Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ từ bùn thải nhà máy giấy

Đồ án nghiên cứu tốt nghiệp công nghệ kỹ thuật hóa học nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ từ bùn thải nhà máy giấy, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài

• Tác giả: Nguyễn Khắc Nguyên Chương
• Người hướng dẫn: TS. Võ Thị Thu Như
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Hóa Học
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Tạo Vật Liệu Hấp Phụ Từ Bùn Thải Nhà Máy Giấy
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan hấp phụ
• 1.2. Khái niệm hấp phụ
• 1.3. Các loại hấp phụ
• 1.4. Sự hấp phụ trên giới hạn lỏng- khí (dung dịch - khí), phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Gibbs
• 1.5. Sự hấp phụ trên bề mặt vật rắn
• 1.6. Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir
• 1.7. Hình dạng của đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir
• 1.8. Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ BET
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Nguyên liệu, hoá chất, thiết bị và dụng cụ
• 2.2. Chuẩn bị vật liệu hấp phụ
• 2.3. Các phương pháp nghiên cứu tính chất đặc trưng của vật liệu
• 2.4. Phương pháp nghiên cứu động học của quá trình hấp phụ bằng cách sử dụng giả động học của quá trình hấp phụ
• 2.5. Phương pháp khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất hấp phụ PO43-
• 2.6. Khảo sát khả năng hấp phụ Fe3+ của vật liệu
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ
• 3.1. Đặc trưng của vật liệu
• 3.2. Khảo sát khả năng hấp phụ PO43- và Fe3+ của vật liệu hấp phụ từ bùn thải giấy
• 3.3. Xác định bậc phản ứng của quá trình hấp phụ
• 3.4. Xác định mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ

Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ từ bùn thải nhà máy giấy là một hướng đi mới trong việc xử lý chất thải và bảo vệ môi trường. Bùn thải từ nhà máy giấy chứa nhiều thành phần hữu cơ và khoáng chất có thể được tận dụng để tạo ra vật liệu hấp phụ hiệu quả. Việc sử dụng vật liệu hấp phụ từ bùn thải không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra sản phẩm có giá trị. Các phương pháp như FTIR, SEM, EDX, BJH, XRD, UV-vis được áp dụng để phân tích cấu trúc và tính chất của vật liệu hấp phụ. Kết quả cho thấy, việc nung bùn thải ở nhiệt độ 800 °C là tối ưu cho quá trình hấp phụ các ion như PO43- và Fe3+ trong nước.

1.1. Tầm quan trọng của việc xử lý bùn thải

Bùn thải từ nhà máy giấy là một trong những nguồn chất thải lớn, gây ô nhiễm môi trường nếu không được xử lý đúng cách. Việc phát triển các phương pháp xử lý bùn thải hiệu quả là rất cần thiết. Xử lý chất thải bằng cách chế tạo vật liệu hấp phụ từ bùn thải không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tận dụng nguồn tài nguyên sẵn có. Điều này có ý nghĩa lớn trong việc bảo vệ môi trường và phát triển bền vững. Theo báo cáo của Hiệp hội Giấy và Bột Giấy Việt Nam, lượng bùn thải từ ngành giấy lên tới 1 triệu tấn mỗi năm, cho thấy sự cần thiết phải có các giải pháp xử lý hiệu quả.

II. Phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm

Để chế tạo vật liệu hấp phụ từ bùn thải nhà máy giấy, các phương pháp thực nghiệm được thực hiện bao gồm chuẩn bị mẫu, nung và phân tích tính chất. Mẫu bùn thải được thu thập từ công ty TNHH Wattens Việt Nam và trải qua quá trình tiền xử lý trước khi nung ở các nhiệt độ khác nhau. Các phương pháp phân tích như SEM và EDX được sử dụng để xác định cấu trúc và thành phần của vật liệu hấp phụ. Kết quả cho thấy, nhiệt độ nung 800 °C mang lại hiệu suất hấp phụ cao nhất cho các ion PO43- và Fe3+. Điều này chứng tỏ rằng việc tối ưu hóa điều kiện nung là rất quan trọng trong quá trình chế tạo vật liệu hấp phụ.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất hấp phụ

Nghiên cứu đã khảo sát các yếu tố như nhiệt độ nung, pH dung dịch, nồng độ dung dịch và sự hiện diện của các ion cạnh tranh. Kết quả cho thấy, pH tối ưu cho quá trình hấp phụ PO43- là từ 4 đến 6, với hiệu suất đạt 97-98%. Ngoài ra, sự hiện diện của các ion cạnh tranh như NO3-, SO42-, F-, CO32- và Fe3+ cũng ảnh hưởng đến hiệu suất hấp phụ. Việc hiểu rõ các yếu tố này giúp tối ưu hóa quy trình chế tạo vật liệu hấp phụ từ bùn thải, từ đó nâng cao hiệu quả xử lý nước thải.

