Hcmute nghiên cứu loại bỏ kim loại nặng độc trong dung dịch lỏng sử dụng vật liệu hấp phụ từ nguồn phế thải thủy sản

Tài liệu nghiên cứu Hcmute nghiên cứu loại bỏ kim loại nặng độc trong dung dịch lỏng sử dụng vật liệu hấp phụ từ nguồn, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên

• Tác giả: TS. Hồ Thị Yêu Ly
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Khoa CNHH&TP
• Đề tài: Nghiên cứu loại bỏ kim loại nặng trong dung dịch lỏng bằng vật liệu hấp phụ từ phế thải thủy sản
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
• 1.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHỨA KIM LOẠI NẶNG
• 1.2. Phương pháp hấp phụ
• 1.3. Phương pháp điện hóa
• 1.4. Phương pháp trao đổi ion
• 1.5. Phương pháp kết tủa
• 1.6. Phương pháp keo tụ
• 1.7. Xử lý kim loại nặng bằng phương pháp sinh học
• 1.8. LÝ THUYẾT VỀ HẤP PHỤ
• 1.8.1. Hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học
• 1.8.2. Hấp phụ gián đoạn
• 1.8.3. Động học hấp phụ
• 1.8.4. Đẳng nhiệt hấp phụ
• 1.8.5. Nhiệt động học hấp phụ
• 1.9. TỔNG QUAN VỀ CHITOSAN
• 1.9.1. Cấu trúc của chitin, chitosan. Quy trình sản xuất chitosan
• 1.9.2. Tính chất lý – hóa học của chitosan
• 1.9.3. Sự khâu mạng chitosan. Một số dẫn xuất của chitin và chitosan
• 1.9.4. Ứng dụng của chitin/chitosan và dẫn xuất của nó
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. HÓA CHẤT, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH
• 2.1.1. Hóa chất và thiết bị
• 2.1.2. Phương pháp phân tích
• 2.2. VẬT LIỆU HẤP PHỤ
• 2.3. NGHIÊN CỨU HẤP PHỤ GIÁN ĐOẠN
• 2.4. NGHIÊN CỨU HẤP PHỤ Zn(II) LÊN CTSK-CT BẰNG QHTN BOX-BEHNKEN DESIGN (BBD) CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐÁP ỨNG BỀ MẶT (RMS)
• 2.5. XÁC ĐỊNH HIỆU SUẤT TÁCH LOẠI Zn(II) TRONG MỘT SỐ MẪU NƯỚC THẢI
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. NGHIÊN CỨU HẤP PHỤ GIÁN ĐOẠN Zn(II) BẰNG CTSK-CT
• 3.1.1. Ảnh hưởng của pH
• 3.1.2. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc
• 3.1.3. Ảnh hưởng liều lượng chất hấp phụ
• 3.1.4. Ảnh hưởng của sự có mặt các ion kim loại đến quá trình hấp phụ
• 3.1.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ
• 3.1.6. Ảnh hưởng của nồng độ ion kim loại ban đầu
• 3.2. Nghiên cứu động học hấp phụ
• 3.3. Nghiên cứu cân bằng hấp phụ
• 3.4. NGHIÊN CỨU HẤP PHỤ Zn(II) LÊN CTSK-CT BẰNG QHTN BOX-BEHNKEN DESIGN (BBD) CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐÁP ỨNG BỀ MẶT (RMS)
• 3.5. KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH LƯỢNG VẾT Zn(II) TRONG MỘT SỐ MẪU NƯỚC
• 3.6. KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH HIỆU SUẤT TÁCH LOẠI Zn(II) TRONG MẪU NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Loại bỏ kim loại nặng và vật liệu hấp phụ từ phế thải thủy sản

Nghiên cứu tập trung vào loại bỏ kim loại nặng, cụ thể là Zn(II), trong dung dịch lỏng. Vật liệu hấp phụ được sử dụng là chitosan biến tính (CTSK-CT), một vật liệu hấp phụ được chế tạo từ phế thải thủy sản. Đây là một giải pháp thân thiện môi trường, tận dụng nguồn tài nguyên sẵn có và giảm thiểu tài chính phế thải thủy sản. Nghiên cứu đánh giá hiệu quả hấp phụ của CTSK-CT đối với Zn(II) thông qua các thí nghiệm hấp phụ gián đoạn và sử dụng quy hoạch thực nghiệm Box-Behnken (BBD) để tối ưu hóa điều kiện. Mục tiêu chính là xác định khả năng hấp phụ kim loại nặng của CTSK-CT và ứng dụng trong xử lý nước thải chứa kim loại nặng. Nghiên cứu cũng bao gồm phân tích SEM, FTIR và XRD để đặc trưng vật liệu và cơ chế hấp phụ.

