Khóa luận tốt nghiệp: Ảnh hưởng của sóng siêu âm đến quá trình hấp phụ mangan trong vật liệu lọc

Khóa luận nghiên cứu tác động của sóng siêu âm lên quá trình hấp phụ mangan bằng vật liệu lọc, ứng dụng trong xử lý nước hiệu quả.

• Tác giả: Hoàng Đình Quyền
• Người hướng dẫn: TS. Võ Hoàng Tùng
• Trường học: Trường Đại học Dân lập Hải Phòng
• Chuyên ngành: Kĩ thuật Môi trường
• Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của sóng siêu âm đến quá trình hấp phụ Mangan của vật liệu lọc
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hải Phòng

Tóm tắt

I. Tổng quan về sóng siêu âm và hấp phụ mangan

Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của sóng siêu âm đến quá trình hấp phụ mangan trong các vật liệu lọc. Sóng siêu âm được sử dụng như một công cụ để tối ưu hóa hiệu suất hấp phụ, đặc biệt là trong xử lý nước. Các vật liệu lọc như than hoạt tính, vỏ trấu, vỏ lạc, và lõi ngô được nghiên cứu để đánh giá khả năng hấp phụ mangan dưới tác động của sóng siêu âm. Kết quả cho thấy, sóng siêu âm có thể cải thiện đáng kể hiệu suất hấp phụ nhờ vào cơ chế tạo bọt khí và tăng cường diện tích tiếp xúc.

1.1. Cơ chế tác động của sóng siêu âm

Sóng siêu âm tạo ra hiện tượng cavitation, tức là sự hình thành, phát triển và vỡ của bọt khí trong dung dịch. Quá trình này tạo ra áp suất và nhiệt độ cục bộ cao, giúp phá vỡ cấu trúc bề mặt của vật liệu hấp phụ, làm tăng diện tích tiếp xúc và cải thiện khả năng hấp phụ. Điều này đặc biệt hữu ích trong việc xử lý các ion kim loại nặng như mangan.

1.2. Vật liệu lọc và hấp phụ mangan

Các vật liệu lọc như than hoạt tính, vỏ trấu, vỏ lạc, và lõi ngô được nghiên cứu do cấu trúc xốp và khả năng hấp phụ cao. Than hoạt tính có diện tích bề mặt lớn, trong khi các phụ phẩm nông nghiệp như vỏ trấu và lõi ngô chứa các nhóm chức hóa học có khả năng tạo phức với ion mangan. Sóng siêu âm giúp tối ưu hóa quá trình hấp phụ bằng cách làm sạch bề mặt vật liệu và tăng cường khả năng tiếp xúc.

II. Phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm

Nghiên cứu được thực hiện thông qua các thí nghiệm hấp phụ mangan trong cả trạng thái tĩnh và động. Các vật liệu lọc được xử lý bằng sóng siêu âm ở các tần số và cường độ khác nhau để đánh giá hiệu quả. Phương pháp đo quang được sử dụng để xác định nồng độ mangan trước và sau quá trình hấp phụ. Kết quả cho thấy, sóng siêu âm làm tăng hiệu suất hấp phụ lên đến 30% so với phương pháp truyền thống.

2.1. Thiết bị và hóa chất sử dụng

Các thiết bị chính bao gồm máy phát sóng siêu âm, máy đo quang, và các dụng cụ phòng thí nghiệm tiêu chuẩn. Hóa chất sử dụng gồm dung dịch mangan chuẩn và các vật liệu lọc như than hoạt tính, vỏ trấu, vỏ lạc, và lõi ngô. Quy trình thí nghiệm được thiết kế để đảm bảo độ chính xác và khả năng lặp lại.

2.2. Phương pháp xác định hiệu suất hấp phụ

Hiệu suất hấp phụ được tính toán dựa trên sự thay đổi nồng độ mangan trước và sau quá trình hấp phụ. Phương trình Langmuir và Freundlich được sử dụng để mô tả đẳng nhiệt hấp phụ. Kết quả cho thấy, sóng siêu âm không chỉ làm tăng hiệu suất hấp phụ mà còn rút ngắn thời gian đạt cân bằng hấp phụ.

III. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy, sóng siêu âm có ảnh hưởng tích cực đến quá trình hấp phụ mangan trong cả trạng thái tĩnh và động. Hiệu suất hấp phụ của than hoạt tính tăng từ 70% lên 90% khi sử dụng sóng siêu âm. Các vật liệu khác như vỏ trấu và lõi ngô cũng cho thấy sự cải thiện đáng kể. Điều này chứng tỏ tiềm năng ứng dụng của công nghệ siêu âm trong xử lý nước ô nhiễm mangan.

3.1. Hiệu suất hấp phụ trong trạng thái tĩnh

Trong trạng thái tĩnh, sóng siêu âm làm tăng hiệu suất hấp phụ của than hoạt tính từ 70% lên 90%. Các vật liệu khác như vỏ trấu và lõi ngô cũng cho thấy sự cải thiện từ 50% lên 75%. Kết quả này cho thấy, sóng siêu âm không chỉ làm tăng hiệu suất mà còn rút ngắn thời gian đạt cân bằng hấp phụ.

3.2. Hiệu suất hấp phụ trong trạng thái động

Trong trạng thái động, hiệu suất hấp phụ của than hoạt tính tăng từ 60% lên 85% khi sử dụng sóng siêu âm. Các vật liệu khác như vỏ lạc và lõi ngô cũng cho thấy sự cải thiện từ 40% lên 70%. Điều này chứng tỏ, sóng siêu âm có thể được ứng dụng trong các hệ thống lọc nước quy mô lớn.

IV. Ứng dụng và ý nghĩa thực tiễn

Nghiên cứu này không chỉ cung cấp cơ sở khoa học cho việc ứng dụng sóng siêu âm trong xử lý nước mà còn mở ra hướng đi mới trong việc tối ưu hóa các vật liệu hấp phụ. Việc sử dụng các phụ phẩm nông nghiệp như vỏ trấu, lõi ngô không chỉ giúp giảm chi phí mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong các nhà máy xử lý nước, đặc biệt là ở các khu vực có nguồn nước bị ô nhiễm mangan.

4.1. Tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước

Kết quả nghiên cứu cho thấy, công nghệ siêu âm có thể được tích hợp vào các hệ thống xử lý nước để tăng hiệu suất loại bỏ mangan. Điều này đặc biệt hữu ích ở các khu vực có nguồn nước ngầm bị ô nhiễm mangan, như đồng bằng sông Hồng và sông Cửu Long.

4.2. Ý nghĩa kinh tế và môi trường

Việc sử dụng các vật liệu hấp phụ từ phụ phẩm nông nghiệp không chỉ giúp giảm chi phí mà còn góp phần tái chế chất thải, bảo vệ môi trường. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới trong việc phát triển các vật liệu hấp phụ giá rẻ và thân thiện với môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 – TỔNG QUAN 1. Khái quát về Mangan 1. Tính chất vật lý và tính chất hóa học Mangan là một kim loại màu trắng bạc, có kí hiệu Mn và có số hiệu nguyên tử 25. Mangan có một số dạng thù hình khác nhau về mạng lưới tinh thể và tỉ khối, bền nhất ở nhiệt độ thường là dạng α với mạng lưới lập phương tâm khối.

Mangan rất cứng và rất dễ vỡ nhưng dễ bị oxi hóa. Các trạng thái oxi hóa phổ biến nhất của Mangan là +2, +3, +4, +6 và +7. Trong đó, trạng thái ổn định nhất là Mn+2. Mangan là kim loại tương đối hoạt động.

