Đặt vấn đề Như chúng ta đã biết cũng như đất, không khí và ánh sáng, nước cũng đóng một vai trò quan trọng tác động đến sự tồn tại và phát triển của các loài sinh vật và đời sống con người trên trái đất. Cùng với quá trình phát triển về kinh tế, xã hội, các cơ sở hạ tầng, giao thông, khoa học – công nghệ của loài người đang ngày một vượt bậc, các nguồn tài nguyên này đang dần bị suy giảm về tính chất. Có thể nói nguồn tài nguyên nước đóng vai trò đặc biệt quan trọng như: Phục vụ cho mục đích sinh hoạt của con người, trong sản xuất nông nghiệp, nhu cầu thiết yếu đối với cây trồng và các loài động vật, vi sinh vật. thế nhưng do xã hội ngày càng phát triển để tạo ra của cải vật chất đáp ứng nhu cầu sử dụng của con người đã dẫn đến môi trường nước ngày càng ô nhiễm.
Nguyên nhân là do các loại chất thải của các khu công nghiệp, hoạt động sinh hoạt, các trang trại chăn nuôi, các loại phân bón và hóa chất bảo vệ thực vật. đã không được xử lý hoặc xử lý không triệt để dẫn đến nguồn nước ngầm và nguồn nước mặt trên các ao hồ, sông, suối. bị ô nhiễm nghiêm trọng ảnh hưởng đến môi trường sống của con người và sinh vật. Một trong những vấn đề ô nhiễm nguồn nước có thể kể đến như ô nhiễm kim loại nặng: Pb, Cd, As, Cr,.
ô nhiêm nước do vi sinh vật và ô nhiễm nước mặt. Ngoài những vấn đề ô nhiễm nước trên có thể kể đến một dạng ô nhiễm nước điển hình đó là ô nhiễm do PO43-, nguyên nhân gây nên dạng ô nhiễm này là do các hợp chất photphat được tìm thấy trong nước thải hay được thải ra trực tiếp vào nguồn nước mặt phát sinh từ: Thất thoát từ phân bón có trong đất, chất thải từ người và động vật, các hóa chất tẩy rửa. Để xử lý cho vấn đề ô nhiễm nguồn nước đã có rất nhiều các nghiên cứu khoa học, các công nghệ áp dụng trong xử lý nước thải đã được ứng dụng và xử lý rất triệt để. h 2 Các vật liệu nguồn gốc tự nhiên đã được nghiên cứu và ứng dụng như: vỏ trấu, bã mía, xơ dừa, vỏ sò, xỉ than,… Trai cánh mỏng (Cristaria bialata) là một loài sinh vật phổ biến sinh sống ở các sông, hồ, đầm, ao trong vùng đồng bằng và trung du Bắc Bộ nước ta.
Vỏ trai cánh mỏng có cấu tạo chính từ thành phần canxi cacbonat, với đặc điểm có hình elip dài, chiều dài có thể tới 23 - 25 cm, vỏ trai cánh mỏng có khả năng hấp phụ một số chất.[15] Từ những vấn đề nêu trên, đề tài: “Nghiên cứu tận dụng vỏ trai cánh mỏng (Cristaria bialata) hấp phụ photphat (PO43-) ô nhiễm trong nước thải” được tiến hành. Mục tiêu của đề tài 1.1 Mục tiêu chung Nghiên cứa khả năng xử lý photpho (PO43-) trong nước thải ô nhiễm bằng bột vỏ trai cánh mỏng. Mục tiêu cụ thể - Ngiên cứu đặc điểm hấp phụ của vỏ trai cánh mỏng. - Xác định được ảnh hưởng của các yếu tố như: Nồng độ (PO43-) đầu vào, tốc độ dòng vào, khối lượng lớp vật liệu hấp phụ, thời gian xử lý đến khả năng hấp phụ (PO43-) của bột vỏ trai.