1.1. Đặc trưng vật liệu hấp phụ

Chitosan (vật liệu hấp phụ) được lựa chọn vì tính khả dụng, chi phí thấp và khả năng hấp phụ kim loại tốt. CTSK-CT là chitosan khâu mạch gắn axit citric, một dạng biến tính tăng cường khả năng hấp phụ. Nghiên cứu đặc trưng cấu trúc vật liệu bằng các phương pháp phân tích SEM, phân tích FTIR, và phân tích XRD. Phân tích SEM giúp quan sát hình thái bề mặt, ảnh hưởng đến diện tích bề mặt và khả năng hấp phụ. Phân tích FTIR xác định các nhóm chức năng trên bề mặt, liên quan đến cơ chế hấp phụ kim loại nặng. Phân tích XRD nghiên cứu cấu trúc tinh thể, ảnh hưởng đến tính chất hấp phụ. Kết quả cho thấy CTSK-CT có cấu trúc xốp, diện tích bề mặt lớn và các nhóm chức năng phù hợp cho hấp phụ Zn(II).

1.2. Nghiên cứu hấp phụ gián đoạn

Thí nghiệm hấp phụ gián đoạn được tiến hành để đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố đến hiệu quả hấp phụ. Các yếu tố được nghiên cứu bao gồm: pH, thời gian tiếp xúc, liều lượng chất hấp phụ, nồng độ ban đầu của Zn(II) và nhiệt độ. Mỗi yếu tố được thay đổi trong khi giữ các yếu tố khác không đổi. Kết quả thí nghiệm được sử dụng để xây dựng đẳng nhiệt hấp phụ và động học hấp phụ. Các mô hình Langmuir, Freundlich, Temkin và Redlich-Peterson được sử dụng để mô tả cân bằng hấp phụ. Động học hấp phụ được phân tích dựa trên mô hình giả bậc nhất và giả bậc hai. Kết quả cho thấy hiệu quả hấp phụ phụ thuộc vào các yếu tố trên, và mô hình Langmuir phù hợp nhất để mô tả cân bằng hấp phụ.

1.3. Tối ưu hóa điều kiện hấp phụ bằng phương pháp BBD

Quy hoạch thực nghiệm Box-Behnken (BBD) được sử dụng để tối ưu hóa các điều kiện hấp phụ. Ba yếu tố chính: pH, nồng độ ban đầu của Zn(II) và nhiệt độ được lựa chọn. BBD giúp xác định ảnh hưởng riêng lẻ và tương tác giữa các yếu tố đến hiệu quả hấp phụ. Kết quả cho thấy sự kết hợp tối ưu của các yếu tố dẫn đến hiệu suất hấp phụ cao nhất. Mô hình đáp ứng bề mặt (RSM) được xây dựng để dự đoán hiệu suất hấp phụ ở các điều kiện khác nhau. Phân tích phương sai (ANOVA) được sử dụng để đánh giá ý nghĩa thống kê của mô hình. Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu quả hấp phụ Zn(II) của CTSK-CT rất tốt, đạt trên 99% trong một số mẫu nước thải công nghiệp.

II. Ứng dụng và triển vọng

Nghiên cứu chứng minh khả năng loại bỏ kim loại nặng hiệu quả của vật liệu hấp phụ từ phế thải thủy sản. Đây là giải pháp xử lý nước thải chứa kim loại nặng thân thiện với môi trường, có chi phí xử lý nước thải thấp và khả năng tái chế phế thải thủy sản. Kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp, đặc biệt là các ngành công nghiệp liên quan đến kim loại. Triển vọng nghiên cứu mở rộng sang loại bỏ các kim loại nặng khác và phát triển các vật liệu hấp phụ hiệu quả hơn từ các nguồn phế thải khác. Nghiên cứu cũng góp phần vào giải pháp thân thiện môi trường, giảm thiểu ô nhiễm và kinh tế tuần hoàn.

2.1. Ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trực tiếp vào xử lý nước thải công nghiệp chứa Zn(II). Công nghệ xử lý nước thải sử dụng CTSK-CT là một giải pháp bền vững, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và chi phí. Vật liệu hấp phụ có thể được sử dụng trong các hệ thống xử lý nước thải quy mô nhỏ hoặc lớn. Khả năng tái sử dụng vật liệu hấp phụ sau khi giải hấp cần được nghiên cứu thêm để tối ưu hóa quá trình. Việc ứng dụng rộng rãi đòi hỏi nghiên cứu thêm về độ bền và khả năng vận hành của hệ thống trong điều kiện thực tế.