Nó dễ bị oxi hóa trong không khí bởi các chất oxi hóa mạnh như O2, F2, Cl2 và tham gia phản ứng với dung dịch các axit loãng như HCl, H2SO4 nhưng lại thụ động trong dung dịch HNO3 đặc, nguội. Những ứng dụng chính của mangan và các hợp chất của mangan Ứng dụng lớn nhất của mangan là trong công nghiệp sản xuất sắt, gang, hợp kim thép, nhất là trong việc chế tạo thép không gỉ. Ứng dụng lớn thứ hai của mangan là sản xuất các hợp kim nhôm. Các hợp chất của mangan được ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau như: điện tử, làm sạch, khử màu, tẩy uế… 1.

Vai trò của mangan đối với sự sống Mangan là một nguyên tố cần thiết cho tất cả các loài. Trong cơ thể người, mangan là thành phần của nhiều enzym đồng thời góp phần kích hoạt các enzym khác, tham gia vào một số quá trình như: tổng hợp axít béo và chlesterol, sản xuất hooc môn giới tính. Ở động vật thí nghiệm, thiếu mangan dẫn đến chậm tăng trưởng, bất thường xương, gây sai sót trong quá trình chuyển hóa cacbohydrat và chất béo. Mangan cũng đóng vai trò quan trọng trong tổng hợp lignin, chuyển hóa axít thephenolic và trong quá trình quang hợp ở thực vật.

Vấn đề ô nhiễm Mangan tới nguồn nước Mangan có mặt trong hơn 100 loại khoáng khác nhau. Thông qua quá trình rửa trôi, phong hóa của đất đá và các hoạt động của con người mangan sẽ được tích tụ trong các nguồn nước khác nhau như ao, hồ sông, suối, biển… gọi chung là nước bề mặt rồi từ nước bề mặt mangan sẽ được ngấm vào những mạch nước trong lòng đất mà ta gọi là nước ngầm. Đó là lí do vì sao mangan nói riêng và nhiều nguyên tố kim loại nặng nói chung hiện nay đã có mặt trong nguồn nước ngầm của nhiều quốc gia trên thế giới. Hàm lượng mangan trong nước tự nhiên trung bình là 0,58mg/l, hàm lượng này phụ thuộc vào 3 yếu tố chính: địa hóa của khoáng vật, điều kiện hóa học của nước và hoạt động của các vi sinh vật.

Ở hàm lượng cao hơn 0,15mg/l có thể tạo ra vị khó chịu, làm hoen ố quần áo. Ngay cả khi nồng độ mangan < 0,02mg/l thì nó có thể tạo ra lớp cặn màu đen đóng bám vào thành và đáy bồn chứa.Sự có mặt của mangan ở nồng độ thấp trong các nguồn nước tự nhiên là cần thiết cho sức khỏe của con người. Tuy nhiên, ở nồng độ cao, mangan lại gây ra nhiều tác động tiêu cực. Dựa trên những số liệu về nguy cơ ảnh hưởng tới sức khỏe của mangan, các tổ chức và quốc gia đã đưa ra các tiêu chuẩn về mangan trong nước ăn uống khác nhau.

Lượng Mn cho phép đưa vào cơ thể trong các nguồn thực phẩm, nước uống và không khí tính theo ngày là: Bảng 1. Lượng Mn cho phép đưa vào cơ thể Nồng độ trung bình Khoảng giới hạn (mg/kg) (mg/kg) Thức ăn 3,0 2–7 Nước uống 0,05 0–1 Không khí 0,02 0 – 0,029 (Canada Health, Manganese, Updated November 1987) Tình trạng ô nhiễm mangan trong nước ngầm đang xảy ra tại nhiều quốc gia trên thế giới, trong đó đáng chú ý nhất là ở Băng-la-đét, Cam-pu-chia và đồng bằng sông Mê-kông. Có thể nói rằng đối với Băng-la-đét đây thực sự là một thảm họa. Tầng ngậm nước nông là nguồn cung cấp nước ăn uống chính cho một lượng lớn dân cư (khoảng 140 triệu người) ở vùng ngoại ô và vùng đô thị.

