số các động vật thì một số loài nhuyễn thể nhƣ hàu, bạch tuộc có chứa nhiều đồng nhất. Cơ thể ngƣời và các động vật khác, đồng chủ yếu tập trung ở gan [15]. Nguồn gốc ô nhiễm Cu(II) trong nước Ngày nay, việc ứng dụng các tiến bộ khoa học kĩ thuật trong quá trình phát triển công nghiệp đã không ngừng tăng mức sản lƣợng khai thác và sử dụng các kim loại trong các lĩnh vực, các ngành công nghiệp. Một số ngành công nghiệp nhƣ khai thác quặng kim loại, luyện kim, ngành mạ, ngành cơ khí và một số ngành công nghệ cao nhƣ điện dân dụng, điện tử, điều khiển tự động… đã và đang từng bƣớc phát triển mạnh đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển ngành công nghiệp của đất nƣớc.
Sự có mặt của các ion kim loại trong nƣớc nói chung có thể có nguồn gốc từ địa tầng, từ nƣớc thải sinh hoạt hay nƣớc thải từ các quá trình sản xuất. Trong đó, đóng vai trò quan trọng nhất là nƣớc thải từ các quá trình sản xuất công nghiệp. Nƣớc thải các ngành sản xuất trên thƣờng chứa các ion kim loại Cu(II), Fe(II), Fe(III), Ni(II), Cr(III),. với nồng độ cao.
Lƣợng nƣớc thải này nếu không đƣợc xử lý hoặc xử lý không đạt tiêu chuẩn dòng thải thì khi thải bỏ sẽ gây ô nhiễm kim loại trong môi trƣờng nƣớc, ảnh hƣởng tới môi trƣờng sinh thái và sức khoẻ cộng đồng. Nhờ các đặc tính ƣu việt, đồng kim loại và hợp kim của nó đƣợc ứng dụng rộng rãi đối với một số ngành công nghiệp mũi nhọn hiện nay nhƣ cơ khí, điện, điện tử,… Một số phƣơng pháp mạ đồng đƣợc tiến hành nhƣ mạ nhờ phản ứng khử hóa học; mạ nhờ phản ứng trao đổi; mạ tiếp xúc; mạ điện… trong đó, mạ điện đang đƣợc sử dụng khá phổ biến. Đồng và các hợp kim còn đƣợc sử dụng để mạ lên chất dẻo, nhựa, các vật liệu trang trí, đồ dùng sinh hoạt và các sản phẩm trong ngành kim hoàn (Hình 1. Đây là một bƣớc tiến mới trong ngành mạ, đóng vai trò bảo vệ và tăng giá trị thẩm mĩ cho các sản phẩm vật liệu phi kim.
5 Chất dẻo Định hình sản phẩm Kiềm, xăng,dung môi Nƣớc thải dung môi, dầu mỡ Tẩy dầu mỡ Dung dịch axít Nƣớc thải chứa axít Trung hoà Hoá chất Nƣớc thải chứa hoá chất Xử lý hoá học Làm nhạy Hoạt hoá Hoạt hoá Xúc tiến Dung dịch đồng Nƣớc thải chứa Cu(II) Mạ đồng hóa học Dung dịch đồng, Nƣớc thải chứa Cu(II), Mạ đồng điện hoá hóa chất hóa chất bƣớc đầu Dung dịch đồng, Nƣớc thải chứa Cu(II), hóa chất Mạ đồng bóng hóa chất Dung dịch các kim Nƣớc thải chứa kim loại Mạ thêm các kim loại khác loại khác Nƣớc thải chứa kiềm, axit, dung môi, Cu(II) và các Sản phẩm kim loại khác Hình 1. Quá trình mạ đồng lên chất dẻo [8] Ở nƣớc ta hiện nay, do các trang thiết bị, công nghệ trong ngành mạ vẫn đang từng bƣớc cải tiến nên việc sử dụng nƣớc trong sản xuất cũng nhƣ việc thải bỏ nƣớc thải còn chƣa đƣợc quan tâm đúng mức. Việc sử dụng nƣớc trong ngành mạ 6 khá lớn và lƣợng nƣớc thải sinh ra có nồng độ kim loại ô nhiễm, vƣợt quá tiêu chuẩn cho phép đối với dòng thải nhiều lần gây ảnh hƣởng trực tiếp tới nguồn nƣớc mặt và lâu dài sẽ ảnh hƣởng tới nguồn nƣớc ngầm cũng nhƣ môi trƣờng sinh thái. Đặc tính của nƣớc thải mạ phụ thuộc vào từng công đoạn của quá trình mạ cũng nhƣ dung dịch mạ.