2.2. Triển vọng nghiên cứu

Nghiên cứu có thể được mở rộng để nghiên cứu hấp phụ các loại kim loại nặng khác như cadium hấp phụ, thủy ngân hấp phụ, arsen hấp phụ. Việc phát triển các vật liệu hấp phụ mới từ các nguồn phế thải khác nhau, như phế thải nông nghiệp, cũng là một hướng nghiên cứu tiềm năng. Nghiên cứu về cơ chế hấp phụ chi tiết hơn, cũng như tối ưu hóa quá trình giải hấp, sẽ giúp nâng cao hiệu quả của công nghệ xử lý nước thải. Áp dụng các kỹ thuật tiên tiến như mô phỏng máy tính để dự đoán và tối ưu hóa quá trình hấp phụ cũng là một hướng nghiên cứu đáng quan tâm.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường nước là một trong những vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Theo báo cáo của ngành, nồng độ ion kim loại Zn(II) trong một số nguồn nước thải công nghiệp có thể lên đến khoảng 40 mg/L, vượt xa giới hạn cho phép. Việc loại bỏ các ion kim loại độc hại này nhằm bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng là mục tiêu cấp thiết. Luận văn tập trung nghiên cứu sử dụng vật liệu hấp phụ từ nguồn phế thải thủy sản, cụ thể là chitosan biến tính khâu mạch gắn acid citric (CTSK-CT), để loại bỏ ion Zn(II) trong dung dịch nước bị ô nhiễm. Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 3 đến tháng 12 năm 2014 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. Mục tiêu chính là xác định các đặc tính hấp phụ của vật liệu CTSK-CT đối với Zn(II), tối ưu hóa các điều kiện hấp phụ và đánh giá hiệu suất tách loại ion kim loại trong các mẫu nước thải thực tế. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ xử lý nước thải thân thiện môi trường, tận dụng nguồn nguyên liệu tái chế từ phế thải thủy sản, đồng thời góp phần nâng cao hiệu quả xử lý kim loại nặng với hiệu suất hấp phụ đạt trên 99%.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình hấp phụ truyền thống để phân tích quá trình loại bỏ ion Zn(II) bằng vật liệu sinh học:

• Lý thuyết hấp phụ: Phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học, trong đó hấp phụ vật lý dựa trên lực Van der Waals yếu, thuận nghịch và xảy ra ở nhiệt độ thấp, còn hấp phụ hóa học liên quan đến liên kết hóa học mạnh, bất thuận nghịch và thường xảy ra ở nhiệt độ cao hơn.

• Động học hấp phụ: Sử dụng mô hình động học giả bậc hai để mô tả tốc độ hấp phụ, phù hợp với cơ chế hấp phụ hóa học, giúp dự đoán tốc độ tách loại ion kim loại trong thiết kế hệ thống xử lý.

• Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ: Áp dụng các mô hình Langmuir, Freundlich, Temkin và Redlich-Peterson để mô tả cân bằng hấp phụ, xác định khả năng hấp phụ cực đại và cơ chế hấp phụ trên bề mặt vật liệu.

• Khái niệm chitosan và biến tính: Chitosan là polysaccharide sinh học được điều chế từ chitin có trong vỏ tôm, cua. Việc khâu mạch và gắn acid citric giúp tăng độ bền trong môi trường acid và cải thiện khả năng hấp phụ ion kim loại.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Sử dụng chitosan thô có độ deacetyl hóa 87 ± 3%, khâu mạch với glutaraldehyde 2,5% và gắn acid citric để tạo vật liệu CTSK-CT. Các mẫu nước thải được lấy từ các khu công nghiệp tại Đồng Nai và Bình Dương.

• Phương pháp phân tích: Ion Zn(II) được xác định bằng phương pháp Von-Ampe sử dụng điện cực giọt thủy ngân treo (HDME) với thiết bị Metrohm Computrace 797, đảm bảo độ chính xác cao với hệ số tương quan R² = 0,999.

• Phương pháp nghiên cứu hấp phụ: Thí nghiệm hấp phụ gián đoạn trong bình tam giác chứa 50 ml dung dịch Zn(II) với 0,1 g vật liệu CTSK-CT, lắc ở 250 vòng/phút. Các tham số ảnh hưởng như pH, thời gian tiếp xúc, liều lượng chất hấp phụ, nồng độ ban đầu được khảo sát.