III. Kết quả và đánh giá

Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu hấp phụ từ bùn thải nhà máy giấy có khả năng hấp phụ tốt đối với các ion PO43- và Fe3+. Các phương pháp phân tích đã chỉ ra rằng vật liệu hấp phụ có diện tích bề mặt lớn và cấu trúc mao quản phù hợp cho quá trình hấp phụ. Việc xác định mô hình hấp phụ Langmuir và Freundlich cho thấy rằng quá trình hấp phụ diễn ra theo cơ chế hấp phụ đơn lớp và đa lớp. Điều này khẳng định giá trị thực tiễn của vật liệu hấp phụ trong việc xử lý nước thải chứa phosphate và kim loại nặng, góp phần bảo vệ môi trường.

3.1. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Nghiên cứu này không chỉ có ý nghĩa khoa học mà còn mang lại giá trị thực tiễn cao. Việc chế tạo vật liệu hấp phụ từ bùn thải nhà máy giấy giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tận dụng nguồn tài nguyên sẵn có. Phương pháp này có thể được áp dụng rộng rãi trong các nhà máy xử lý nước thải, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững. Hơn nữa, việc sử dụng vật liệu hấp phụ từ chất thải còn giúp giảm chi phí xử lý và tạo ra sản phẩm có giá trị, từ đó nâng cao hiệu quả kinh tế cho các doanh nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN 1. Tổng quan hấp phụ Khái niệm hấp phụ Hấp phụ (adsorption) là quá trình mà các phân tử, nguyên tử, hoặc ion của chất tan tích tụ và thu hút trên bề mặt phân cách giữa các pha. Chất lỏng hoặc khí được thu hút lên bề mặt chất hấp phụ được gọi là chất bị hấp phụ (adsorbate), trong khi chất rắn hoặc lỏng có khả năng thu hút các chất khác lên bề mặt của nó được gọi là chất hấp phụ (adsorbent). Nói cách khác, hấp phụ là hiện tượng làm tăng đáng kể nồng độ của các chất trên bề mặt phân cách pha so với trong pha thể tích[8].

1 Biểu diễn quá trình hấp phụ [8] Các loại hấp phụ Tuỳ theo bản chất của lực hấp phụ mà người ta phân biệt hấp phụ thành hai loại hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học. Trong hấp phụ vật lý, lực gây ra hấp phụ là lực phân tử Van der Waals, thường là quá trình thuận nghịch. Còn đối với trong hấp phụ hoá học, lực gây ra hấp phụ là lực hóa học, thường là quá trình không thuận nghịch. 2 Sự hấp phụ vật lý và hoá học [9] So sánh hai loại hấp phụ vật lý và hoá học Hấp phụ vật lý Hấp phụ hoá học Lực hấp phụ Lực vật lý: lực tương tác Lực tương tác hoá học; giữa các phân tử hấp phụ (Van der Waals); Nhiệt hấp phụ Thường nhỏ khoảng 4 – 8 Thường lớn khoảng 200 kcal/mol; kcal/mol; Năng lượng hoạt hoá Nhỏ; Lớn: 10 – 30 kcal/mol; Lớp hấp phụ Nhiều lớp hấp phụ; Hấp phụ đơn lớp; Một số đặc trưng khác Có tính thuận nghịch; Bất thuận nghịch; Ít có tính chọn lọc; Có tính chọn lọc cao; Xảy ra ở nhiệt độ thấp.

Xảy ra ở nhiệt độ cao. Sự hấp phụ trên giới hạn lỏng- khí (dung dịch - khí), phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Gibbs 1.Chất hoạt động bề mặt Khi một chất hòa tan trong dung môi, sức căng bề mặt của dung dịch sẽ khác với sức căng bề mặt của dung môi nguyên chất. Chất tan có thể được phân loại dựa trên hành vi hấp phụ của chúng trên bề mặt phân cách lỏng-khí thành hai nhóm: chất hoạt động bề mặt và chất không hoạt động bề mặt. 6 Từ đó ta có thể thấy được đặc tính hoạt động bề mặt của một chất không những phụ thuộc vào bản chất và tính chất của nó mà còn phụ thuộc vào bản chất và tính chất của dung môi.