Yêu cầu của đề tài - Thí nghiệm được bố trí và thực hiện trong phòng thí nghiệm, được theo dõi, ghi chép cụ thể. - Số liệu phải chính xác, khách quan. Ý nghĩa của đề tài 1. Ý nghĩa trong học tập và nghiên cứu khoa học - Nâng cao kiến thức, kỹ năng và rút ra kinh nghiệm thực tế phục vụ công tác nghiên cứu sau này.
- Vận dụng và phát huy các kiến thức đó vào thực tế. h 3 - Bổ sung tư liệu cho học tập. Ý nghĩa trong thực tiễn - Giới thiệu mô hình xử lý nước thải ô nhiễm photphat (PO43-) bằng bột vỏ trai cánh mỏng, có khả năng xử lý với hiệu suất cao. h 4 PHẦN 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.
Cơ sở khoa học của đề tài 2. Một số khái niệm Khái niệm về môi trường Theo khoản 1 điều 3 Luật Bảo vệ Môi trường Việt Nam năm 2014, môi trường được định nghĩa như sau: “Môi trường là hệ thống các yếu tố vật chất tự nhiên và nhân tạo có tác động đối với sự tồn tại và phát triển của con người và sinh vật”.[1] Khái niệm về ô nhiễm môi trường: “Ô nhiễm môi trường là việc chuyển các chất thải hoặc nguyên liệu vào môi trường đến mức có khả năng gây hại cho sức khỏe con người và sự phát triển của sinh vật hoặc làm giảm chất lượng môi trường sống”. Khái niệm nước thải Nước thải là “một dạng lỏng hòa tan hay trộn lẫn giữa nước (nước dùng, mước mưa, nước mặt, nước ngầm…) và chất thải từ sinh hoạt, sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, thương mại, du lịch, vui chơi giải trí, giao thông vận tải…”[7] Khái niệm hấp phụ Theo Wikipedia tiếng Việt: Hấp phụ, trong hóa học là quá trình xảy ra khi một chất khí hay chất lỏng bị hút trên bề mặt một chất rắn xốp hoặc là sự gia tăng nồng độ của chất này trên bề mặt chất khác. Chất khí hay hơi được gọi là chất bị hấp phụ (adsorbate), chất rắn xốp dùng để hút khí hay hơi gọi là chất hấp phụ (adsorbent) và những khí không bị hấp phụ gọi là khí trơ.
Quá trình ngược lại của hấp phụ gọi là quá trình giải hấp phụ hay nhả hấp phụ.[22] h 5 Phân loại hấp phụ: Người ta phân làm 2 loại hấp phụ: hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học. Hấp phụ vật lý: Các phân tử chất bị hấp phụ liên kết với những tiểu phân (nguyên tử, phân tử, các ion…) ở bề mặt phân chia pha bởi lực VanderWaals yếu. Đó là tổng hợp của nhiều loại lực khác nhau: Tĩnh điện, tán xạ, cảm ứng và lực định hướng. Các phân tử của chất bị hấp phụ và chất hấp phụ không tạo thành hợp chất hoá học (không tạo thành các liên kết hóa học) mà chất bị hấp phụ chỉ ngưng tụ trên bề mặt phân chia pha và bị giữ lại trên bề mặt chất hấp phụ.
Do vậy, trong quá trình hấp phụ vật lý không có sự biến đổi đáng kể cấu trúc điện từ của cả chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Ở hấp phụ vật lý, nhiệt hấp phụ không lớn, năng lượng tương tác thường ít khi vượt quá 10 kcal/mol, phần nhiều từ 3 ÷ 5 kcal/mol và năng lượng hoạt hóa không vượt quá 1 kcal/mol. Hấp phụ hóa học: Xảy ra khi các phân tử chất hấp phụ tạo hợp chất hóa học với các phân tử chất bị hấp phụ. Lực hấp phụ hóa học khi đó là lực liên kết hóa học thông thường (liên kết ion, cộng hóa trị, liên kết phối trí…) Nhiệt hấp phụ hóa học tương đương với nhiệt phản ứng hóa học và có thể đạt tới giá trị 100 kcal/mol.