• Quy hoạch thực nghiệm Box-Behnken Design (BBD): Áp dụng phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM) để đánh giá ảnh hưởng tương tác của các tham số pH, nồng độ Zn(II), nhiệt độ và thời gian tiếp xúc đến hiệu suất hấp phụ, giảm số lần thí nghiệm và tối ưu hóa điều kiện.

• Cỡ mẫu và timeline: Tổng cộng 27 thí nghiệm được thực hiện theo thiết kế BBD trong khoảng thời gian 9 tháng, từ tháng 3 đến tháng 12 năm 2014.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất hấp phụ: Hiệu suất hấp phụ Zn(II) tăng từ 78,64% ở pH 1 lên đến khoảng 94,86% tại pH 5, sau đó duy trì ổn định ở các pH cao hơn. Điều này cho thấy pH tối ưu cho quá trình hấp phụ là khoảng 5, phù hợp với cơ chế proton hóa bề mặt vật liệu và tương tác tĩnh điện.

2. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc: Quá trình hấp phụ diễn ra nhanh trong 120 phút đầu với hiệu suất tăng từ khoảng 80% lên trên 90%, đạt cân bằng hấp phụ sau 420 phút với hiệu suất tối đa lần lượt là 94,86% (20 mg/L), 94,87% (30 mg/L) và 90,97% (40 mg/L). Điều này phản ánh sự bão hòa dần các tâm hấp phụ trên bề mặt CTSK-CT.

3. Khả năng hấp phụ cực đại: Qua mô hình đẳng nhiệt Langmuir, khả năng hấp phụ cực đại của CTSK-CT đối với Zn(II) được xác định là 82,5 mg/g, cho thấy vật liệu có hiệu quả hấp phụ cao so với nhiều vật liệu sinh học khác.

4. Hiệu suất tách loại trong mẫu nước thải thực tế: Ứng dụng vật liệu CTSK-CT trong xử lý mẫu nước thải từ các khu công nghiệp cho hiệu suất tách loại Zn(II) đạt trên 99%, chứng minh tính khả thi và hiệu quả của vật liệu trong điều kiện thực tế.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy vật liệu chitosan biến tính khâu mạch gắn acid citric (CTSK-CT) có khả năng hấp phụ Zn(II) rất tốt nhờ sự kết hợp giữa các nhóm chức năng amin và carboxyl trên bề mặt vật liệu, tạo phức chelate mạnh với ion kim loại. Ảnh hưởng của pH được giải thích bởi sự proton hóa nhóm amin ở pH thấp làm giảm khả năng hấp phụ do tương tác đẩy tĩnh điện, trong khi ở pH tối ưu, các nhóm chức năng hoạt động hiệu quả hơn. Động học hấp phụ tuân theo mô hình giả bậc hai, phù hợp với cơ chế hấp phụ hóa học. So sánh với các nghiên cứu trước đây về hấp phụ kim loại nặng trên chitosan và các dẫn xuất, kết quả này tương đồng hoặc vượt trội về hiệu suất và khả năng hấp phụ. Biểu đồ thể hiện sự tăng nhanh hiệu suất hấp phụ trong giai đoạn đầu và đạt cân bằng sau khoảng 420 phút, minh họa rõ ràng quá trình bão hòa tâm hấp phụ. Phân tích đẳng nhiệt hấp phụ cho thấy sự phù hợp với các mô hình Langmuir, Freundlich và Redlich-Peterson, khẳng định tính đa dạng của cơ chế hấp phụ trên vật liệu CTSK-CT. Việc ứng dụng thành công trong xử lý nước thải công nghiệp với hiệu suất trên 99% cho thấy tiềm năng thực tiễn lớn của vật liệu này trong công nghệ xử lý môi trường.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai ứng dụng CTSK-CT trong xử lý nước thải công nghiệp: Khuyến nghị các nhà máy xử lý nước thải tại các khu công nghiệp sử dụng vật liệu CTSK-CT để loại bỏ ion Zn(II), nhằm đạt hiệu suất tách loại trên 99% trong vòng 420 phút, góp phần bảo vệ môi trường và tuân thủ quy chuẩn nước thải.

2. Nâng cao quy trình sản xuất vật liệu hấp phụ: Đề xuất cải tiến quy trình khâu mạch và gắn acid citric để tối ưu hóa độ bền và khả năng hấp phụ, đồng thời giảm chi phí sản xuất, hướng tới sản xuất quy mô công nghiệp trong vòng 1-2 năm tới.