Như vậy, một chất nào đó có thể là chất hoạt động bề mặt của dung môi này nhưng không phải là chất hoạt động bề mặt của dung môi khác [9].Phương trình Gibbs Khi nghiên cứu sự hấp phụ của những chất hoạt động bề mặt trên bề mặt phân cách lỏng, khí năm 1876, Gibbs đã nêu phương trình biểu diễn sự phụ thuộc của lượng chất bị hấp phụ (G) và nồng độ (C) của chất tan và sức căng bề mặt. Phương trình có dạng: 𝐺= −. [9] Phương trình này được thiết lập trên cơ sở thế đẳng áp đẳng nhiệt và hoá thế. Từ đó ta có thể rút ra: Khi nồng độ tăng mà sức căng bề mặt tăng thì: >0⇒− < 0, 𝐺 < 0, ta có hấp phụ âm.

Khi nồng độ tăng mà sức căng bề mặt giảm thì: <0⇒− > 0, 𝐺 > 0, ta có hấp phụ dương. Khi nồng độ tăng mà sức căng bề mặt không tăng thì: = 0 ⇒, 𝐺 = 0, vậy không có hiện tượng hấp phụ xảy ra. 3 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của lượng chất bị hấp phụ (G) hoặc sức căng bề mặt vào nồng độ (C) của chất tan [10]. 7 Sự hấp phụ trên bề mặt vật rắn Có 2 kiểu hấp phụ trên bề mặt vật rắn: hấp phụ của khí trên bề mặt vật rắn và hấp phụ của chất tan trên bề mặt phân cách vật rắn – dung dịch.

Sự hấp phụ khí trên bề mặt vật rắn Sự hấp phụ khí trên bề mặt vật rắn phụ thuộc vào bản chất, tính chất và trạng thái vật lý của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Những chất vô định hình, có độ xốp cao thì có khả năng hấp phụ tốt hơn những chất tinh thể. Bề mặt chất hấp phụ càng lớn thì quá trình hấp phụ càng thuận lợi. Do đó ta phải nghiền nhỏ chất hấp phụ rắn để tạo những hạt có kích thước nhỏ và chế tạo các vật liệu có cấu trúc mao quản.

Đối với những chất hơi (khí) bị hấp phụ thì những khí nào có khả năng bị nén tốt (dễ bị nén) thì càng dễ hấp phụ a) Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir Ta biết giữa các phân tử tạo thành tinh thể (vật chất) luôn luôn có lực tác dụng- lực hoá trị. Các ion, nguyên tử nằm trong lòng vật chất có sự bão hoà về hoá trị. Còn trên bề mặt hoá trị của các nguyên tử chưa được bão hoà. Những hoá trị thừa hướng về phía bề mặt vật rắn tồn tại những chỗ có khả năng hấp phụ, người ta gọi đó là những trung tâm hấp phụ [11].

Từ các khái niệm đó Langmuir đã nêu ra thuyết hấp phụ và các giả thuyết của thuyết Langmuir được trình bày tóm tắt như sau: - Trên bề mặt chất hấp phụ tồn tại các tâm hấp phụ. Mỗi tâm chỉ hấp phụ được một phân tử để tạo ra trạng thái hấp phụ gọi là phức chất hấp phụ gọi là phức chất hấp phụ. Khi một tâm đã được hấp phụ thì không ảnh hưởng tới khả năng hấp phụ của các tâm lân cận - Bề mặt chất hấp phụ là đồng nhất. Các tâm hấp phụ có khả năng hấp phụ như nhau.

- Bề mặt chất rắn chỉ hấp phụ đơn lớp. Khi quá trình hấp phụ đạt cân bằng thì tốc độ hấp phụ bằng tốc độ khử hấp phụ. 8 Từ các giả thuyết đã nêu ở trên, có thể thiết lập phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir từ quan điểm của nhiệt động hoá học:. Với: Khp là hằng số cân bằng hoặc hằng số hấp phụ Langmuir V (cm3/g) là thể tích chất khí tương ứng với giá trị áp suất cân bằng Vmax (cm3/g) là thể tích chất khí ứng với khí bề mặt chất rắn được che phủ hoàn toàn bởi một đơn lớp.

a là độ hấp phụ ứng với áp suất cân bằng P. am là độ hấp phụ cực đại. 𝜃 là phần bề mặt chất rắn bị bao phủ. 4 Hình dạng của đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir [12] b) Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ BET Có ít trường hợp trên thực tế đường đẳng nhiệt hấp phụ tuân theo phương trình Langmuir (đơn lớp).