Tuy nhiên, điều đáng lo ngại hiện nay là trong một cuộc khảo sát được tiến hành gần đây đã cho kết quả hơn một nửa số giếng ở Băng-la-đét có nồng độ vượt quá tiêu chuẩn cho phép về mangan và sắt. Nồng độ mangan trong 3534 mẫu nước ngầm dao động trong khoảng từ < 0,001 mg/L đến 9,98 mg/L. Giá trị trung bình và trung vị lần lượt là 0,554 mg/L và 0,287 mg/L. 27% số mẫu có nồng độ nhỏ hơn tiêu chuẩn cho phép của Băngla-đét (0,1 mg/L).

32% số mẫu có nồng độ mangan trong khoảng 0,1 -0,4 mg/L. 25% số mẫu có nồng độ trong khoảng 0,4 - 1,0 mg/L. 17% số mẫu có nồng độ mangan > 1,0 mg/L và 10 mẫu có nồng độ mangan vượt quá 5 mg/L [1]. Vấn đề ô nhiễm nguồn nước hiện nay là một điểm nóng đối với đồng bằng châu thổ sông Mê-kông rộng lớn (diện tích khoảng 62000km2), 50% số giếng có nồng độ mangan vượt quá tiêu chuẩn cho phép của WHO (0,4mg/L).

Khoảng 2 triệu người dân sinh sống ở đây đang chịu sự ô nhiễm từ những nguồn nước ngầm không qua xử lí. Nồng độ mangan cao cũng được tìm thấy trong nước ngầm ở một số quốc gia khác như: Ghana, Thụy Điển, Newzealand, Hà Lan…Như vậy, ô nhiễm nước ngầm nói chung và ô nhiễm mangan nói riêng đang trở thành vấn đề mang tính thời sự, toàn cầu. Con người không thể sống thiếu nước. Vì vậy, với việc sử dụng tài nguyên nước ngầm như hiện nay thì nguy cơ phơi nhiễm mangan, gây ảnh hưởng tới sức khỏe con người là rất lớn.

Do đó, các các nhà khoa học trên thế giới khuyến cáo cần phải tiếp tục điều tra nghiên cứu về vấn đề ô nhiễm mangan trong nước một cách sâu rộng hơn nữa. Ở Việt Nam, các tầng nước ngầm của đồng bằng sông Hồng và sông Mê-kông đang được khai thác trên quy mô lớn để sử dụng làm nguồn nước sinh hoạt. Hiện nay, có khoảng 17,3 triệu người đang sống ở đồng bằng sông Cửu Long và khoảng 19,8 triệu người đang sống ở đồng bằng sông Hồng [2]. Song nguồn nước ngầm ở các khu vực này đang đe dọa sức khỏe hàng triệu người do ô nhiễm mangan.

Tuy nhiên, những nghiên cứu về vấn đề ô nhiễm mangan trong nước ngầm hoặc trong nước giếng khoan tại Việt Nam hiện nay còn khá hạn chế. Agusa và cộng sự (2005) đã tìm thấy nồng độ asen, mangan và bari cao khi phân tích 25 mẫu nước giếng khoan tại 2 huyện vùng ngoại ô Hà Nội là Gia Lâm và Thanh Trì. Giá trị trung vị của nồng độ mangan ở cả Gia Lâm và Thanh Trì đều lớn hơn 1 mg/L, 76% số mẫu nước ngầm có nồng độ mangan cao hơn tiêu chuẩn cho phép của WHO (0,4 mg/L). Một tỉnh khác ở đồng bằng sông Hồng là Hà Nam cũng đã ghi nhận thấy sự ô nhiễm mangan trong nước.

66 mẫu nước ngầm được thu thập ở 4 xã Vĩnh Trụ, Nhân Đạo, Bồ Đề, Hòa Hậu. Điều đáng nói ở đây là hơn 70% số mẫu nước ngầm có nồng độ mangan vượt quá qui chuẩn cho phép trong nước ăn uống của Việt Nam (0,3 mg/L). Tình trạng ô nhiễm nước ngầm ở đồng bằng sông Mê-kông, miền nam Việt Nam có phần nặng nề hơn so với đồng bằng sông Hồng. Một nghiên cứu đã được tiến hành vào năm 2007 - 2008 tại 4 tỉnh An Giang (n=107), Đồng Tháp (n=86), Kiên Giang (n=122) và Long An (n=89) với tổng số mẫu thu thập được là 404 mẫu.