3. Mở rộng nghiên cứu hấp phụ các ion kim loại khác: Khuyến khích nghiên cứu tiếp tục áp dụng vật liệu CTSK-CT để xử lý các ion kim loại nặng khác như Pb(II), Cd(II), Cr(VI), nhằm đa dạng hóa ứng dụng và tăng hiệu quả xử lý nước thải đa kim loại.

4. Phát triển hệ thống lọc và tái sử dụng vật liệu: Đề xuất thiết kế hệ thống lọc cột nhồi CTSK-CT kết hợp quy trình tái sinh vật liệu để giảm thiểu phát sinh chất thải, nâng cao tính bền vững và kinh tế trong vận hành, với mục tiêu hoàn thiện trong 3 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành môi trường, hóa học: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp thực nghiệm chi tiết về hấp phụ kim loại nặng bằng vật liệu sinh học, hỗ trợ nghiên cứu phát triển vật liệu mới và công nghệ xử lý nước thải.

2. Doanh nghiệp và nhà máy xử lý nước thải công nghiệp: Thông tin về vật liệu CTSK-CT và quy trình xử lý giúp doanh nghiệp áp dụng công nghệ thân thiện môi trường, nâng cao hiệu quả xử lý và giảm chi phí vận hành.

3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Cung cấp dữ liệu khoa học và giải pháp công nghệ để xây dựng các tiêu chuẩn, quy định về xử lý nước thải chứa kim loại nặng, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

4. Các tổ chức phát triển bền vững và bảo vệ môi trường: Tham khảo để thúc đẩy các dự án tái chế phế thải thủy sản thành vật liệu hấp phụ, góp phần giảm thiểu ô nhiễm và phát triển kinh tế tuần hoàn.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu CTSK-CT là gì và có ưu điểm gì?
   CTSK-CT là chitosan khâu mạch gắn acid citric, được điều chế từ phế thải thủy sản. Ưu điểm là bền trong môi trường acid, có khả năng hấp phụ ion Zn(II) cao (82,5 mg/g), thân thiện môi trường và tận dụng nguồn nguyên liệu tái chế.

2. Quá trình hấp phụ Zn(II) diễn ra trong bao lâu?
   Hiệu suất hấp phụ đạt cân bằng sau khoảng 420 phút (7 giờ), với hiệu suất trên 94% ở điều kiện tối ưu pH 5 và liều lượng vật liệu 0,1 g/50 ml dung dịch.

3. Ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ như thế nào?
   pH ảnh hưởng lớn đến hiệu suất hấp phụ; pH tối ưu là khoảng 5. Ở pH thấp, proton hóa bề mặt vật liệu làm giảm hấp phụ do tương tác đẩy tĩnh điện; ở pH cao hơn, hiệu suất ổn định do các nhóm chức năng hoạt động hiệu quả.

4. Phương pháp nào được sử dụng để xác định nồng độ Zn(II)?
   Phương pháp Von-Ampe với điện cực giọt thủy ngân treo (HDME) được sử dụng, đảm bảo độ chính xác cao với hệ số tương quan R² = 0,999 trong dải nồng độ 0,0125 - 0,2 mg/L.

5. Vật liệu CTSK-CT có thể tái sử dụng được không?
   Mặc dù luận văn chưa đề cập chi tiết về tái sử dụng, việc khâu mạch giúp tăng độ bền vật liệu trong môi trường acid, tạo điều kiện thuận lợi cho việc tái sinh và sử dụng nhiều lần, cần nghiên cứu thêm để tối ưu hóa quy trình tái sử dụng.

Kết luận

• Vật liệu chitosan biến tính khâu mạch gắn acid citric (CTSK-CT) có khả năng hấp phụ ion Zn(II) cao với khả năng hấp phụ cực đại 82,5 mg/g.
• Quá trình hấp phụ tuân theo động học giả bậc hai và mô hình đẳng nhiệt Langmuir, Freundlich, Temkin, Redlich-Peterson.
• Điều kiện hấp phụ tối ưu là pH 5, thời gian tiếp xúc 420 phút, liều lượng vật liệu 0,1 g/50 ml dung dịch.
• Hiệu suất tách loại Zn(II) trong mẫu nước thải thực tế đạt trên 99%, chứng minh tính khả thi ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp.
• Đề xuất mở rộng nghiên cứu, phát triển quy trình sản xuất và ứng dụng công nghệ trong thực tế nhằm bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

Khuyến khích các đơn vị xử lý nước thải áp dụng vật liệu CTSK-CT, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng để xử lý đa kim loại và phát triển hệ thống tái sinh vật liệu hiệu quả.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU I.TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC 1. Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc Năm 2005, Patchra K. và cộng sự [44] đã sử dụng chitosan dạng vảy (độ deacetyl 85%) để tách và làm giàu đồng thời các ion Cu, Pb và Cd trong dung dịch lỏng cho kỹ thuật phân tích phổ hấp thụ nguyên tử (AAS). Nghiên cứu ảnh hƣởng của pH đƣợc duy trì ở khoảng pH 5- 8.