Phần lớn đường đẳng nhiệt hấp phụ có dạng chữ S, khi áp suất tăng đến một 9 giá trị nhất định, độ hấp phụ tăng đột ngột (không đạt giá trị cực đại đơn lớp). Nguyên nhân là do khi đó xảy ra sự hấp phụ đa lớp. Một số thuyết ra đời để giải thích cho hiện tượng hấp phụ đa lớp, tiêu biểu có thể kể đến là thuyết thế hấp phụ Polanyi (1915). Tuy nhiên thuyết này không dẫn đến phương trình hấp phụ.

Thuyết BET (Brunauer – Emmett -Teller) được sử dụng phổ biến trong phân tích hiện nay, đặc biệt, phương pháp này thường được sử dùng để xác định diện tích bề mặt riêng của các chất hấp phụ rắn. Những khái niệm cơ bản của thuyết BET được trình bày rõ ràng như sau: Trên bề mặt của chất hấp phụ có tồn tại những trung tâm hấp phụ. Để cho đơn giản người ta không tính đến tác dụng của những phân tử lớp thứ nhất và các lớp tiếp theo. Mỗi một phân tử ở lớp thứ nhất sẽ là trung tâm hấp phụ cho những phân tử của lớp thứ hai và mỗi phân tử ở lớp thứ hai sẽ là trung tâm hấp phụ cho lớp thứ ba… BET đã dựa trên cơ sở là trong quá trình hấp phụ đa phân tử lực tác dụng giống như lực tác dụng trong trường hợp ngưng tụ (hơi) và bề mặt của chất hấp phụ đồng nhất về năng lượng.

5 Hấp phụ đa lớp[13] Để xây dựng phương trình đẳng nhiệt hấp phụ cho nhiều trường hợp hấp phụ từ áp suất thấp đến áp suất bão hoà, phương trình đó có dạng: 10. ( ) [14] Với: V là thể tích khí bị hấp phụ ở áp suất cân bằng P; Vm là thể tích khí bị hấp phụ ở lớp đơn phân tử; f = P/Po, Po là áp suất hơi bão hoà của chất bị hấp phụ tại nhiệt độ T; P/Po là áp suất tương đối ∆ ∆ C =𝑒 trong đó ∆H1 là nhiệt hấp phụ của khí; ∆H2 là nhiệt ngưng tụ. Phương trình này được sử dụng rộng rãi vì từ giá trị Vm có thể tính được bề mặt hấp phụ. Từ giá trị C có thể tính được nhiệt hấp phụ của khí ở lớp đơn phân tử từ 2 đến 2.

Ở vùng áp suất thấp f<<1 với C>>1 thì phương trình BET trở thành:. Đặt K =c/Po như vậy V = 𝑉 = 𝑉. ; đây chính là dạng của phương trình. Ngoài ra phương trình của BET còn để giải thích cho các dạng đường đẳng nhiệt hấp phụ mà ngày nay thực nghiệm đã thu được.

6 Các dạng đường đẳng nhiệt hấp phụ[15] 11 Dạng I: Đặc trưng cho đường đẳng nhiệt hấp phụ của Langmuir, tạo thành lớp đơn phân tử, thường gặp với chất rắn có mao quản nhỏ ( vi mao quản). Dạng II: Hấp phụ đa lớp, tuân theo phương trình BET, thường gặp đối với quá trình hấp phụ trên các chất rắn không xốp hoặc có mao quản lớn. Dạng III: Tồn tại các cụm hoặc các giọt tâm hấp phụ do lực hấp phụ nhỏ, nhiệt hấp phụ xấp xỉ hoặc nhỏ nhiệt ngưng tụ. Dạng IV: Hấp phụ kèm ngưng tụ mao quản, xảy ra trên vật liệu xốp mao quản trung bình.

Dạng V giống với dạng III, nhưng kèm theo hiện tượng ngưng tụ mao quản. Dạng VI tương ứng với quá trình đẳng nhiệt hấp phụ trên vật liệu hấp phụ không mao quản có bề mặt đồng nhất lý tưởng.Hấp phụ trên bề mặt vật rắn – dung dịch Trong nghiên cứu khoa học và ứng dụng đây là sự hấp phụ quan trọng bật nhất nhiều trong các lĩnh vực khác nhau. Có hai loại hấp phụ phân tử và hấp phụ và ion. Hấp phụ phân tử Quá trình hấp phụ phân tử chất tan trên bề mặt vật rắn cũng giống như trường hợp hấp phụ của khí trên bề mặt vật rắn và phương trình dùng cho trường hợp hấp phụ khí đều được dùng cho trường hợp hấp phụ chất tan nhưng quá trình hấp phụ chất tan trên bề mặt vật rắn phức tạp hơn nhiều vì ngoài việc hấp phụ chất tan còn có thể hấp phụ cả dung môi nữa.

Ví dụ như: sự hấp phụ của acid axetic trên than hoạt tính.