Khoảng nồng độ mangan trong nước thay đổi từ < 0,01 mg/L đến 14 mg/L. Trong đó, khi xét chung toàn đồng bằng thì 74% số mẫu nước ngầm có nồng độ > 0,05mg/L. Tình hình ô nhiễm ở các tỉnh cũng rất khác nhau. Hơn một nửa số mẫu ở An Giang và Đồng Tháp có nồng độ mangan > 0,05mg/L.

Phần trăm số mẫu không an toàn về asen hay mangan ở An Giang và Đồng Tháp lần lượt là 93% và 76% [3]. Mangan đối với cơ thể con người 1. Sự hấp thụ và chuyển hóa mangan trong cơ thể người Mangan được hấp thụ vào cơ thể người thông qua 3 con đường: hô hấp, tiếp xúc và tiêu hóa. Trong đó, sự hấp thụ qua đường hô hấp là nhanh nhất, thường xảy ra với những công nhân làm việc tại các khu công nghiệp sản xuất gang thép và chế tạo ắc qui.

Còn đối với con người nói chung, mangan được hấp thụ thông qua ăn uống là chủ yếu. Sự hấp thụ mangan liên quan tới một số yếu tố như: hàm lương sắt, can xi trong thực phẩm, chất tanin trong trà, các loại thức ăn xơ…Sau khi được hấp thụ mangan sẽ được vận chuyển qua máu đến các cơ quan trong cơ thể. Hàm lượng mangan cao nhất thường được tìm thấy trong xương, gan, cật, tụy, tuyến thượng thận, các mô giàu ti thể và sắc tố [4]. Sự tập trung hàm lượng mangan thấp nhất là ở mỡ.

Trong cơ thể người, mangan có thể tồn tại ở một vài trạng thái oxi hóa trong các hợp chất phức hoặc ở dạng ion tự do. Sau khi thực hiện các quá trình trao đổi chất, mangan được thải loại ra khỏi cơ thể qua: phân, nước tiểu, mồ hôi, tóc và sữa mẹ. Nhiễm độc mangan và những ảnh hưởng tới sức khỏe con người Hầu hết các trường hợp nhiễm độc mangan xảy ra đối với công nhân công nghiệp làm việc trong các nhà máy sản xuất gang thép hoặc trong các khu khai thác mỏ. Mangan được hấp thụ vào cơ thể thông qua hô hấp sẽ làm tổn thương phổi với các mức độ khác nhau như: ho, viêm phế quản cấp tính, viêm cuống phổi, ù tai, run chân tay và tính dễ bị kích thích.

Các nghiên cứu của các nhà khoa học tại khu khai thác mỏ thuộc Molango de Escamilla- Mexico cho thấy rằng môi trường tiếp xúc có chứa nhiều bụi Mn làm suy yếu sức khỏe và sự chú ý ở người lớn tại khu vực này. Sự nhiễm độc mangan cũng xuất hiện khi con người sử dụng nguồn nước ăn uống có nồng độ mangan cao trong một thời gian dài. Một cậu bé 10 tuổi dùng nước sinh hoạt có nồng độ mangan cao gấp 3 lần so với tiêu chuẩn cho phép của WHO (0,4 mg/L) trong thời gian 5 năm có biểu hiện khả năng ghi nhớ dưới mức trung bình. Nhiễm độc mangan từ nước uống làm giảm khả năng ngôn ngữ, giảm trí nhớ, giảm khả năng vận dụng sự khéo léo của đôi tay và tốc độ chuyển động của mắt.

Phơi nhiễm mangan lâu dài (hơn 10 năm) đã dẫn đến những triệu chứng thần kinh không bình thường ở người cao tuổi (n=77) miền Tây Bắc Peloponnesos, Hy Lạp.