% hấp phụ các ion Cu, Pb và Cd cao nhất tại pH 6 và hiệu suất đạt đƣợc lần lƣợt là 66%, 45% và 62% ứng với 25ml dung dịch ion kim loại có nồng độ ban đầu là 40 mg/L trong 0,2 g chitosan. Nồng độ EDTA thích hợp để giải hấp các ion kim loại sau khi đƣợc hấp phụ là 0,1M ở pH 6. Theo nghiên cứu này, nhóm amino và hydroxyl trên bề mặt của chitosan tạo phức chelate mạnh với nhiều ion kim loại và có thể sử dụng chitosan để loại Cu2+, Pb2+ và Cd2+ ra khỏi nƣớc thải. Tác giả cũng đã kết luận có thể sử dụng chitosan dạng vảy để làm giàu ion kim loại trong nƣớc thiên nhiên.

Năm 2006, Ping Ding và cộng sự [46] đã nghiên cứu hấp phụ Zn(II) trên các dẫn xuất của chitosan (KCTS và HKCTS). KCTS đƣợc tổng hợp từ phản ứng của chitosan và axit α-ketoglutaric, HKCTS đƣợc tổng hợp từ phản ứng của KCTS và dicyclohexylcarbodiimide và hydroxylamine hydrochloride. Khả năng hấp phụ của các dẫn xuất chitosan bắt đầu đạt trạng thái bão hòa khi nồng độ kẽm trong pha rắn vƣơn tới 20mg/g. Năm 2006, Wan Ngah và cộng sự [65] đã nghiên cứu hấp phụ chromium trong dung dịch lỏng trên chitosan dạng hạt.

Nghiên cứu ảnh hƣởng của pH cho thấy, đối với Cr(III), khả năng hấp phụ đạt cực đại tại pH 5, ở pH 6 Cr(III) bắt đầu bị kết tủa. Đối với Cr(VI), khả năng hấp phụ đạt cực đại tại pH 3. Mô hình hấp phụ Langmuir và Freundlich đƣợc dùng để mô tả cân bằng hấp phụ của chromium trên chitosan dạng hạt. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng cân bằng hấp phụ tuân theo mô hình hấp phụ Langmuir, khả năng hấp phụ cực đại tại giá trị pH tối ƣu của mỗi ion Cr(III) và Cr(VI) lần lƣợt là 30,03 và 76,92 mg/g.

Từ kết quả đạt đƣợc, tác giả kết luận rằng chitosan dạng hạt là chất hấp phụ tốt có thể đƣợc sử dụng để loại bỏ các ion Cr(III) và Cr(VI) trong dung dịch nƣớc. -1- Luan van NCKH-T2014-49TD CHƢƠNGI CHƢƠNG I TỔNG QUAN I. CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ NƢỚC THẢI CHỨA KIM LOẠI NẶNG Trong thực tế, một hệ nƣớc thải nào đó có thể chứa một hay nhiều kim loại nặng khác nhau với nồng độ của mỗi kim loại nặng trong đó cũng khác nhau, điều này dẫn đến việc lựa chọn phƣơng pháp xử lý cho phù hợp với mục đích xử lý là rất quan trọng. Dƣới đây tóm tắt một số phƣơng pháp công nghệ đã đƣợc nghiên cứu, áp dụng để xử lý kim loại nặng trong nƣớc thải.

Phƣơng pháp hấp phụ[12, 58] Phƣơng pháp hấp phụ đƣợc sử dụng rộng rãi để làm sạch triệt để nƣớc thải. Đây là phƣơng pháp tối ƣu để loại bỏ các chất ô nhiễm hòa tan hoặc tồn tại dƣới dạng hệ keo. Quá trình hấp phụ đƣợc sử dụng để tách các chất hữu cơ và vô cơ trong nƣớc thải bị ô nhiễm. Quá trình hấp phụ thƣờng sử dụng các chất hấp phụ nhƣ than hoạt tính, đất sét, silicagen, keo nhôm, chitosan,.trong đó than hoạt tính là chất hấp phụ thông dụng nhất.