Cấu trúc điện tử của cả chất hấp phụ và chất bị hấp phụ đềucó sự biến đổi sâu sắc, tạo thành liên kết hóa học. Hấp phụ hóa học gây ra bởi lực liên kết hóa học giữa bề mặt chất hấp phụ và phần tử chất bị hấp phụ, liên kết này bền, khó bị phá vỡ.[13] Trong thực tế, sự phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học chỉ là tương đối vì ranh giới giữa chúng không rõ rệt. Trong một số quá trình hấp phụ xảy ra đồng thời cả hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học. Ở vùng nhiệt độ thấp xảy ra quá trình hấp phụ vật lý, khi tăng nhiệt độ khả năng hấp phụ vật lý giảm và khả năng hấp phụ hóa học tăng lên [6].
h 6 Chất hấp phụ là chất mà phần tử ở lớp bề mặt có khả năng hút các phần tử của các pha khác nằm tiếp xúc với nó. Chất bị hấp phụ là chất bị hút ra khỏi pha thể tích đến tập trung trên bề mặt chất hấp phụ. Thông thường quá trình hấp phụ là một quá trình tỏa nhiệt. Phương pháp hấp phụ động Hấp phụ động là kỹ thuật có nhiều ưu điểm trong thực tiễn ứng dụng, tuy vậy việc thiết kế đúng một hệ hấp phụ khá phức tạp, trong nhiều trường hợp cần phải tiến hành nghiên cứu dạng pilot trước khi thiết kế hệ hoạt động sản xuất.
Một thiết bị chứa chất bị hấp phụ gọi là cột hấp phụ. Một dòng chất (lỏng, khí) chứa chất bị hấp phụ được đưa liên tục vào cột. Chất bị hấp phụ được giữ lại trong cột và chỉ xuất hiện ở phía đầu ra khỏi cột khi chất hấp phụ đã bão hòa dung lượng. Nếu theo dõi sự biến đổi của nồng độ chất hấp phụ theo thời gian, tức là theo dõi dải nồng độ theo thời gian (t = L/vc) sẽ nhận được đường cong thoát.
Mục tiêu thực tiễn của nghiên cứu động lực hấp phụ là xác định (thiết kế) được thời gian hoạt động của một cột hấp phụ từ các số liệu thực nghiệm, đánh giá sự hao hụt dung lượng hấp phụ khi sử dụng phương pháp dòng chảy. Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ Hấp phụ là một quá trình phức tạp, nó chịu ảnh hưởng bởi một số yếu tố chính sau[7]: Ảnh hưởng của dung môi: hấp phụ trong dung dịch là hấp phụ cạnh tranh nghĩa là khi chất tan bị hấp phụ càng mạnh thì dung môi bị hấp phụ càng yếu. Độ xốp của chất hấp phụ: khi kích thước mao quản trong chất hấp phụ giảm thì sự hấp phụ từ dung dịch thường tăng lên. Nhưng đến một giới hạn nào đó, kích thước mao quản quá nhỏ sẽ cản trở sự đi vào của chất bị hấp phụ.
h 7 Nhiệt độ: khi tăng nhiệt độ sự phụ thuộc trong dung dịch giảm, tuy nhiên đối với những cấu tử tan hạn chế, khi tăng nhiệt độ, độ tan tăng làm cho nồng độ của nó trong dung dịch tăng lên, do vậy khả năng hấp phụ cũng có thể tăng lên. pH của môi trường: ảnh hưởng nhiều lên tính chất bề mặt của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ trong dung dịch, nên cũng ảnh hưởng tới quá trình hấp phụ. Ngoài ra còn có các yếu tố khác như: nồng độ của chất tan trong dung dịch, áp suất đối với chất khí, quá trình hấp phụ cạnh tranh đối với các chất bị hấp phụ. - Khái niệm về nguồn nước Nước mặt: Thủy quyển là một thành phần cơ bản của môi trường tự nhiên, bao gồm toàn bộ nước của các đại dương, sông, suối, ao, hồ, đầm, kênh rạch, nước ngầm, băng tuyết và hơi ẩm trong không khí.
Khoảng 97% lượng nước trên thế giới là nước mặn. Nước ngọt chiếm tỉ lệ rất nhỏ khoảng 3% [21].