Bản chất quá trình hấp phụ chính là việc vận chuyển các chất ô nhiễm từ trong nƣớc thải vào bên trong chất hấp phụ. Tốc độ quá trình hấp phụ phụ thuộc vào nồng độ, bản chất và cấu trúc của các chất tan, nhiệt độ của nƣớc, loại và tính chất của chất hấp phụ. Nhiều kết quả thực nghiệm sử dụng phƣơng pháp này để xử lý kim loại nặng đem lại kết quả khá tốt. Phƣơng pháp điện hóa[41, 58] Phƣơng pháp điện hóa sử dụng các quá trình oxy hóa của anot và khử của catot, đông tụ điện, …để làm sạch nƣớc thải khỏi các tạp chất hòa tan và phân tán.

Phƣơng pháp điện hóa cho phép lấy ra từ nƣớc thải các sản phẩm có giá trị bằng các công nghệ tƣơng đối đơn giản và có thể tự động hóa hoàn toàn mà không cần sử dụng các tác nhân hóa học. Quá trình có thể tiến hành một cách gián đoạn hoặc liên tục. Hiệu suất xử lý của quá -7- Luan van NCKH-T2014-49TD CHƢƠNGI trình phụ thuộc vào các yếu tố nhƣ mật độ dòng điện (A/cm2), điện áp một chiều dùng trong thiết bị xử lý (Vôn), hệ số sử dụng hữu ích điện áp, hiệu suất theo dòng, hiệu suất theo năng lƣợng. Phƣơng pháp điện hóa bao gồm hai quá trình song song: - Quá trình oxy hóa anot - Quá trình khử catot Trong đó quá trình khử catot đƣợc ứng dụng để loại bỏ các ion kim loại ra khỏi nƣớc thải dƣới dạng bùn cặn nhằm chuyển các cấu tử gây ô nhiễm thành các hợp chất ít độc hơn hoặc về dạng dễ tách ra khỏi nƣớc nhƣ cặn, khí.

Quá trình này có thể đƣợc sử dụng để làm sạch nƣớc thải chứa các ion kim loại nhƣ: Pb2+, Sn2+, Hg2+, Cu2+, As3+ và Cr6+. Phƣơng pháp điện hóa sử dụng trong xử lý nƣớc thải để khử độc hoặc thu hồi kim loại quý trên điện cực anot dƣới tác dụng của dòng điên một chiều, chẳng hạn nhƣ nƣớc thải mạ niken, mạ bạc, các nhà máy làm giàu quặng kim loại, các xƣởng tẩy gỉ kim loại. Phƣơng pháp trao đổi ion [58] Phƣơng pháp trao đổi ion cũng đƣợc dùng để tách các kim loại ( Zn, Cu, Cr, Ni, Hg, Cd, V, Mn,.), các hợp chất của As, P, CN- và các chất phóng xạ ra khỏi nƣớc. Phƣơng pháp này cho phép thu hồi các chất có giá trị với độ thu hồi hiệu quả cao.

Tuy nhiên do đầu tƣ kinh phí cho hệ thống xử lý bằng phƣơng pháp này rất lớn nên trong thực tế hiện nay ở Việt Nam mới chỉ áp dụng để làm mềm nƣớc sử dụng cho lò hơi, sản xuất hóa chất tinh khiết, hóa dƣợc… Bản chất của quá trình trao đổi ion là quá trình tƣơng tác pha rắn với dung dịch trong đó chất rắn có thể trao đổi các ion của nó với các ion khác có trong dung dịch. Các cấu tử của pha rắn này đƣợc gọi là ionit không tan trong nƣớc. Các ionit có khả năng hấp thụ các ion dƣơng đƣợc gọi là cationit và các ionit có khả năng hấp thụ các ion âm đƣợc gọi là anionit. Nếu ionit vừa trao đổi cation và anion ngƣời ta gọi chúng là ionit lƣỡng tính.

Cationit có tính axit, còn anionit có tính kiềm. -8- Luan van NCKH-T2014-49TD CHƢƠNGI Ví dụ khi xử lý nƣớc thải mạ điện chứa ion Ni xảy ra các phản ứng hóa học chính nhƣ sau: Khi dùng nhựa cationit gốc axit mạnh (-SO3H) Ni2+ + 2HR  NiR2 + 2H+ Phản ứng hoàn nguyên cationit dùng H2SO4 5%: NiR2 + nH+  2HR + Ni2+ + (n-2)H+ Các phản ứng trao đổi trên diễn ra cho đến khi phản ứng đạt trạng thái cân bằng. Tốc độ phản ứng phụ thuộc vào các yếu tố: chế độ thủy lực của dòng nƣớc thải trong thiết bị trao đổi ion, nồng độ các ion kim loại trong nƣớc thải, lƣợng cặn bẩn trong nƣớc thải, tính chất của các hạt ionit cũng nhƣ của các ion cần trao đổi trong nƣớc thải. Các chất trao đổi ion có thể là các chất có nguồn gốc vô cơ hoặc hữu cơ nhƣ: zeolit, đất sét, fensfat, silicagen, than hoạt tính… Quá trình trao đổi ion có thể tiến hành qua một số giai đoạn: 1.

Vận chuyển các ion A từ trong dòng chất lỏng đến mặt ngoài màng biên bao quanh hạt ionit. Khuếch tán các ion qua lớp biên. Vận chuyển ion qua bề mặt phân chia pha vào hạt nhựa. Khuếch tán ion A vào trong hạt đến các nhóm trao đổi ion 5.

Phản ứng trao đổi ion A và B. Khuếch tán ion B bên trong hạt đến bề mặt phân chia pha. Chuyển ion B qua bề mặt phân chia pha đến mặt trong màng biên. Khuếch tán ion B qua màng.

Khuếch tán ion B vào trong lòng chất lỏng. Phƣơng pháp kết tủa [12, 58] Phƣơng pháp kết tủa đƣợc sử dụng nhiều trong xử lý nƣớc thải chứa kim loại nặng. Các tác nhân kết tủa thƣờng đƣợc sử dụng là các hydroxyl, cacbonat, sunphat kim loại -9- Luan van NCKH-T2014-49TD CHƢƠNGI kiềm và một vài chất khác. Nhiều hydroxyt kim loại kết tủa ở pH từ 8 – 11, chúng đƣợc tách ra khỏi dung dịch.

Các ion kim loại Mn2+, Ni2+, Co2+ có thể đƣợc loại bỏ hoàn toàn bằng phƣơng pháp kết tủa nhờ các tác nhân kết tủa Ca(OH)2 hay NaOH, Na2CO3. Độ tan của các hydroxyt kim loại nặng đạt tới giá trị nhỏ nhất thƣờng là tại giá trị pH trong khoảng 9 – 11, sau đó tăng dần theo sự tăng các giá trị pH do sự tạo thành của các phức hydroxyt tan theo phản ứng sau: Zn(OH)2(r) + OH-  Zn(OH)- 3 Ví dụ: Quá trình phản ứng kết tủa Ni2+ xảy ra theo phản ứng sau (ở điều kiện pH = 9 – 11) NiSO4 + Ca(OH)2  Ni(OH)2 + CaSO4 Các ion kim loại sau khi đƣợc chuyển vào kết tủa dƣới dạng hydroxyt kim loại đƣợc tách ra bằng phƣơng pháp lắng, lọc. Sau đó ngƣời ta điều chỉnh pH về giá trị 5,5 – 8 trong giá trị cho phép của nƣớc thải. Phƣơng pháp keo tụ [58] Keo tụ là hiện tƣợng tạo thành tập hợp lớn từ các tập hợp nhỏ, do nhiều cơ chế khác nhau có thể chia thành hai giai đoạn chính là khử tính bền của hạt keo và tạo ra liên kết ngang giữa chúng.

Keo tụ là phƣơng pháp làm trong và khử màu nƣớc thải bằng cách dùng các chất keo tụ hoặc các chất trợ keo tụ để liên kết các chất bẩn ở dạng lơ lửng và tạo thành các bông có kích thƣớc lớn hơn. Các bông đƣợc tách ra khỏi nƣớc thải bằng cách lắng, lọc. Trong quá trình keo tụ ngoài việc tách bỏ các kim loại nặng ta còn đồng thời loại bỏ đƣợc cả những hạt keo không thể loại bỏ đƣợc bằng phƣơng pháp thông thƣờng. Các chất keo tụ thƣờng đƣợc sử dụng là phèn nhôm, muối sunphat sắt để tách các ion kim loại nặng nhƣ Pb2+, Cd2+, Cr6+, Zn2+, Ni2+, Hg2+, Co2+,… 1.

Xử lý kim loại nặng bằng phƣơng pháp sinh học [58] Phƣơng pháp sinh học để xử lý kim loại nặng trong nƣớc thải hiện nay đã đƣợc nhiều chuyên gia công nghệ trong và ngoài nƣớc tập trung nghiên cứu và đã đạt đƣợc một số kết quả nhất định. - 10 - Luan van NCKH-T2014-49TD CHƢƠNGI Nguyên lý của phƣơng pháp này là sử dụng các vi sinh vật để tiêu hủy các ion kim loại nặng trong nƣớc thải.